粉末冶金微孔過(guò)濾器及其再生技術(shù)研究

　　使用柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機(jī)排放的微粒(Particulate,縮寫(xiě)PT),一般要比使用汽油作燃料的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)多幾十倍。排放微粒的主要物質(zhì)是碳,其粒度一般小于0. 3μm,可深入人的肺部造成機(jī)械性超負(fù)荷,損傷肺內(nèi)各種通道的自?xún)魴C(jī)制,從而使其他化合物容易發(fā)揮致癌作用。碳粒還吸附有多種有機(jī)物質(zhì),具有不同程度的誘發(fā)和致癌作用。在柴油車(chē)較多的城市中,柴油機(jī)排放的微粒可使市內(nèi)光線(xiàn)受折射,使天空變暗。對(duì)于轎車(chē)和輕型車(chē)用的輕型柴油機(jī),微粒排放量在0. 1~1. 0 g/km的數(shù)量級(jí),對(duì)于重型車(chē)用的重型柴油機(jī),微粒排放量在0. 1~1. 0 g/(kW·h)的數(shù)量級(jí)。車(chē)用柴油機(jī)排放微粒的凈化技術(shù)是微粒過(guò)濾器及其再生,已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)的體積過(guò)濾濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉繩或陶瓷纖維筒等疏松材料制成,表面過(guò)濾濾芯材料用蜂窩陶瓷,這些材料各有特點(diǎn)。本文提出了一種新的濾芯材料的使用———粉末冶金材料,并設(shè)計(jì)了粉末冶金微孔過(guò)濾器的再生結(jié)構(gòu)及方法。

　1、排氣微粒的理化特性
　　柴油機(jī)排氣微粒[1]的組成取決于柴油機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況,尤其是排氣溫度.當(dāng)排氣溫度超過(guò)約500℃時(shí),排氣微?；旧鲜呛芏嗵假|(zhì)微粒的聚集體,稱(chēng)為碳煙粒。當(dāng)排氣溫度低于500℃時(shí)(柴油機(jī)絕大多數(shù)工況都是這樣)煙粒會(huì)吸附和凝聚多種有機(jī)物,稱(chēng)為有機(jī)可溶成分(SolubleOrangic Fraction,縮寫(xiě)SOF)。沿著柴油機(jī)的排氣管道和測(cè)試取樣系統(tǒng),可觀測(cè)到微粒粒度不斷增大,且由于存在于氣相中的有機(jī)化合物逐漸冷凝在微粒上,使其SOF含量增加。微粒中的SOF含有對(duì)健康和環(huán)境有害的成分,包括各種未燃碳化合物、含氧有機(jī)物和多環(huán)芳烴及其含氧和含氮衍生物等。
　　經(jīng)電子顯微鏡觀測(cè)表明,柴油機(jī)排氣微粒是一種由很多原生微球聚集而成的聚集體,這種聚集體可以包含103~104個(gè)微球體。這些微球體都是燃燒產(chǎn)生的碳粒,其直徑在10~100 nm數(shù)量級(jí),但大多數(shù)在15~40 nm范圍內(nèi)。測(cè)得的微粒粒度大多在0. 02~1. 0μm范圍內(nèi),其體積平均粒度為0. 1~0. 3μm。微粒的表觀密度在0. 25~1. 0 kg/L范圍內(nèi),煙粒的實(shí)測(cè)比表面為200 m²/g左右,可見(jiàn)其結(jié)構(gòu)很疏松。

