尾气装置对柴油发电机排放特征的影响和试验

　　摘要：柴油发电机具有热效率高、燃油经济性好、功率大等优点，而柴油发电机是NO?排放和颗粒物排放的主要贡献者。NO?是光化学烟雾的诱因之一，颗粒物对人体健康也有着不可忽视的危害。各类后处理技术相结合已经是柴油发电机应对日益严格的排放法规的具体对策。氧化型催化器和催化型颗粒捕集器一般联合操作来高效降低柴油发电机THC，CO以及颗粒物的排放，采取性催化还原装置则详细用来减轻NO?的排放。因此联合选择DOC+CDPF+SCR后解决装置是减轻柴油发电机排放的高效策略。为研究三元催化器后解决系统对柴油发电机排放特点的危害，本文以康明斯国三柴油发电机为研讨对象进行台架试验，分析了排放特征，研讨了不一样工况下尾气系统的净化效果以及各自在减排中的贡献。

　　      DOC常载的活性组分有铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）等贵金属。Pt和Pd的主要贡献是氧化CO和HC。Pd和Pt具有协同功能，能提升催化剂的抗老化能力，减小硫酸盐的生成量。DOC应用于DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后排除装置中时，能将NO氧化为NO?，有助于CDPF的被动再生和SCR的快速反应。CDPF是在颗粒捕集器CDPF载体上涂覆催化剂（Pt，Pd等），减轻颗粒物的起燃温度，促进再生，能高效减少柴油发电机颗粒物排放。SCR是柴油发电机减少NO?排放的重要对策，其原理是将尿素水溶液（即AdBlue，浓度一般为32.5%）喷入柴油发电机排出的废气中，在催化剂功用下将废气中的NO?还原成无害的N2和H?O。DOC，CDPF，SCR联合应用于柴油发电机后处理装置能够促进彼此的净化能力，是目前主流后排除装置的重要技术路线、试验样机及装备

　　      试验样机为一台QSB3.9、直列4缸、废气涡轮增压中冷轻型国三柴油发电机，其尾气系统结构如图1所示，其详细技术型谱见表1。

　　      试验所用测量仪器包括ME?A-1600D气态物分析仪和EEPS-3090颗粒粒径剖析仪。ME?A-1600D气态物排放剖析仪选取部分流采样装置，可实时采集CO，CO2，THC，NO，NO?等气态物浓度数据。EEPS-3090颗粒粒径分析仪可测定粒径范围在5.6～560 nm颗粒的数量浓度、体积浓度、品质浓度以及表面积浓度的粒径分布。

　　试验措施    柴油发电机排放试验系统见图2。为了考察DOC+CDPF+SCR（三元催化器）技术对柴油发电机各类污染物排放特点的危害，以及DOC，CDPF，SCR在各类污染物排放转化中各自的贡献，本试验选择本机后、DOC后、CDPF后以及SCR后共4个测点。台架试验工况包括外特点试验、最大功率转速负载特征试验、标定功率速度负载特征试验。负荷特点下，在额定速度下分别对负载率10%，25%，50%，75%，100%进行试验。共计21个测试工况点。每个测试工况点稳定采样≥1 min。在上述试验工况下，考察气态物（NO?，THC，CO等）和颗粒物的排放特点。

　　      图3示出外特点下加装DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后解决系统前后的动力性变化。由图3可知，外特点下，柴油发电机功率随着转速的增加先增大后减少，加装后处理系统后柴油发电机功率有所减小，尤其是在速度1800 转/分时，这是由于CDPF内加载有炭烟颗粒，致使排烟背压逐渐升高，发电机的动力性下降，高效容量与输出功率均有不一样程度的损失。图4示出外特点下加装DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后解决装置的压降。可以看出，随着速度的提高，空速提高，后处理装置带来的压降也基础呈直线提升。加装后解决后功率平均降幅为1.3%，最高降幅为2.5%，加装后排除装置对柴油发电机动力有一定危害。 

　　      负载特征下，柴油发电机燃油消耗率随着负载的增加而减少，加装后解决系统后柴油发电机燃油消耗率恶化的比例也随负荷的增加而减少。这是由于柴油发电机的经济性同样受到排气背压的影响。外特点下加装后解决后柴油发电机燃油消耗率增加比率平均约为2.6%，对柴油发电机的经济性有一定影响。

　　      自动化装置的详细功用为：数据采集、传输和解决。通过端站的探头和执行端完成参数的采集和命令执行；各站的数据通信装置完成数据传输任务；最后由监控中心站的微机系统完成参数排除作业，包括参数辨识、校验、存贮和剖析，并将解决后的参数和结果进行显示、存储和打印。

