PPS濾布對PM的過濾效率探究
柴油機(jī)由于其動力性好、耐久性好、CO2排放低等優(yōu)點(diǎn)，目前正在被廣泛的應(yīng)用［1，2］。但是，柴油車微粒排放量( 微粒排放量為同排量汽油機(jī)的 30 ～ 80倍［3］) 嚴(yán)重限制了柴油機(jī)的發(fā)展。目前，從技術(shù)上看，僅靠改進(jìn)機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)和改善燃油品質(zhì)已經(jīng)難以滿足當(dāng)前的排放標(biāo)準(zhǔn)，未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)將對后處理技術(shù)提出更高的要求［4，5］。現(xiàn)階段對 PM 的后處理方式有柴油機(jī)微粒捕集器技術(shù)( DPF) 、靜電捕集技術(shù)、等離子去除技術(shù)等［6-9］。其中，DPF 是的的顆粒物凈化裝置，也是目前凈化技術(shù)中商用前景技術(shù)之一［10，11］。但是，隨著捕集顆粒物的增加，最終導(dǎo)致過濾體壓降增大，影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性，因此需要對捕集器進(jìn)行再生處理［12］。目前的再生方式有電加熱再生［13］、噴油助燃再生、微波再生和紅外再生［14］等。但這些再生方法都存在如裝置復(fù)雜、成本較高、造成“二次污染”等缺陷［15］。
本實驗探索采用新型的過濾材料，實現(xiàn)顆粒捕集器濾芯的可更換，從而可避免捕集器的再生問題。聚苯硫醚( PPS) 是一種化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，造價較低的過濾材料，以 PPS 針刺氈制成的濾布是電廠鍋爐煙塵捕集的濾布［16］。本文利用自行設(shè)計的柴油機(jī)微粒捕集裝置對微粒進(jìn)行捕集，通過與Whatman 公司生產(chǎn)的玻璃纖維濾紙進(jìn)行對比，研究 3 種 PPS 濾布對柴油機(jī)顆粒的捕集效率，為 PPS材料應(yīng) 用 于 柴 油 機(jī) 顆 粒 的 捕 集 提 供 基 礎(chǔ) 實 驗數(shù)據(jù)。
1 實驗裝置與方法
1. 1 實驗裝置
實驗采用額定功率 12. 7 kW、標(biāo)定轉(zhuǎn)速 2 200 r /min 的 ZS1100 單缸、水冷柴油機(jī)作為顆粒發(fā)生源，調(diào)節(jié)柴油機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速，并通過 AVL DICOM4000汽柴兩用分析儀來監(jiān)測排氣中顆粒物的濃度，提供穩(wěn)定濃度的發(fā)動機(jī)排氣。
柴油機(jī)排氣管上開旁通口與顆粒捕集裝置連接，連接管路和顆粒采集部分采用加熱保溫，保證與排氣溫度( 約 180℃ ) 保持一致。顆粒捕集裝置( 詳見: . 3) 能在高溫排氣條件下工作，并能實現(xiàn)濾紙的在線更換，裝置簡圖如圖 1 線框所示，其實物裝置及采集的顆粒物如圖 2 所示。經(jīng)過濾后的尾氣經(jīng)冷卻后，采用工業(yè)吸塵器進(jìn)行抽吸，保證捕集裝置的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。通過控制抽吸流量，控制過濾速度。此外，通過手持壓力表對濾紙/濾布加載前后的過濾壓降進(jìn)行測試。
1. 2 實驗方法
1. 2. 1 過濾效率評價
實驗中，將 GF /A( 1820-150) 玻璃纖維濾紙作為濾紙( 默認(rèn)過濾效率 99% ) ，間接評價某公司生 產(chǎn) 的 3 種 PPS 濾布的過濾效率。評 價 方 法如下:實驗時，在捕集裝置上同時安裝一張濾紙和一張針刺氈，兩者的放置位置( 如圖 3 所示) 分 2 種情況: 濾布下層布置和上層布置。本實驗通過稱量濾紙捕集的顆粒物質(zhì)量對針刺氈的捕集效率進(jìn)行評定。
