CN1277046C - 碳烟捕集过滤器及其碳烟减少装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳烟捕集过滤器(100)，及其碳烟减少装置，该碳烟捕集过滤器(100)包括捕集装置(132)，该捕集装置具有许多过滤颗粒，该过滤颗粒堆积以形成一定体积，用于在该捕集装置的整个体积内捕集包含在来自一燃烧装置的废气中的碳烟，其中该过滤颗粒包括一定比率的非球形过滤颗粒，该比率高于一预定比率。

Description

碳烟捕集过滤器及其碳烟减少装置

技术领域

本发明涉及一种碳烟捕集过滤器(soot trapping filter)，及其碳烟减少装置，更具体地涉及一种用于捕集燃烧装置(如柴油机)产生碳烟的碳烟捕集过滤器，及其碳烟减少装置。

背景技术

相对于相同功率的汽油机而言具有高效动力能源(powersource)的柴油机具有大约30-40％的节能效果。因此，在用于进行能源和二氧化碳的限制方面正在世界范围内遍及，更可取的是其可使柴油机汽车变得普及。然而，为了使柴油机得到普及，需要预先解决由从废气中排放的烟尘(尤其是微粒，即碳烟)所引起的空气污染的问题。同时，就环境保护而言加强废气的限制比低污染柴油机的研制更快，其已成为目前趋势。因此，目前与其研制低污染的柴油机，倒不如主要在碳烟减少装置方面进行尝试，其中该碳烟减少装置可减少发动机所产生碳烟的排放，可将其安装在废气通道中用以减少来自废气中的碳烟。

最常用的减少碳烟的方法是碳烟(包括微粒在内)的捕集和焚烧(incinerating)。

在典型相关技术的碳烟捕集方法中，有一种使用蜂窝状陶瓷载体过滤器的方法，以及一种使用通过编织(weaving)、或烧结高温纤维、或陶瓷纤维制作过滤器的方法。尽管上述相关技术的碳烟捕集过滤器具有优良的过滤性能，但其机械和热稳定性较差。因此，基本上难以用于通过使用上述过滤器捕集汽车废气中包含的碳烟。

为了解决上述问题，本发明的发明人提出一种使用金属或陶瓷球的捕集碳烟的方法，及其碳烟减少装置(申请号为PCT/KR10/00112，公开号为WO 01/57370)。

PCT/KR10/00112披露了一种过滤器，该过滤器具有堆积在其中的金属/陶瓷球。区别于相关技术的表面过滤，PCT/KR10/00112(以下称作“颗粒层过滤器”)中所提及的过滤器被设计成具有预定的体积用于在整个体积中捕集碳烟。更确切地说，在通过过滤器处理含有碳烟的气体过程中，颗粒层过滤器存在沉积于该过滤器的颗粒与微孔的界面上的碳烟。

与其它相关技术的过滤器相比，在PCT/KR10/00112中所提及的过滤器不存在由于该过滤器的内部温度梯度而造成的应力，且具有极好的耐高温环境和机械振荡能力，因而，尤其适合于柴油机汽车用以捕集来自废气中的碳烟。

本发明通过改变PCT/KR10/00112中所提及的过滤器及其所用装置，提出了一种具有改良效率和改良能力的碳烟捕集过滤器。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种具有极佳耐久性、高过滤效率、和高过滤能力的碳烟捕集过滤器，及其碳烟减少装置。

本发明的另一个目的在于提供一种碳烟捕集过滤器及其碳烟减少装置，其可降低生产成本。

为了实现本发明的目的，提供了一种包括捕集装置的碳烟过滤器，该捕集装置具有许多过滤颗粒，该过滤颗粒堆积以形成一定体积，用于在该捕集装置中的整个体积内捕集包含在来自一燃烧装置的废气中的碳烟，其中该过滤颗粒包括一定比率的非球形过滤颗粒，该比率高于一预定比率。

