DPF過濾材料及再生方法比較

1、DPF分析報告市場前景隨著汽車行業(yè)節(jié)能和環(huán)保理念的普及，全球柴油機顆粒過濾器的市場前景良好。由于柴油發(fā)動機由于比汽油發(fā)動機節(jié)油30%,二氧化碳排放量低30%-45%,柴油化成為汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。解決柴油發(fā)動機顆粒物、氮氧化物排放的柴油顆粒過濾器（DPF）的應(yīng)用也得到各國的重視。歐洲于2008年開始針對小汽車和輕型商用卡車實施歐V排放標準，DPF已被要求作為柴油動力車輛的標準配置；美國日益嚴格的環(huán)保法規(guī)也促使顆粒過濾器在汽車上安裝。到2010年，世界柴油機顆粒過濾器的市場規(guī)模將達到45億美元。2010年中國要執(zhí)行歐IV排放標準，并將成為僅次于美國的世界第二大汽車市場。因此到2010年中國柴

2、油顆粒過濾器的潛在市場巨大。利潤高、前景好、但市場需求有限是當前國內(nèi)柴油機顆粒過濾器市場的特點。目前由于國內(nèi)柴油機汽車的比例有限，中國的柴油機顆粒過濾器以政府采購為主，市場需求有待于進一步發(fā)展成熟。但顆粒過濾器價格較高，北京于2007年初首批采購的DPF平均單價高達5萬元人民幣，對于廠商來說有較大的利潤空問。然而國內(nèi)對于DPF的材質(zhì)和DPF的再生問題尚未得到實質(zhì)性進展，基本無法提供具有成熟應(yīng)用的DPF產(chǎn)品，市場被康明斯、天納克、康寧等外資壟斷。未來內(nèi)資企業(yè)要想進入這一高端領(lǐng)域獲取高額利潤，仍需長期的技術(shù)發(fā)展和適時的政策扶植。顆粒物捕集器過濾材料和再生技術(shù)研究進展1 .DPF過濾材料微粒的捕集主

3、要有靜電吸附法、過濾捕集法和離心分離法，各種捕集技術(shù)各有利弊。過濾凈化技術(shù)捕集微粒是目前各國研究機構(gòu)普遍采用的后處理方式。對過濾材料的要求是高的微粒過濾效率、低的排氣流動阻力和較高的機械強度。其中過濾效率和流動阻力是一對矛盾，選擇材料時要綜合考慮兩方面的性能。國外在過濾材料上的研究已經(jīng)取得了較大的突破，出現(xiàn)了一些商品化的產(chǎn)品，國內(nèi)在過濾材料上的研究與國外有較大的差距，其主要原因在于過濾材料的研究需要較高的工藝水平和雄厚的資金投入?？傮w而言，大部分產(chǎn)品還是采用壁流式的結(jié)構(gòu)。目前壁流式過濾器過濾材料有以下兩種：陶瓷材料、金屬材料。1.1 陶瓷材料目前市場上使用最多的是壁流式蜂窩陶瓷過濾器，它的優(yōu)點

4、是過濾效率高，可達到6095%,過濾質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)強度高，抗熱沖擊和抗機械振動能力也較強。但其制造工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高，另外蜂窩陶瓷材料具有各向異性的特點，其徑向膨脹系數(shù)是橫向膨脹系數(shù)的兩倍，因此再生過程中受熱不均勻，易產(chǎn)生熱應(yīng)力使其損壞。壁流式的陶瓷載體主要有堇青石陶瓷和碳化硅陶瓷和鈦酸鋁陶瓷等。還有一種是金屬的壁流式結(jié)構(gòu)。陶瓷載體材料的熱穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)小但它同時也存在熱容量大、熱導(dǎo)率低、機械強度低等缺點。一方面，要求催化劑具有較高的活性；另一方面，要求載體材料熱容量小，使載體易于加熱至催化劑能夠產(chǎn)生催化作用的溫度。陶瓷載體的機械強度低，通常需填加防震摯以預(yù)防在汽車行駛的過程中因震動而破

