非道路移动机械尾气排放机外控制技术及影响因素探讨.pdf

检测鉴定非道路移动机械尾气排放机外控制技术及影响因素探讨哈尔滨工业大学张晓涵黑龙江省农业机械试验鉴定站口张本领大气污染是指空气中污染物的浓度达到或超过了有害程度，导致破坏生态系统和人类正常生存和发展，对人和生物造成危害。当前机动车发动机排放的尾气已经成为大气污染的巨大来源。不同的发动机，尾气成分不同，污染也不同，柴油机尾气成分中NOx、颗粒物（PM）是其主要有害物质。为了降低尾气危害，世界各国对尾气排放中有害物质含量制定了一系列严格标准，中国对尾气排放要求也日趋严格。国家环保部于2 0 1 4年下发了GB208912014非道路移表1 非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值对照表额定净功（Pmx）CO阶段(kW)Pmax560130 Pmx560第三75 Pmx130阶段37 Pmx75Pmx560130Pma560第四56 Pmx130阶段37 Pmx56Pamx37动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段），2 0 1 9 年2 月，环保部又下发了非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）(GB208912014)修改单，明确要求“自2 0 2 0 年1 2 月1日起，凡不满足本标准第四阶段要求的非道路移动机械不得生产、进口、销售；不满足本标准第四阶段要求的非道路移动机械用柴油机不得生产、进口、销售和投入使用”。2 0 2 0年1 2 月2 8 日生态环境部下发了HJ10142020非道路柴油HCNOx(g/kWh)(g/kWh)(g/kWh)(g/kWh)(g/kWh)3.56.43.54.05.04.05.04.75.57.53.50.403.50.195.00.195.05.5移动机械污染物排放控制技术要求，该标准明确：自2 0 2 2年1 2 月1 日起，所有生产、进口和销售的56 0 kW以下非道路移动机械及其装用的柴油机应符合中国第四阶段排放标准要求（简称“国四”）。国家对非道路移动机械排放污染物的治理已经分阶段分步骤开始实施。非道路移动机械是指用于非道路上的，既能自驱动又能进行其他功能操作的机械或不能自驱动但被设计成能从一个地方移动或者被移动到另一个地方的机械，包括工业钻探设备、工程机械、农业机械等。非道路HC+NOxPM0.200.200.300.400.603.5,0.67a0.102.00.0253.30.0254.70.0257.50.60NH,(ppm)25bPN(#/kWh)5101217检测鉴定移动机械配套动力以柴油机为主，因其保有量巨大，其尾气排放水平对大气污染带来的影响日益得到社会普遍关注。一、非道路移动机械柴油机国四排放的控制重点GB208912014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）中对国三和国四的排放限值进行规定（表1），从表1 可以看出，国四排放比国三排放在颗粒物（PM）及NOx方面的要求更加严格。但对柴油机而言，颗粒物及NOx的控制难点在于二者之间控制存在矛盾性，如充分燃烧可使颗粒物值降低，但NOx的含量会增加。因此，如何控制好颗粒物及NOx的排放含量，同时又解决好二者之间的控制矛盾是国四排放需要解决的重点问题。二、非道路移动机械柴油机国四排放的机外控制技术柴油机的尾气成分主要有CO、C O 2、碳氢化合物（HC）、颗粒物、氮氧化物（NOx）、醛类和硫化物（SOx）。降低尾气中污染物含量，需要发动机机内净化处理和机外控制技术共同完成，后者目前主要通过收集和后处理等方式完成。