解析康明斯柴油發電機后處理裝置
發布時間：2025-01-30 點擊：225
性能特點和作用說明
解析康明斯柴油發電機后處理裝置
柴油發電機一般在平均過量空氣系數大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發電機的壓縮比比汽油機高，但其燃燒最高溫度及排氣溫度都比汽油機低，而且排氣中co、hc排放量也明顯少于汽油機。柴油發電機的主要有害尾氣排放物是nox和微粒，以及co和hc。汽油機在理論空燃比下燃燒時可通過三效催化轉化器同時凈化nox、co和hc排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發電機由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉化器。所以，根據其有害尾氣排放物，在柴油發電機上所采用的主要后處理技術有氧化催化轉化器、nox的催化還原裝置、微粒濾清器以及dpnr裝置等。
一、氧化催化轉化器
氧化催化轉化器（doc）只是將排氣中的co和hc以及pm中的sof氧化為co2和h2o。氧化催化劑主要采用pt（鉑）和pd（鈀）等貴金屬。為了氧化hc和co，將pt、pd獨立或兩者組合作為催化劑。實際使用的pt和pd的質量之比在2.3/1附近，一般多采用質量比為2/1或2.5/1的催化劑。pd易受pb（鉛）的侵蝕，而pt則容易受熱劣化。
影響催化反應的基本因素是反應物的含量、溫度及體積流量（又稱空間速度）。所以，為了提高反應效率，需要適當控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上，空間速度（氣體的體積流量）為每小時數萬升以下。在反應物的含量中很重要的影響因素是氧氣的含量和被氧化物質（co、hc、h2）的含量之間的平衡關系。因此，為了在排氣過程中氧化hc和co排放物，或者作為排氣凈化裝置，在采用催化裝置時，需要向排氣系統供給新鮮的空氣，稱此空氣為二次空氣。但是如果柴油中含硫量較多時，氧化催化反應將會生成較多的硫酸鹽，反而使微粒排放增加。所以采用doc的柴油發電機應選用含硫量低的柴油。
二、nox的催化還原裝置
柴油發電機為了降低排氣中的nox排放量，采用以氨為還原劑的選擇型催化還原裝置（se-lective catalytic reduction，scr）。催化劑一般采用v2o3-tio2、ag-al2o3以及含cu、pt、co或fe的人造沸石等。在催化還原裝置前供給相對燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（圖1），用排氣熱進行加水分解反應所產生的nh3（氨）對no進行選擇型還原，其還原反應式為
...........................(公式1)
上述反應所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當工作溫度過低時，上述no的還原反應不能有效進行；如果溫度過高，會造成催化劑過熱而損傷，而且還會使還原劑nh3直接氧化而損耗并產生新的nox。特別是可能生成強溫室氣體n2o，即
2 nh3+2o2→n20+3h2o....................(公式2)
因此，開發scr催化還原裝置時必須注意避免n2o的生成。
通過機內措施和scr型催化還原裝置的配合使用，在不用dpf（或dpt）下可滿足2005年度實施的歐洲排放法規。在柴油發電機穩定工況下，通過各參數的優化控制，不僅對柴油發電機尾氣排放物的凈化效率可達到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過渡工況下的凈化效率。
圖1 scr催化還原系統
三、微粒濾清器
