柴油机排放颗粒物净化技术研究进展
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3. 1 车用柴油机排放有关标准 轻型柴油车的排放标准首先是于 1970年在美
国颁布的。后来随着人们对 PM 及 NO x 等污染物危 害认识的逐步加深, 很多国家都制定了相应的柴油 车排放标准。在最近几年中, 对车用柴油机的排放, 尤其是其 PM 和 NOx 的排放, 提出了越来越严格的 限制。美国、欧盟和我国柴油车的排放标准分别如 表 3、表 4和表 5所示。
由此可见, 我国的柴油车的排放标准明显低于 美国及欧盟柴油车的排放标准。从全国车用柴油机 排放普测报告中可知, 我国车用柴油机的微粒排放 水平在 0 36~ 2 14 g / kW h。与国外相比还有很 大差距 [ 15] 。 3. 2 柴油机排放颗粒物净化技术 3. 2. 1 过滤捕集技术
过滤器 ( 通常称为颗粒捕集器 ) 是减少柴油机 颗粒物最直接的方法, 也是目前国际上最接近商品 化的柴油机微粒后处理技术 [ 5] 。其利用的是碰撞、 拦截和扩散的机械过滤原理。常用的过滤器有壁流 式陶瓷体、泡沫陶瓷体、金属丝网和陶瓷纤维。前 2 种结构属于表面型微粒捕集器, 后 2种结构为体积 型微粒捕集器。表面型微粒捕集器中微粒聚积在过
的柴油机微粒质量浓度 /数量浓度粒径分布如图 2 所示 [ 10] 。
图 2 典型的柴油机微粒质量 浓度 /数量浓度粒径分布
F ig. 2 T ypical diese l particle size d istr ibu tion both m ass and num be r w eigh tings
表 5 中 国重载柴油车排放标准 ( g /kW h) Tab le 5 Ch inese h eavy du ty em ission standard s
生效时间
CO
HC
NO x
PM
产生光化学反应的机会。美国的一项研究表明, 硫酸
2000. 9
4. 5
1. 1
8. 0
0. 36
盐和空气微粒污染最严重城市和最轻微城市之间的
究工作。 E m ai:l jianguozou@ 163. com
8
环境 污染 治理 技 术与 设备
第 6卷
时间极短, 造成混合气浓度分布极不均匀, 部分燃油 分子在高温缺氧条件下发生氧化和热裂解, 生成各 种不饱和烃类, 并进一步脱氢形成原子级的碳粒子, 再逐渐聚合成直径 2 nm 左右的碳烟核心 ( 碳 核 ) ; 碳核再相互碰撞而凝聚, 形成基本碳烟粒子。其表 面积非常大, 具有很强的吸附能力, 能够吸附来自燃 油和机油中的未燃碳氢物质以及燃油中的硫被氧化
( 1 南京理工 大学化工学院, 南京 210094; 2 南昌大学, 南昌 330029)
摘 要 柴油机 被认为是城市大气微粒的主要污染源。柴油机 颗粒物 组成复 杂并且 颗粒粒 径甚小, 大都 属于亚 微米 级粒子和纳米级粒子 。因而柴 油机颗粒物对人类健康和大气环境的影响受到世人的广泛关 注。本文主要 对柴油机排 放颗 粒物的生成机理、化学组成及危害、物理性质、检测方法和净化技术等方面进行综述 与探讨。
Abstract D iese l engines are thought as m ajor sources o f f ine particles in urban a ir. P art iculate m atter ( PM ) in the exhaust gas of diese l eng ine has comp licated chem ical composition and m ost of them are in the sub m icron size partic les and nanom eter size particles range. So m uch a ttention w orldw ide has been attracted to the in fluence of d iesel particles on hum an hea lth and the env ironm en.t In th is paper, the form at ion, com posit ion, physica l properties, and harm fulness o f the diese l part iculate are introduced and the purif ication m ethods of diese l particu late m atter are discussed.