优选非球形过滤颗粒是多面体的，更好地，该非球形过滤颗粒具有不规则的多边形截面(polygonal section)。

多面体过滤颗粒优选具有100μm-1500μm的平均尺寸范围，并且该捕集装置优选具有大于15mm的厚度。该捕集装置优选具有35％-50％的微孔比率。

优选该多面体过滤颗粒由至少一种包含碳化硅的陶瓷或金属组合物构成。

优选过滤颗粒包括涂布在其上的催化剂，其适合于处理除颗粒材料以外的污染物废料，并且优选该过滤颗粒包括涂布在其上的预定催化剂，用以加速被捕集在过滤颗粒中的碳烟的氧化。

优选捕集装置基本上是圆柱体的，并且废气流动方向与废气进入捕集装置的方向是基本垂直的。

该捕集装置优选包括多级颗粒层。在该多级颗粒层中的过滤颗粒可能在材料、形状、和尺寸中至少一种不同。多级颗粒层中的过滤颗粒具有从前级颗粒层向后级颗粒层逐渐减少的平均尺寸是理想的。

本发明的另一方面，提供一种碳烟减少装置，该装置包括过滤器，该过滤器安装在具有捕集装置的排气通道的预定位置上，该捕集装置具有许多过滤颗粒，该过滤颗粒堆积以形成一定体积，以及加热装置，将其安装在该过滤器的接口(interface)内或该过滤器的接口处，用于升高引入其中废气的温度。

碳烟减少装置可进一步包括扩散器，该扩散器在过滤器的前级用于使所述废气流动均匀。

因此，根据本发明的碳烟捕集装置及其碳烟减少装置，该过滤器的过滤效率和过滤能力均可改进，同时该过滤器具有耐久性，并且可降低该过滤器的生产成本。

附图说明

图1为根据本发明优选具体实施例的碳烟减少装置的一个剖面示意图；

图2为一个正多边形的总周长与其顶点数之间的相互关系曲线图；

图3为过滤器中颗粒尺寸对过滤器的过滤效率的曲线图；

图4为过滤效率对过滤器的厚度的曲线图；

图5为颗粒尺寸对压力损失的曲线图；以及

图6为过滤器的厚度对压力损失的曲线图。

具体实施方式

将参考附图对本发明的碳烟捕集装置及其碳烟减少装置的具体实施例进行说明。图1所示为根据本发明优选具体实施例的碳烟减少装置的剖面图，将参见该碳烟减少装置进行说明。

设有一个碳烟减少装置200，该碳烟减少装置安装于排气通道1的位置，设有一个通道，可将包含在来自一发动机内的碳烟中的废气进行排放。在碳烟减少装置200的壳体内设有一个碳烟捕集过滤器100，优选含有多级过滤器，例如一个前级过滤器110和一个后级过滤器120。

碳烟捕集过滤器100，该碳烟捕集过滤器包括在其上堆积许多过滤颗粒的捕集装置132、和支撑装置130，该支撑装置用于以所要求形式支撑过滤颗粒。优选支撑装置130具有多孔板和网眼(mesh)的组合。

同时，优选在排气通道1和前级过滤器110之间有一个膨胀式减速管(reducer-expanded tube)，即一个扩散器10，该扩散器用于使废气流动均匀。更好为在碳烟减少装置200中设有加热装置30，该加热装置在过滤器100的前部、或在其边界处，可用于在再生过滤器中升高废气的温度。可将该加热装置30安装在分散器10或过滤器100内。对该加热装置30不做限定，即加热装置30可为电加热器、或其它加热的仪器。

同时，优选将压力传感器22安装在扩散器10的前部，并将温度传感器24安装在排气通道1的一个端部，即在出口3处。这是因为需要将被捕集在过滤器中的碳烟等以固定时间间隔进行焚烧以再生该过滤器，由于当沉积的碳烟堵塞微孔时，微孔比率下降，其增加了流体的压力损失。更确切地说，过滤器的再生时间点可参考分别由压力传感器22和温度传感器24测得的压力和温度来确定。在过滤碳烟的过程中，如果压力传感器22指示预定压力，或温度传感器24指示预定温度时，则会将捕集的碳烟进行焚烧，以再生该过滤器。在再生的过程中，当过了预定时间、压力传感器22指示的压力降低到预定值以下、或温度传感器24指示的温度提高到高于预定值时，该再生就会停止。