在相同的捕集時間、發(fā)動機(jī)工況和排溫條件下，稱量濾紙上層布置時濾紙捕集的顆粒物質(zhì)量Δm1 和濾紙下層布置時的濾紙捕集的顆粒物質(zhì)量 Δm2。Δm1 作為在測試時間內(nèi)裝置抽吸的煙氣中顆粒物的質(zhì)量，Δm2 作為穿過針刺氈的顆粒物的質(zhì)量，因此，針刺氈的捕集效率 ηk ( k = 1，2，
3) 為:ηk = ( 1 － Δm2Δm1) × 99% ( 3)
1. 2. 2 實驗前濾紙和濾布的處理為了減少濾紙吸水對本實驗的影響，實驗中對GF /A 型玻璃纖維濾紙采用了熱噴槍干燥法( 約120℃ ) ，然后在天平上稱量計量，重復(fù) 5 次以上，直到連續(xù) 3 次稱量濾紙的質(zhì)量變化在 0. 1 mg 以內(nèi)，恒重，然后置于干燥皿中保存?zhèn)溆谩?br>由于 PPS 材料的工作溫度通常低于 180℃，為避免 PPS 材料在實驗中由于高溫?zé)崛鄱鹣噜彏V紙質(zhì)量的變化。因此，實驗前先將 PPS 濾布置于干燥箱中，加熱到 180℃ 恒溫 3 h 后取出，然后置于干燥皿中保存?zhèn)溆谩?br>1. 2. 3 過濾速度測定
在過濾效率測試結(jié)束后，對過濾速度進(jìn)行了常溫實驗標(biāo)定，裝置如圖 4 所示。
3 中的定容氣袋充滿空氣，體積為 V = 0. 494m3，將袋內(nèi)氣體全部抽吸所需的時間為 t( s) ，則抽吸流量 Q( m3 / s) 為:Q = Vt( 1)則過濾速度 u( m / s) 為:u = QA ( 2)式中: 過濾面積 A = 6. 9 × 10 － 3 ( m2) ; 則過濾速度u ≈ 0. 6 m / s。通常 DPF 過濾介質(zhì)的過濾速度小于0. 05 m / s［17］，但為了考察在較高過濾速度下 PPS 濾布的過濾效率，同時為了縮短實驗時間，本文選取了較高的過濾速度。
1. 2. 4 柴油機(jī)工況的選取
實驗中濾布測試所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)工況如表 1所示。
2 實驗結(jié)果及分析
2. 1 加熱的影響
經(jīng)過 180℃高溫加熱 3 h 后，3 種濾布發(fā)生了顏色和形貌變化，如圖 5 所示。
由圖可以看到 1#、2#濾布在干燥后的顏色均明顯變深，但形態(tài)無明顯變化。3#針刺氈顏色變化不明顯但在干燥后有很明顯的形態(tài)變化，針刺氈表面呈現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，較干燥前柔軟平整表面變得堅硬而凹凸不平。因此在柴油機(jī)上應(yīng)用 PPS 濾布時，應(yīng)考慮降低工作溫度。
前后質(zhì)量比對發(fā)現(xiàn)，1#濾布質(zhì)量減少 4. 2 mg，2#濾布質(zhì)量反而增加 8. 2 mg，3 #濾布質(zhì)量也增加了 1. 7 mg，說明濾布的吸潮能力較強(qiáng)，質(zhì) 量 易 變化; 因此，不能直接用來稱量其捕集的柴油機(jī)顆粒質(zhì)量。
2. 2 過濾效率
在選定的柴油機(jī)工況條件下，開展了 PPS 濾布在 180℃ 時的過濾效率測試。實 驗 數(shù) 據(jù) 如 表 2所示。
由表 2 可得 1# ～ 3#PPS 濾布相對于 GF /A 型玻璃纖維濾紙的過濾效率分別為: 78. 8% 、75. 96% 和83. 76% ，均略高于金屬絲網(wǎng)或泡沫陶瓷過濾體的過濾效率( 40% ～ 70% ) ［18，19］。其中盡管 3#濾布的厚度( 0. 72 mm) 僅有 1#、2#濾布厚度( 2 mm、1. 5 mm)的 1 /2 以下，但 3 #濾布的效率明顯高于 1 #、2 #濾布。原因主要是由于 3#濾布表面涂覆有一層致密的聚四氟乙烯材料，并且 3 #濾布纖維的橫縱向交叉編織程度較 1 #、2 #濾布高，從而使得 3 #濾布的過濾效率偏高( 如圖 6 所示) 。此外，由表 3 可知，1#濾布的過濾效率比 2#濾布過濾效率高，主要原因是 1 # 濾 布 的 厚 度 ( 2 mm) 大 于 2 # 濾 布 ( 1. 5mm) ，并且 2#濾布的( 針刺) 微孔多于 1#濾布( 如圖 6a、6b 所示) ，從而使得 1#濾布的過濾效率高于2#濾布。