作為專門控制柴油發電機微粒排放量的控制裝置，有以壁流式蜂窩狀陶瓷為濾芯的微粒濾清器（dpf）。這種濾芯的結構特點是，每兩個相鄰的孔道，一個在進口處被堵住，另一個在出口處被堵住。這樣排氣從孔道流入后，必須穿過多孔性陶瓷壁面才能通過相鄰孔道流出，此時將排氣中的pm過濾在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面積為2mm×2mm，壁厚為0.4mm左右。蜂窩狀陶瓷濾芯體積一般是柴油發電機排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內，長度不超過150mm。大排量柴油發電機可采用數個濾芯并聯工作。在柴油發電機運行過程中，dpf 濾芯上沉積的pm逐漸增多，使得排氣流動阻力增加，直接影響柴油發電機的性能。因此，必須及時清除堆積在濾芯上的pm，以恢復到原來的低阻力狀態，這已成為dpf非常重要的問題。而這一清除濾芯上的pm的過程稱為dpf的再生。由于pm中絕大部分為可燃物，所以dpf再生的最簡便的方法就是定期地燒掉pm。dpf的再生方法有以下幾種。
1．電加熱再生系統
這種方法是用電加熱器加熱dpf，并供給一定量的空氣來燒掉pm，使dpf再生（圖2）。這種再生法采用關閉dpf流動的方法來再生，所以需要多個dpf。這樣每個dpf再生所需要的能量少，但結構復雜。
2．連續再生系統
圖3所示為連續再生系統，其結構特點是將doc和dpf前后安裝在同一殼體內。安裝在前段的doc生成氧化活性很強的no2，由此再生安裝在其后段的dpf。為了提高dpf的再生效果，將特殊的doc安裝在dpf的前段，這樣在排氣過程中前置doc 中所產生的含有no2氣體的廢氣直接進入dpf，在排氣流動過程中直接進行再生。或者，在dpf中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。
圖2 電加熱再生系統
圖3 連續再生系統
3．強制氧化催化再生系統
這是一種通過柴油發電機的控制和doc的結合，使dpf強制升溫的dpf再生系統。柴油發電機的控制主要包括噴射時期、egr、vgs/vnt、排氣制動等的控制，由此提高排氣溫度，使之達到前段doc中催化劑的活性溫度。也可以結合柴油發電機控制，實施燃料后噴射（如下止點附近噴射），以排出未燃hc，使之在前段doc中燃燒，由此加熱dpf使其達到再生的目的（圖4）。
圖4 強制氧化催化再生系統
dpf的主要再生方法見表6-2。
表6-2 dpf的再生方法
再生方法
備 注
強制再生
電加熱
微濃加熱
輕柴油燃燒加熱
低溫等離子氧化
逆流空氣噴射清洗
逆洗后，用電加熱器燒掉pm
柴油發電機控制＋氧化催化
進排氣節流，燃料后噴，排氣系噴油
連續再生
催化劑載體dpf
前段氧化催化
生成no2
催化劑載體＋前段氧化
燃料添加型催化器
燃料添加劑
四、dpnr裝置
目前，在柴油發電機上比較成功的同時降低nox和微粒排放量的控制技術，主要由高壓共軌電控噴射系統、低溫燃燒控制技術、排氣燃料添加系統及后處理系統（dpnr裝置＋氧化催化器）組成。這項技術通過噴油器啟噴壓力為180mpa的高壓共軌噴射系統，進行多階段噴射控制，同時以1mpa的壓力向排氣噴燃料，以便使dpnr內的nox還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統受燃料中硫的侵蝕。
dpnr（diesel particulate and no，reduction）裝置的結構如圖5、圖6 所示。其特點是，采用陶瓷蜂窩狀結構，入口和出口交叉堵塞。在載體內壁設有細孔，保證微粒順利流動。而在載體壁面和細孔內部固化nox吸附還原型催化劑，以便將排氣中的nox吸附還原。即當稀混合氣燃燒時將排氣中的nox吸附，而在濃混合氣燃燒時，釋放被吸附的nox，并在排氣中的hc、co及還原劑（pt）的作用下使之還原為n2。
