柴油机排放后处理技术

柴油机排气后处理技术的探讨

摘要

围绕车用柴油机排放控制这一主题。对国内外柴油机排放法规的发展趋势进行了综述。对满足面向世界排放法规的柴油机排气后处理控制技术进行了探讨。

关键词：柴油机排放法规排气后处理微粒捕集器微粒氧化催化器选择性

催化还原低温等离子

引言

柴油机在节能与CO

排放方面的优势是包括汽油机在内的所有热力发动机无

2

法取代的。柴油机排气中有PM, N Ox , HC 和CO 等有害污染物, 其中PM 和NOx 是排放法规的主要控制对象。为减轻柴油机对大气环境的污染, 各国排放法规越来越严格。在发动机常用工况范围内, 仅采用机内措施降低PM 和NOx 排放已逐渐趋于极限, 只有对柴油机排气采取后处理净化措施, 才能满足未来更为严格的排放法规。目前常用的排气后处理技术主要有针对PM的氧化催化转化器DOC、颗粒捕集器DPF,针对NOx排放的选择性催化还原技术SCR、稀燃NOx 捕集技术LNT 、低温等离子技术等。

一、国内外排放法规

目前世界上已形成以美国、欧洲、日本为代表的三大排放法规体系, 其他各国基本上是采纳其中一种。图1 和图2 示出欧美及中国重型柴油机PM 和NOx 的部分排放法规限值的对比。图中欧洲和中国采用的是欧洲稳态测试循环下的限值, 美国采用的是瞬态工况标准测试循环下的限值。

图1 欧洲、美国和中国的NO

图2 欧洲、美国和中国的PM

X

排放限值排放限值

由图1 和图2 可以看出: 美国由U S2002 至U S2010, NOx 排放限值由5. 36 g/ ( kW h) 降低到0. 27 g/ ( kW h) , 减少95% , PM 排放限值由0. 13 g/ ( kW h) 降低到0. 013 g / ( kW h) , 减少90%, 过渡时间为8 年; 欧洲从2000 年的欧#标准到2008 年的欧! 标准, NOx 排放限值由5. 0 g / ( kW h) 降低到2. 0 g/ ( kW h) , 减少60%, PM 排放限值由0. 1 g/ ( kW h) 降低到0. 02 g/ ( kW h) , 减少80% , 过渡时间为8 年; 我国自2007 年国III( 欧III) 标准到2012 年的国V( 欧V) 标准, 过渡时间仅为5 年。日趋严格的排放法规推动着国内柴油机技术和燃油制备技术的迅速发展, 同时也使其面临严峻的考验。

二、几种常见柴油机排放后处理技术

1． DOC (Diesel Oxidation Catalyst)技术

柴油机氧化催化器(DOC)以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的SOF的含量从而降低PM的排放。系统及实物见图4 。其氧化原理与汽油机三效催化器氧化HC和CO的原理基本一样。同时可以有效减少排气中的HC，CO。氧化催化器可以除去90％的SOF，从而使PM排放减少40％~50％。其对HC 和CO的处理效率可以分别达到88％，68％。

DOC同时对于目前排放法规还未限制的有害成分(如多环芳香烃，乙醛等)都能净化。研究表明DOC可以使有毒的部分减少68％，多环芳香碳氢化合物排

放减少56％，乙醛减少70％。自1995年以后，全世界至少有50万辆的卡车和公共汽车加装了DOC系统。（DOC系统及实物图如图3。）

图3 DOC系统及实物图

2． DPF (Diesel Particulate Filter)技术

柴油机微粒捕集器( Diesel Part iculate Filter,DPF 图4) 是目前公认的有效的柴油机微粒后处理技术, 它利用过滤体对排气中的PM 进行过滤处理, 需定时对过滤器内的沉积PM 进行清除, 即DPF 再生。再生通常采用PM 燃烧的方式来实现。一般情况下, PM 起燃温度一般为550~ 650℃ , 要高于柴油机的正常排气温度。因此, 要使PM 燃烧, 一是通过在燃油或者过滤体表面加入催化剂, 降低PM 的反应活化能, 从而降低PM 的起燃温度, 在正常排气温度下使其氧化, 即被动再生; 二是采用加热技术提高柴油机排气温度或过滤体的温度, 达到PM 起燃温度, 使过滤体内沉积的PM 得以燃烧, 即主动再生。

图4 DPF及其基料

3．SCR (Selective Catalytic Reduction)技术

对于排气中的NOx ,目前采用的比较成熟的后处理技术是利用尿素水溶液

( 体积分数为32. 5±0. 5%) , 将NOx还原为N

2和H

2

O, 即选择性催化还原技术

( Select ive Catalyt ic Reduct ion, SCR) 。NH3-SCR 在与NOx 反应时主要有以下4个反应:

4NH

3+ 4NO+ O2 →4N

2

+ 6H

2

O , ( 1)

4NH

3 + 2NO+ 2NO

2

→ 4N2+ 6H

2

O , ( 2)

6NO

2+ 8NH3 →7N

2

+ 12H

2

O , ( 3)

4NH3+ 3O2 2N2+ 6H2O 。( 4)

反应( 1) 为标准SCR 反应, 由于排气中的NO与NO

2

的比例一般在9：1 以上, 此时SCR 催化器中主要发生标准SCR 反应。反应( 2) 称为快速SCR 反应, 研究表明, 此反应可以在较低温度下进行, 并且在较低温度下反应速率是标准SCR 反

应的17 倍。提高NOx 中NO

2

的比例可以使SCR 在较低温度下发生快速SCR 反应, 有利于提高N Ox 转化率。因此, 提高尾气中NO2 的比率是提高SCR 转化率的有效途径。SCR 本身对S 不敏感, 我国燃油品质较差, 含S量偏高, 因此SCR 适合

在我国使用。但是SCR 技术通常需要前置DOC 调节NO

2

比例, 或者后置DOC 来处理泄漏的NH3 , 而DOC 一般都是对S 敏感的, 这就影响了SCR 在国内的应用。只