中国粉体网讯 2018年7月3日，生态环境部刊发“关于发布国家污染物排放标准《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB17691—2018）的公告”（以下简称“新国标”），宣布自2021年7月1日起，所有生产、进口、销售和注册登记的重型柴油车应符合本标准要求。
小编掐指一算，整整一个月后，随着重型柴油车的加入，我国将全面步入“国六”时代。对于重型车而言，无论是压燃式还是气体点燃式柴油机，要想满足史上最严苛的国六排放标准，都必须在发动机后处理上进行大规模的技术升级。
（图片来源：云南菲尔特环保科技股份有限公司）
柴油机排放后处理系统的含义及发展
新国标中对柴油机排放后处理系统的定义为：催化器（氧化型催化器、三元催化转换器及任何气体催化器）、颗粒捕集器、除氮氧系统、组合式降氮氧系统的颗粒捕集器，以及其他各种安装在发动机下游的削减污染物的装置。
在国四、国五时代，主要通过采用选择性催化还原技术（SCR）利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理。到了国六阶段，需要多种技术共同配合，是对发动机和后处理系统的再一次革命，发动机本体再次发生变化，需要引入涡轮增压和更高的压力共轨系统，后处理系统中还要增加柴油颗粒捕捉器（DPF）来降低悬浮颗粒个数等。
（尾气净化装置，来源：云南菲尔特环保科技股份有限公司）
虽然各厂商技术路线出现分化，但DPF（柴油颗粒捕捉器）成为至关重要的环节！
何为柴油颗粒捕捉器（DPF）
柴油发动机的污染主要有微粒排放物质(PM)、碳氢化合物(HCx)、氮氧化物(NOx)和硫。其中微粒排放物质(PM)大部分是由碳或碳化物的微小颗粒(尺寸小于4～20μm)所组成的。
颗粒过滤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。其工作基本原理是：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CO2排出。
DPF过滤材料的要求
DPF的工作环境，包括路况和发动机工况变化引起的机械振动，含腐蚀成分气体的热冲击，燃烧再生时产生的高温及再生不均匀引起的热应力等。因此，过滤材料需要具备以下性能：
(1)高效的颗粒物捕集性能，且产生的排气压力不影响车辆动力性能，不引起过多的燃油消耗；
(2)良好的抗高温氧化和耐热冲击性能，以适应燃烧再生时的高温和温度变化；
(3)良好的耐腐蚀性能，以抵抗排气成分和颗粒物上吸附的金属氧化物等物质的侵蚀；
(4)优良的机械强度和抗振动性能，以便车辆搭载运行和适应路况变化；
(5)适用于某种再生形式，如催化再生、燃油添加剂再生或电加热再生等；
(6)低廉的生产成本，以便大规模市场应用。
过滤材料众多，SiC质DPF潜力巨大
过滤器材料有陶瓷材料和金属材料两类。市场上使用最多的是蜂窝陶瓷过滤器，其优点是过滤效率高、强度高、抗热冲击和机械振动能力强，陶瓷载体材料主要有堇青石陶瓷、碳化硅陶瓷和钛酸铝陶瓷等。
其中堇青石是一种镁铝酸盐，主要成分为2MgO·2Al2O3·5SiO2，由高岭土和云母烧结而成，由于堇青石具有成本低、热膨胀系数低等优点，是目前应用最广泛的颗粒物过滤和催化载体材料。但是堇青石多孔陶瓷烧成范围窄、热导率低、表面平滑难以固化催化剂，对含钠化合物的灰分抗侵蚀性有限。
与堇青石相比，SiC具有更优异的耐热、耐蚀性能和导热性能。SiC的耐热温度和导热系数远高于堇青石，机械强度也大幅度提高，能够承受更加恶劣的再生环境。而且SiC的空隙结构具有更佳的可调性，可以制备更高孔隙率和更均匀孔径分布的过滤材料。高孔隙率、强热扩散能力的优点，可使过滤器内的温度场分布更为均匀，在相同积碳量再生时，过滤器内部的最大温度远低于堇青石，可确保良好的再生安全性能，因此成为研发热点。