5、碎：同時陶瓷材料的熱容量大，加熱升溫慢，所以必須采取其它措施才能使汽車冷啟動時的污染物排放得到有效的控制。正是由于陶瓷載體的上述缺點限制了催化凈化器的凈化效率。1.1.1 堇青石陶瓷載體堇青石是一種鎂鋁硅酸鹽，主要成分為2MgO2A1203-5Si02,一般由高嶺石和云母燒結(jié)而成。由于堇青石具有低廉的成本、一定的耐熱性能、較低的熱膨脹系數(shù)和良好的抗熱沖擊性能等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的顆粒物過濾和催化載體材料。堇青石作為汽油機車輛上的催化劑載體具有良好的性能，但是在應(yīng)用于DPF時，其內(nèi)部會留有很多碳煙顆粒，當排放氣體通過時發(fā)生燃燒，產(chǎn)生900c高溫、高熱，而且堇青石導(dǎo)熱率低，由于熱疲勞導(dǎo)致堇青石

6、性能惡化，缺乏良好的可靠性，容易導(dǎo)致熱斑點。最新的研究己試驗通過優(yōu)化再生方法和熱容量及最佳化過濾材料的孔徑，孔隙體積，以限制這些熱斑點。董青石材料的另一個問題是對象含鈉化合物的灰組分的抗侵蝕性有限。1.1.2碳化硅載體與堇青石相比，SiC具有更優(yōu)異的耐熱、耐蝕性能和導(dǎo)熱性能。SiC的耐熱溫度和導(dǎo)熱系數(shù)遠高于堇青石，機械強度也大幅度提高，能夠承受更加惡劣的再生環(huán)境。而且SiC的空隙結(jié)構(gòu)具有更佳的可調(diào)性，可以制備更高孔隙率和更均勻孔徑分布的過濾材料。高孔隙率、強熱擴散能力的優(yōu)點，可使過濾器內(nèi)的溫度場分布更為均勻，在相同積碳量再生時，過濾器內(nèi)部的最大溫度遠低于堇青石，可確保良好的再生安全性能。但Si

7、C材料面臨一些問題，如熱膨脹系數(shù)較大，容易在高溫熱沖擊下開裂，而且在高溫下SiC可能被活化氧化，產(chǎn)生白斑等。1.1.3鈦酸鋁載體鈦酸鋁是眾所周知用于冶金工業(yè)的材料，由于其優(yōu)異的抗熱震性也用于汽車工業(yè)作為催化劑載體。鈦酸鋁晶體的熱膨脹系數(shù)很低，具有很好的抗熱沖擊和容熱性能。還具有極好的化學(xué)，熱耐久性，然而機械強度稍低?？祵幑炯贺０l(fā)一種鈦酸鋁基過濾器材料，特別用于輕型交通工具。其結(jié)構(gòu)由約70%的鈦酸鋁和鈣一鍬長石加莫來石組成。鈦酸鋁載體過濾器的產(chǎn)生背壓值較小，過濾效率比碳化硅載體的還要高很多。這個過濾器有一種不對稱的蜂房結(jié)構(gòu)，入口的通道面積大于出口的通道面積。這樣可以提高灰燼的存儲能力?；覡a(來

8、源于潤滑油燃燒后的無機物和發(fā)動機磨損顆粒)無法在DPF勺再生過程中去除.只能是通過把DPF從排氣系統(tǒng)中拆下來用物理的方法來去除。因而提高DPF的灰燼儲存能力是增加DPF使用周期的最好方法。項目堇青石SiC鈦酸鋁口”最高使用溫度(笛)130020001500熱膨脹系數(shù)(10/)0.92.5<75,20.92.5楊氏模量(Gpa)13041045耐腐蝕性能較差優(yōu)良優(yōu)良經(jīng)濟成本低中高金屬載體較陶瓷載體具有壁薄、幾何面積和孔隙率大、導(dǎo)熱性能良好且熱容量小和耐破壞強度高等優(yōu)點；但同時存在載體的成型工藝過于復(fù)雜，載體與擔載有催化劑的活性表面的附著性不高等缺點。金屬載體優(yōu)缺點并存是現(xiàn)狀。以上問題的解決