由表 2 還可看出，過濾速度為 0. 6 m / s 時，1、2#濾布的初始壓降均在 1 kPa 左右，捕集碳煙后其壓降將上升至 3 kPa 左 右。而 3 #濾布初始壓降為. 34 kPa，捕集碳煙后其壓降將上升至 14. 16 kPa。由于 3#濾布過濾效率較高，因而其壓降顯著增大。因此，若應(yīng)用 3 #PPS 材料濾布在排氣管上捕集柴油機(jī) 碳 煙，為不影響發(fā)動機(jī)性能 ( 背 壓 ＜ 25kPa［3］) ，需降低過濾速度以降低背壓，避免發(fā)動機(jī)性能惡化。
根據(jù)柴油機(jī)顆粒物的過濾特性，隨顆粒的沉積，過濾階段進(jìn)入顆粒層過濾期后，其過濾效率將趨于穩(wěn)定( 通常會接近 99% ) ，且受過濾材料的影響較小。因此，為比較不同材料的過濾效率，選取深床過濾期來開展過濾效率測試。實驗中發(fā)現(xiàn)捕集 20 min后濾布表面尚未形成明顯的顆粒層，因此選擇的測試時間為 20 min。為驗證測試時間選擇的合理性，選取過濾高( 深床過濾期最短) 的 3#濾布開展深床期時間的探索。
2. 3 深床過濾時間
針對 3#PPS 濾布，選擇已捕集顆粒物 20 min 后的濾布一張，以及 2 張空白濾布開展深床過濾時間的探索。實驗數(shù)據(jù)如表 3 所示。
由表 3 可知，3#PPS 濾布經(jīng)過 20 min 的過濾后，下層濾紙基本不能再捕捉到顆粒，說明 3#PPS 濾布的深床過濾時間在 20 min 以內(nèi)。在捕集 15 min 后，濾紙收集的顆粒質(zhì)量已開始減小( 0. 2 mg) 。綜合上述實驗數(shù)據(jù)可知，3#PPS 濾布的深床過濾時間大致在 15 ～ 20 min 之間; 在 20 min 以后，3#PPS 濾布的捕集效率將接近 99% 。相比金屬絲網(wǎng)或泡沫陶瓷過濾體在整個工作期間都保持較低的過濾效率而言，PPS 濾布在經(jīng)過短暫的深床過濾期后( 即進(jìn)入顆粒層過濾期) ，過濾效率較高，因此，PPS 濾布有望成為可更換式柴油機(jī)顆粒捕集器的過濾材料。
3 結(jié) 論
( 1) 加熱后( 180℃，3 h) ，濾布出現(xiàn)顏色和形態(tài)變化。1#、2#濾布加熱后顏色有所加深，而 3#濾布較加熱前柔軟平整表面變得堅硬而凹凸不平。
( 2) 在深床過濾期，3 種 PPS 濾布的過濾效率分別為 78. 80% 、75. 96% 和 83. 76% ; 過濾效率均略高于金屬絲網(wǎng)或泡沫陶瓷過濾體的過濾效率。
( 3) 過濾速度為 0. 6 m / s 時，深床過濾期后 3#濾布的過濾壓降較大，大于 14 kPa; 而其余 2 種材料的壓降較小約為 3 kPa 左右。因此，為不影響發(fā)動機(jī)性能，應(yīng)用 3#PPS 材料濾布捕集柴油機(jī)碳煙需降低過濾速度。
( 4) 表面涂覆聚四氟乙烯的 3#PPS 濾布的深床過濾時間在 15 ～ 20 min 之間( 排氣不透光度約 6% 、溫度 180℃、微粒 SOF 含量約 9. 9% ，過濾速度 0. 6m / s) ; 深床過濾期后，過濾效率可接近 99% ; 相比金屬絲網(wǎng)或泡沫陶瓷材料，PPS 材料具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢。
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