CN1732329A - 废气中的微粒子除去装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够将捕集到的废气中的可燃性微粒子在短时间内高效率地燃烧的、结构简单且控制容易的微粒子除去装置(10)。该微粒子除去装置在流通废气的非磁性材料制的罩体(12)内设置捕集废气中的微粒子的过滤组件(14)。通过向卷绕在罩体(12)外周部上的工作线圈(18)供给高频电流，将设置于该过滤组件(14)上的支持板(28)感应加热，由此时产生的热量使聚积在过滤组件(14)中的微粒子燃烧。

Description

废气中的微粒子除去装置
技术领域
本发明涉及一种将柴油机、锅炉或焚烧炉等的废气中的微粒子，特别是可燃性的微粒子除去的微粒子除去装置及该装置中使用的过滤组件。
背景技术
已开发出各种形式的捕集从柴油机排出的有害微粒子的柴油废气微粒子过滤器(DPF)。
例如在日本专利申请特开平8-326522号中，公开了一种DPF，其具有非磁性材料制的管件；设置于该非磁性材料制的管内，将多个金属板或小直径金属管等金属制部件规则地排列，以形成多个细长的排气通路的金属过滤器；设置于该非磁性材料制的管的外周上并被供给高频电流的线圈。
在该装置中，通过向线圈供给高频电流，在划分金属过滤器的细长的排气通路的多个金属制部件的表面上产生涡流，利用通过该涡流而产生的焦尔热将金属部件加热到600℃以上的高温。废气在这些细长的排气通路内流过时，废气中的可燃性微粒子与划分细长的排气通路的高温的金属制部件接触并燃烧。
但是，该DPF由于在运行中在常态下向线圈中供给高频电流，因此会消耗很多的电力。此外，如果为了高效率地燃烧废气中的可燃性微粒子而形成较长的排气通路时，除了装置整体变得大型化以外，也增加了加热所必需的能量，不能高效率地燃烧。
此外，在《ECO INDUSTRY》(CMC出版社，2001年2月，第12-18页)中，公开了一种将陶瓷纤维形成的毛毡从两侧用金属丝网加热器夹住而形成板状，将多片这种形成板状的毛毡及加热器组合，形成折叠状的过滤器元件，并将其收纳于盒体内的DPF。将该DPF并列地设置2个，通过设置于上游侧的控制阀切换排气流路，在利用其中一个DPF捕集微粒子期间，将另一个再生，由此能够进行常态下的捕集。该DPF的再生通过向各过滤器元件的金属丝网加热器通电，燃烧被捕集在毛毡内的微粒子而进行。
具有这种折叠状的过滤器元件的DPF，在由再生时的热应力防止过滤器元件破损的同时，能够使微粒子的捕集再生不受燃料性状的影响这些方面极为有益，但由于细的金属制的金属丝网加热器设置于陶瓷纤维制的毛毡的表面上，因此该金属丝网在常态下曝露在气体中，并且，再生时被加热到极高的高温。因此，有形成金属丝网加热器的钢丝断线的可能。此外，由于2个DPF交互地用于捕集再生，因此结构及燃烧控制非常复杂。
因此，希望能够开发出一种具有紧凑的结构，并且能够高效率地将废气中的可燃性微粒子除去的DPF。
发明内容
本发明基于上述问题而做出，其目的为提供一种能够将捕集的废气中的可燃性微粒子在短时间内高效率地燃烧的结构简单且控制容易的微粒子除去装置。
为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种废气中的微粒子除去装置，其中在流通废气的非磁性材料制的罩体内，设置捕集废气中的微粒子的捕集装置，通过向卷绕在前述罩体的外周部上的线圈供给高频电流，将设置于该捕集装置上的加热部件感应加热，利用此时产生的热量使聚积在过滤组件中的微粒子燃烧。
此外，根据本发明，提供了一种过滤组件，该过滤组件设置于在外周部上卷绕线圈并流通废气的非磁性材料制的罩体内，捕集废气中的微粒子，其中该过滤组件具有能够使从一方流入的废气从另一方流出并将捕集的微粒子保持的多孔性支持板，该支持板通过在向前述线圈供给高频电流后被感应加热的加热部件，使捕集到的微粒子燃烧。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的微粒子除去装置的说明图。
图2为另一实施例的微粒子除去装置的说明图。
图3为将图2的微粒子除去装置安装在柴油发电机中的状态的说明图。
图4A、4B为示出不设置微粒子除去装置的状态与设置的状态的烟度计测定状态的说明图。
图5A为另一实施例的过滤组件的局剖视图。
图5B为沿图5A的B-B线的视图。
具体实施方式
图1为本发明的较佳实施例的微粒子除去装置10。
