[发明专利]内燃机尾气颗粒物炭黑净化处理装置与方法

说明书

内燃机尾气颗粒物炭黑净化处理装置由加热器、点火器、进气调节阀、燃烧舱、涡轮、过滤芯、收集罐组成；加热器、涡轮、催化过滤芯、收集罐装在燃烧舱内；尾气排气口装燃烧舱，前口上方装加热器和点火器，中部装涡轮、齿轮和滤网，底部有泻口装收集罐；后部装催化过滤芯后接排气管。方法是闭合主电键，温控开关开启加热器电路加热；继电器压动点火器点火，碳氢化合物因进气调节阀选择进入氧气而燃烧；过量的碳氢化合物和颗粒物、炭黑未能完全燃烧生成的一氧化碳与氮氧化物经催化反应生成氮气和二氧化碳；颗粒物、炭黑由涡轮、齿轮扫入收集罐中；最终以氮气和二氧化碳、水蒸汽排出。它用于内燃机尾气颗粒物炭黑的净化处理，使排放的尾气达标。

技术领域 本发明涉及到内燃机车尾气减排领域，尤其是涉及到内燃机尾气净化处理装置，特别是涉及内燃机的尾气排放中的废气废物的净化、清理和收集的装置与方法。

背景技术 目前“尾气净化器”的专利和技术很多，主要都是采用三元催化器和氧化催化器、尿素催化净化尾气的技术，虽然能够让尾气中的一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物得到净化，但是前提是要有氧气可用，空燃比要合理，固然增加了氧传感器和ECU智能控制工况，调节空燃比，才能达到净化的目的，然而，颗粒物和炭黑无法及时清理，布满了三元催化剂载体，堵塞排气管道，形成背压，影响了发动机性能和尾气净化效果。尿素催化净化法需要不断地供给尿素，才能以氨气与一氧化氮、二氧化氮反应生成氮气和水，这是困扰尾气减排和达标的难题。根据尾气净化器，360百科：内燃机采用汽油，柴油，LPG或CNG为燃料。排出的主要有害物质为HC、CO、NOx和颗粒物(黑烟)。尾气净化器一般结构是涂有贵金属催化剂的金属蜂窝载体。工作原理是当高温尾气通过净化器时，HC、CO和颗粒物在催化剂和高温的作用下和氧气发生化学反应成为无毒的水和二氧化碳。汽油，LPG和CNG发动机使用三元催化器来去除HC、CO和NOx。柴油发动机采用氧化催化器(DOC)，直通式免维护柴油机尾气微粒过滤器(FTF)和壁流式柴油机尾气微粒过滤器(DPF)来去除HC、CO和颗粒物。也采用SCR系统来去除NOx。直通式免维护柴油机尾气微粒过滤器(FTF)能去除60-80％的黑烟，95％的柴油机尾气臭味，99％的CO。现在常用的是用尿素水溶液和氨气做还原剂，通过催化剂，把氮氧化物还原成氮气。又根据氧化型催化器，360百科：车用柴油机加装氧化型催化器，以铂(Pt)、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，主要降低微粒排放中的SOF的含量从而降低PM的排放。同时可以有效减少排气中的HC、CO。氧化催化器可以除去90％的SOF，从而使PM排放减少40％-50％。其对HC和CO的处理效率可以分别达到88％、68％。催化氧化技术对脱除柴油机排放微粒中的可溶性有机成分(SOF)具有良好的效果，即在柴油机排气系统增设催化转化器，SOF在铂、铑和钯等贵金属催化剂或稀土催化剂等的作用下发生氧化反应转化为CO₂和H₂O而除去，通常其脱除效率可达80％。同时还可除去尾气中的HC和CO等有害物质。但该技术脱除碳颗粒物的效果比较差，并且催化剂有将排气中的SO₂催化转化为SO₃而生成硫酸盐颗粒的趋向，尤其是温度较高时硫酸盐生成速率增大，从而使颗粒物排放总量减少甚微。并且硫化物的存在还易使催化剂中毒劣化。所以柴油机颗粒催化氧化技术一般适用于含硫量较低的柴油燃料。DOC对PM的捕捉效果不如微粒过滤器，但是由于碳氢化合物的点火温度较低(在170℃以下就可再生)，所以DOC不需昂贵的再生系统，投资费用较低。需要注意的是催化剂的选择与柴油机排气温度密切相关，当温度低于150℃时，催化剂基本不起作用。随着温度的升高，排气微粒主要成分的转化效率逐渐增高。当温度高于350℃后，由于硫酸盐大量产生，反而使微粒排放量增大，而且，硫酸盐还会覆盖在催化器表面降低催化剂的活性和转化效率。此外硫对大多数催化剂来讲都有毒性，可引起催化剂中毒。因此，在我国使用氧化催化剂必须提高燃油品质，还要设法降低氧化催化器的成本价格。再根据颗粒捕捉器，360百科：颗粒捕捉器能够减少柴油发动机所产生的烟灰达90％以上。捕捉到的微粒排放物质随后在车辆运转过程中燃烧殆尽。它的工作基本原理是：如柴油微粒过滤器喷涂上金属铂、铑、钯，柴油发动机排出的含有炭粒的黑烟，通过专门的管道进入发动机尾气微粒捕集器，经过其内部密集设置的袋式过滤器，将炭烟微粒吸附在金属纤维毡制成的过滤器上；当微粒的吸附量达到一定程度后，尾端的燃烧器自动点火燃烧，将吸附在上面的炭烟微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。为了做到这一点，捕捉器应用了先进的电控系统、催化涂层和燃料添加型催化剂(FBC)。这种燃料添加型催化剂包含诸如铈、铁和铂等金属。这些材料按比例加入到燃料中，在发动机控制系统的帮助下不仅控制微粒排放物质的数量，而且还控制碳氢化合物和污染气体等污染物的排放量。捕捉器的再生或净化功能必须在可控的基础上完成，以保持捕捉器不被烟灰堵塞。在净化周期结束以后，任何残留灰尘或滤渣最终都将在日常维护中被人为地清除。柴油颗粒捕捉器可以有效地减少微粒物的排放，它先捕集废气中的微粒物，然后再对捕集的微粒进行氧化，使颗粒捕捉器再生。所谓过滤器的再生是指在DPF长期工作中，捕捉器里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复DPF的过滤性能。捕捉器的再生有主动再生和被动再生两种方法：主动再生指的是利用外界能量来提高捕捉器内的温度，使微粒着火燃烧。当捕捉器中的温度达到550℃时，沉积的颗粒物就会氧化燃烧，如果温度达不到550℃，过多的沉积物就会堵塞捕捉器，这时就需要利用外加能源(例如电加热器，燃烧器或发动机操作条件的改变)来提高DPF内的温度，使颗粒物氧化燃烧。被动再生指的是利用燃油添加剂或者催化剂来降低微粒的着火温度，使微粒能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。添加剂(有铈，铁和锶)要以一定的比例加到燃油中，添加剂过多会影响DOC的寿命，但是如果过少，就会导致再生延迟或再生温度升高。由此可见，背景技术“尾气净化器”、催化净化器、颗粒捕捉器能够净化尾气中的HC、CO、NOx，但是颗粒物(黑烟)难以清理，容易产生背压；而且，不能从空气中获得氧气，使HC、CO燃烧不彻底，也影响了净化效果。