CN115487824B - 一种矿用防爆柴油机尾气净化装置 - Google Patents

一种矿用防爆柴油机尾气净化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂，所述增强型DOC催化剂通过表面涂覆耐硫涂层进行增强处理；所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂表面涂覆有耐硫涂层。本发明提供的矿用防爆柴油机尾气净化装置，通过增强型氧化型催化器(DOC‑Z)技术针对煤矿现场实际油品情况而特殊设计了涂层配方，使得其耐硫性增强，同时增大了孔眼直径，硫酸盐不易附着，提高了使用稳定性及产品寿命。

Description

一种矿用防爆柴油机尾气净化装置
技术领域
本发明属于尾气处理技术领域，具体涉及一种矿用防爆柴油机尾气净化装置。
背景技术
煤矿生产离不开运输，传统运输方式中存在运输环节多、效率低、安全性差等难题。近年来，矿用防爆柴油机无轨胶轮车的兴起有效解决了这些问题。矿用无轨胶轮车运输时间短、载重量大、适应性强、安全性高，可以有效提高运输效率，在煤矿安全生产中应用越来越广泛。但是随着矿用无轨胶轮车服务年限的增加，防爆柴油机排放的废气中有害物质(如NOx、CO、HC、PM等)也增加，其中CO、CH等气体不仅有毒有害，还容易积聚引起井下CO传感器报警，造成矿井监测监控系统报警，影响矿井安全生产。
柴油机燃料在燃烧过程中，造成CO成因的根本因素是温度、供氧情况和反应时间。柴油是烃类燃料，CO就是烃类燃料的中间产物和燃烧不完全的产物。在燃烧过程中，反应的气体温度过低、突然缺乏氧化剂或者反应的气体在其合适的温度和浓度中停留时间过短都会促使CO的生成。柴油机形成的颗粒物主要由碳烟和灰分组成，其中碳烟一般在高温、缺氧情况下形成，是因燃料与空气的混合过程较短，导致混合不均，造成燃烧时局部严重缺氧，燃料在高温缺氧的情况下生成不饱和烃，不饱和烃通过脱氢进一步聚合形成碳烟晶核，然后碳烟晶核又相互聚合形成较大碳烟颗粒。当温度降低时，碳烟表面会吸附、凝结未燃烧的燃油和未完全氧化的碳氢等，形成有机可溶物。灰分主要由燃料中含有的铅、硫元素在燃烧过程中产生氧化物进一步反应生成的。
根据防爆柴油机尾气中有害物质产生原理，现有技术中最常用的防爆柴油机尾气净化装置原理是对排放的尾气中有害气体进行催化氧化使其变成无毒无害气体；对尾气中微小颗粒物采用过滤捕捉的方式减少其排放。其中，现阶段最成熟的技术就是DOC即柴油氧化型催化器(Diesel Oxidation Catalyst)和DPF即颗粒微粒捕集器(Diesel ParticulateFilter)。
DOC在降低微粒及HC、CO同时，由于其很强的催化氧化性能也有可能会造成SO2转化成硫酸盐的排放量增加。研究表明，影响DOC工作性能的主要因素是排气温度和燃油中的含硫量。较高的尾气温度将有助于SOF的氧化，提高转换效率；但是尾气温度过高(400～500℃以上)，SO2和燃油中的硫转化成硫酸盐的量将大大增加，这样有可能使总的颗粒量增加而不是减少。此外，硫酸盐覆盖在催化氧化器内表面将使得催化氧化器活性逐步降低，逐步降低其转化效率，最后完全失效。传统的柴油机氧化催化器一般适于含硫量较低的柴油燃料；并要保证催化剂及载体、发动机运行工况、发动机特性、废气的流速和催化转换器的大小以及废气流入转换器的进口温度等正常，使净化效果达到最佳。
DPF即颗粒微粒捕集器(Diesel Particulate Filter)，是在排气管中装设一个颗粒物过滤器，过滤的材料和方法有多种，其中壁流式效果最佳，应用最为广泛。DPF是一种蜂窝结构，这种结构极大的增加了作用接触面积，当含有PM的尾气由入口通道进入，入口通道末端堵住，尾气只能通过虑壁渗透进入相邻的出口通道内，再由出口通道排出，虑壁是微孔陶瓷，具有很强的透气性，超过2.5um(可设定)的颗粒将被阻隔在入口通道内，从而对尾气中的PM进行吸附过滤，但传统的DPF单元存在再生清理时间短(50小时)、寿命短(1年)的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，通过增强型氧化型催化器技术(DOC-Z)对尾气排放中的CO进行氧化反应，使其变成无毒无害的二氧化碳进行排放；和利用催化型柴油颗粒微粒捕集技术(CDPF)收集尾气中的微小颗粒物，同时对尾气中的CO进行氧化，减少有害物质的排放。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；