　2、排氣微粒凈化技術(shù)及其特點(diǎn)分析
　　目前,比較可行的車(chē)用柴油機(jī)排氣微粒凈化技術(shù),還是微粒過(guò)濾器DPF(DieselParticulate Filter)。
　　2. 1　微粒過(guò)濾器DPF　　微粒過(guò)濾過(guò)程按濾芯結(jié)構(gòu)特征不同分為表面過(guò)濾型和體積過(guò)濾型兩種。
　　體積過(guò)濾型DPF主要用比較疏松的過(guò)濾體積容納微粒,濾芯是用泡沫陶瓷、鋼絲棉或陶瓷纖維筒等較疏松材料制成的,共同缺點(diǎn)是過(guò)濾效率、排氣阻力與外形尺寸之間有很大的矛盾,即在令人滿(mǎn)意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸顯得過(guò)大。
　　表面過(guò)濾型濾芯用比較密實(shí)的過(guò)濾表面阻擋微粒,一般單位體積的表面積很大,材料壁薄,既可獲得較高的過(guò)濾效率,又可具有較小的阻力。目前,公認(rèn)最成功的表面過(guò)濾型DPF濾芯是蜂窩陶瓷DPF,但濾芯形狀復(fù)雜,在很高的溫度和溫度梯度下易于損壞。
　　2. 2　微粒過(guò)濾器DPF的再生
　　DPF只能把微粒從柴油機(jī)的排氣中過(guò)濾出來(lái),沉積在濾芯內(nèi),它本身并不能清除微粒。清除DPF中積聚的微粒,以恢復(fù)到接近原先的低阻力特性,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為DPF的再生。
　　已經(jīng)開(kāi)發(fā)的有用丙烷或柴油作為燃料、用電點(diǎn)火的燃燒器來(lái)引發(fā)DPF的再生。柴油燃燒器應(yīng)用與柴油機(jī)相同的燃料,比較方便,但燃燒過(guò)程的組織比較困難,尤其啟起動(dòng)時(shí)可能燃燒不良,引起二次污染;應(yīng)用丙烷作為燃燒器的燃料,容易保證完全燃燒,但需要單獨(dú)的高壓丙烷氣瓶。平均溫度在700~800℃,可以可靠點(diǎn)燃已沉積的微粒,但陶瓷濾芯因尺寸大再生周期延長(zhǎng),使濾芯過(guò)熱而易碎裂或熔融。
　　用電阻加熱器供熱也可使其再生,電阻加熱器由車(chē)載蓄電池供電。其一種結(jié)構(gòu)型式是把螺旋形電阻絲塞入蜂窩陶瓷濾芯進(jìn)口一側(cè)的蜂窩,另一種結(jié)構(gòu)型式是采用回形電阻絲,布置在各蜂窩孔道的進(jìn)口段。其電阻絲直接點(diǎn)燃微粒,DPF前部微粒燃燒的火焰隨著排氣氣流向DPF的尾部傳播,將整個(gè)通道內(nèi)的微粒燃燒完畢。用電阻加熱器供熱再生可避免采用復(fù)雜昂貴的燃燒器,同時(shí)電加熱可消除任何二次污染,但由于蜂窩陶瓷濾芯孔道數(shù)很多,這種結(jié)構(gòu)是十分復(fù)雜的。

