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DPF尾气净化技术在国内柴油叉车上的实际应用

来源:合肥宝发动力 浏览次数: 日期:2017-05-12

一、尾气净化器在柴油叉车应用的难度
1、四种需要处理的污染物:HC,CO,NOx和PM。相对于汽油车,多了碳颗粒物PM的污染物需要控制。
、柴油叉车的尾气排温低于现有柴油机械,消声器位置的排温长期普遍低于200度,排温低造成三个困难:NOx处理困难,PM净化困难,DPF和催化剂的硫酸盐堵塞。
3、柴油叉车的柴油燃料来源复杂,不似道路车辆容易管理,不少车辆使用的硫含量很高。
4、柴油叉车主要还是上个世纪的农机490发动机技术的升级,烧机油的问题还是比较普及的现象,而机油对DPF排气有非常不利的影响。
5、还原剂HC和CO偏少,既不利于NOx的还原,又不利于尾气温度的提升,还原NOx还需另加还原剂。
6、尾气中的氧过量,可以达到6-15%,NOx还原困难。
二、柴油叉车的尾气PM治理意义重大
2016年10月关于《深圳市人民政府关于推广电动叉车的通告》及《电动叉车购置补贴资金管理办法》起草说明中对柴油叉车与汽油轿车排放做了对比数据:


中国每年19万台内燃柴油叉车新增年产销量, 在颗粒物PM的污染上相当于年增5624万辆国四汽油车。 光是北京城预计5万台旧叉车如果控制住颗粒物PM的污染,则相当于控制了1480万辆国四汽油车的PM颗粒物排放,社会效益极大。

三、柴油叉车后处理净化的关键技术:
柴油机由于具有油耗低、扭矩大的优点而得到了叉车行业整车厂家的广泛应用。 然而,柴油机本身的排放污染物NOx和PM的治理难度要比汽油机要高,将使得柴油机的后期应用受到了一定的限制,为了柴油叉车在排放升级中满足今后的国Ⅳ、Ⅴ排放标准要求,我们需要研究并开发适合于柴油叉车的污染物治理的有效手段和措施。下面是几种常见的后处理净化技术介绍:

1、DOC—Diesel Oxidation Catalyst——柴油氧化型催化器,蜂窝状金属或陶瓷载体
安装在发动机排气管路中,通过氧化反应,将发动机排气中一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)转化成无害的水(H2O)和二氧化碳(CO2)的装置。
氧化型催化转化器通常需要二次空气喷射装置配合工作,提供氧化反应所需的氧气,用来降低排气中一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)的排量。
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。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。氧化催化器对HC和CO的处理效率可以分别达到88%,68%。
2、DPF : Diesel Particulate Filters 柴油颗粒捕集器,壁流式载体结构
以堇青石和碳化硅SiC为主要的两种材料。DPF利用过滤体对发动机尾气排气过程中的碳颗粒物PM进行物理过滤处理。需定时对过滤器内的沉积PM进行清除,即DPF再生。
工作原理:气流进入DPF后,由于出口被堵,气流从内壁的毛细孔中流出,从而碳烟截留在DPF内部,起到收集碳烟的作用,净化效率高到90%以上,最后通过再生将收集到的碳烟氧化燃烧除去。
3、POC:Particle Oxidation Catalyst 颗粒物催化氧化转化器,属于半壁流式载体结构
以堇青石和碳化硅SiC为主要的两种材料。POC亦是利用过滤体对发动机尾气排气过程中的碳颗粒物PM进行物理过滤处理,只有30-60%的捕捉效果,一般不容易堵塞,是DPF的过渡性产品。
颗粒捕集型氧化催化器POC工作原理:2NO2+C→2NO+CO2
起始反应温度为200℃,在300 ℃到350 ℃时达到最佳转化效率。
4、SCR:Selective Catalytic Reduction 选择性催化还原,蜂窝载体结构
SCR技术本身并不是新技术,在发电厂里早有应用。在发电厂中NH3是以氨水的形式引入和保存的。而在移动的车辆上使用氨水有一定的难度,因此SCR系统一般是选择尿素水溶液作为还原剂,尿素水溶液喷射到催化剂逆流方向的排气管中。
首先在废气温度大于200℃条件下,和气流作用下气化分解为CO2和氨水。尿素水解为氨气与二氧化碳:(尿素喷射系统)
CO(NH2)2→NH3 + HNCO
HNCO+H2O→NH3+CO2→2NH3+CO2(要求温度200℃以上)
接着氨水作为还原剂将NOX还原为无污染的氮气和水。SCR后处理反应:(SCR 催化转化器)
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O
2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