圖5 dpnr系統組成圖
圖6 dpnr催化器截面圖
對微粒的氧化機理是，在空燃比（混合氣濃?。┙蛔兊倪\轉過程中，通過吸附和釋放nox時的氧化還原反應，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進微粒的氧化，實現低溫領域對微粒的氧化（圖7）。
圖7 dpnr的凈化原理圖
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柴油發電機組按照控制和操作的方式的不同可分為哪幾類？
解析康明斯柴油發電機后處理裝置
柴油發電機一般在平均過量空氣系數大于1.2的較稀的混合氣下燃燒。所以，雖然柴油發電機的壓縮比比汽油機高，但其燃燒最高溫度及排氣溫度都比汽油機低，而且排氣中co、hc排放量也明顯少于汽油機。柴油發電機的主要有害尾氣排放物是nox和微粒，以及co和hc。汽油機在理論空燃比下燃燒時可通過三效催化轉化器同時凈化nox、co和hc排放量，使之控制在很低的水平。但是柴油發電機由于平均空燃比比較大，不能用三效催化轉化器。所以，根據其有害尾氣排放物，在柴油發電機上所采用的主要后處理技術有氧化催化轉化器、nox的催化還原裝置、微粒濾清器以及dpnr裝置等。
一、氧化催化轉化器
氧化催化轉化器（doc）只是將排氣中的co和hc以及pm中的sof氧化為co2和h2o。氧化催化劑主要采用pt（鉑）和pd（鈀）等貴金屬。為了氧化hc和co，將pt、pd獨立或兩者組合作為催化劑。實際使用的pt和pd的質量之比在2.3/1附近，一般多采用質量比為2/1或2.5/1的催化劑。pd易受pb（鉛）的侵蝕，而pt則容易受熱劣化。
影響催化反應的基本因素是反應物的含量、溫度及體積流量（又稱空間速度）。所以，為了提高反應效率，需要適當控制這些因素。一般催化劑的工作溫度為300℃以上，空間速度（氣體的體積流量）為每小時數萬升以下。在反應物的含量中很重要的影響因素是氧氣的含量和被氧化物質（co、hc、h2）的含量之間的平衡關系。因此，為了在排氣過程中氧化hc和co排放物，或者作為排氣凈化裝置，在采用催化裝置時，需要向排氣系統供給新鮮的空氣，稱此空氣為二次空氣。但是如果柴油中含硫量較多時，氧化催化反應將會生成較多的硫酸鹽，反而使微粒排放增加。所以采用doc的柴油發電機應選用含硫量低的柴油。
二、nox的催化還原裝置
柴油發電機為了降低排氣中的nox排放量，采用以氨為還原劑的選擇型催化還原裝置（se-lective catalytic reduction，scr）。催化劑一般采用v2o3-tio2、ag-al2o3以及含cu、pt、co或fe的人造沸石等。在催化還原裝置前供給相對燃料3％～5％的32.5％含量的尿素（圖1），用排氣熱進行加水分解反應所產生的nh3（氨）對no進行選擇型還原，其還原反應式為
...........................(公式1)
上述反應所需要的工作溫度范圍是250～500℃。當工作溫度過低時，上述no的還原反應不能有效進行；如果溫度過高，會造成催化劑過熱而損傷，而且還會使還原劑nh3直接氧化而損耗并產生新的nox。特別是可能生成強溫室氣體n2o，即
2 nh3+2o2→n20+3h2o....................(公式2)
因此，開發scr催化還原裝置時必須注意避免n2o的生成。
通過機內措施和scr型催化還原裝置的配合使用，在不用dpf（或dpt）下可滿足2005年度實施的歐洲排放法規。在柴油發電機穩定工況下，通過各參數的優化控制，不僅對柴油發電機尾氣排放物的凈化效率可達到90％以上，也可以改善200℃以下的低溫過渡工況下的凈化效率。
圖1 scr催化還原系統
三、微粒濾清器