9、都必須從材質(zhì)性能方面入手，充分利用金屬材料的優(yōu)越性，改進載體的成型方法，這將是降低金屬載體凈化器的生產(chǎn)成本，推動會屬載體凈化器進入實用化的關(guān)鍵課題。韓國一家公司開發(fā)F馀屬壁流式過濾器，相比陶瓷壁流式過濾器具有安全容碳量高(FT金屬過濾器l09/L,陶瓷過濾器39/L),導(dǎo)熱性好，機械性能好，抗熱振、熱沖擊性好等特點。從1979年JT始，彳惠國Mercedes.Benz汽車公司在其高級轎車安裝以金屬為載體材料的載體的催化凈化器，主要用于向美國、日本等對汽車尾氣排放要求十分嚴格的國家出口的汽車。2.DPF再生技術(shù)顆粒物過濾器對碳的過濾效率較高，可達到60%90%在過濾中，顆粒物過在過濾器內(nèi)會導(dǎo)致柴

10、油機排氣背壓升高，當排氣背壓達到1620kPag油機性能兀始惡化，因此必須定期地除去顆粒，使過濾器恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)，即再生。過濾器再生的方法主要是微粒氧化，而微粒氧化的要素是高溫、富氧和氧化時間。實際柴油機排氣溫度一般小于500C,特別是一些在城市工況運行的公交車的排溫甚至在300c以下。捕集器再生的關(guān)鍵性問題是降低平衡點溫度，該溫度狀態(tài)下微粒形成和氧化的速度相等，此時背壓較恒定，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。平衡點溫度與流速、微粒成分、NOX量、含硫濃度、碳煙形成以及發(fā)動機、燃料的參數(shù)有關(guān)。2.1主動再生方式柴油機顆粒物過濾器再生方式可分為被動再生和主動再生。主動再生即通過外加能量使濾芯進行再生的方

11、式。它利用外部熱源使積存在過濾體內(nèi)的微粒升溫、自燃，以減少過濾體內(nèi)的微粒。具化學(xué)反應(yīng)式為：C+OC0。常用的主動再生方式有：燃燒器噴油加熱再生，電加熱再生，微波加熱再生，紅外加熱再生，另外也可以在燃料中加催化劑(fuel-borncatalyst)來降低碳煙燃燒反應(yīng)的溫度的方式再生。2.1.1燃燒器加熱再生系統(tǒng)燃燒器加熱再生即在過濾器的入口處設(shè)置燃燒器，噴入柴油和二次空氣，燃燒后引燃微粒進行再生的方法。采用這種方法要求提供額外的燃油，并且，要求恒定燃燒器的溫度。因此，需要一套調(diào)節(jié)燃料和二次空氣供給量的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。這種燃燒器對司機駕駛有一定要求，要求再生時，不能急加速等。如果再生急加速就會

12、使氣流撲滅再生的火焰，使燃油未完全燃燒，造成車輛冒白煙的現(xiàn)象。2.1.2電加熱再生系統(tǒng)電加熱再生即采用通電加熱方法對顆粒物捕集器加熱，以促使微粒起燃。雖然產(chǎn)品在使用不會有什么冒煙現(xiàn)象，但是電加熱對控制系統(tǒng)的要求比較高。并在車用過程中需要解決耗電量高的問題，中小功率柴油機不易滿足電能要求。此外，加熱的不均勻性造成過濾體再生不均勻，過濾體易局部過熱而損壞。廣州新力金屬公司的顆粒物捕集器產(chǎn)品設(shè)有兩個過濾器，成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。一個過濾器處在過濾狀態(tài)時，另一個過濾器則處在再生狀態(tài)或等待狀態(tài)，兩個過濾器交替輪換工作。2.1.3微波加熱再生系統(tǒng)微波加熱是利用微波能獨有的選擇加熱及體積加熱特性，在過濾體內(nèi)部形成空間