经过近些年研究和实践，柴油机机外控制技术已日趋成熟，目前广泛应用于各类机动车上，当前主要有以下几种：DPF（颗粒物捕集）、DOC（氧化催化）、SCR（选择性催化还原）。为了获得更好的尾气排放控制效果，往往采用几种机外控制技术的组合。DPF（颗粒物捕集），是Diesel Particulate Filter的英文简称，这种技术是在柴油机尾气排放系统中安装一种过滤装置，变化大、工作温度高等特点，18可以在尾气进入大气之前将颗粒物捕捉，从而降低颗粒物的排放量。DOC（氧化催化），是Diesel Oxidation Catalysts 的英文简称，这种技术是在柴油机尾气排放系统增加氧化催化装置，通过与催化剂的化学反应，将尾气中HC和CO氧化成CO2和H,O，从而降低其排放量，同时将部分NOX氧化为NO2。另外，还能将颗粒物中部分可溶性有机物硫（SOF）转化为CO,和 H,O。SCR（选择性催化还原），是 Selective Catalytic Reduction的英文简称，这种技术主要是针对降低柴油机尾气排放中的NOx含量采取的一项控制技术。在柴油机尾气排放系统中喷入尿素，利用排气管中尾气的热量使还原剂（尿素+水）热解生成氨气，并在催化器表面涂层的催化作用下与尾气中的NOx发生还原反应生成N,和H,O。S C R 技术主要发生的化学反应如下：(NH,)2CO,+H,O 2NH,+CO24NH,+4NO+O,4N,+CO24NH,+2NO+2NO2-4N,+6H,0三、机外控制技术影响因素探讨1.DPF(颗粒物捕集）技术主要是利用过滤装置来达到降低颗粒物数量，这种方式能够有效地净化排气中7 0%一90%的颗粒，目前被认为是过滤颗粒物最直接、最有效的方法。过滤装置自身性能直接影响到颗粒物的过滤效果。（1）过滤装置材质的影响。DPF过滤装置材质的选用，要充分考虑非道路移动机械工作时间长、工作环境恶劣，工况过滤装置的材质要具有一定的强度、抗振性、耐高温等特点，目前广泛使用陶瓷、碳化硅、董青石等材质，通过设计制造成蜂窝等不同形状以获得良好的颗粒物过滤效果。随着国内对新型材料研究的不断深入，纳米材料、金属基复合材料等性能优越的过滤装置投入使用，将不断提高颗粒物的过滤效果。（2）过滤装置气流路径的影响。含有颗粒物的尾气进入DPF后，通过拦截、碰撞、扩散、重力沉降等方式被捕集在过滤装置的壁面内以及壁面上，从而实现含有颗粒物的尾气在进入大气之前将其捕捉。过滤装置的过滤路径直接影响着颗粒物的过滤效果。目前广泛采用的是壁流式、横流式过滤路径，受尾气排放温度、过滤装置材质等多种因素影响，不同过滤路径获得的过滤效果也不同。随着对DPF技术研究的不断深入，涡流式、组合式等气流路径也在DPF技术上得到广泛应用。（3）过滤装置再生的影响。DPF技术相对复杂，化学反应温度要求高，性能不够稳定。DPF内具有无数微小孔道，随着工作时间增加，这些微小孔道会被过滤下来的颗粒物堵塞，内部颗粒物随之增加，导致整个排气系统排气背压升高，严重时将影响柴油机的动力性及经济性。因此，被DPF过滤下来的颗粒物需要定期被清除，使DPF恢复过滤功能继续使用，该过程也称作DPF的再生。DPF再生原理，主要通过提高过滤装置温度，使颗粒物进行氧化，二次燃烧，达到清除的目的。DPF再生分为主动再生和被动再生。主动再生目前有燃烧加热再生、电加热再检测鉴定生、微波加热再生、红外加热再生等方式，其原理为通过外部装置提高过滤装置的温度，使颗粒物着火燃烧达到清除的目的。被动再生技术当前主要是在燃料中添加溶于燃料的催化剂，在发动机燃烧后，随着颗粒物一同被过滤装置捕集，使得颗粒物和催化剂密切接触，催化剂发生作用，降低颗粒物的燃烧温度，利用排气的高温引燃，达到再生的目的。