2 柴油机排放颗粒物生成机理及性质
2. 1 柴油机排放颗粒物生成机理及形态 柴油机排放颗粒物产生的主要原因是由于燃料
燃烧不均匀, 部分燃料燃烧不完全, 在高温缺氧条件 下氧化、裂解而形成。柴油机的燃料喷射是在燃烧 开始前瞬间内进行的, 属于扩散混合过程, 由于混合
基金项目: 江苏省自然科学基金重点资助项目 ( BK 2004 216) 收稿日期: 2004 - 10- 31; 修订日期: 2005- 03 - 28 作者简介: 邹建国 ( 1957 ~ ) , 男, 副教授, 主 要从事大 气污染控 制研
表 2 SOF的组成 T ab le 2 Th e com position of the solub le organ ic frac tion
百度文库
类 别 含量 (质量百分比 )
构成
酸类
3~ 15
脂肪族和芳香族酸, 苯酚
碱类
1~ 2
脂肪族和芳香族碱, 胺
烷烃类
34~ 65
直链及支链烷烃, 未燃油
芳烃类
关键词 柴油机 颗粒物 净化技术
中图分类号 X511 文献标识码 A 文章编号 1008 9241( 2005) 09 0007 05
R eview of purification m ethod of diesel engine particulate m atter
Zou Jianguo1, 2 Zhong Q in1
悬浮于大气中人们的呼吸高度内, 危害极大。因此, 柴油机的排放控制, 尤其是颗粒物净化技术成为了 人们关注的焦点。
长期以来, 国内外学者围绕柴油机排放控制进 行了大量的研究探索工作, 研究重点分为机内净化 和机外净化 2个方面。本文主要对柴油机排放颗粒 物的生成机理、化学组成、物理性质、检测方法和机 外净化技术等方面进行综述与探讨。
与汽油机相比, 柴油机废气中碳氢化合物 ( H C) 和一氧化碳 ( CO ) 含量较低, 通常仅为汽油机的十几 分之一。氮氧化物 ( NO x )排放量与汽油机大致处于 同一数量级。但碳烟颗粒物 ( PM ) 排放水平远高于 汽油机 ( 约为汽油机的 30 ~ 100倍 )。经证实颗粒 物中的可溶性有机成分 ( SOF ) 具有诱变作用, 其中 的苯并 ( a) 芘等多环芳香性化合物 ( FAH ) 具有致癌 和促癌作用。并且排放微粒的粒径极小, 大都属于 亚微米级粒子和纳米级粒子 [ 1, 2 ] , 排放后能长时间
柴油机排放微粒的形成过程是一个非常复杂的 化学物理过程。其整个生成过程中的化学反应、物 理变化以及化学反应动力学过程尚不完全清楚; 基 本碳烟粒子外层是否均被碳氢化合物等所包裹也未 能证实; 碳氢化合物、硫酸盐及灰分等在其上面的赋 存形态如何, 这些都还有待于进一步的研究。 2. 2 碳烟颗粒物组成及粒径分布
3~ 4
单环及多核芳香族化合物
氧化类
7 ~ 15
脂肪族和芳香族醛及酮含氧化物
不稳定类
1~ 6
甲酮、乙醛和乙醚等
不溶性类
6 ~ 25
高分子有机物、无机物, 不溶物
研究柴油机排放颗粒物的粒径大小及其分布具 有重要意义。常用的检测手段有亚微米气溶胶粒子
电子分析仪 ( EAA ) 、冷凝核计数仪 ( CNC )、电子显 微镜 ( TEM ) 等。国内外学者做了大量的研究工作, 结果表明, 90% ( 质量百分数 ) 以上的微粒 < 1 m, 几乎都属于亚微米级粒子和纳米级粒子 [ 1~ 3] 。典型
表 1 柴油机颗粒物的组成 T ab le 1 T he composition of typ ical d iesel particles
成分 碳颗粒物 (干碳烟 DS) 可溶性有机成分 ( SOF)
硫酸盐
质量分数 (% ) 40~ 50 35~ 45 5~ 10
可溶性有机成分 ( SOF ) 组成非常复杂, 国内外 学者利用气相色谱 质谱联用技术 ( GC /M S ) 等方法 对 SOF 进行了测试 [ 6 ~ 9 ] , 已经证实的有 机物达 100 多种, 碳原子数主要分布在 C14 ~ C44之间, 已查明的 多环芳烃化合物有 26种。有的研究人员按化学成 分或性质分类, 把 SOF 分为碱类、酸类、烷烃类、芳 香烃类、氧化类、不稳定类和不溶性类 (表 2) [ 5] 。
