新型凈化設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于處理含顆粒的流體的凈化設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]由于車(chē)輛、機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放限制逐年變得日益嚴(yán)格，因此不可避免的要使用后處理方法來(lái)保持低于限值的排放。在柴油汽車(chē)中，要達(dá)到顆粒(PM=顆粒物質(zhì))和NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)，是最困難的，但要達(dá)到一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧艠?biāo)準(zhǔn)，通過(guò)使用氧化催化劑，是很容易實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，可以通過(guò)使用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方法(如EGR=廢氣再循環(huán))來(lái)降低燃燒溫度以減少NOx，但是這些技術(shù)方法會(huì)增加CO、HC和PM的排放量。柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(DPF=柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器)通常用于車(chē)輛應(yīng)用中，用于減少有害顆粒，轉(zhuǎn)化率超過(guò)90%。傳統(tǒng)過(guò)濾器為壁流式(強(qiáng)制流過(guò)多孔壁)，并基于表層過(guò)濾，其中顆粒層積聚在流道壁上，并且經(jīng)過(guò)初始積聚后，很少有顆粒堆積在多孔壁內(nèi)。這種基于表層過(guò)濾的過(guò)濾器在壁中具有平均孔徑大小約為8-25 μ m，該孔徑大小在普通的尺寸設(shè)置中足以除去95%以上的顆粒物質(zhì)量。這些完全過(guò)濾器可以由部分過(guò)濾器代替，部分過(guò)濾器也被稱(chēng)為POC(部分氧化催化劑)，并且過(guò)濾效率約為40-70%。與完全過(guò)濾器的大部分灰分和未燃燒物質(zhì)捕集于過(guò)濾器表面相比，部分過(guò)濾器的優(yōu)點(diǎn)是免維護(hù)，未燃燒的灰分和過(guò)量的顆粒能夠在不使用外部能量的情況下脫離組件。對(duì)于完全過(guò)濾器，即使完全除去了可燃碳煙/碳，在操作過(guò)程中壓力損失也常常增加。這是由于未燃燒灰分的積聚所導(dǎo)致。還存在一種基于深度過(guò)濾的過(guò)濾器，其分離效率大致處于表層過(guò)濾分離效率和局部過(guò)濾分離效率之間，通常為50-90%，但從實(shí)際使用來(lái)看，最佳分離效率估計(jì)為60-80%。這種基于深度過(guò)濾的過(guò)濾器通常由陶瓷或金屬纖維或泡沫或燒結(jié)金屬制成。過(guò)濾器中的纖維可以是墊或褶墊(pleatedmats)形式。通過(guò)最大化過(guò)濾面積(類(lèi)似于空氣或油過(guò)濾器的裙皺構(gòu)型的薄墊)，可以最大限度地提高效率和壓力損失之間的關(guān)聯(lián)。部分過(guò)濾器和完全過(guò)濾器之間的本質(zhì)區(qū)別是，完全過(guò)濾器中流體是被強(qiáng)制通過(guò)過(guò)濾/收集層，而部分過(guò)濾器還有暢通的通道通過(guò)過(guò)濾器。部分過(guò)濾器通常采用濾網(wǎng)、纖維墊或多孔板，并且響應(yīng)于各種通道中的壓力差和湍流，顆粒可以遷移到濾網(wǎng)、纖維墊或多孔板上。即使深度過(guò)濾器和部分過(guò)濾器名義上使用相同的材料，兩者還是可以通過(guò)工作機(jī)制和結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分的。