其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂，所述增强型DOC催化剂通过表面涂覆耐硫涂层进行增强处理；
所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂表面涂覆有耐硫涂层。
优选的，所述耐硫涂层由片状铜锰氧化物、铈镍氧化物组成，所述片状铜锰氧化物、铈镍氧化物的质量比为1：0.5-2；所述片状铜锰氧化物中铜锰元素摩尔比为1：0.5-1，所述铈镍氧化物中铈镍元素的质量比为1：1-1.5。
优选的，所述片状铜锰氧化物的制备方法如下：将铜、锰的硝酸盐溶于水，加入铜、锰总摩尔量1.5倍的草酸，90-110℃下水热反应5-12h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，随后在700-800℃下煅烧2-4h，然后球磨4-7小时，得片状铜锰氧化物。
优选的，所述铈镍氧化物的制备方法如下：将铈、镍的硝酸盐溶于水，加入铈镍总摩尔量1.5倍的乙酸，在100℃下搅拌加热至干燥，随后在600-700℃下煅烧1-3h，然后球磨1-2h，得铈镍氧化物。
优选的，所述增强型DOC催化剂以蜂窝状陶瓷结构的堇青石为载体，铂金属为基础涂层，耐硫涂层为外层涂层。
优选的，以增强型DOC催化剂的体积计，所述基础涂层的涂布量为1-2g/L，所述耐硫涂层的涂布量为30-40g/L；所述增强型DOC催化剂的壁厚为0.14-0.2mm，孔眼密度为100-150目。
优选的，所述CDPF催化剂中DOC催化剂外环直径为DPF催化剂直径的1.5-2倍；所述DPF催化剂结构为壁流式蜂窝陶瓷。
优选的，以CDPF催化剂的体积计，所述耐硫涂层的涂布量为20-30g/L；所述CDPF催化剂的壁厚范围为0.14-0.2mm，孔眼密度为100-150目。
优选的，所述增强型氧化型催化器还包括外筒体、质石隔温棉、钢丝防震护套、定位套，所述增强型DOC催化剂外套有质石隔温棉，所述质石隔温棉外套有钢丝防震护套，所述钢丝防震护套外套有外筒体，所述定位套卡接在所述外筒体内，防止外筒体内的部件产生位移。
优选的，所述催化型颗粒物捕集器还包括外筒体、质石隔温棉、钢丝防震护套、定位套，所述CDPF催化剂外套有质石隔温棉，所述质石隔温棉外套有钢丝防震护套，所述钢丝防震护套外套有外筒体，所述定位套卡接在所述外筒体内，防止外筒体内的部件产生位移。
优选的，所述外筒体两端设有连接法兰，所述增强型氧化型催化器通过连接法兰与所述催化型颗粒物捕集器相连接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的矿用防爆柴油机尾气净化装置，通过增强型氧化型催化器(DOC-Z)技术针对煤矿现场实际油品情况而特殊设计了涂层配方，使得其耐硫性增强，同时增大了孔眼直径，硫酸盐不易附着，提高了使用稳定性及产品寿命。
(2)本发明提供的矿用防爆柴油机尾气净化装置，全区域均涂覆有低温耐中毒涂层，在结构上，DPF功能区域在中间，DOC功能区域分散四周，DPF功能区域采用物理过滤式对PM进行彻底捕集，利用四周DOC功能区域二次燃烧时的温度提高DPF对PM的捕集效率，DOC涂层侧向于氧化催化，当DPF区域捕集满PM后，尾气将从DOC直通孔内通过，不影响原机的正常使用，延长CDPF的清理周期，清理周期长达100h，提高CDPF的使用寿命。
(3)本发明提供的矿用防爆柴油机尾气净化装置，通过涂覆耐硫涂层，制备层状的铜锰氧化物，层状的铜锰氧化物具有大量缺陷的桥联式单斜四方相界面，可以抑制纳米颗粒的生长，使催化剂具有较小的颗粒尺寸和较大的比表面积，有利于氧物种的活化，产生更多的氧空位，从而提高了催化剂的氧化还原性，同时加入铈镍氧化物，Mn、Ce氧化物间的相互作用大大增加了催化剂表面的氧空穴和晶格氧迁移能力，Mn与Ce的强相互作用表现出良好的协同作用，提高催化剂的氧化还原性，形成丰富的活性晶格氧，从而提高涂层的耐硫性，表现出较好的低温还原性能。
附图说明
图1为本发明增强型氧化型催化器结构示意图；