2003. 9
4. 0
1. 1
7. 0
0. 15
死亡率差异约为 15% ~ 17% , 即使在符合目前美国联 邦空气净化标准的城市中, 死亡的危险也比最清洁的 城市要高 2% ~ 8% [ 14 ] 。因此, 柴油机排放微粒对人 体和大气环境有着不容低估的危害。
3 柴油机排放的有关标准及颗粒物净化 技术
表 3 美国公路重 型柴油车排放标准 ( g /PS. h)
滤材料的表面上, 其过滤效果主要受材料孔隙尺寸
第 6卷第 9期 2 0 0 5年 9 月
环境污染治理技术与设备 T echn iques and Equ ipm ent for Env ironm enta l Po llution Contro l
V o l. 6, N o. 9 Sep . 2 0 0 5
柴油机排放颗粒物净化技术研究进展
邹建国 1, 2 钟 秦 1
K ey w ord s d iese l eng ine; particulate m a tter; purificat ion m ethod
1引 言
柴油机以其动力大、效率高、燃油经济性好、适 应性强和功率范围广等优点, 而被广泛应用于交通 运输、工程及农林机械等领域。在运输业, 除占据全 部大吨位机动车市场外, 一些国家 ( 如德国、日本 ) 的中吨位车已全部柴油机化, 轻型载货车则大部分 柴油机化, 小型客车也面临柴油机化趋势。但柴油 机排出的大量有害物质, 也给环境带来了严重污染, 危害着人类的健康。
( 1. Schoo l of C hem ical Engin eering, N an jing U n iversity of Science and T echnology, N an jing 210094; 2. N an chang U n iversity, N an chang 330029 )
柴油机颗粒物的组成包含 2大部分。其一主要 是由碳颗粒物 ( 干碳烟 DS) 、硫酸盐和灰颗粒组成 的不溶性颗粒; 另一组分主要是来源于未完全燃烧 的燃料、机油及其中间产物或悬浮微粒 ( 气溶胶 ) 组 成的可溶性颗粒, 它们在一定温度下能够挥发, 绝大 部分可以溶于某些有机溶剂 (如二氯甲烷和苯等 ) , 故通常称之为可溶性有机成分 ( SOF ) 。碳烟颗粒物 的组成如表 1所示 [ 5] 。
粒径越小, 微粒悬浮于空气中的停留时间越长, 越容易经呼吸道进入肺部, 并在呼吸道及肺部沉积起 来引起呼吸道疾病。研究人员经实验证实, 微粒中的
第 9期
邹建国等: 柴油机排放颗粒物净化技术研究 进展
9
SOF具有诱变作用, 其中的苯并 ( a)芘等多环芳香性 化合物 ( FAH )具有致癌和促癌作用 [ 11~ 13] 。停留时间 长也增加了微粒在大气中受阳光和其他物质作用而
生成的各种硫化物等形成颗粒物排放 (图 1) 。电镜 分析表明, 柴油机排放颗粒物通常呈链状或絮状结 构 [ 3] , 微粒的球形度在 0 6 ~ 0 9之间, 其中尤其以 0 6~ 0 7之间的微粒居多 [ 2] 。微粒比表面积大约 100 m2 /g[ 4] 。
图 1 颗粒物的形成过程 F ig. 1 T he form ation o f d iese l exhaust particles
国颁布的。后来随着人们对 PM 及 NO x 等污染物危 害认识的逐步加深, 很多国家都制定了相应的柴油 车排放标准。在最近几年中, 对车用柴油机的排放, 尤其是其 PM 和 NOx 的排放, 提出了越来越严格的 限制。美国、欧盟和我国柴油车的排放标准分别如 表 3、表 4和表 5所示。