例如，通過(guò)強(qiáng)制流體通過(guò)纖維墊，所述纖維墊可用作蜂窩結(jié)構(gòu)(深度過(guò)濾)，或通過(guò)使主流流經(jīng)波紋狀光滑纖維墊制成的蜂窩的通道但同時(shí)仍有一些顆粒留在壁面上，而用作所述蜂窩(部分過(guò)濾)。在使用纖維的過(guò)濾器中，過(guò)濾是基于利于過(guò)濾的纖維直徑。在纖維層或墊中，具有典型的非常高空隙比例(大于90%的孔隙率)，而在典型的基于表層過(guò)濾的過(guò)濾器(如堇青石、SiC或鈦酸鋁)中，過(guò)濾壁的孔隙率通常為40-50%，在特殊的高孔隙率過(guò)濾器中可高達(dá)60-70%。同樣，在深度過(guò)濾中，像在表層過(guò)濾中一樣，更多的顆粒開(kāi)始在下游積聚在過(guò)濾器表面上。
[0003]通常，顆粒中被過(guò)濾的碳物質(zhì)(碳煙)通過(guò)補(bǔ)充熱量進(jìn)行熱力燃燒。碳煙可以在550°C以上的溫度與氧進(jìn)行強(qiáng)烈燃燒反應(yīng)而被氧化,或在較低溫度(250-350°C )下借助NO2緩慢地與氧進(jìn)行強(qiáng)烈燃燒反應(yīng)而被氧化。所述NO2是在氧化催化劑中產(chǎn)生，并且只要所述氧化催化劑充分有效，顯2就可在適度低溫(>250-30(TC )下氧化碳煙。
[0004]有效氧化催化劑可以去除PM中大部分含碳?xì)浠衔锏恼舭l(fā)成分(V0F =揮發(fā)性有機(jī)成分或SOF =可溶性有機(jī)成分)。通常VOF的比例為10-40%，但對(duì)于某些發(fā)動(dòng)機(jī)和某些駕駛條件，顆粒中的VOF可高達(dá)70-90%。所述條件是在城市駕駛中由于使用舊式發(fā)動(dòng)機(jī)和/或某些燃料形成的。因此，無(wú)法根據(jù)分離效率來(lái)明確歸類(lèi)氧化催化劑、部分過(guò)濾器和完全過(guò)濾器，因?yàn)樗鼈兊姆蛛x效率根據(jù)不同的操作條件在轉(zhuǎn)化率方面互相重疊。此外，顆粒積聚在過(guò)濾相內(nèi)(深度過(guò)濾)而不是通道表面上的過(guò)濾器的分離效率，很大程度上取決于流速和線速度。深度過(guò)濾器的分離效率通常會(huì)隨著線速度增大而減小，而典型部分過(guò)濾器的效率則隨著線速度的增大而增大(過(guò)濾是基于增強(qiáng)的材料轉(zhuǎn)移)，這是深度過(guò)濾器和部分過(guò)濾器之間明顯的功能差異。許多深度過(guò)濾器開(kāi)始允許顆粒以較高流速通過(guò)。分離效率也取決于顆粒的大小。
[0005]碳成分的去除要求在過(guò)濾器或催化劑中的停留時(shí)間較長(zhǎng)?，F(xiàn)有公知的CRT方法(連續(xù)再生捕集)包括含Pt的氧化催化劑，然后是未涂覆或涂覆催化劑的DPF(EP341832)。使用傳統(tǒng)的完全過(guò)濾器的被動(dòng)方法的問(wèn)題在于，某些情況下沒(méi)有產(chǎn)生足夠量的NO2，例如，在擁擠的城市駕駛條件下，而且該方法需要含硫量非常低的燃料(S〈10ppm)，以在有效且昂貴的含Pt氧化催化劑中形成最少的硫酸鹽。如果使用含硫量較高的燃料，則會(huì)形成更多的硫酸鹽(S02— SO 3— SO4，由Pt催化劑催化)，這會(huì)完全抹殺掉使用過(guò)濾器所帶來(lái)的好處，或過(guò)濾器很快被填滿從而增加了再生頻率和堵塞風(fēng)險(xiǎn)。任何情況下都無(wú)法接受完全過(guò)濾器(DPF)堵塞，因?yàn)樗鼤?huì)使駕駛停下來(lái)。正是由于這個(gè)原因，大多數(shù)的顆粒過(guò)濾器具有主動(dòng)再生特性，這種原則已經(jīng)實(shí)行了數(shù)十年?，F(xiàn)代控制工程和發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)使得主動(dòng)再生可以在DPF中進(jìn)行。在新型現(xiàn)代柴油汽車(chē)中，主動(dòng)過(guò)濾器再生可以通過(guò)周期性升溫進(jìn)行設(shè)置，一般升到600-650°C的范圍。如果過(guò)濾器堆積了足夠的碳煙，則開(kāi)始燃燒提供補(bǔ)充熱量幫助碳煙進(jìn)行完全燃燒。盡管碳進(jìn)行了再生，完全過(guò)濾器還是聚集了未燃燒灰分，其量在尺寸設(shè)置、潤(rùn)滑劑建議以及可能的維護(hù)步驟中必須予以考慮。