13、分布的熱源，對沉積在過濾體上的碳煙顆粒進行加熱，使碳煙顆粒原位加熱著火燃燒。實現(xiàn)過濾體再生微波加熱是指在300MHt300GH頻率范圍內(nèi)對物體進行加熱。其不同于一般的加熱方式，是材料在電磁場中由介質(zhì)損耗而引起的體加熱。其能量通過空間或媒質(zhì)以電磁波形式傳遞，加熱過程與物質(zhì)內(nèi)部分子的極化密切相關(guān)。微波場中的加熱也主要是靠偶極子轉(zhuǎn)向極化（取向極化）和界面極化（也稱為Maxwellwapner極化）這兩種極化方式實現(xiàn)。微波加熱再生的關(guān)鍵技術(shù)在于如何在諧振腔內(nèi)激勵盡可能多的模式及其控制腔內(nèi)碳煙顆粒的燃燒溫度，防止過濾體因溫度過高而損壞。另外，微波對于不同的過濾體材質(zhì)有不同的微波加熱及再生特性，應(yīng)根據(jù)過濾

14、體的材料性質(zhì)合理選取加熱功率，以及設(shè)計合適的再生系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，微波加熱再生要達到實用還需要進一步的深入研究。2.1.4紅外輻射加熱再生系統(tǒng)紅外輻射加熱方式與其他加熱方式（熱風導(dǎo)熱和微波輻射加熱等）相比較，具有選擇性加熱的特點，能直接加熱受熱體，縮短受熱體加熱到所需溫度的時間,減少能量消耗；紅外再生技術(shù)的再生效率高；最高再生溫度適宜，過濾體溫度梯度小，十分適合蜂窩陶瓷的再生。紅外輻射加熱的這些優(yōu)點跟其加熱機理有密切的關(guān)系刊，從紅外輻射加熱的機理上來講，當輻射源的輻射波長與被輻射物的吸收波長相一致時，后者就吸收大量紅外能從而改變和加劇其分子的運動，達到發(fā)熱升溫加熱的作用。大連理工大學(xué)采用紅外

15、再生技術(shù)、壁流式陶瓷及電子動態(tài)反饋控制相結(jié)合，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的紅外再生柴油機顆粒捕集系統(tǒng)，顆粒排放凈化率大于95%,具有過濾效率高、再生過程可控、使用壽命長且成本低，沒有二次污染的特點。最為重要的是該系統(tǒng)解決了我國高含硫燃油問題，在油品質(zhì)量不高的發(fā)展中國家具有重大的推廣價值。2.2被動再生方式被動再生主要是指不需要外部干預(yù)的再生方式，利用NG口碳煙在過濾載體表面的低溫燃燒反應(yīng)的一種再生方式。與主動再生相比，被動再生需要的溫度較低，可以實現(xiàn)DPF勺連續(xù)再生。這種再生系統(tǒng)安裝簡單，維護的工作比較少。這種再生方式主要利用二氧化氮氧化再生。2.2.1燃料添加劑催化再生過濾器系統(tǒng)燃料添加劑催化再

