粉末冶金微孔過濾器及其再生技術(shù)研究

1、粉末冶金微孔過濾器及其再生技術(shù)研究 更新時間：2010-09-30 13:49:16使用柴油作燃料的壓燃式內(nèi)燃機排放的微粒(Particulate,縮寫PT),一般要比使用汽油作燃料的點燃式內(nèi)燃機多幾十倍。排放微粒的主要物質(zhì)是碳,其粒度一般小于0. 3m,可深入人的肺部造成機械性超負荷,損傷肺內(nèi)各種通道的自凈機制,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物質(zhì),具有不同程度的誘發(fā)和致癌作用。在柴油車較多的城市中,柴油機排放的微?？墒故袃?nèi)光線受折射,使天空變暗。對于轎車和輕型車用的輕型柴油機,微粒排放量在0. 11. 0 g/km的數(shù)量級,對于重型車用的重型柴油機,微粒排放量在0.

2、11. 0 g/(kWh)的數(shù)量級。車用柴油機排放微粒的凈化技術(shù)是微粒過濾器及其再生,已經(jīng)研究開發(fā)的體積過濾濾芯用泡沫陶瓷、鋼絲棉繩或陶瓷纖維筒等疏松材料制成,表面過濾濾芯材料用蜂窩陶瓷,這些材料各有特點。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)計了粉末冶金微孔過濾器的再生結(jié)構(gòu)及方法。1、排氣微粒的理化特性柴油機排氣微粒1的組成取決于柴油機的運轉(zhuǎn)工況,尤其是排氣溫度.當排氣溫度超過約500時,排氣微?；旧鲜呛芏嗵假|(zhì)微粒的聚集體,稱為碳煙粒。當排氣溫度低于500時(柴油機絕大多數(shù)工況都是這樣)煙粒會吸附和凝聚多種有機物,稱為有機可溶成分(SolubleOrangic Fraction

3、,縮寫SOF)。沿著柴油機的排氣管道和測試取樣系統(tǒng),可觀測到微粒粒度不斷增大,且由于存在于氣相中的有機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)電子顯微鏡觀測表明,柴油機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103104個微球體。這些微球體都是燃燒產(chǎn)生的碳粒,其直徑在10100 nm數(shù)量級,但大多數(shù)在1540 nm范圍內(nèi)。測得的微粒粒度大多在0. 021. 0m范圍內(nèi),其體積平均粒度為0. 10. 3m。微粒的表觀密度在0. 251. 0 kg/L范圍內(nèi),煙

4、粒的實測比表面為200 m/g左右,可見其結(jié)構(gòu)很疏松。2、排氣微粒凈化技術(shù)及其特點分析目前,比較可行的車用柴油機排氣微粒凈化技術(shù),還是微粒過濾器DPF(DieselParticulate Filter)。2. 1微粒過濾器DPF微粒過濾過程按濾芯結(jié)構(gòu)特征不同分為表面過濾型和體積過濾型兩種。體積過濾型DPF主要用比較疏松的過濾體積容納微粒,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,共同缺點是過濾效率、排氣阻力與外形尺寸之間有很大的矛盾,即在令人滿意的效率和可以接受的阻力下,外形尺寸顯得過大。表面過濾型濾芯用比較密實的過濾表面阻擋微粒,一般單位體積的表面積很大,材料壁薄,既可獲得較高

5、的過濾效率,又可具有較小的阻力。目前,公認最成功的表面過濾型DPF濾芯是蜂窩陶瓷DPF,但濾芯形狀復雜,在很高的溫度和溫度梯度下易于損壞。2. 2微粒過濾器DPF的再生DPF只能把微粒從柴油機的排氣中過濾出來,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,以恢復到接近原先的低阻力特性,這個過程稱為DPF的再生。已經(jīng)開發(fā)的有用丙烷或柴油作為燃料、用電點火的燃燒器來引發(fā)DPF的再生。柴油燃燒器應(yīng)用與柴油機相同的燃料,比較方便,但燃燒過程的組織比較困難,尤其啟起動時可能燃燒不良,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,但需要單獨的高壓丙烷氣瓶。平均溫度在700800,

6、可以可靠點燃已沉積的微粒,但陶瓷濾芯因尺寸大再生周期延長,使濾芯過熱而易碎裂或熔融。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口段。其電阻絲直接點燃微粒,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雜昂貴的燃燒器,同時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)是十分復雜的。3、粉末冶金微孔過濾器在柴油機上的應(yīng)用研究3.1粉末冶金微孔不銹鋼自20世紀60年代,特別是80年代以