图2为本发明CDPF催化剂截面图；
图3为本发明催化型颗粒物捕集器结构示意图；
图4为本发明尾气净化装置示意图。
其中，1、外筒体；2、连接法兰；3、质石隔温棉；4、钢丝防震护套；5、增强型DOC催化剂；6、CDPF催化剂；7、定位套。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；
其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂5，所述增强型DOC催化剂以蜂窝状陶瓷结构的堇青石为载体，铂金属为基础涂层，耐硫涂层为外层涂层；具体制备方法如下：将铂金属用等量浸渍法负载到载体上，负载量为1g/L，浸渍3次，干燥后在400℃下煅烧6h，得到涂有基层的DOC催化剂；将耐硫涂层分散在乙醇溶液中，用等量浸渍法将耐硫涂层负载到上述涂有基层的DOC催化剂，涂布量为30g/L，浸渍3次，干燥后在500℃下煅烧4h，即得所述增强型DOC催化剂；所述增强型DOC催化剂的壁厚为0.14mm，孔眼密度为100目；
所述增强型DOC催化剂5外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂6，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂中DOC催化剂外环直径为DPF催化剂直径的1.5倍；所述DPF催化剂结构为壁流式蜂窝陶瓷，所述CDPF催化剂表面涂覆有耐硫涂层，具体涂布方法如下：将耐硫涂层分散在乙醇溶液中，用等量浸渍法将耐硫涂层负载到CDPF催化剂载体上，涂布量为20g/L，浸渍3次，干燥后在500℃下煅烧4h，即得所述CDPF催化剂；所述CDPF催化剂的壁厚范围为0.14mm，孔眼密度为100目；
所述CDPF催化剂6外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述增强型氧化型催化器与所述催化型颗粒物捕集器通过连接法兰2固定连接。
其中，所述耐硫涂层由片状铜锰氧化物、铈镍氧化物组成，所述片状铜锰氧化物、铈镍氧化物的质量比为1：0.5；所述片状铜锰氧化物中铜锰元素摩尔比为1：0.5，所述铈镍氧化物中铈镍元素的质量比为1：1；所述片状铜锰氧化物的制备方法如下：将18.8g硝酸铜、8.95g硝酸锰溶于500L水，加入20.25g草酸，90℃下水热反应5h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，随后在700℃下煅烧2h，然后球磨4小时，得片状铜锰氧化物；所述铈镍氧化物的制备方法如下：将32.6g硝酸铈、18.3g硝酸镍溶于500mL水，加入18g乙酸，在100℃下搅拌加热至干燥，随后在600℃下煅烧1h，然后球磨1h，得铈镍氧化物。
实施例2
一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；
其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂5，所述增强型DOC催化剂以蜂窝状陶瓷结构的堇青石为载体，铂金属为基础涂层，耐硫涂层为外层涂层；具体制备方法如下：将铂金属用等量浸渍法负载到载体上，负载量为2g/L，浸渍3次，干燥后在400℃下煅烧6h，得到涂有基层的DOC催化剂；将耐硫涂层分散在乙醇溶液中，用等量浸渍法将耐硫涂层负载到上述涂有基层的DOC催化剂，涂布量为40g/L，浸渍3次，干燥后在500℃下煅烧4h，即得所述增强型DOC催化剂；所述增强型DOC催化剂的壁厚为0.2mm，孔眼密度为150目；
所述增强型DOC催化剂5外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂6，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂中DOC催化剂外环直径为DPF催化剂直径的2倍；所述DPF催化剂结构为壁流式蜂窝陶瓷，所述CDPF催化剂表面涂覆有耐硫涂层，具体涂布方法如下：将耐硫涂层分散在乙醇溶液中，用等量浸渍法将耐硫涂层负载到CDPF催化剂载体上，涂布量为30g/L，浸渍3次，干燥后在500℃下煅烧4h，即得所述CDPF催化剂；所述CDPF催化剂的壁厚范围为0.2mm，孔眼密度为150目；
