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              柴油車排放凈化技術
              作者:管理員    發布于:2016-11-30 08:42:32    文字:【】【】【

                機動車輛排放造成城市污染的問題越來越突出。我國政府對此十分重視,為了改善城市空氣環境質量,陸續公布越來越嚴格的機動車排放法規和標準。隨著城市經濟和城市建設的迅速發展,載重卡車和城市公交大客車,以及小轎車的發展,優選柴油發動機是勢在必行,這是因為柴油車有極好的經濟性和動力性。

                我國對于柴油車使用遠不如汽油車那樣迅速。柴油車是否能在汽車市場健康而迅速發展,取決于國家政策、排放法規、燃油品質和國內柴油機技術等因素。

                國家汽車工業十五“規劃有關車輛結構調整目標指出:轎車占汽車總量的比重增加,載貨汽車中重型和專用車的比重增加。提高柴油載貨車、輕型柴油客車的比重,中型車要全部實現柴油化。柴油轎車、柴油微型車生產開始起步,柴油車占總產量的比重從2000年的29.7,提高到2005年35,左右”,今后三年內柴油車產量比重將快速增長。

                技術結構調整目標指出:汽油機普及閉環電控燃油供給系統,安裝三效催化轉化器,推廣稀薄燃燒、可變配氣相位、缸內直噴等技術;柴油機推廣增壓中冷、柴油機共軌技術,并加裝氧化型催化轉化器。新型轎車、輕微型車、大中型客車、中重型載貨汽車應達到歐洲第!排放控制水平,部分中高檔轎車和高檔大中型客車爭取達到歐洲第"排放控制水平。新型四輪農用車要逐步提高排放標準,配備多缸機的四輪農用車應達到歐洲第I排放控制水平,2010年前后各種汽車產品的排放控制水平逐步實現與國際接軌。

                柴油車與汽油車兩者原始排放污染物相比(兩者均未安裝催化轉化器),其中柴油車排放CO和HC較低,一般只有汽油車排放的十分之一。柴油車由于高燃燒效率,消耗燃料少,CO2排放量低,而汽油車燃燒效率低,CO2排放量多;NOx排放量與汽油車大致處于同一水平;而柴油車微粒排放量約比汽油車多幾十倍。

                我國柴油車排放后處理技術研究比汽油車落后得多,但近年來有了較快發展。由于柴油車排氣中O2含量高,排氣溫度低,含SO2高等原因,使柴油車排放后處理技術研究遠比汽油車難度大得多。

                國家科技部在十五“期間,663計劃有關機動車污染控制技術與設備專題中設置了兩個課題:一是柴油機微粒捕集器關鍵技術研究與產業化。二是稀燃汽油機及柴油機NOx凈化技術。我們深信以663國家高技術研究發展計劃列課題支持研究,將會全面推動柴油車應用、開拓與發展柴油機排放后處理研究領域、開發具有自主知識產權的柴油車排放微粒處理技術,以及稀燃汽油機和柴油機NOx凈化等關鍵技術;同時促進開發高品位柴油的生產與供應,帶動相關法規與排放標準制定,推進柴油機的更新換代,使我國的機動車排放污染物控制到低水平。

                一、柴油機排放組分與特性柴油車尾氣中主要組分,一般含水蒸汽2.6,O215. 2,以及微量顆粒物(PM)、CO、HC、NOx、SO2、硫酸鹽、醛等。顆粒物是柴油車排放使人討厭的污染物,包括固體炭微粒(煙羽),稱為不可溶物(IDF);未燃的柴油和潤滑油為液相碳氫化物,稱為可溶性有機物(SOF)。柴油中一般含有微量硫化物,主要有硫醇和元素硫。因此柴油燃燒時硫化物與氧反應生成SO2,SO2被氧化生成SO3,SO3與水分等反應生成H2SO:和硫酸鹽,不僅增加了PM排放而且給尾氣凈化過程造成不小麻煩,使催化劑中毒。

                通常柴油車排氣溫度較低,在加速行駛工況時高約300400,。而尾氣中氧氣濃度較高,一般達10以上,屬氧化氣氛,因此增加了對NOi凈化的難度。

                二、柴油車排放顆粒物過濾凈化技術柴油車排放的污染物主要是顆粒物和NOi.顆粒物凈化一般采用多孔過濾器捕集,但由于過濾器有一定容量,達到飽和后,必須進行再生才能繼續使用。柴油車排放NOi凈化,較多采用選擇性催化還原NOi.柴油機排放顆粒物粒徑分布在0. 012!m,主要由不可溶炭粒、未燃液體碳氫化物和硫酸鹽組成。

                目前使用的過濾材料有泡陶瓷、壁流式蜂窩陶瓷、直通式蜂窩陶瓷、金屬絲網和陶瓷纖維。蜂窩陶瓷和陶瓷纖維屬于表面過濾方式,金屬絲網和陶瓷泡屬于體內過濾方式。

                壁流式蜂窩陶瓷過濾器優點是過濾效率高,可達到60.95,過濾效果好。但制造工藝復雜、質量要求高。

                金屬絲網過濾器的金屬絲直徑較細,繞線密度較大,過濾效率為4565.由于其流通面積較小,捕集顆粒物容量有限,本體不易散熱,而使金屬絲網局部過熱而燒損等缺點。泡陶瓷的過濾效率為4970,其制造工藝簡單,成本低,耐高溫,是早期柴油車捕集顆粒物的材料。

                外加強電場使顆粒物呈帶荷電而進行靜電捕集,有一定效果。王憲成等用金屬絲網過濾,上游增加電暈荷電發生裝置,使微粒荷電,帶電微粒在通過金屬絲網時由于靜電映像力的作用實施吸附過濾,而提高了過濾效果,過濾效率達50柴油機排放顆粒物旋流凈化試驗系統如所示。