DPF的再生直接关系到柴油机车的经济性和动力性，也影响着颗粒物的处理水平，关系到排放水平，主动再生和被动再生各有其利弊，随着对DPF研究的深入，智能化、科技化的颗粒捕捉器也越来越多地应用于机动车上，有效地解决了再生的问题，为改善大气污染起到了积极作用。2.DOC（氧化催化）技术主要通过氧化催化方式来达到降低尾气中有害物质的目的。柴油机中氧化催化装置主要采用流通式，目前氧化催化装置材质主要采用陶瓷和不锈钢金属，在基体上加装催化剂涂层，催化剂主要采用铂(Pt)、钯（Pd）等贵金属。减低尾气中有害物质的效果主要取决于催化剂的涂层技术。（1）氧化催化装置机械性能的影响。DOC加装于柴油机的排气系统中，长期处于高温高压状态之下，加之柴油机车本身的工作环境恶劣，工况变化大，因此要求氧化催化装置本身应具有良好的机械性能，主要有密封性、抗振动能力等，良好的机械性能是完成氧化催化功能的前提；另外，贵金属催化剂与基体材质之间的涂层技术，也直接决定着氧化催化装置的性能及降低尾气排放中有害物质的效果。（2）催化剂成分的影响。氧化催化装置中的催化剂组分是该装置的核心，常用的组分有铂(Pt)、钯（Pd）、（R h)等贵金属，以及铜（Cu）、铬（R h）、锰（Mn）等金属，不同的成分获得的催化效果不同，另外相同的催化剂，不同的含量也会达到不同的催化效果。近几年，铈（Ce）、镧（La）、错（Pr）等稀土元素也不断的被应用于氧化催化装置中，但受价格等因素的影响，其使用受到了一定的限制。随着全世界对排放要求水平越来越高，新型结构和材质的氧化催化装置必将得到更广泛的应用。（3）柴油中含硫量的影响。柴油中含硫量过高，产生的尾气排放中也会使硫含量增加，这样的尾气经过氧化催化装置时，经过催化剂的转化会将硫转变为硫酸盐，其结果是硫酸盐会造成氧化催化装置中的催化剂涂层受到腐蚀脱落，失去氧化催化功能，硫酸盐还会造成布置在其后的DPF装置受到钝化，使过滤装置被堵塞且不可恢复。因此，使用氧化催化装置时使用的柴油油品要求要在国四标准以上。3.SCR（选择性催化还原）技术该技术是当前机外净化的主流技术，广泛使用于各类柴油机车中。对发动机结构进行优化，如提高燃油喷射压力、改变供油提前角等，可以降低尾气排放中的颗粒物，使其符合国四、国五的要求，但这种方式会增加NOx含量，应用SCR技术可以较好地解决此矛盾。该种技术除催化转化装置外，还需配置尿素灌以及尿素喷射和控制系统。国四阶段，大功率柴油机车均选用了该技术用于控制尾气的排放指标。（1）尿素喷射及控制的影响。SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统操纵，尿素的喷入量务必要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素喷入量过少，达不到应有处理水平，尿素喷入量过多，会使多余的氨气排入大气中，导致新的污染。所以，务必有高灵敏度的传感器及高精度的尿素喷射装置。随着发动机设计制造水平的提高，智能电控技术应用越来越广泛，已经很好地解决了这一问题。（2）催化转化装置中催化剂的影响。催化转化装置是SCR技术中完成NOx转换的关键环节，不同的催化剂有不同的活性和物理性能，因而也决定了催化转化装置有不同的结构和催化反应的表面积。表面积越大，越有利于反应物的接触和转换；催化剂的活性越大，降低尾气中NOx排量的可能性就越大。目前催化剂应用较多的是钒基催化剂，这种催化剂具有很好的高温耐久性和很高的抗硫、磷能力，但在温度高于550 会挥发，造成催化能力下降，影响排放效果。DPF 技术、DOC 技 术、SCR技术及其几种技术的组合使用，为控制柴油机车尾气排放起到了良好作用。本文探讨的每种技术的影响因素都将随着科技进步，人类对材料的深入研究而得到解决，越来越多的、更先进的机外净化技术也将更广泛地应用于生产实践，为降低机动车的排放发挥应有作用。19