　3、粉末冶金微孔過(guò)濾器在柴油機(jī)上的應(yīng)用研究
　　3.1　粉末冶金微孔不銹鋼
　　自20世紀(jì)60年代,特別是80年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外材料工作者在金屬多孔材料方面做了大量的研究工作。研究發(fā)現(xiàn),金屬多孔材料除具有可焊性等基本的金屬屬性外,還由于大量的內(nèi)部空隙,使得金屬多孔材料表現(xiàn)出了諸多優(yōu)異的特性,如質(zhì)量輕、比表面積大、能量吸收性好、導(dǎo)熱率低(閉孔體)、換熱散熱能力高(通孔體)、吸聲性好(通孔體)、滲透性?xún)?yōu)(通孔體)、電磁波吸收性好(通孔體)、阻焰、耐熱耐火、抗熱震、氣敏、能再生、加工性好等。近幾年來(lái),人們也開(kāi)展了抗腐蝕、耐高溫的鈦及三維通孔不銹鋼粉末冶金等多孔金屬材料的研究。多孔不銹鋼主要是采用加造孔劑的粉末冶金方法制備,也有的使用纖維燒結(jié)的方法,這兩種方法所制備的主要是微孔或閉孔的泡沫不銹鋼。
　　選用粒度小于44μm不銹鋼粉末作為原料,前驅(qū)體中漿料浸入量在0. 5 g/cm³左右, 1 260℃溫度下燒結(jié)30 min后制成三維通孔不銹鋼。圖1a, 1b, 1c為用該法制備的多孔不銹鋼表面孔洞的形貌照片及多孔材料內(nèi)部截面及孔壁結(jié)構(gòu)SEM圖,圖1a顯示了多孔不銹鋼表面均勻的孔洞分布及良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);從圖1b中可以看出多孔金屬內(nèi)部的孔洞分布也比較均勻,孔徑大小為1 mm左右,而且通孔性能良好,使多孔金屬具有較高的開(kāi)孔孔隙度、比表面積和良好的透氣性能,這對(duì)于將材料用作為催化劑載體是非常有利的;以上條件下制備的不銹鋼泡沫材料也具有較高的力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度達(dá)到50MPa以上;圖1c為燒結(jié)試樣的孔壁結(jié)構(gòu)圖,多孔不銹鋼泡沫的強(qiáng)度主要就是依賴(lài)多孔體中各個(gè)相連接的孔壁。
　　3.2、過(guò)濾機(jī)理
　　采用鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)等材料,使用粉末冶金技術(shù)可制成微孔過(guò)濾器。其基本技術(shù)參數(shù):
　　使用溫度: 850±50℃
　　系統(tǒng)阻力: 800~2 800 Pa
　　除塵效率: 99. 5%
　　使用粉末冶金微孔過(guò)濾器,當(dāng)含微粒氣體單向通過(guò)微孔過(guò)濾器時(shí),其微粒過(guò)濾機(jī)理主要有下列幾種:
　?、俳亓簟×Ｗ拥轿⒖椎木嚯x小于粒子的半徑時(shí),流動(dòng)過(guò)程中被微孔所捕獲;

　?、谠谖⒖赘浇鼩饬髁骶€(xiàn)發(fā)生彎曲,由于粒子的慣性,粒子將不隨從流線(xiàn)的彎曲而射向微孔材料并沉降在其表面,顯然隨粒子直徑的增大和氣流速度的增加,慣性沉降作用也隨之增大;
　?、蹟U(kuò)散沉降　由于布朗運(yùn)動(dòng),粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡不與氣體流線(xiàn)一致,粒子從氣流中可以擴(kuò)散到粉末冶金微孔材料上并沉降在其表面,粒子直徑越小,布朗運(yùn)動(dòng)越顯著,擴(kuò)散沉降效率也增加;
　　④重力沉降　由于重力影響,粒子有一定的沉降速度,結(jié)果粒子的軌跡偏離氣體流向,從而接觸到粉末冶金微孔材料表面而沉降;
　?、蒽o電沉降　粉末冶金微孔材料中的金屬微粒和流經(jīng)過(guò)濾器的粒子都可能帶電荷,由于電荷間庫(kù)侖力的作用,也同樣可以發(fā)生粒子在微孔材料表面的沉降。

　　在正常過(guò)濾速度下,該項(xiàng)阻力一般和過(guò)濾氣體速度呈較線(xiàn)性的關(guān)系,如圖2中的曲線(xiàn)4所示。
　　清潔狀態(tài)時(shí)過(guò)濾器的阻力是指未過(guò)濾微塵前的阻力,由于設(shè)計(jì)的氣流速度,屬于氣體的黏性流動(dòng)區(qū),其阻力與流速成正比,見(jiàn)圖2中的曲線(xiàn)2所示。
　　過(guò)濾器過(guò)濾微粒后,其上沉積有粉塵,從而產(chǎn)生附加的阻力,其阻力大小與微粒的厚度與性質(zhì)有關(guān),如圖2中曲線(xiàn)3所示。