　　      图5、图6示出1500转和1800转额定转速下NO?的转化率和SCR入口温度随负荷的变化。从图中可以看出，随着负载的增加，排烟温度和NO?的转化率逐渐增加，这是因为负荷增大导致缸内燃烧温度升高，而偏高的排气温度能促进SCR的催化还原。在低负荷下，SCR后的NO?排放没有得到有效控制，这是因为低负载下排烟温度偏低，SCR催化剂活性受到抑制，SCR的工作效率不高。随着负载的提升邵阳康明斯发电机，排气温度升高，此时NO?转化率达到最佳。试验结果表明：在SCR入口温度达到230℃时，NO?的转化率达到50%；低负荷下，SCR入口温度过低，NO?的转化率不超过40%；在75%和100%负载下，平均转化率分别为98.7%，94.7%，高负载下温度的进一步提高反而会促进NH3的氧化反应，略微降低NO?的转化率。

　　      图7示出外特点下原机后、DOC后、CDPF后3个测点下NO?占NO?比例的变化。原机后NO?比例极低，在1500 转/分时最大，仅为1.95%。DOC后NO?比例显着提升，这是由于DOC将部分NO氧化为NO?。低速度下DOC氧化特点详细受到温度的制约，转速的提高致使温度提高，NO?比例提升；高速度下DOC氧化特性主要受空速危害，NO?比例逐渐下降。排气进入下游CDPF后，部分NO在催化剂的用途下继续被氧化为NO?，部分NO?参与CDPF的被动再生，氧化颗粒物从而被还原，这两方面起因导致了NO?比例的变化。从图6中可以看出，CDPF后NO?比例略有上升，这说明CDPF催化用途的NO?生成量要多于被动再生消耗的NO?。

　　      图8示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的NO?排放特征。从图中可以看出，原机后NO?比排放随着速度的增加先增加后缓慢减小。DOC后、CDPF后NO?排放略有减小，NO?减排的具体贡献者还是SCR。在低转速下，SCR仍然受温度的危害作业效率不高，这与上文低负荷的情况类似。随着速度的提升，SCR转化率逐渐提升，在1800 转/分时达到92.1%，NO?比排放量为0.94 g/（kW·h），此后NO?转化率在平均值92.2%左右波动，NO?比排放量均在2 g/（kW·h）以下。

　　       图9示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的THC排放特征。总体而言，THC比排放受速度增加影响不大。对比4个测点的THC排放规律可以看出，原机后、DOC后株洲康明斯发电机、CDPF后、SCR后4个测点的THC排放依次减轻。DOC后THC的平均转化率为86.2%，CDPF后THC的平均转化率为87.9%，SCR后THC的平均转化率为90.1%，可以看出，DOC是THC排放减小的主要贡献者，CDPF、SCR能略微提升THC的转化率。具体起因是DOC和CDPF均涂覆了贵金属Pt和Pd，其中Pt对饱和碳氢化合物的氧化活性偏高，Pd对不饱和碳氢化合物的氧化活性过高，因此，在Pt和Pd的催化功用下，THC比排放显着下降；同时，DOC内氧化反应也提高了排气温度，促进了THC在CDPF内的进一步转化；SCR中部分THC也可作为还原剂与NO?产生反应。

　　      图10示出外特性下原机后、DOC后、CDPF后、SCR后4个测点的CO排放特性。总体而言，CO原机比排放随转速的提升先减少后增加，在1500 转/分时CO的比排放过高，达到18.5 g/（kW·h），可能是缸内燃烧不完全引起，但在DOC的减排用途下CO最终比排放不超过0.01 g/（kW·h）。CO的转化率始终处于一个较高的水准，平均转化率达到91.3%，DOC是CO减排的主要贡献者；CDPF能进一步略微减小CO的排放，这是由于DOC内氧化反应提升了排气温度，CDPF内涂覆的贵金属在排烟温度提升的情况下进一步发挥了功用；SCR对CO排放危害不大。后排除装置后CO比排放保持在0.01～0.02 g/（kW·h）。

　　可见，经过DOC和CDPF后，柴油发电机的颗粒物排放得到高效降低。颗粒物数量分布存在核态和聚集态两个分布区，分割点在50 nm。其中，核态颗粒物粒径在50 nm以内，详细由含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分结构；聚集态颗粒物粒径在50 nm以上，具体成分为高度聚合形态的含碳颗粒吸附含硫化合物、碳氢化合物等可溶有机组分形成。随着粒径的增大，原机颗粒物数量总体呈先略微增加后降低的趋势，粒径分布呈单峰或双峰分布。单峰分布峰值在粒径45 nm附近；双峰分布第一个峰值在粒径10 nm附近，第二个峰值在粒径45 nm附近，均处于核态分布区内，第二个峰值接近于核态分布区和聚集态分布区的分界点，因此，核态颗粒物原机排放数量比聚集态更高，20～100 nm区域颗粒物数量最高，占排放总量的79.1%。