SiC过滤材料类型
日本Ibiden公司和NGK公司成功研发出了重结晶碳化硅(RSiC)和硅结合碳化硅(Si—SiC)过滤材料，并获得良好的实用效果。
1、重结晶碳化硅(RSiC)
RSiC材料是把SiC在2200℃高温及氦气等惰性气氛下，经蒸发，重结晶等过程制成。由于其100％的高纯度，RSiC具有更优良的耐热性能、抗高温疲劳性能和更高的热导率。早在1993年日本Ibiden公司率先研发出壁流蜂窝式RSiC—DPF，并于2000年生产出空隙率>50％、孔径<10μm的RSiC材料作为尾气过滤材料和催化剂载体投入市场应用。
2、硅结合碳化硅(Si—SiC)
另一种SiC材料，硅结合碳化硅(Si-SiC)由日本NGK公司在2000年研制成功。Si—SiC是把Si填充到SiC颗粒中间，经烧结而成。硅的加入对SiC的性能产生如下影响：
(1)降低SiC的杨氏模量，阻止再生时裂纹的产生和扩展，从而具有更高的抗热冲击性能；
(2)降低SiC的烧结温度，增加孔隙结构(如孔隙率和孔径分布)的可调性；
(3)保持较高的机械强度和耐热性能，因为硅具有与SiC相似的热机械性能；
(4)保持优良的耐酸腐蚀性能，Si-SiC的耐酸性能和RSiC相似。
总结
目前已有多个跨国公司申请了SiC材质蜂窝陶瓷体专利，如日本碍子株式会社、日本揖斐电株式会社、美国康宁股份有限公司等，这些专利技术对国内该类产品生产构成专利封锁。目前日本Ibiden和NGK公司开发的碳化硅颗粒过滤器(SiCDPF)已成功进入日本和欧洲市场，被众多汽车厂商所采用，并取得了良好的实用效果。
长期以来，汽车尾气净化处理核心技术及产品市场长期被国外巨头垄断，美国康宁和日本NGK均享受到汽车产业高速发展红利期。随着中国国六标准升级驱动，中国国产蜂窝陶瓷将迎来发展窗口期。
中国粉体网将在郑州举办“2021第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”。届时，来自武汉工程大学的徐慢教授带来题为《满足国六标准碳化硅质柴油颗粒过滤器的研究》的报告，徐慢教授将重点介绍满足国六排放标准的尾气处理系统中DPF（柴油颗粒捕集器）国内外的研究情况，同时针对原料粒度、原料配比及烧结温度与DPF物相、显微结构及孔结构的关系进行讲解。（鉴于当前防控需要，原定于2021年8月13-14日在郑州喆鹏酒店举办的“第四届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”将延期举办，计划参会的单位可以联系会务组，具体举办日期主办方确定后将第一时间通知您！）
参考来源：
[1]夏宗宝，彭幸玲.国六标准下的重型柴油车排放后处理技术简析
[2]王芳等.柴油机颗粒物及氮氧化物排放后的处理技术
[3]李贵佳. 用于汽车尾气净化的 SiC 蜂窝陶瓷
专家介绍：
徐慢，博士，教授，博导。现任武汉工程大学党委常委、纪委书记；湖北省环境材料与膜技术工程技术研究中心主任、湖北省“双创战略团队”负责人、中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会理事、长江上游新材料产业协同创新联盟理事长；全国石油和化工优秀科技工作者、中国膜行业教育名师。研究方向为陶瓷分离膜材料、装备及应用，先后承担国家和省部级科研项目20余项，发表研究论文60余篇，授权专利30余项；以第一完成人获省部级以上奖励3项。
（中国粉体网编辑整理/山川）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
