CN1159516C - 柴油机碳烟微粒过滤体红外再生装置 - Google Patents

Abstract

一种柴油机排气微粒过滤体再生装置，特别涉及一种利用红外对陶瓷过滤体进行再生的过滤体红外再生装置。包括在过滤再生腔内的过滤体，其特征在于由低压加热元件、红外辐射器、消音装置组成，低电压加热元件、红外辐射器安装在过滤体前端，消音装置安装在过滤后端。低电压加热元件安装在红外辐射器上。红外再生过程由红外辐射功率、再生废气流量的动态控制来实现再生过程优化。本发明的优点在于：结构简单，再生过程易控制，再生时间短再生效果好且实用性强。

Description

柴油机碳烟微粒过滤体红外再生装置

技术领域

本发明涉及一种柴油机排放碳烟微粒过滤器的再生装置，尤其是利用红外技术对壁流式陶瓷过滤器进行再生的装置。

背景技术

目前，国内外柴油机碳烟微粒过滤体再生技术有以下几种：

A、大负荷再生

柴油机在高速大负荷时，或通过某种节流方法控制柴油机的进排气量排气温度可以达到排气温度500℃以上，在此温度下，沉积在过滤器内的微粒可自行燃烧，从而达到过滤体再生的目的。这种方法比较简单，但是汽车柴油机在实际使用中很少在这样的工况下工作，而节流使柴油机在再生过程中动力性和经济性有很大程度的下降，并且由于节流，使得气缸头、活塞、阀门等部件的热负荷增加，对柴油机的寿命造成了不利的影响。

B、催化再生

催化再生技术是利用化学催化的方法降低微粒的反应活化能，使其能在柴油机正常排气温度下进行燃烧，实现微粒过滤器的再生。在再生过程中，过滤体所受到的热负荷较小，因此提高了过滤体的寿命及工作可靠性。一些金属、金属盐、金属氧化物以及稀土复合金属氧化物等催化剂对降低柴油机碳烟微粒的着火温度和转化有害气体均有很大作用。催化再生技术主要有两种：一种是将催化剂提前浸渍在过滤体上，以降低过滤体上微粒的活化能，但由于固体微粒与催化剂的接触反应极不均匀，因此很难进行完全再生。另外，由于柴油机排气中的微粒含量很大，随着时间的进行，催化剂的作用会逐渐减弱或完全消失，即催化剂中毒，从而影响到过滤体的有效再生和对其它有害气体的催化净化效果；另一种再生技术是采用燃油添加剂，即在燃油中加入金属有机物，燃烧后生成的金属氧化物对微粒起催化作用，使微粒着火温度降低，从而在较低的排气温度下，不需外部能源，过滤体能自行再生。但是，燃料添加剂的燃烧产物金属氧化物随排气流经过滤器时，有一部分会沉积下来，积累在过滤体上的添加剂金属燃烧产物会堵塞过滤体孔隙，缩短过滤器使用寿命。若沉积物过多，背压上升，就会影响柴油机的动力性和经济性，这个问题目前只能通过定期更换过滤体来解决。排入大气中的金属漂尘又会引起二次污染。催化剂的抗中毒性、热稳定性以及二次污染等问题目前还没有真正得到很好地解决。由于我国柴油中的硫含量在2000ppm以上，远高于金属催化剂所要求的硫含量(低于50ppm)标准，因此催化再生技术在我国的应用还需要一段时间。

C、喷油助燃再生

喷油助燃再生技术发展得较早，因此相对也比较成熟。该再生技术是通过一套专门的系统，适时地向过滤体上游空间喷入一定量的燃油和供给一定的空气，由点火系统将喷入的燃油点燃，使过滤体的温度上升，微粒着火燃烧，以实现过滤体的再生。再生系统很复杂，造价昂贵，而且容易出故障。为保证过滤体的成功再生，要求再生燃烧器具有点火可靠、燃烧完全、火焰分布均匀等特点。如点火失败，将使燃料沉积在过滤体上，引起二次沉积和污染，并且容易引起爆燃。燃烧不完全会使再生时排气冒烟，也会导致二次污染。

D、电加热再生

电加热再生技术与喷油助燃再生技术相类似，只不过以电能代替喷油燃烧热能加热空气或废气，以实现对过滤体的再生。这种再生技术对电功率要求比较高，一般需要1、5-3KW。为了有效地利用电能，一般都采用废气旁通装置。电自加热再生是利用具有高导电性能的结晶SiC作为过滤材料，当需要再生时，将过滤体作为电加热元件直接对其通电加热，使沉积其上的碳烟微粒升温燃烧，实现过滤体自身的再生。因此这种再生技术系统比较简单，可控性好，并且在柴油机任何工况下都能对过滤体进行可靠的再生。电加热再生对车用电源的要求很高，在车用过程中需要解决耗电量高的问题，结晶SiC的制造工艺复杂，成本高。