16、生過濾器系統(tǒng)燃料添加劑是一種溶于燃料的催化劑.如鈾、鐵/鍬和鋁/鈾的混合物，在發(fā)動機中燃燒后進入排氣，和微粒一起由過濾器捕集。這使得微粒和催化活性成分密切接觸，相當于在微粒中加入催化劑，來降低微粒的再生溫度。缺點是催化劑隨著機動車輛排氣進入大氣中會危害人類健康。法國著名精細化工集團羅地亞旗下的羅地亞電子與催化劑材料公司研制成新一代用于柴油發(fā)動機汽車的催化劑Eolysm一種燃料添加型催化劑（FBC）,可以使用在任何一種過濾器的配置中。Eolys允許炭粒的燃點降低至400。C以下，并當燃燒發(fā)生時，以氧化鈾為基礎(chǔ)的催化劑可以促使燃燒充分，過濾器在幾分鐘內(nèi)得到快速完全的再生。2.2.2CRTS統(tǒng)CRT

17、（連續(xù)再生過濾器）是由氧化器（DOC劑微粒捕集器（不帶催化涂層的DPF）組成。當柴油機排氣通過氧化催化轉(zhuǎn)化器時，溫度在200600c條件下，CG口HC首先幾乎全部被氧化成C02ffiH20,N徽轉(zhuǎn)化成N02然后N02K化微粒捕集器中的微粒生成C02,而N02R被還原為NQ從而達到再生微粒的目的。應(yīng)該注意該系統(tǒng)只能應(yīng)用在低硫柴油機上，因為氧化催化劑可以使硫氧化而增加了微粒的數(shù)量。同時被動再生需要合適的排氣溫度，溫度太高太低都不行，溫度太低，N02a化C的速度太慢；溫度太高，N0汾解加速，不能形成足夠的N02CRT勺再生溫度范圍為2400M4500C,再生對排氣中NO/PM匕例要求是要大于20:1

18、。2.2.3CCRTK統(tǒng)CCRT系統(tǒng)也由氧化器（DOC和微粒捕集器（DPF）組成，但是CCR的微粒捕集器載體（DPF）上涂有催化劑，這樣在氧化器的產(chǎn)生的N3微粒捕集器繼續(xù)可以產(chǎn)生N0冰氧化顆粒物，使得該系統(tǒng)可以更完全的去除過濾網(wǎng)的顆粒物。CCI汀系統(tǒng)的優(yōu)點就是它對再生的條件更加寬松，較低的排氣溫度和排氣中較低的NO/PM匕就可以使系統(tǒng)再生。例如，日本W(wǎng)OLLF司生產(chǎn)的CCI汀，系統(tǒng)在排氣溫度達到1800。勺時候就可以穩(wěn)定再生，油品也只要求含硫量是350Ppm則下就可以滿足85%以上的過濾效率。再生方式排氣溫度要求油品要求主動再生無無帶添加劑催化再生300»400加添加劑CRT240-

19、350低硫CCRT180«300低硫國內(nèi)DPF主要企業(yè)分析平原機器廠予一口種類與結(jié)構(gòu)中文名稱去除的污染物及效率再生方式及產(chǎn)品價格DOC輒化催化轉(zhuǎn)化器主要胃低IK和8.效率在'居以匕少員去伸PM.笠至在10-L居.稠用貴金屬鈉僮化乳化第和8.無都生拄睨系統(tǒng).結(jié)構(gòu)最筒單，DOC+POC'監(jiān)和單元-OBD>部分流式）粒粒氧化帶化器D0C薄低成份及效率同卜.但貴金屬涂軟量梢多.F0C用f適量去除fU效率在55-TM,平均效率在60%左右.適用/在用牛曲造或國m.r新發(fā)動機配套.F0C卜也深敕貿(mào)會屬輻,利用出金M柏催化氧化口（稱作“被動再生e方式，無再生拄制系統(tǒng).（tin