四、市场中柴油机械DPF产品的种类
柴油机颗粒过滤器(Diesel Particulate Filter,DPF)技术是目前降低柴油机排放中 PM 的最有效方法,应用的关键在于如何清理捕捉的PM颗粒物。该技术主要是使尾气通过布置在排气管中的过滤材料,利用碰撞、吸附、拦截或重力沉降原理将 PM 从气流中分离出来。随着过滤材料上的颗粒物的累积,导致过滤孔堵塞,使排气阻力增加,导致发动机的动力性和经济性同时下降,因此,必须及时除去 DPF 中的颗粒物,这就是 DPF 的再生,而 DPF 再生会严重影响到 DPF 的效率。
柴油机正常工作时,排气温度一般在 240℃ ~500℃,而颗粒物的燃点高达 550℃ ~600℃,因此依靠排气温度很难将 DPF 上积累的颗粒物燃烧去除实现再生,必须用化学或物理的方法将颗粒物从 DPF 上清除。根据是否降低颗粒物燃点,可以将再生技术分为主动再生和被动再生。其中,通过主动增加排气温度或降低颗粒物燃点的再生方式为主动再生,没有提高排气温度的再生方式为被动再生。
DPF 的主动再生按照去除方式的不同 ,可以分为燃烧类的化学方式去除和非燃烧类的物理方式去除,其中燃烧类化学方式又可以分为缸外燃烧和缸内燃烧。
因此,DPF 主动再生技术的发展大致可以分为缸外化学手段、缸内化学手段以及缸外物理手段三条主线,三者共同影响 DPF 主动再生的性能。其中,缸外化学手段主要涉及向过滤体上游空间喷射一定量的燃油或燃气,将颗粒物点燃;或者在过滤体上游安装电加热装置、红外加热装置或微波加热装置来加热过滤体提高表面温度,实现再生。缸内化学手段是改变燃油喷射量或喷射时间或者利用阀门改变进气量,通过改善缸内燃烧过程,调节排气温度,最终将过滤体温度提高到颗粒物燃点;缸外物理手段,则是利用排气的动能或者外部的高压气体倒吹,将颗粒物从 DPF 上吹落或者摇晃剥离,实现 DPF 再生。


 主动再生DPF的种类
1 燃烧器喷油加热再生,燃烧器加热再生即在过滤器的入口处设置燃烧器,喷入柴油和二次空气,燃烧后引燃微粒进行再生的方法,这种燃烧器对司机驾驶有一定要求,要求再生时,一般不能急加速等。如果再生急加速就可能会导致使气流扑灭再生的火焰,使燃油未完全燃烧,造成车辆冒白烟的现象。
2 电加热再生,电加热再生即采用通电加热方法对颗粒物捕集器加热,以促使微粒起燃。电加热对控制系统的要求比较高。并在车用过程中需要解决耗电量高的问题,中小功率柴油机不易满足电能要求。
3 微波加热再生,微波加热是利用微波能独有的选择加热及体积加热特性,在过滤体内部形成空间分布的热源,对沉积在过滤体上的碳烟颗粒进行加热,使碳烟颗粒原位加热着火燃烧。微波加热再生的关键技术在于如何在谐振腔内激励尽可能多的模式及其控制腔内碳烟颗粒的燃烧温度,防止过滤体DPF因温度过高而损坏。
4 红外加热再生, 红外辐射加热方式与其他加热方式(热风导热和微波辐射加热等)相比较,具有选择性加热的特点,能直接加热受热体,缩短受热体加热到所需温度的时间,减少能量消耗;红外再生技术的再生效率高;最高再生温度适宜,过滤体温度梯度小,十分适合蜂窝陶瓷的再生。目前市场无成熟产品。
5延迟喷射至排气管再次起燃。适合发动机公司标定的新机市场。
6增加喷油量至排气管再次起燃。适合发动机公司标定的新机市场。
7采用在燃油里加添加剂FCB燃剂降低PM燃点的起燃温度
⑻通过上述不同方式的组合形式再生
■ 柴油叉车使用的被动再生DPF的种类及功能
1、只有DOC的系统——简称DOC only,仅能转化15-18%的PM颗粒物。
2、DOC+闭式DPF系统——简称DPF,可以过滤90%以上的PM颗粒物。通过添加贵金属的方式氧化反应增加排气NO2,利用排温使得部分PM颗粒物燃烧掉并且使得PM颗粒度变小,但由于前面说的柴油叉车的排温太低,低于200度导致DPF内部的PM逐渐累积,最终使得PM碳载量超标DPF失效,最终堵死导致DPF或者发动机损坏。
3、 DOC+ DPF(安全阀结构),可以过滤90%以上的PM颗粒物。利用排温使得部分PM颗粒物燃烧掉并且使得PM颗粒度变小,当累积的PM碳载量达到一定压力时,安全阀打开使得DPF无法堵死失效,从而保护DPF与发动机本体。适合在用车的旧叉车市场。这也是目前叉车行业非常安全可靠的产品。
六、旧叉车各类DPF产品的实际应用情况
2016年11月份,深圳人居委对在用柴油车辆加装主动再生DPF(柴油颗粒捕集器安装示范评估用设备),要求通过招标的形式入围了6家汽车行业的龙头企业,其中对柴油叉车加装主动再生DPF经历了5个多月的实验情况来看,没有能够达到预期的使用效果。目前正在重新做评估方案。
考虑到旧叉车的残值比较低,不少旧车的残值仅有1万多元,而主动再生DPF产品的价格昂贵(一般售价在2万元甚至更高,存在买珠还椟的困惑)且油耗大,对于在再用二手柴油叉车领域使用主动再生DPF的方案经济意义不大,而采用一种有实际效果好、能够规范使用方法、使用安全可靠,并且便于环保部门掌控而带有远程监控功能的被动再生带有安全阀式DPF产品是有着现实、积极的意义的。
目前宝发公司开发成功的此类产品在3吨叉车的实际应用场景是:
产品安装应用→使用一段时间碳载量超标,安全阀启喷→卸下机械倒吹入烟尘收集袋中收集,后集中作成煤饼实现能源再利用→采用远程监控技术可以监控用户有无及时清灰(见到黑烟则表明DPF碳载量超标),是否正常使用→如没有清灰,可以通知及时用户(由于采用了安全阀措施,无需担心DPF和发动机损坏)。

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