将对碳烟捕集过滤器进行详细说明。

基本上，过滤器100包括许多过滤颗粒堆积成一预定体积的捕集装置132，和用于以要求的形式支撑过滤颗粒的支撑装置130。

参见图1，过滤器100基本上是圆柱形的，并且布置成基本上与废气流动方向平行，其有利于较短的过滤器长度，从而使过滤器总体积的减少变得容易。当然，过滤器100可以是圆柱形的，但布置成与废气流动方向基本垂直。

其次，将对捕集装置132中的过滤颗粒进行说明。

过滤效率越高，且过滤能力就越强，则该过滤器就越好。因此，要求从过滤效率和过滤能力两个方面来选择过滤颗粒。

同时，过滤器的每单位体积的过滤颗粒的表面积越大(过滤颗粒/过滤器体积的总表面积，以下称之为“过滤颗粒的比表面积”)，则可提高碳烟沉积的概率，从而提高过滤效率。

此外，微孔比率越大，过滤器前后的压力损失越小，则过滤能力越强。过滤效率和过滤能力是过滤来自汽车中的废气的过滤性能中最重要的因素之一。

PCT/KR10/00112提出一种过滤器主要包含堆积在其中的具有一定尺寸的基本上为球形或椭圆形的过滤颗粒。陶瓷或金属颗粒可用电化学方法、物理方法、或机械方法制备，而用在颗粒层过滤器中的过滤颗粒则是主要采用机械方法制备。

因为在电化学方法中，将气体、或液体原料、或含有原料的电解液，进行电解、或化学反应，用以直接制备陶瓷或金属颗粒。然而，电化学方法主要适合于形成在几十微米以下的非常小尺寸的颗粒，但是难以用于制备大于100微米相对大尺寸的过滤颗粒。

在物理方法中，主要用在制备具有低熔点和汽化温度的金属粉，将块状金属进行加热以融化或汽化、喷涂或喷镀、以及固化。尽管该方法可制备相对均匀的形状和颗粒尺寸，但该方法消耗大量的能量。尤其，因为用于碳烟捕集过滤器的颗粒需要是耐热材料，该耐热材料甚至可耐高温，同时具有高熔点和汽化温度，所以该物理方法是不可行的。

在机械方法中，在将金属或陶瓷块机械冲压成(impacts into)细颗粒的传统方法中，存在机械的切削、破损、和研磨。尽管那些方法成本低，但难以控制颗粒的尺寸和形状。就获得球形或椭圆形的颗粒而言，要求用机械方法制备的颗粒(以下称作“碎片(chip)”)主要通过使用磨损(abrasion)进行机械再加工。更确切地说，碎片彼此间受到相互磨损，用于控制细部的尺寸和形状，从而制备出球形或椭圆形的颗粒。机械颗粒制备过程中的磨损过程所花费时间极长，并且能量效率极差。

然而，本发明人发现在进行磨损处理之前完全使用碎片可改进过滤效率和过滤能力，随后将对其进行说明。如果过滤效率相当于、或高于球形颗粒，甚至在磨损处理之前使用该碎片，在磨损处理之前碎片的使用具有非常明显的优点，即获得的过滤效率相当于、或高于相关技术的过滤效率，同时可有效地降低时间和经济成本，这是因为磨损处理可从碎片制备中被省去。

将对在磨损处理之前使用碎片可改进过滤效率和过滤能力的原因进行说明。

尽管具有尺寸大于几百微米的过滤颗粒难以用肉眼看见，但进行磨损处理之前的颗粒，即碎片不是球形或椭圆形，而是不规则的多面体。同时，因为不规则的颗粒具有高于球形或椭圆形颗粒的比表面，所以实际上可提高过滤效率，从而改进了过滤器性能。