　　在柴油機(jī)排氣管道里設(shè)置通孔粉末冶金微孔過(guò)濾器對(duì)排氣進(jìn)行過(guò)濾收集排氣煙粒,根據(jù)過(guò)濾器前后的壓差,進(jìn)行煙粒厚度的識(shí)別,接著進(jìn)行運(yùn)行的在線(xiàn)再生工作。
　　3.4　再生控制設(shè)計(jì)
　　由于粉末冶金微孔過(guò)濾器具有良好的導(dǎo)電特性,所以采用電渦流發(fā)熱進(jìn)行再生,使得其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且易控制。
　　3. 4. 1　渦流再生發(fā)熱的原理設(shè)計(jì)
　　在一根導(dǎo)體外面繞上線(xiàn)圈,并把線(xiàn)圈通交流電,那么線(xiàn)圈就產(chǎn)生交變磁場(chǎng),導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于線(xiàn)圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合回路,所以在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈,就象一圈圈的漩渦,所以這種情況下產(chǎn)生的感應(yīng)電流被稱(chēng)為渦電流。渦流與普通電流一樣要放出焦耳熱,利用渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱的方法稱(chēng)為感應(yīng)加熱。

　　由此可知:渦電流強(qiáng)度與交變電流的頻率成正比,交變電流頻率越高則發(fā)熱越多。因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)交流電的大小來(lái)控制渦電流的大小,從而控制粉末冶金微孔過(guò)濾器的外部溫度以實(shí)現(xiàn)再生。
　　利用柴油機(jī)上電源并設(shè)置一控制電路,可以實(shí)現(xiàn)微孔過(guò)濾器線(xiàn)圈的通電。
　　這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電流易于控制,從而溫度易于控制,再生速度能夠提高。
　　3. 4. 2　再生控制結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)
　　粉末冶金微孔過(guò)濾器渦流再生控制的設(shè)計(jì)思想如圖3所示。
　　在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道設(shè)置兩個(gè)通道,每個(gè)通道安裝一套粉末冶金微孔過(guò)濾器及其再生裝置,其中包括溫度傳感器、壓力傳感器及渦流再生微孔過(guò)濾器。
　　其過(guò)濾再生原理設(shè)計(jì)是:　　根據(jù)排氣道壓力差的大小決定是否啟動(dòng)渦流再生系統(tǒng),根據(jù)微孔過(guò)濾器溫度的高低決定通電時(shí)間的大小、次數(shù)及渦流頻率,即控制渦流發(fā)熱量的程度,燒去過(guò)濾器內(nèi)的沉積排氣微粒。

　4、小結(jié)
　　本文在分析目前柴油機(jī)微粒過(guò)濾器的特點(diǎn)及再生技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了用粉末冶金材料作為柴油機(jī)微粒過(guò)濾器的過(guò)濾材料,并設(shè)計(jì)了粉末冶金微孔過(guò)濾器的渦流再生結(jié)構(gòu)及原理。它具有以下特點(diǎn):
　　1)通孔粉末冶金微孔過(guò)濾器系統(tǒng)允許阻力大,過(guò)濾能力強(qiáng);
　　2)再生是采用在粉末冶金微孔過(guò)濾器上設(shè)置導(dǎo)線(xiàn),按照排氣道壓力差大小的方式控制渦流的大小進(jìn)行,這種方式易布置及實(shí)現(xiàn)、電流大小易控制、再生速度能夠提高且粉末冶金微孔過(guò)濾器不會(huì)因熱量而破碎、電加熱不會(huì)產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn),比蜂窩陶瓷過(guò)濾器有更強(qiáng)的適應(yīng)性;
　　3)采用兩套并聯(lián)的通孔粉末冶金微孔過(guò)濾器及再生裝置避免了過(guò)濾器過(guò)大?！　∧壳?該設(shè)計(jì)方案在學(xué)院和企業(yè)正聯(lián)合進(jìn)行試制、試驗(yàn),并根據(jù)其結(jié)果確定下一步工作。