E、反吹再生

为了提高柴油机微粒过滤及再生系统的可靠性和使用寿命，将微粒的燃烧与过滤体分离是一个有效的途径。近年来提出了一种新的有别于一般再生过程的再生技术，即反吹再生技术。该再生过程的最大特点是能将过滤体与微粒燃烧分开，因此该系统不存在过滤体由于微粒燃烧发热而产生爆裂和烧熔等问题，另外也解决了不燃物质在过滤体内累积的问题。当过滤体需要再生时，压缩空气从过滤体出口高速喷入，将微粒从过滤体表面清除，并落入微粒漏斗。收集在漏斗内的微粒由漏斗内的电加热器连续烧掉。反吹压力过高对过滤体有机械损害，反吹压力低则清理不掉过滤体上胶质排放物。

F、微波加热再生

微波加热再生则是利用微波所独具的选择加热及体积加热特性，对沉积在过滤体上的对微波具有极强吸收能力的微粒以及过滤体本身进行加热，使微粒迅速燃烧。微波再生时在过滤体内部形成空间分布的热源，对过滤体进行体积加热。这种体积加热方式可以使沉积在过滤体内部的微粒就地吸热、着火、燃烧，过滤体内的温度梯度小，因而减少了热应力引起过滤体破坏的可能。但是由于有体积加热特性，微粒迅速燃烧，造成瞬间放热量大，再生温度难以控制，容易使过滤体烧熔。另外，微波再生需要高压逆变电源、微波发生器及波导结构比较复杂成本比较高，微波泄漏也是必须考虑的问题。

发明内容

为了克服现有的再生技术的不足，本发明提供一种红外再生技术，该再生技术可以使再生过程的温度容易控制，达到再生过程安全，可靠，迅速，节能，再生效率高。同时由于红外装置结构简单，成本低，可靠性好。

本发明所采用的技术方案是：

一种柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，它包括在过滤再生腔内的过滤体，其特征在于由低电压加热元件、红外辐射器、消音装置组成，低电压加热元件安装在红外辐射器上，红外辐射器安装在过滤体前端、消音装置安装在过滤体后端，柴油机排气管后接再生腔。

所述低电压加热元件可利用车载蓄电池或车载发电机即可实现1000～2000W的电热转换。

所述红外辐射器其特征在于红外辐射器可以将低电压元件发出的热能转换成红外辐射，红外辐射的温度将达到600～1000℃。

所述红外辐射器其特征在于烧结的辐射分体基料为NMn2O4，其中N为Co，Cu，Fe，Mn，或为MFe2O4，其中M为Mn，Co，Cu，Cr，Fe。

所述红外辐射器其特征在于所述红外辐射器在600～1000℃使用温度范围内有高的发射率，即在1～5μm的波段具有高的发射率。

所述红外辐射器其特征在于所述红外辐射器上分布有许多通道，用于废气流通。

所述红外再生装置电源可采用车上蓄电池或发电机。

本发明的原理为：

红外辐射加热方式与其它加热方式(热风导热和微波辐射加热等)相比较，能直接加热受热体，缩短受热体加热到所需温度的时间，减少能量消耗，可以较为方便的控制辐射通量的空间分布使加热均匀，优化加热效果。从实用的角度，红外辐射加热装置简单可靠使用寿命长是尤为重要的。红外辐射加热的这些优点跟其加热机理有密切的关系。从红外辐射加热的机理上来讲当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时，后者就吸收了大量红外能从而改变和加剧其分子的运动，从而达到发热升温加热的作用。这种升温的由来由光谱学的分析可知，物质的分子在吸收光子后可使光子的能量完全转变成为分子的振动和转动能量，而当物质分子吸收了红外辐射能后也可使分子的振动和转动能量发生改变，吸收的能量使得分子运动加剧导致晶格键团的振动和相互间的碰撞也加剧这种运动状况的变化，犹如两个快速运转的物体加快了摩擦生热而达到发热升温，所以其升温的速度很快而且能量效率高。