20、.<亡使用f監(jiān)視作由氤記錄數(shù)據(jù)和提示維護或更換,結(jié)構(gòu)相對薪單.DOC+DPF-監(jiān)控單元卬即）+電捽單元:ECV1+執(zhí)行單元（ACI）f里流式）微粒締用器D0C降低成份及效率同上.但貴金JUMHt更多.府用T大量去除網(wǎng).效搴通常在85%bl±f*11至達到八，適用在用牛域造或國（V新發(fā)動機配好.*F系銀神夢檸再生方式，如噴泊催化整油燃燒器、電加熱等方式&聽卜涂敷或不涂敷貴金屬笆，取決于再生策略與方式低作裱動再生+主動再生.方式，有打雜的再生系統(tǒng).主動再生過程依靠外加能量并精確掙制提H與溫度窗口管理來實現(xiàn)*系統(tǒng)包括有特擰系統(tǒng)用T版W忤狀態(tài)，記錄/據(jù)和提示堆護或見換*電控單元

21、依塞“入程并控制之不再生過骼執(zhí)仃單元用下實現(xiàn)提祖的相關(guān)器件動作過程,結(jié)構(gòu)城復(fù)雜.sot系統(tǒng)選擇性玨原催化器主要是瘴征排氣的加.適用丁國IV新發(fā)動機配套,不能用在用+盤造.SCR有發(fā)雜的味素供笫系統(tǒng).系統(tǒng)包括仃監(jiān)控系統(tǒng)用T般現(xiàn)工作狀態(tài)、記最數(shù)據(jù)和有關(guān)提示】電擰單元依靠寫入鞭序捽制整個累索傳幻生；執(zhí)事單元用F實現(xiàn)原素供的相關(guān)器件動作過程.站柳復(fù)雜.系統(tǒng)批量價格與D0C十口FF訪格相當，但使用過程中轉(zhuǎn)要-不斷地的科城泰溶液*缺點：以上四種技術(shù)路線產(chǎn)品，對油品都有一定要求：含硫量越少，去除黑煙效率越高，且耐久性越好。北海輝煌朗潔環(huán)保有限公司目前北海在公交車輛配裝火焰噴射器和微波式的微粒過濾器（DPF采

22、用的是純碳化硅材質(zhì)和堇青石材質(zhì)，經(jīng)國內(nèi)外檢測機構(gòu)的檢測，在廢氣顆粒物再生方面，產(chǎn)品性能可達到歐IV、歐V標準，捕集和凈化效果達到95%柴油車捕集器DPF是壁流式結(jié)構(gòu)。其中火焰噴射器的微粒過濾器（DPF不需要在過濾網(wǎng)上涂稀有貴重金屬，在一定時間，手動點燃火焰噴射器，來燒掉儲存在過濾網(wǎng)上黑煙顆粒。雖然方法比較簡單，又時對司機也不方便，但效果還可以；對改裝車輛來說，還是可接收的，因這種DPF成本比較低，造價只需要4000-5000元。將來可開發(fā)的機會也很大。對于微波式的微粒過濾器（DPF,當濾網(wǎng)上黑煙顆粒達到一定程度，主靠紅外加熱再生-首先由加熱器加熱具有較強輻射能力的紅外涂層，然后由紅外涂層通過輻射方式加熱過濾器中捕捉的微粒，它兼具有電加熱結(jié)構(gòu)簡單和加熱高效能的優(yōu)點。但去除黑煙顆粒有限，車載電源功率對微波再生技術(shù)有限制。上海創(chuàng)怡環(huán)境技術(shù)有限公司創(chuàng)怡的黑煙觸媒過濾器（CDPF主要是把觸媒涂覆在過濾網(wǎng)（DPF表面上，當有害氣體的分子和觸媒接觸時，觸媒就把有害得氣體轉(zhuǎn)化為無害氣體；而被過濾到過濾網(wǎng)表面的黑煙顆粒，此時也發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)（由于學(xué)反應(yīng)所需要的活化能降低，使得被過濾黑煙顆粒被氧化或燃燒。CDPF對黑煙顆粒的過濾轉(zhuǎn)化效果可以達到重量比例的95犯上。CDPF以高效率的觸媒作用達到濾芯自動再生的功能，避免了舊式非觸媒型黑煙過濾器經(jīng)常被黑煙