当然，用于本发明的多面体过滤颗粒不仅限于进行磨损处理之前的颗粒，多面体形状或非圆形部分的任何颗粒均可使用。

将参考图2对多面体颗粒具有大于球形颗粒的比表面的事实进行说明。假定“L”表示单位面积正多边形的周长，而“N”表示正多边形的顶点数。当“N”接近无穷大时，该多边形趋近一个圆，并且“L”和“N”具有下述关系。

L∝2{N tan(π/N)}^1/2，其中π表示数字π。

可以注意到在该公式和图2中，“N”越大，周长越小。每个具有相同面积的多边形有N个顶点，正多边形具有最短的周长。因此，正多边形具有大于圆形的周长，且非正多边形具有大于正多边形的周长。这同样可适用于颗粒，且如果没有什么条件的话，该颗粒为凸状，多面体具有的比表面明显大于球体。

因此，非球形过滤颗粒的使用，即多面体的过滤颗粒可提高具有相同总过滤体积的过滤器的比表面，同时可提高过滤效率。更确切地说，优选过滤器中所用的过滤颗粒具有不规则截面。或者，可将主要为圆形截面的过滤颗粒和多面体过滤颗粒以预定比率进行混合。

当然，过滤器中的过滤颗粒可包括多面体颗粒的混合物，其在预定范围内的一种或多种材料、形状、和尺寸彼此不相同。

同时，优选该过滤颗粒由含有碳化硅的金属或陶瓷构成。因为，即使碳化硅是陶瓷的，该碳化硅具有高于普通金属的热导热性，其从提高过滤耐久性方面看是十分理想的，因为其可使散热更快，当焚烧捕集的碳烟时，即当将过滤器进行再生时，过滤器中存在连续的较小的温度梯度。

此外，优选过滤颗粒涂有预定的催化剂。可使用的催化剂中，有一种催化剂可辅助除了颗粒物之外的污染废料的处理，一种催化剂可辅助粘附于过滤颗粒的碳烟等的氧化。当然，本发明不对催化剂进行限定。

其次，参见图3-6讨论过滤器的厚度、和颗粒尺寸。

过滤颗粒越小，且过滤器的厚度(即在捕集装置中的颗粒层的厚度)越厚，则过滤效率可指数地提高，这是因为过滤颗粒越小、或过滤器的厚度越厚，则过滤表面积越大。更确切地说，颗粒尺寸越小、每单位过滤体积的表面积(比表面)越大，并且过滤厚度越厚，当过滤体积增加时，总过滤表面积就越大。

因此，颗粒尺寸越小，且过滤器的厚度越厚，则过滤效率就更令人满意。在另一个方面，就具有相同过滤效率而言，当过滤器中的颗粒尺寸越大，则要求过滤器的厚度越大，且这两者不能单独设定。

在这种情况下，对具有相同效率的过滤器来说，具有较大颗粒尺寸和较大过滤器的厚度的过滤器就具有比对应情况的过滤器更大的过滤能力和更小的压力损失。

然而，尽管有利于过滤能力和压力损失，但过大的颗粒尺寸、以及由此所致的较大过滤器的厚度和过滤体积，会增加装置的体积和重量。因此，需要设定适宜的颗粒尺寸和过滤器的厚度，以取得过滤效率和过滤能力(或再生周期)。

因为本发明的碳烟捕集器的特征在于其是属于定体积过滤型，其中该过滤器具有高于预定尺寸的厚度，并且过滤是在过滤器中的整个过滤层中进行的，优选将过滤器的总厚度‘t’设定为大于15mm，并且优选范围在500μm-1500μm的过滤颗粒尺寸。

此外，如果该过滤器具有多级，优选从前级过滤器110到后级过滤器120变得更小的过滤颗粒尺寸。如图1所示，如果该过滤器具有两级，则优选前级过滤器具有大于5mm的厚度‘t1’和范围在500μm-1500μm的过滤颗粒尺寸，并且具有后级过滤器大于10mm的厚度‘t2’和范围在100μm-500μm的过滤颗粒尺寸。