[0006]除了傳統(tǒng)的壁流式顆粒過(guò)濾器，還有現(xiàn)有已知的由鋼棉、泡沫陶瓷、蠟燭結(jié)構(gòu)、利用靜電分離的纖維包覆管結(jié)構(gòu)、或水洗器制成的組件。在現(xiàn)有已知的過(guò)濾器組件中，穿孔管結(jié)構(gòu)包裹在纖維墊或金屬棉中，一個(gè)或多個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)可以安裝在完全過(guò)濾器組件中。典型的是，所述纖維結(jié)構(gòu)是均勻的并且沒(méi)有間隙，所述流在所述組件中被任意輸送，避開(kāi)纖維絲并且主流向一般為徑向。這些方面對(duì)深度過(guò)濾型過(guò)濾器來(lái)說(shuō)是典型的，其中一些顆粒積聚在過(guò)濾材料內(nèi)。通常，在這些過(guò)濾器中，廢氣徑向地流向所述管內(nèi)部，從而所述顆粒有足夠空間積聚在所述過(guò)濾器上游的所述組件的里面、表面上以及開(kāi)放空間里。也有使用例如燒結(jié)金屬或多孔金屬泡沫的金屬制完全過(guò)濾器。
[0007]部分過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在氧化催化劑的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，通過(guò)采用在壁中帶有各種穿透式構(gòu)造、爪式和凸起式構(gòu)造以及在蜂窩流道內(nèi)收縮或過(guò)濾元件的結(jié)構(gòu)來(lái)代替陶瓷或金屬蜂窩，以促進(jìn)顆粒分離。所述穿透或過(guò)濾元件使用陶瓷或金屬網(wǎng)、陶瓷或金屬棉，或者陶瓷或金屬多孔材料構(gòu)成，來(lái)代替普通金屬或陶瓷壁。部分過(guò)濾器通常設(shè)置有蜂窩組件，其在主流方向上包括軸向開(kāi)口通道系統(tǒng)。主流與普通催化劑組件中的類(lèi)似，但通過(guò)迫使部分流在徑向上流過(guò)壁中濾網(wǎng)、纖維或網(wǎng)眼，同時(shí)被壓力差所調(diào)節(jié)，顆粒分離得到了增強(qiáng)。但徑向流在各個(gè)方向上仍然是雜亂無(wú)章的，與主流一致的向量一般是軸向的。另一個(gè)基本原則是，流體從蜂窩一端流入，從另一端相對(duì)側(cè)流出，蜂窩通常是圓形或角形的。
[0008]顆粒過(guò)濾器的再生不僅要通過(guò)結(jié)合使用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流(調(diào)節(jié)空氣/燃料比，以接近化學(xué)計(jì)量條件)和補(bǔ)充燃料噴射，而且還要使用電加熱、等離子體(SAE Paper199-01-3638)或燃燒器，其能帶來(lái)補(bǔ)充熱量并燃燒碳煙(EP0070619_1982and Emiss1nminderung, Autobilabgase, Dieselmotoren, Nurnberg 15_170ct 1985, Kurzfassungen, VDI1985)。補(bǔ)充燃料可被注入氣缸(后注入)，或注入在氧化催化劑和/或催化顆粒過(guò)濾器上游的排氣系統(tǒng)。使用添加劑也可增強(qiáng)燃燒，添加劑可注入到燃料中并含有Ce、Fe或Sr等，一旦添加劑在碳煙表面分散，可將燃燒溫度降至例如約500°C，也可增強(qiáng)使用顯2進(jìn)行的再生。
[0009]特別是在靜止項(xiàng)目中，也可以使用相鄰的顆粒過(guò)濾器，其中一些過(guò)濾器處于過(guò)濾模式，而另外一些處于再生模式。載有顆粒的過(guò)濾器被轉(zhuǎn)移以進(jìn)行再生并且在再生后返回到過(guò)濾模式。流體的流量由閥門(mén)調(diào)節(jié)，但使用閥門(mén)也存在問(wèn)題，在比較臟的項(xiàng)目中可能出現(xiàn)缺陷。與單線路系統(tǒng)相比，這種結(jié)構(gòu)還需要大量額外的過(guò)濾器體積。
