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PPS滤布对PM的过滤效率探究
日期：2016-05-03|作者：admin |人气：
柴油机由于其动力性好、耐久性好、CO2排放低等优点，目前正在被广泛的应用［1，2］。但是，柴油车微粒排放量( 微粒排放量为同排量汽油机的 30 ～ 80倍［3］) 严重限制了柴油机的发展。目前，从技术上看，仅靠改进机内结构和改善燃油品质已经难以满足当前的排放标准，未来更严格的排放法规将对后处理技术提出更高的要求［4，5］。现阶段对 PM 的后处理方式有柴油机微粒捕集器技术( DPF) 、静电捕集技术、等离子去除技术等［6-9］。其中，DPF 是公认的有效的颗粒物净化装置，也是目前净化技术中商用前景好的技术之一［10，11］。但是，随着捕集颗粒物的增加，终导致过滤体压降增大，影响柴油机的经济性、动力性，因此需要对捕集器进行再生处理［12］。目前的再生方式有电加热再生［13］、喷油助燃再生、微波再生和红外再生［14］等。但这些再生方法都存在如装置复杂、成本较高、造成“二次污染”等缺陷［15］。本实验探索采用新型的过滤材料，实现颗粒捕集器滤芯的可更换，从而可避免捕集器的再生问题。聚苯硫醚( PPS) 是一种化学稳定性、热稳定性，造价较低的过滤材料，以 PPS 针刺毡制成的滤布是电厂锅炉烟尘捕集的滤布［16］。本文利用自行设计的柴油机微粒捕集装置对微粒进行捕集，通过与Whatman 公司生产的玻璃纤维滤纸进行对比，研究 3 种 PPS 滤布对柴油机颗粒的捕集效率，为 PPS材料应 用 于 柴 油 机 颗 粒 的 捕 集 提 供 基 础 实 验数据。
1 实验装置与方法
1. 1 实验装置
实验采用额定功率 12. 7 kW、标定转速 2 200 r /min 的 ZS1100 单缸、水冷柴油机作为颗粒发生源，调节柴油机的扭矩、转速，并通过 AVL DICOM4000汽柴两用分析仪来监测排气中颗粒物的浓度，提供稳定浓度的发动机排气。
柴油机排气管上开旁通口与颗粒捕集装置连接，连接管路和颗粒采集部分采用加热保温，保证与排气温度( 约 180℃ ) 保持一致。颗粒捕集装置( 详见专利: 201220055352. 3) 能在高温排气条件下工作，并能实现滤纸的在线更换，装置简图如图 1 线框所示，其实物装置及采集的颗粒物如图 2 所示。经过滤后的尾气经冷却后，采用工业吸尘器进行抽吸，保证捕集装置的稳定可靠运行。通过控制抽吸流量，控制过滤速度。此外，通过手持压力表对滤纸/滤布加载前后的过滤压降进行测试。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 过滤效率评价
实验中，将 GF /A( 1820-150) 玻璃纤维滤纸作为标杆滤纸( 默认过滤效率 100% ) ，间接评价某公司生 产 的 3 种 PPS 滤布的过滤效率。评 价 方 法如下:实验时，在捕集装置上同时安装一张滤纸和一张针刺毡，两者的放置位置( 如图 3 所示) 分 2 种情况: 滤布下层布置和上层布置。本实验通过称量滤纸捕集的颗粒物质量对针刺毡的捕集效率进行评定。
在相同的捕集时间、发动机工况和排温条件下，称量滤纸上层布置时滤纸捕集的颗粒物质量Δm1 和滤纸下层布置时的滤纸捕集的颗粒物质量 Δm2。Δm1 作为在测试时间内装置抽吸的烟气中颗粒物的质量，Δm2 作为穿过针刺毡的颗粒物的质量，因此，针刺毡的捕集效率 ηk ( k = 1，2，
3) 为:ηk = ( 1 － Δm2Δm1) × 100% ( 3)
1. 2. 2 实验前滤纸和滤布的处理为了减少滤纸吸水对本实验的影响，实验中对GF /A 型玻璃纤维滤纸采用了热喷枪干燥法( 约120℃ ) ，然后在天平上称量计量，重复 5 次以上，直到连续 3 次称量滤纸的质量变化在 0. 1 mg 以内，恒重，然后置于干燥皿中保存备用。
由于 PPS 材料的工作温度通常低于 180℃，为避免 PPS 材料在实验中由于高温热熔而引起相邻滤纸质量的变化。因此，实验前先将 PPS 滤布置于干燥箱中，加热到 180℃ 恒温 3 h 后取出，然后置于干燥皿中保存备用。
1. 2. 3 过滤速度测定
在过滤效率测试结束后，对过滤速度进行了常温实验标定，装置如图 4 所示。
3 中的定容气袋充满空气，体积为 V = 0. 494m3，将袋内气体全部抽吸所需的时间为 t( s) ，则抽吸流量 Q( m3 / s) 为:Q = Vt( 1)则过滤速度 u( m / s) 为:u = QA ( 2)式中: 过滤面积 A = 6. 9 × 10 － 3 ( m2) ; 则过滤速度u ≈ 0. 6 m / s。通常 DPF 过滤介质的过滤速度小于0. 05 m / s［17］，但为了考察在较高过滤速度下 PPS 滤布的过滤效率，同时为了缩短实验时间，本文选取了较高的过滤速度。
1. 2. 4 柴油机工况的选取
实验中滤布测试所对应的发动机工况如表 1所示。