　　      经过DOC后，颗粒物数量有所减小，但颗粒物粒径分布规律变化不大。随负载的增大，排气温度随之升高，DOC对颗粒物的减排效果也更明显。DOC对粒径在100 nm以内的颗粒物具有良好的减排效果；对于更高粒径的聚集态颗粒物，DOC在10%负载（如图11）和100%（如图15）负载时减排效果较差，这是由于低负载时排气温度过低，DOC的催化性能不高，而高负载时DOC前排气温度高达408℃，反而促进了硫酸盐的生成。

　　      经过CDPF后，颗粒物粒径具体呈三峰分布或多峰分布，峰值点散布于核态和聚集态两个分布区。在粒径20～200 nm区域，CDPF的颗粒净化效率最高；对于粒径在20 nm内的颗粒物，CDPF的净化能将颗粒物数量减少一个数量级；对于粒径在200 nm以上的颗粒物，CDPF的净化效果相对较差。以25%，50%和100%负载为例：25%负荷下（如图12），CDPF后粒径在200 nm内、200 nm以上的颗粒物减排率分别为99.6%，85.9%；50%（如图13）负载时，CDPF后粒径在200nm内、200nm以上的颗粒物减排率分别为99.4%，80.3%；100%负载时，CDPF后粒径在200 nm内、200 nm以上的颗粒物减排率分别为98.3%，81.9%。

　　      总体来说天津康明斯发电机，5.6～560 nm的PN减排率（颗粒物数量减排率）和PM减排率（颗粒物质量减排率）可以由颗粒物的粒径分布加权得出，额定速度负载特点下DOC+CDPF后PN及PM减排率见图16。随负荷的增大CDPF的PN减排效果略有衰减，这是因为高负荷下原机颗粒物排放数量更高，尽管CDPF捕集了更多的颗粒物，但总体减排率仍略有减少。因为CDPF对大粒径颗粒物净化效果相对小粒径颗粒物较差，PM减排率略低于PN减排率，PM平均减排率为96.6%。在CDPF捕集颗粒物的流程中主要有三种捕集机理：布朗扩散、直接拦截以及惯性碰撞。在整个捕集过程中，布朗扩散占主导地位，但随着颗粒物粒径的增大，布朗扩散的作用下降，直接拦截和惯性碰撞原理的效果提高，但提升的效果有限，引起大粒径颗粒物的净化效果相对较差；同时对于小粒径颗粒物来说，一方面CDPF表面涂覆的催化剂能将聚集态颗粒表面的可溶有机组分氧化，将它们转化为核态区的小粒径颗粒物，另一方面排气中的NO?对碳颗粒的氧化功用也能减小其吸附可溶有机组分的能力，减轻颗粒物粒径，因此，尽管小粒径颗粒物的布朗扩散原理功用最强，但减排率仍略低于20～200 nm区域。

　　 （1）加装DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后排除系统对柴油发电机动力性和经济性有一定影响，功率平均降幅为1.3%，燃油消耗率平均增幅为2.6%。

　　（2）在合适的排烟温度下，DOC+CDPF+SCR（三元催化器）能高效减小NO?的排放，SCR是详细贡献者；中低负荷以及低速工况下，排气温度在200℃以下，NO?的转化率不高；75%和100%负荷下，排气温度超过300℃，NO?的平均转化率达到96.7%；DOC能有效提高排烟中NO?的比例，外特征下原机NO?的平均比例约为1.3%，DOC后NO?的平均比例达到29.0%，CDPF能将其进一步提升到30.8%，促进SCR的反应效率。

　　（3）DOC是THC和CO排放减轻的主要贡献者，效果显着；外特征下THC经过DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后的平均转化率为90.1%，THC平均比排放为0.01 g/（kW·h）；外特性下CO经过DOC+CDPF+SCR（三元催化器）后的平均转化率为91.3%，CO平均比排放为0.02 g/（kW·h）。

　　（4）原机颗粒物粒径分布呈双峰分布，DOC后颗粒物粒径分布规律变化不大，CDPF后颗粒物粒径详细呈三峰分布及多峰分布；DOC对颗粒物有良好的净化效果，仅在低、高负载时对大粒径颗粒物表现不好；CDPF对20～200 nm粒径颗粒物的净化效率最高，粒径在20 nm以下的颗粒物的净化效率其次，200 nm以上最低；PN和PM平均减排率分别为99.1%和96.6%。

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