[0010]顆粒過(guò)濾器的催化涂層可以用于促進(jìn)碳煙的催化燃燒(SAE Paper8500015，1985)、促進(jìn)NO2的形成、或氧化為升溫而噴射的燃料。催化劑在碳?xì)浠衔?來(lái)源于燃料)、一氧化碳和NO的氧化中最有效，并且也最耐用，其是基于鉬(Pt)的催化劑。形成高含量的NO2尤其需要使用Pt，而在碳?xì)浠衔锖虲O的氧化中鉬(Pt)也具有活性。通過(guò)使用各種涂覆在過(guò)濾器上并含有例如釩、銅、鉀、鑰以及它們的化合物的催化劑，來(lái)進(jìn)行碳煙的催化燃燒。這些催化劑通常表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性以移動(dòng)到固體碳煙的表面，或含有可移動(dòng)的氧。
[0011]相對(duì)于完全過(guò)濾器，部分過(guò)濾器的再生主要是基于NO2的被動(dòng)再生。由于未燃燒的雜質(zhì)和硫酸鹽會(huì)立刻或過(guò)一會(huì)兒從部分過(guò)濾器出現(xiàn)，所以對(duì)含硫和灰分較高的燃料，也可以使用部分過(guò)濾器，并不會(huì)出現(xiàn)堵塞。從再生角度考慮，溫度以及N0x/C的比值通常要求要足夠高，這樣才能形成足夠量的NO2,并且N02+C反應(yīng)足夠快，以阻止顆粒的積累。部分過(guò)濾器在結(jié)構(gòu)和顆粒堆積方面與完全過(guò)濾器不同，這就是為什么在再生中不同的條件起主要作用。在21世紀(jì)初，部分過(guò)濾器的效率比氧化催化劑效率稍好，但后來(lái)一直希望將這個(gè)開(kāi)放型過(guò)濾器的PM效率提高到約60-70%的水平。因此，PM排放量也是完全過(guò)濾器(轉(zhuǎn)化率超過(guò)95%-98%)的5-20倍以上，因此這些過(guò)濾器可以分到不同類(lèi)別里。因此，部分過(guò)濾器的堵塞條件和再生策略仍完全不同于基于表層過(guò)濾的完全過(guò)濾器。相較于這些，很少氧化催化劑提供更低一級(jí)的堵塞風(fēng)險(xiǎn)或背壓。在完全過(guò)濾器中，背壓上升相當(dāng)大，可用傳統(tǒng)的壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。而另一方面，在部分過(guò)濾器中，壓力損失增加要少得多、慢得多。背壓的顯著上升就已經(jīng)顯示出了堵塞的跡象。
[0012]最初在21世紀(jì)早期，部分過(guò)濾器是相當(dāng)開(kāi)放的，PM的轉(zhuǎn)換率比DOC或VOF成分的轉(zhuǎn)換率稍高(30-40%)。由于通過(guò)開(kāi)發(fā)更封閉的結(jié)構(gòu)已使部分過(guò)濾器得到增強(qiáng)(PM轉(zhuǎn)換率60-70% )，因此堵塞風(fēng)險(xiǎn)也同時(shí)增加了，甚至希望使用原先與之無(wú)關(guān)的主動(dòng)再生方法。如果部分過(guò)濾器必須采用主動(dòng)再生方法，那么使用部分過(guò)濾器所帶來(lái)的一些優(yōu)點(diǎn)將會(huì)丟失，并且使用完全過(guò)濾器的門(mén)檻會(huì)降低。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0013]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種處理含顆粒的流體的凈化設(shè)備，其具有高顆粒分離能力，并在操作過(guò)程中盡可能不出現(xiàn)堵塞。為了達(dá)到這個(gè)目的，本發(fā)明的特征在于在獨(dú)立權(quán)利要求中提出的特征。其他權(quán)利要求給出了本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的凈化設(shè)備包括至少一個(gè)主顆粒分離器PPE，在所述主顆粒分離器PPE旁邊還包括至少一個(gè)旁路顆粒分離器0ΡΕ，主顆粒分離器PPE具有比旁路顆粒分離器OPE高的相對(duì)顆粒分離能力和壓力損失。所述旁路顆粒分離器OPE基本上不易堵塞并且設(shè)置尺寸使得，一旦主顆粒分離器被完全堵塞，其能夠進(jìn)行凈化設(shè)備PUL中的流體處理，并且設(shè)置流經(jīng)所述主顆粒分離器和旁路顆粒分離器的