所述CDPF催化剂6外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述增强型氧化型催化器与所述催化型颗粒物捕集器通过连接法兰2固定连接。
其中，所述耐硫涂层由片状铜锰氧化物、铈镍氧化物组成，所述片状铜锰氧化物、铈镍氧化物的质量比为1：2；所述片状铜锰氧化物中铜锰元素摩尔比为1：1，所述铈镍氧化物中铈镍元素的质量比为1：1.5；所述片状铜锰氧化物的制备方法如下：将18.8g硝酸铜、17.9g硝酸锰溶于800mL水，加入27g草酸，110℃下水热反应12h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，随后在800℃下煅烧4h，然后球磨7小时，得片状铜锰氧化物；所述铈镍氧化物的制备方法如下：将32.6g硝酸铈、27.45g硝酸镍溶于800mL水，加入22.5g乙酸，在100℃下搅拌加热至干燥，随后在700℃下煅烧3h，然后球磨2h，得铈镍氧化物。
对比例1
一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；
其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂5，所述增强型DOC催化剂以蜂窝状陶瓷结构的堇青石为载体，铂金属为涂层；具体制备方法如下：将铂金属用等量浸渍法负载到载体上，负载量为1g/L，浸渍3次，干燥后在400℃下煅烧6h，得到增强型DOC催化剂；所述增强型DOC催化剂的壁厚为0.14mm，孔眼密度为100目；
所述增强型DOC催化剂5外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂6，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂中DOC催化剂外环直径为DPF催化剂直径的1.5倍；所述DPF催化剂结构为壁流式蜂窝陶瓷，所述CDPF催化剂表面涂覆铂金属涂层，具体涂布方法如下：将铂金属用等量浸渍法负载到CDPF催化剂载体上，负载量为1g/L，浸渍3次，干燥后在500℃下煅烧4h，即得所述CDPF催化剂；所述CDPF催化剂的壁厚范围为0.14mm，孔眼密度为100目；
所述CDPF催化剂6外套有质石隔温棉3，所述质石隔温棉3外套有钢丝防震护套4，所述钢丝防震护套4外套有外筒体1，所述定位套7卡接在所述外筒体1内，防止外筒体1内的部件产生位移；
所述增强型氧化型催化器与所述催化型颗粒物捕集器通过连接法兰2固定连接。
将实施例1和2、对比例1中制备得到的尾气净化装置连接到柴油发动机排气系统中，测试其尾气净化效果。
PM处理效率的测量：在装有标定功率为55KW柴油发动机的测功机台架上，在1500r/min的固定转速下，通过调整输出功率得到不同的排气温度。采用没有涂覆任何催化剂的CDPF测量发动机在各排气温度下每小时PM排放量。将CDPF在发动机排气温度250℃积累PM至1.5-2g/L作为初始重量，在发动机一个排气温度下运行1小时，然后测量CDPF的重量，以CDPF每升每小时的处理量＝(初始重量+该温度下发动机每小时PM排放量-运行后CDPF重量)/CDPF体积，计算出各排气温度下DPF每升每小时的处理量。
在发动机各排气温度下CDPF对PM处理效率如下：
300℃ 350℃ 400℃ 450℃
实施例1处理效率g/LHr 0.5 1.8 4.4 7.5
实施例2处理效率g/LHr 0.6 1.9 4.1 6.8
对比例1处理效率g/LHr 0.2 0.8 1.9 3.8
HC和CO的处理效率的测量：测量发动机在各排气温度下在尾气净化装置前端和后端分别测量HC和CO的浓度，以处理效率＝(尾气净化装置前浓度-尾气净化装置后浓度)/尾气净化装置前浓度*100％，计算尾气净化装置对HC和CO的处理效率。
在发动机各排气温度下尾气净化装置对HC处理效率如下：
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
实施例1处理效率％ 20 49 71 99
实施例2处理效率％ 22 45 67 98
对比例1处理效率％ 16 31 55 91
在发动机各排气温度下尾气净化装置对CO处理效率如下：