此外，优选该颗粒层由单一尺寸的颗粒或以预定比率混合的不同尺寸的过滤颗粒的混合物，优选其微孔比率在35％-50％的范围内。

同时，捕集装置的适合的厚度可以通过总过滤器的体积与入口比表面积的比率来限定。

其次，将从微孔比率方面对该过滤器进行讨论。

当将尺寸基本相同的球形过滤颗粒进行堆积时，取决于堆积方法，该微孔比率将在25％-40％的范围内。与此相反，作为试验结果微孔比率约为43％，其中颗粒层是由具有200μm-350μm尺寸范围的多面体碎片构成；与使用球形颗粒的情形相比略有改进。

然而，颗粒层的微孔比率随颗粒的形状和尺寸分布而变化，其非常难以进行数学分析。总的来说，颗粒尺寸越均匀，则微孔比率越大，颗粒混合物的尺寸越是不同，则微孔比率就小。这是因为由较大颗粒构成较小的颗粒材料微孔，即使将较小和较大颗粒进行混合。此外，由非凸状多面体的适当的混合物构成的颗粒层具有一定的微孔比率，该比率大于仅由凸状多面体构成的颗粒层的微孔比率。

工业应用性

将对本发明的碳烟捕集过滤器及其碳烟减少装置的优点进行说明。

第一，使用不规则多面体作为过滤颗粒可提供一种与相关技术的颗粒过滤材料相比较大的比表面和较高的微孔比率，从而可改进过滤效率和过滤能力。更确切地说，本发明的过滤器可改进过滤效率和过滤能力，即使本发明的过滤器的体积与PCT/KR10/00112所提到的过滤器的体积相同。

第二，虽然相关技术的球形过滤颗粒具有一个中间过滤(inter-filter)颗粒的接触点，但是多面体过滤颗粒具有一个或多于一个的中间过滤颗粒的接触点。因此，当使用球形过滤颗粒时，本发明的过滤器具有比相关技术更大的中间过滤颗粒的接触表面，以便当由于再生等而出现的快速温度变化时，可提高有效传热系数，以使过滤器中的温度分布更均匀。

第三，与相关技术的球形颗粒过滤器相比，使用不规则多面体过滤颗粒主要是可降低生产成本和时间，其从经济方面来看是有利的。

第四，本发明的过滤器还具有相关技术的球形颗粒过滤器的优点；具有良好的热稳定性、良好的机械强度、以及在设计过滤器的形状上的自由度。

Claims (11)

1.碳烟捕集过滤器，包括：

捕集装置，所述捕集装置具有许多过滤颗粒，所述过滤颗粒堆积以形成一定体积，用于在所述捕集装置的整个体积内捕集包含在来自一燃烧装置的废气中的碳烟，其中所述过滤颗粒包括一定比率的非球形过滤颗粒，所述比率高于一预定比率，其特征在于：

所述非球形过滤颗粒是多面体的，该多面体过滤颗粒由至少一种含有碳化硅的陶瓷或金属的组合物构成。

2.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述非球形过滤颗粒具有不规则的多边形截面。

3.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述多面体过滤颗粒具有100μm-1500μm的平均尺寸范围。

4.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述捕集装置具有35％-50％的微孔比率范围。

5.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述过滤颗粒包括涂布在其上的催化剂，其适合于处理除颗粒材料以外的污染物废料。

6.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述过滤颗粒包括涂布在其上的预定催化剂，其用于加速被捕集在所述过滤颗粒中的所述碳烟的氧化。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的碳烟捕集过滤器，其中所述捕集装置具有大于15mm的厚度。

8.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述捕集装置基本是圆柱形的，并且废气流动方向与所述废气进入所述捕集装置的方向是基本垂直的。

9.根据权利要求1所述的碳烟捕集过滤器，其中所述捕集装置包括多级颗粒层。

10.根据权利要求9所述的碳烟捕集过滤器，其中所述多级颗粒层中的所述过滤颗粒在材料、形状、和尺寸中至少一种不同。

11.根据权利要求9所述的碳烟捕集过滤器，其中所述多级颗粒层中的所述过滤颗粒具有从前级颗粒层向后级颗粒层逐渐减少的平均尺寸。

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