7、來,國內(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)、滲透性優(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,人們也開展了抗腐蝕、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44m不

8、銹鋼粉末作為原料,前驅(qū)體中漿料浸入量在0. 5 g/cm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孔孔隙度、比表面積和良好的透氣性能,這對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性能,抗彎強度達到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

9、度主要就是依賴多孔體中各個相連接的孔壁。3.2、過濾機理采用鎳(Ni)、鉻(Cr)、鉬(Mo)等材料,使用粉末冶金技術(shù)可制成微孔過濾器。其基本技術(shù)參數(shù):使用溫度: 85050系統(tǒng)阻力: 8002 800 Pa除塵效率: 99. 5%使用粉末冶金微孔過濾器,當含微粒氣體單向通過微孔過濾器時,其微粒過濾機理主要有下列幾種:截留粒子到微孔的距離小于粒子的半徑時,流動過程中被微孔所捕獲;在微孔附近氣流流線發(fā)生彎曲,由于粒子的慣性,粒子將不隨從流線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;擴散沉降由于布朗運動,粒子的運動軌跡不與氣體流線一致,粒子從

10、氣流中可以擴散到粉末冶金微孔材料上并沉降在其表面,粒子直徑越小,布朗運動越顯著,擴散沉降效率也增加;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;靜電沉降粉末冶金微孔材料中的金屬微粒和流經(jīng)過濾器的粒子都可能帶電荷,由于電荷間庫侖力的作用,也同樣可以發(fā)生粒子在微孔材料表面的沉降。在正常過濾速度下,該項阻力一般和過濾氣體速度呈較線性的關(guān)系,如圖2中的曲線4所示。清潔狀態(tài)時過濾器的阻力是指未過濾微塵前的阻力,由于設(shè)計的氣流速度,屬于氣體的黏性流動區(qū),其阻力與流速成正比,見圖2中的曲線2所示。過濾器過濾微粒后,其上沉積有粉塵,從而產(chǎn)生附加

11、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3所示。在柴油機排氣管道里設(shè)置通孔粉末冶金微孔過濾器對排氣進行過濾收集排氣煙粒,根據(jù)過濾器前后的壓差,進行煙粒厚度的識別,接著進行運行的在線再生工作。3.4再生控制設(shè)計由于粉末冶金微孔過濾器具有良好的導電特性,所以采用電渦流發(fā)熱進行再生,使得其結(jié)構(gòu)簡單,且易控制。3. 4. 1渦流再生發(fā)熱的原理設(shè)計在一根導體外面繞上線圈,并把線圈通交流電,那么線圈就產(chǎn)生交變磁場,導體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合回路,所以在導體的圓周方向會產(chǎn)生感應(yīng)電流,電流的方向沿導體的圓周方向轉(zhuǎn)圈,就象一圈圈的漩渦,所以這種情況

12、下產(chǎn)生的感應(yīng)電流被稱為渦電流。渦流與普通電流一樣要放出焦耳熱,利用渦流的熱效應(yīng)進行加熱的方法稱為感應(yīng)加熱。由此可知:渦電流強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。因此可以通過調(diào)節(jié)交流電的大小來控制渦電流的大小,從而控制粉末冶金微孔過濾器的外部溫度以實現(xiàn)再生。利用柴油機上電源并設(shè)置一控制電路,可以實現(xiàn)微孔過濾器線圈的通電。這種方法的優(yōu)點是電流易于控制,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)計粉末冶金微孔過濾器渦流再生控制的設(shè)計思想如圖3所示。在發(fā)動機排氣管道設(shè)置兩個通道,每個通道安裝一套粉末冶金微孔過濾器及其再生裝置,其中包括溫度傳感器、壓力傳感器及渦流再生微孔過濾器。其過濾再生原理設(shè)計是:根據(jù)排氣道壓力差的大小決定是否啟動渦流再生系統(tǒng),根據(jù)微孔過濾器溫度的高低決定通電時間的大小、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微粒過濾器的特點及再生技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了用粉末冶金材料作為柴油機微粒過濾器的過濾材料,并設(shè)計了粉末冶金微孔過濾器的渦流再生結(jié)構(gòu)及原理。它具有以下特點:1)通孔粉末冶金微孔過濾器系統(tǒng)允許阻力大,過濾能