由此可见, 我国的柴油车的排放标准明显低于 美国及欧盟柴油车的排放标准。从全国车用柴油机 排放普测报告中可知, 我国车用柴油机的微粒排放 水平在 0 36~ 2 14 g / kW h。与国外相比还有很 大差距 [ 15] 。 3. 2 柴油机排放颗粒物净化技术 3. 2. 1 过滤捕集技术
过滤器 ( 通常称为颗粒捕集器 ) 是减少柴油机 颗粒物最直接的方法, 也是目前国际上最接近商品 化的柴油机微粒后处理技术 [ 5] 。其利用的是碰撞、 拦截和扩散的机械过滤原理。常用的过滤器有壁流 式陶瓷体、泡沫陶瓷体、金属丝网和陶瓷纤维。前 2 种结构属于表面型微粒捕集器, 后 2种结构为体积 型微粒捕集器。表面型微粒捕集器中微粒聚积在过
的柴油机微粒质量浓度 /数量浓度粒径分布如图 2 所示 [ 10] 。
图 2 典型的柴油机微粒质量 浓度 /数量浓度粒径分布
F ig. 2 T ypical diese l particle size d istr ibu tion both m ass and num be r w eigh tings
表 5 中 国重载柴油车排放标准 ( g /kW h) Tab le 5 Ch inese h eavy du ty em ission standard s
生效时间
CO
HC
NO x
PM
产生光化学反应的机会。美国的一项研究表明, 硫酸
2000. 9
4. 5
1. 1
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盐和空气微粒污染最严重城市和最轻微城市之间的
究工作。 E m ai:l jianguozou@ 163. com
8
环境 污染 治理 技 术与 设备
第 6卷
时间极短, 造成混合气浓度分布极不均匀, 部分燃油 分子在高温缺氧条件下发生氧化和热裂解, 生成各 种不饱和烃类, 并进一步脱氢形成原子级的碳粒子, 再逐渐聚合成直径 2 nm 左右的碳烟核心 ( 碳 核 ) ; 碳核再相互碰撞而凝聚, 形成基本碳烟粒子。其表 面积非常大, 具有很强的吸附能力, 能够吸附来自燃 油和机油中的未燃碳氢物质以及燃油中的硫被氧化
( 1 南京理工 大学化工学院, 南京 210094; 2 南昌大学, 南昌 330029)
摘 要 柴油机 被认为是城市大气微粒的主要污染源。柴油机 颗粒物 组成复 杂并且 颗粒粒 径甚小, 大都 属于亚 微米 级粒子和纳米级粒子 。因而柴 油机颗粒物对人类健康和大气环境的影响受到世人的广泛关 注。本文主要 对柴油机排 放颗 粒物的生成机理、化学组成及危害、物理性质、检测方法和净化技术等方面进行综述 与探讨。
Abstract D iese l engines are thought as m ajor sources o f f ine particles in urban a ir. P art iculate m atter ( PM ) in the exhaust gas of diese l eng ine has comp licated chem ical composition and m ost of them are in the sub m icron size partic les and nanom eter size particles range. So m uch a ttention w orldw ide has been attracted to the in fluence of d iesel particles on hum an hea lth and the env ironm en.t In th is paper, the form at ion, com posit ion, physica l properties, and harm fulness o f the diese l part iculate are introduced and the purif ication m ethods of diese l particu late m atter are discussed.
