最严苛的国六排放标准来临,SiC质DPF成为柴油车的“救命稻草”


来源:中国粉体网   山川

[导读]  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。

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)


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