2 实验结果及分析
2. 1 加热的影响
经过 180℃高温加热 3 h 后，3 种滤布发生了颜色和形貌变化，如图 5 所示。
由图可以看到 1#、2#滤布在干燥后的颜色均明显变深，但形态无明显变化。3#针刺毡颜色变化不明显但在干燥后有很明显的形态变化，针刺毡表面呈现褶皱现象，较干燥前柔软平整表面变得坚硬而凹凸不平。因此在柴油机上应用 PPS 滤布时，应考虑降低工作温度。
前后质量比对发现，1#滤布质量减少 4. 2 mg，2#滤布质量反而增加 8. 2 mg，3 #滤布质量也增加了 1. 7 mg，说明滤布的吸潮能力较强，质 量 易 变化; 因此，不能直接用来称量其捕集的柴油机颗粒质量。
2. 2 过滤效率
在选定的柴油机工况条件下，开展了 PPS 滤布在 180℃ 时的过滤效率测试。实 验 数 据 如 表 2所示。
由表 2 可得 1# ～ 3#PPS 滤布相对于 GF /A 型玻璃纤维滤纸的过滤效率分别为: 78. 8% 、75. 96% 和83. 76% ，均略高于金属丝网或泡沫陶瓷过滤体的过滤效率( 40% ～ 70% ) ［18，19］。其中尽管 3#滤布的厚度( 0. 72 mm) 仅有 1#、2#滤布厚度( 2 mm、1. 5 mm)的 1 /2 以下，但 3 #滤布的效率明显高于 1 #、2 #滤布。原因主要是由于 3#滤布表面涂覆有一层致密的聚四氟乙烯材料，并且 3 #滤布纤维的横纵向交叉编织程度较 1 #、2 #滤布高，从而使得 3 #滤布的过滤效率偏高( 如图 6 所示) 。此外，由表 3 可知，1#滤布的过滤效率比 2#滤布过滤效率高，主要原因是 1 # 滤 布 的 厚 度 ( 2 mm) 大 于 2 # 滤 布 ( 1. 5mm) ，并且 2#滤布的( 针刺) 微孔多于 1#滤布( 如图 6a、6b 所示) ，从而使得 1#滤布的过滤效率高于2#滤布。
由表 2 还可看出，过滤速度为 0. 6 m / s 时，1、2#滤布的初始压降均在 1 kPa 左右，捕集碳烟后其压降将上升至 3 kPa 左 右。而 3 #滤布初始压降为. 34 kPa，捕集碳烟后其压降将上升至 14. 16 kPa。由于 3#滤布过滤效率较高，因而其压降显著增大。因此，若应用 3 #PPS 材料滤布在排气管上捕集柴油机 碳 烟，为不影响发动机性能 ( 背 压 ＜ 25kPa［3］) ，需降低过滤速度以降低背压，避免发动机性能恶化。
根据柴油机颗粒物的过滤特性，随颗粒的沉积，过滤阶段进入颗粒层过滤期后，其过滤效率将趋于稳定( 通常会接近 100% ) ，且受过滤材料的影响较小。因此，为比较不同材料的过滤效率，选取深床过滤期来开展过滤效率测试。实验中发现捕集 20 min后滤布表面尚未形成明显的颗粒层，因此选择的测试时间为 20 min。为验证测试时间选择的合理性，选取过滤效率高( 深床过滤期短) 的 3#滤布开展深床期时间的探索。
2. 3 深床过滤时间
针对 3#PPS 滤布，选择已捕集颗粒物 20 min 后的滤布一张，以及 2 张空白滤布开展深床过滤时间的探索。实验数据如表 3 所示。
由表 3 可知，3#PPS 滤布经过 20 min 的过滤后，下层滤纸基本不能再捕捉到颗粒，说明 3#PPS 滤布的深床过滤时间在 20 min 以内。在捕集 15 min 后，滤纸收集的颗粒质量已开始减小( 0. 2 mg) 。综合上述实验数据可知，3#PPS 滤布的深床过滤时间大致在 15 ～ 20 min 之间; 在 20 min 以后，3#PPS 滤布的捕集效率将接近 100% 。相比金属丝网或泡沫陶瓷过滤体在整个工作期间都保持较低的过滤效率而言，PPS 滤布在经过短暂的深床过滤期后( 即进入颗粒层过滤期) ，过滤效率较高，因此，PPS 滤布有望成为可更换式柴油机颗粒捕集器的过滤材料。
3 结 论
( 1) 加热后( 180℃，3 h) ，滤布出现颜色和形态变化。1#、2#滤布加热后颜色有所加深，而 3#滤布较加热前柔软平整表面变得坚硬而凹凸不平。
( 2) 在深床过滤期，3 种 PPS 滤布的过滤效率分别为 78. 80% 、75. 96% 和 83. 76% ; 过滤效率均略高于金属丝网或泡沫陶瓷过滤体的过滤效率。
( 3) 过滤速度为 0. 6 m / s 时，深床过滤期后 3#滤布的过滤压降较大，大于 14 kPa; 而其余 2 种材料的压降较小约为 3 kPa 左右。因此，为不影响发动机性能，应用 3#PPS 材料滤布捕集柴油机碳烟需降低过滤速度。
( 4) 表面涂覆聚四氟乙烯的 3#PPS 滤布的深床过滤时间在 15 ～ 20 min 之间( 排气不透光度约 6% 、温度 180℃、微粒 SOF 含量约 9. 9% ，过滤速度 0. 6m / s) ; 深床过滤期后，过滤效率可接近 100% ; 相比金属丝网或泡沫陶瓷材料，PPS 材料具有一定的应用优势。
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