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
实施例1处理效率％ 16 43 74 98
实施例2处理效率％ 14 48 70 96
对比例1处理效率％ 8 33 53 86
将实施例1、实施例2和对比例1中的尾气净化装置应用于防爆柴油机中，实施例1的CDPF(催化型颗粒物捕集器)的清理周期为100h，实施例2的清理周期为95h，对比例1的清理周期为65h。
从上表中可以看出，本发明制备的尾气净化装置对尾气处理效果好，同时在低温下也能有较高的处理效率，同时，其耐硫性增强，提高了净化装置的清理周期，具有良好的应用前景。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种矿用防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述净化装置由增强型氧化型催化器与催化型颗粒物捕集器固定连接组成；
其中，所述增强型氧化型催化器包括增强型DOC催化剂，所述增强型DOC催化剂通过表面涂覆耐硫涂层进行增强处理；
所述催化型颗粒物捕集器包括CDPF催化剂，所述CDPF催化剂由内部的DPF催化剂和包覆在DPF上的DOC催化剂组成，所述CDPF催化剂表面涂覆有耐硫涂层；
所述增强型氧化型催化器还包括外筒体(1)、质石隔温棉(3)、钢丝防震护套(4)、定位套(7)，所述增强型DOC催化剂(5)外套有质石隔温棉(3)，所述质石隔温棉(3)外套有钢丝防震护套(4)，所述钢丝防震护套(4)外套有外筒体(1)，所述定位套(7)卡接在所述外筒体(1)内，防止外筒体(1)内的部件产生位移；
所述催化型颗粒物捕集器还包括外筒体(1)、质石隔温棉(3)、钢丝防震护套(4)、定位套(7)，所述CDPF催化剂(6)外套有质石隔温棉(3)，所述质石隔温棉(3)外套有钢丝防震护套(4)，所述钢丝防震护套(4)外套有外筒体(1)，所述定位套(7)卡接在所述外筒体(1)内，防止外筒体(1)内的部件产生位移；
所述耐硫涂层由片状铜锰氧化物、铈镍氧化物组成，所述片状铜锰氧化物、铈镍氧化物的质量比为1：0.5-2；所述片状铜锰氧化物中铜锰元素摩尔比为1：0.5-1，所述铈镍氧化物中铈镍元素的质量比为1：1-1.5；
所述片状铜锰氧化物的制备方法如下：将铜、锰的硝酸盐溶于水，加入铜、锰总摩尔量1.5倍的草酸，90-110℃下水热反应5-12h，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，随后在700-800℃下煅烧2-4h，然后球磨4-7小时，得片状铜锰氧化物；所述铈镍氧化物的制备方法如下：将铈、镍的硝酸盐溶于水，加入铈镍总摩尔量1.5倍的乙酸，在100℃下搅拌加热至干燥，随后在600-700℃下煅烧1-3h，然后球磨1-2h，得铈镍氧化物。
2.根据权利要求1所述的一种防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述增强型DOC催化剂以蜂窝状陶瓷结构的堇青石为载体，铂金属为基础涂层，耐硫涂层为外层涂层。
3.根据权利要求2所述的一种防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，以增强型DOC催化剂的体积计，所述基础涂层的涂布量为1-2g/L，所述耐硫涂层的涂布量为30-40g/L；所述增强型DOC催化剂的壁厚为0.14-0.2mm，孔眼密度为100-150目。
4.根据权利要求1所述的一种防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述CDPF催化剂中DOC催化剂外环直径为DPF催化剂直径的1.5-2倍；所述DPF催化剂结构为壁流式蜂窝陶瓷；以CDPF催化剂的体积计，所述耐硫涂层的涂布量为20-30g/L；所述CDPF催化剂的壁厚范围为0.14-0.2mm，孔眼密度为100-150目。
5.根据权利要求1所述的一种防爆柴油机尾气净化装置，其特征在于，所述外筒体(1)两端设有连接法兰(2)，所述增强型氧化型催化器通过连接法兰(2)与所述催化型颗粒物捕集器相连接。
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