2 柴油机排放颗粒物生成机理及性质
2. 1 柴油机排放颗粒物生成机理及形态 柴油机排放颗粒物产生的主要原因是由于燃料
燃烧不均匀, 部分燃料燃烧不完全, 在高温缺氧条件 下氧化、裂解而形成。柴油机的燃料喷射是在燃烧 开始前瞬间内进行的, 属于扩散混合过程, 由于混合
基金项目: 江苏省自然科学基金重点资助项目 ( BK 2004 216) 收稿日期: 2004 - 10- 31; 修订日期: 2005- 03 - 28 作者简介: 邹建国 ( 1957 ~ ) , 男, 副教授, 主 要从事大 气污染控 制研
表 2 SOF的组成 T ab le 2 Th e com position of the solub le organ ic frac tion
百度文库
类 别 含量 (质量百分比 )
构成
酸类
3~ 15
脂肪族和芳香族酸, 苯酚
碱类
1~ 2
脂肪族和芳香族碱, 胺
烷烃类
34~ 65
直链及支链烷烃, 未燃油
芳烃类
关键词 柴油机 颗粒物 净化技术
中图分类号 X511 文献标识码 A 文章编号 1008 9241( 2005) 09 0007 05
R eview of purification m ethod of diesel engine particulate m atter
Zou Jianguo1, 2 Zhong Q in1
悬浮于大气中人们的呼吸高度内, 危害极大。因此, 柴油机的排放控制, 尤其是颗粒物净化技术成为了 人们关注的焦点。
长期以来, 国内外学者围绕柴油机排放控制进 行了大量的研究探索工作, 研究重点分为机内净化 和机外净化 2个方面。本文主要对柴油机排放颗粒 物的生成机理、化学组成、物理性质、检测方法和机 外净化技术等方面进行综述与探讨。
与汽油机相比, 柴油机废气中碳氢化合物 ( H C) 和一氧化碳 ( CO ) 含量较低, 通常仅为汽油机的十几 分之一。氮氧化物 ( NO x )排放量与汽油机大致处于 同一数量级。但碳烟颗粒物 ( PM ) 排放水平远高于 汽油机 ( 约为汽油机的 30 ~ 100倍 )。经证实颗粒 物中的可溶性有机成分 ( SOF ) 具有诱变作用, 其中 的苯并 ( a) 芘等多环芳香性化合物 ( FAH ) 具有致癌 和促癌作用。并且排放微粒的粒径极小, 大都属于 亚微米级粒子和纳米级粒子 [ 1, 2 ] , 排放后能长时间
柴油机排放微粒的形成过程是一个非常复杂的 化学物理过程。其整个生成过程中的化学反应、物 理变化以及化学反应动力学过程尚不完全清楚; 基 本碳烟粒子外层是否均被碳氢化合物等所包裹也未 能证实; 碳氢化合物、硫酸盐及灰分等在其上面的赋 存形态如何, 这些都还有待于进一步的研究。 2. 2 碳烟颗粒物组成及粒径分布
3~ 4
单环及多核芳香族化合物
氧化类
7 ~ 15
脂肪族和芳香族醛及酮含氧化物
不稳定类
1~ 6
甲酮、乙醛和乙醚等
不溶性类
6 ~ 25
高分子有机物、无机物, 不溶物
研究柴油机排放颗粒物的粒径大小及其分布具 有重要意义。常用的检测手段有亚微米气溶胶粒子
电子分析仪 ( EAA ) 、冷凝核计数仪 ( CNC )、电子显 微镜 ( TEM ) 等。国内外学者做了大量的研究工作, 结果表明, 90% ( 质量百分数 ) 以上的微粒 < 1 m, 几乎都属于亚微米级粒子和纳米级粒子 [ 1~ 3] 。典型
表 1 柴油机颗粒物的组成 T ab le 1 T he composition of typ ical d iesel particles
成分 碳颗粒物 (干碳烟 DS) 可溶性有机成分 ( SOF)
硫酸盐
质量分数 (% ) 40~ 50 35~ 45 5~ 10