作為專門控制柴油發電機微粒排放量的控制裝置，有以壁流式蜂窩狀陶瓷為濾芯的微粒濾清器（dpf）。這種濾芯的結構特點是，每兩個相鄰的孔道，一個在進口處被堵住，另一個在出口處被堵住。這樣排氣從孔道流入后，必須穿過多孔性陶瓷壁面才能通過相鄰孔道流出，此時將排氣中的pm過濾在各流入孔道的壁面上。一般，孔道截面積為2mm×2mm，壁厚為0.4mm左右。蜂窩狀陶瓷濾芯體積一般是柴油發電機排量的1～2倍，其最大直徑在150～200mm范圍內，長度不超過150mm。大排量柴油發電機可采用數個濾芯并聯工作。在柴油發電機運行過程中，dpf 濾芯上沉積的pm逐漸增多，使得排氣流動阻力增加，直接影響柴油發電機的性能。因此，必須及時清除堆積在濾芯上的pm，以恢復到原來的低阻力狀態，這已成為dpf非常重要的問題。而這一清除濾芯上的pm的過程稱為dpf的再生。由于pm中絕大部分為可燃物，所以dpf再生的最簡便的方法就是定期地燒掉pm。dpf的再生方法有以下幾種。
1．電加熱再生系統
這種方法是用電加熱器加熱dpf，并供給一定量的空氣來燒掉pm，使dpf再生（圖2）。這種再生法采用關閉dpf流動的方法來再生，所以需要多個dpf。這樣每個dpf再生所需要的能量少，但結構復雜。
2．連續再生系統
圖3所示為連續再生系統，其結構特點是將doc和dpf前后安裝在同一殼體內。安裝在前段的doc生成氧化活性很強的no2，由此再生安裝在其后段的dpf。為了提高dpf的再生效果，將特殊的doc安裝在dpf的前段，這樣在排氣過程中前置doc 中所產生的含有no2氣體的廢氣直接進入dpf，在排氣流動過程中直接進行再生。或者，在dpf中也可以固化氧化劑以提高低溫活性。
圖2 電加熱再生系統
圖3 連續再生系統
3．強制氧化催化再生系統
這是一種通過柴油發電機的控制和doc的結合，使dpf強制升溫的dpf再生系統。柴油發電機的控制主要包括噴射時期、egr、vgs/vnt、排氣制動等的控制，由此提高排氣溫度，使之達到前段doc中催化劑的活性溫度。也可以結合柴油發電機控制，實施燃料后噴射（如下止點附近噴射），以排出未燃hc，使之在前段doc中燃燒，由此加熱dpf使其達到再生的目的（圖4）。
圖4 強制氧化催化再生系統
dpf的主要再生方法見表6-2。
表6-2 dpf的再生方法
再生方法
備 注
強制再生
電加熱
微濃加熱
輕柴油燃燒加熱
低溫等離子氧化
逆流空氣噴射清洗
逆洗后，用電加熱器燒掉pm
柴油發電機控制＋氧化催化
進排氣節流，燃料后噴，排氣系噴油
連續再生
催化劑載體dpf
前段氧化催化
生成no2
催化劑載體＋前段氧化
燃料添加型催化器
燃料添加劑
四、dpnr裝置
目前，在柴油發電機上比較成功的同時降低nox和微粒排放量的控制技術，主要由高壓共軌電控噴射系統、低溫燃燒控制技術、排氣燃料添加系統及后處理系統（dpnr裝置＋氧化催化器）組成。這項技術通過噴油器啟噴壓力為180mpa的高壓共軌噴射系統，進行多階段噴射控制，同時以1mpa的壓力向排氣噴燃料，以便使dpnr內的nox還原、微粒氧化。這樣也可以防止后處理系統受燃料中硫的侵蝕。
dpnr（diesel particulate and no，reduction）裝置的結構如圖5、圖6 所示。其特點是，采用陶瓷蜂窩狀結構，入口和出口交叉堵塞。在載體內壁設有細孔，保證微粒順利流動。而在載體壁面和細孔內部固化nox吸附還原型催化劑，以便將排氣中的nox吸附還原。即當稀混合氣燃燒時將排氣中的nox吸附，而在濃混合氣燃燒時，釋放被吸附的nox，并在排氣中的hc、co及還原劑（pt）的作用下使之還原為n2。
圖5 dpnr系統組成圖
圖6 dpnr催化器截面圖
對微粒的氧化機理是，在空燃比（混合氣濃?。┙蛔兊倪\轉過程中，通過吸附和釋放nox時的氧化還原反應，在催化劑表面上生成活性氧，由此促進微粒的氧化，實現低溫領域對微粒的氧化（圖7）。
圖7 dpnr的凈化原理圖
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