从红外加热的角度，一般将0.75～2.5μm的波长范围划为近红外区；2.5～1000μm波长范围为远红外区；对绝大多数物质，80％远红外辐射能集中在2.5～15μm波长区间，因此这个区间是远红外的实效区。15μm以上的区间为微效区，也称为极远红外区。对黑体的计算可知，1027℃时远红外区的能量占总辐射能的64％，近红外占34％。由此对于600～1000℃的中高温区，希望红外辐射波长在1～5μm的发射率高。

柴油机排放的碳烟是一种物理化学性质与碳黑相似的物质，因此碳烟微粒是接近于理想黑体的物质，其对红外全波段有很高的吸收率。而过滤陶瓷对红外的吸收率，尤其对0.7～4μm波长的吸收率只有0.3～0.4(温度从100至800℃)，因此，红外辐射可以直接对碳烟加热，减少能量的损失，缩短加热时间。碳烟在温度达到580℃以上时，发生氧化燃烧，达到再生的目的。

本发明的优点：

1、红外辐射加热碳烟的电能利用率高，再生时间短；2、由于红外辐射加热沿过滤体径向分布均匀，使过滤体沿径向的温度梯度小，降低过滤体的热应力延长过滤体的使用寿命；3、由于红外辐射的能量延径向分布均匀，再生效率比较高；4、再生过程容易优化控制，达到再生效率、再生温度分布、再生时间、再生能耗几项指标同时优化；5、再生装置结构简单，可靠，成本低。

以下结合附图和实例对本发明作进一步的说明：

附图说明

附图1为本发明的一个实例的系统结构简图。

具体实施方式

柴油机红外再生装置由进气管1、过滤再生腔3、低电压加热元器件4、红外辐射器5、过滤体6、消音装置7组成。红外再生装置的进气管1接到柴油机排气管。按照废气流动方向，低电压加热元件4、红外辐射器5安装在过滤体前端，消音装置7安装在过滤后端。低电压加热元件4安装在红外辐射器5上。红外再生装置的功率为1000W～2000W，电源由车上的蓄电池或发电机供电，由接线柱2和接线柱8接入。低电压加热元件4由镍合金电阻片制成，安装在红外辐射器5的槽内，实现利用车载蓄电池或发电机的电能对红外辐射材料进行1000～2000W功率的均匀加热。红外辐射器上烧结辐射分体基料为NMn2O4，其中N为Co、Cu、Fe、Mn，或为MFe2O4，其中M为Mn、Co、Cu、Cr、Fe。红外辐射材料在低压加热元件的加热下，产生1～5μm波长的强辐射，对过滤体上靠近红外辐射器一端的碳烟加热，加热温度达到600～1000℃。低电压加热元器件4及红外辐射器5紧靠过滤体6。红外辐射器5上分布有许多通气道，用于废气流通。

本发明的工作过程：柴油机排气通过红外再生装置的进气管进入过滤再生腔3，在过滤体过滤阶段，低电压加热元件不通电，废气通过红外辐射器、过滤体及消音装置排入大气。当过滤体需要再生时，低电压加热元件通电，在电压加热元件的加热下，红外辐射器产生波长主要为1～5μm的强红外辐射，其辐射能对过滤体靠近红外辐射器端面的碳烟进行加热，使过滤体一端沿径向分布的碳烟温度达到580℃以上，将过滤体上靠近红外辐射器端径向截面的碳烟同时点燃，点燃的碳烟的燃烧界面在废气、碳烟燃烧放出的热量及红外辐射能量的作用下向另一端迅速移动，当燃烧截面达到过滤体的另一端面时，过滤体内的碳烟全部燃烧，再生结束。过滤体红外再生的优化控制用红外功率、燃烧截面的氧气浓度、废气流量等参数的动态控制来实现。

Claims (5)

1、一种柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，它包括在过滤再生腔内的过滤体，其特征在于由低压加热元件、红外辐射器、消音装置组成，低电压加热元件、红外辐射器安装在过滤体前端，消音装置安装在过滤体后端，低电压加热元件安装在红外辐射器上，再生过程进行动态优化控制。

2、根据权利要求1所述的柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，其特征在于低电压加热元件可利用车载蓄电池或车载发电机即可实现1000～2000W的电热转换。

3、根据权利要求1所述的柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，其特征在于所述红外辐射器上烧结辐射分体基料为NMn2O4，其中N为Co、Cu、Fe、Mn，或为MFe2O4，其中M为Mn、Co、Cu、Cr、Fe。

4、根据权利要求1所述的柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，其特征在于所述红外辐射器上分布有许多通气道。

5、根据权利要求1所述的柴油机排气微粒过滤体红外再生装置，其特征在于所述红外再生过程由红外辐射功率、再生废气流量参数的动态控制来实现再生过程优化。

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