可溶性有机成分 ( SOF ) 组成非常复杂, 国内外 学者利用气相色谱 质谱联用技术 ( GC /M S ) 等方法 对 SOF 进行了测试 [ 6 ~ 9 ] , 已经证实的有 机物达 100 多种, 碳原子数主要分布在 C14 ~ C44之间, 已查明的 多环芳烃化合物有 26种。有的研究人员按化学成 分或性质分类, 把 SOF 分为碱类、酸类、烷烃类、芳 香烃类、氧化类、不稳定类和不溶性类 (表 2) [ 5] 。
2003. 9
4. 0
1. 1
7. 0
0. 15
死亡率差异约为 15% ~ 17% , 即使在符合目前美国联 邦空气净化标准的城市中, 死亡的危险也比最清洁的 城市要高 2% ~ 8% [ 14 ] 。因此, 柴油机排放微粒对人 体和大气环境有着不容低估的危害。
3 柴油机排放的有关标准及颗粒物净化 技术
表 3 美国公路重 型柴油车排放标准 ( g /PS. h)
滤材料的表面上, 其过滤效果主要受材料孔隙尺寸
第 6卷第 9期 2 0 0 5年 9 月
环境污染治理技术与设备 T echn iques and Equ ipm ent for Env ironm enta l Po llution Contro l
V o l. 6, N o. 9 Sep . 2 0 0 5
柴油机排放颗粒物净化技术研究进展
邹建国 1, 2 钟 秦 1
K ey w ord s d iese l eng ine; particulate m a tter; purificat ion m ethod
1引 言
柴油机以其动力大、效率高、燃油经济性好、适 应性强和功率范围广等优点, 而被广泛应用于交通 运输、工程及农林机械等领域。在运输业, 除占据全 部大吨位机动车市场外, 一些国家 ( 如德国、日本 ) 的中吨位车已全部柴油机化, 轻型载货车则大部分 柴油机化, 小型客车也面临柴油机化趋势。但柴油 机排出的大量有害物质, 也给环境带来了严重污染, 危害着人类的健康。
( 1. Schoo l of C hem ical Engin eering, N an jing U n iversity of Science and T echnology, N an jing 210094; 2. N an chang U n iversity, N an chang 330029 )
柴油机颗粒物的组成包含 2大部分。其一主要 是由碳颗粒物 ( 干碳烟 DS) 、硫酸盐和灰颗粒组成 的不溶性颗粒; 另一组分主要是来源于未完全燃烧 的燃料、机油及其中间产物或悬浮微粒 ( 气溶胶 ) 组 成的可溶性颗粒, 它们在一定温度下能够挥发, 绝大 部分可以溶于某些有机溶剂 (如二氯甲烷和苯等 ) , 故通常称之为可溶性有机成分 ( SOF ) 。碳烟颗粒物 的组成如表 1所示 [ 5] 。
粒径越小, 微粒悬浮于空气中的停留时间越长, 越容易经呼吸道进入肺部, 并在呼吸道及肺部沉积起 来引起呼吸道疾病。研究人员经实验证实, 微粒中的
第 9期
邹建国等: 柴油机排放颗粒物净化技术研究 进展
9
SOF具有诱变作用, 其中的苯并 ( a)芘等多环芳香性 化合物 ( FAH )具有致癌和促癌作用 [ 11~ 13] 。停留时间 长也增加了微粒在大气中受阳光和其他物质作用而
生成的各种硫化物等形成颗粒物排放 (图 1) 。电镜 分析表明, 柴油机排放颗粒物通常呈链状或絮状结 构 [ 3] , 微粒的球形度在 0 6 ~ 0 9之间, 其中尤其以 0 6~ 0 7之间的微粒居多 [ 2] 。微粒比表面积大约 100 m2 /g[ 4] 。
图 1 颗粒物的形成过程 F ig. 1 T he form ation o f d iese l exhaust particles