                旋流凈化器對于0.5!m和1!m的顆粒物捕集效率預測分別達50和70,但小于0. 5!m顆粒物捕集效率則較低。該方法捕集大于1!m顆粒物有望滿足實用要求。

                天津大學試驗了一種旋風分離顆粒物系統,捕集凈化柴油機排氣中的顆粒物,捕集效率在2549.再生技術顆粒物過濾器實用性的關鍵是再生技術,有主動再生和被動再生兩種。主動再生原理是利用燃油燃燒的熱能、電能、微波能等,提供顆粒物(炭微粒)高溫氧化反應能,達到再生目的。但必須具備附加裝置,如燃油噴射與控制系統,電加熱再生系統,微波發生源加熱再生系統。被動再生的原理是利用柴油機排氣熱能進行再生。在燃油中加入添加劑,也可以在過濾器基體上負載催化劑,目的是降低炭煙粒氧化反應活化能,使化學氧化反應在較低溫度下實現,達到再生目的,從而使過濾器達到重復連續使用。

                無論是主動再生還是被動再生都是通過熱能實現,將捕集的顆粒物加熱燒掉實現再生。

                段家修等研究了壁流式陶瓷微粒過濾器電熱分區再生,實現自動再生新方法。米用美國Corning公司壁流式蜂窩陶瓷過濾器,見。過濾器前部布置電阻絲,電阻絲彎成U型,插入過濾器孔中,過濾器頂部開口分成9個區,每個區由3根電阻絲并聯在一起。再生的燃燒溫度由9根"0.5鎳鉻鎧裝熱電偶插入到過濾器內測得。加熱電路的電源是兩個串聯的12V蓋電池。

                微波是一種高頻率的電磁波,波長約為12m,穿透性很強,微波加熱再生是利用微波能加熱到過濾芯上而形成均勻的熱源,并補充二次空氣,實現對捕集到的顆粒物加熱燃燒,實現過濾器再生。過濾芯可采用泡陶瓷或壁流式蜂窩陶瓷體作為過濾體,微波再生裝置如所天津軍事交通學院從事微波加熱再生裝置研究開發多年,已獲得中國專利CN002358476.催化過濾器是指在過濾器的內芯上負載催化劑,催化劑的作用是降低顆粒物氧化反應的溫度,使其能在柴油機排氣溫度條件下,實現被動再生。常用催化劑活性組分是貴金屬和非貴金屬。美國Engelhard公司的催化過濾器,就是利用柴油車排氣溫度來連續燃燒顆粒物,實現再生。

                另外,連續再生還利用排氣中NO在氧化型催化劑上被氧化成為NO2,應用NO2強氧化能力在過濾器上催化燃燒顆粒物實現再生。要求柴油中含硫要低,防止硫使催化劑中毒。

                氧化型催化劑,在一定溫度及催化劑的作用下,除去排氣中可溶性有機物,同時排氣中CO和HC被氧化成CO2和H2O除去。這類氧化催化劑是在蜂窩陶瓷載體上負載貴金屬而制成,目前已有商品,國外已在柴油車上使用。

                柴油車的空燃比遠遠大于理論空燃比,因此排氣中氧氣含量較高,使其中NO凈化增加了難度。目前,國外也沒有令人滿意的解決辦法,但發表較多。我國柴油車排放凈化研究比汽油車排放凈化研究落后得多,研究較多是顆粒物過濾捕集,其中凈化NO研究工作較少。

                柴油車NO凈化技術從以往的研究結果分析,其凈化方法大致有:選擇性催化還原(SCR);非選擇性催化還原(NSCR)和吸附貯藏催化轉化技術。選擇性催化還原技術,必須在排氣中添加還原劑,例如NH3、尿素(Urea)及碳氫化物如柴油等。相應技術有NH3-SCR,Urea-SCR,HC-SCR和NO -NSCR等,這類技術估計有應用前景。HiroshiAkama等綜述了近年來稀燃NO催化劑轉―28―中國環保產業化技術,其中催化制備與性能是該技術的關鍵。給出了貴金屬催化劑、金屬與沸石催化劑和非貴金屬氧化物催化劑,在稀燃N0.轉化中的溫度特性。

                顯示了稀燃N0轉化溫度,貴金屬催化劑低,非貴金屬氧化物高,金屬沸石催化劑在兩者之間。

                四、柴油含硫對凈化技術的影響柴油中含硫量對柴油車排氣凈化技術負面影響十分明顯,硫會造成催化劑的嚴重中毒,導致無法滿足柴油車排放標準,同時還增加顆粒物排放量,限制了柴油車使用。目前世界各國投入巨資開發低硫柴油。

                1993年,美國將柴油中的含硫量從2500ppm降低到350~400PPm,一些城市已經使用含硫量更低的柴油,預計到2006年柴油中的硫含量將降至15ppm.歐洲同樣在降低柴油中硫的含量。1996年,在歐洲"號標準實施時,硫的含量從3000ppm降至500ppm.2000年在歐洲號標準實施時,降至300ppm.在2005年當歐洲號標準實施時,將降低至50ppm.1997年日本實現了柴油中硫含量從2000ppm降低至500ppm,目前正投入巨資將含硫量降低至50ppm.我國現行柴油質量規格于1994年頒布,1995年生效執行。輕柴油優等品含硫量為2000ppm.我國大中城市車用輕柴油要求含硫量降低至500ppm.國家有關部門十分重視油品的質量問題,中石化表示有能力將燃油中硫含量降低至500ppm或更低。同時政府有關部門也在考慮在一些大中城市進口高品質燃油以滿足低排放的要求。

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