该微粒子除去装置10在例如由氮化硅等陶瓷材料形成的非磁性材料制的圆筒状罩体12内，在轴向上有间隔地设置有作为捕集废气中的微粒子的捕集装置的2个过滤组件14，在本实施例中由2根支持轴16连接这些过滤组件14。此外，在罩体12的外侧设置有将例如绞合线或中空结构的细直径金属管卷绕而形成的工作线圈18，从具有高频变换器的高频电源20向该工作线圈18供给例如1～100KHz范围、最好是约15～40KHz的高频电流，能够将过滤组件14的后述加热部件感应加热。高频电流的频率过分低于15KHz时会产生可听音，相反，如过分高于100KHz时，因集肤效应，磁力线难以到达罩体12的深部，即中心部附近。
在该微粒子除去装置10中，从例如柴油机、锅炉或焚烧炉等排出的废气从该罩体12的一端的入口22沿箭头G1的方向流入罩体12的内部流路24内。废气中的微粒子被2个过滤组件14捕集，除去了微粒子的废气从出口26向箭头G2的方向排出。
此外，过滤组件14并不限于图示那样的2个，也可为1个或3个以上。在任何情况下，过滤组件14都要设置在工作线圈18卷绕的范围内，即磁力线到达的范围内。在设置多个过滤组件14的情况下，也可与各过滤组件14对应地设置多个工作线圈18。此外，连接多个过滤组件14的支持轴16可设置于适宜的位置上，只要能够保持各过滤组件14的位置及间隔即可，并不限于图示的中央部，也可相互间隔地设置于接近周部的位置上。
本实施例的过滤组件14作为通过上述工作线圈18而被感应加热的加热部件，其结构为具有在例如SUS403等金属板上冲压多个孔而形成的一对盘状多孔性支持板28，在该支持板28之间设置例如可耐受600℃以上的微粒子燃烧温度的陶瓷纤维制过滤器30的夹层结构。该陶瓷纤维制过滤器30具有在基拉诺(Tyranno)切断(chop)状纤维层32之间夹持毡状纤维层34的层叠结构。形成该基拉诺切断状纤维层32的基拉诺切断状纤维最好为由硅、钛或锆、碳、氧构成的陶瓷连续纤维，可使用具有各种丝径的市售品。此外，形成毡状纤维层34的毡最好使用将陶瓷纤维层叠并进行针刺(ニ一ドル)加工后的毡，可使用以市售的氧化铝及氧化硅为主要成分的毡。
这样的陶瓷纤维制过滤器30并不限于在基拉诺切断状纤维层32之间夹持毡状纤维层34的3层结构，可仅由任何1个陶瓷纤维形成，此外，也可层叠4层以上。在图示的实施例这样的3层或5层的奇数层结构的情况下，可从过滤组件14的任何一侧的多孔性支持板28流入废气，由于无需特定前后方向，因此容易组装。再者，在陶瓷纤维制过滤器30较厚的情况下，可在其中间部上设置与支持板28同样的金属部件(未图示)。另一方面，在仅由1个多孔性支持板28就能感应加热至所需要的温度的情况下，也可仅将任何一支持板28作为感应加热用的金属部件形成。
从这样的微粒子除去装置10的入口22流入的废气在流过内部流路24并从出口26排出期间，通过过滤组件14。废气从该过滤组件14一方的多孔性支持板28的孔通过陶瓷纤维制过滤器30，从另一方的多孔性支持板28排出，例如烟灰状或眼睛看不见的微粒子被捕集在该陶瓷纤维制过滤器30中。
在过滤组件14中捕集了大量的微粒子，入口22与出口26的压力差达到预先设定的值以上时，从高频电源20向工作线圈18通入高频电流。该压力差的值最好设定为不降低例如柴油机、锅炉或焚烧炉等通常的运行效率的程度上。
工作线圈18被通电时，在过滤组件14的多孔性支持板28中流过涡流，通过由阻抗成分产生的焦尔热，在短时间内加热为高温(约600℃)。通过该热量，捕集在过滤组件14内的排出微粒子(可燃性粒子占大部分)在短时间内燃烧，由此，将过滤器14再生。这是由于仅以废气中的少量的氧就可将排出微粒子高效率地以高温燃烧的缘故。在支持板28之间设置有金属板的情况下，该金属板也与支持板28共同地感应加热，因而，能够在更短时间内将排出微粒子燃烧。
该微粒子除去装置10由于不需要以往那样的钢丝状的电加热器及将其连接的配线，因此完全没有断线的担心。此外，由于支持陶瓷制的过滤器30的金属制支持板28本身作为发热的加热部件形成，因此即使是流过大的涡流也不会断线，构造极为简单，并且能够从两侧高效率地在短时间内加热至高温。而且，可以在柴油机等运行的同时进行再生，其控制也极为容易。在柴油机运行的同时加热再生的情况下，由于是在将过滤组件14维持于高温的状态下进行加热，因此排出微粒子的燃烧所需的时间及电力较少，能够使其效率更高。特别是由于捕集在陶瓷纤维制过滤器30中的高密度的微粒子在短时间内被燃烧，因此能够以较少的电能高效率地燃烧。
此外，向工作线圈18的通电并不限于根据入口22与出口26的压力差进行，也可每隔特定时间进行。
图2为第2实施例的微粒子除去装置10A。由于本实施例中的降低感应加热产生的烟灰状微粒子的燃烧的原理与上述的实施例相同，因此对同样的部位标以相同的符号并省略对其详细说明。
本实施例的微粒子除去装置10A的过滤组件36具有在分别形成有多个冲孔的圆筒状的外侧支持板28a与圆筒状的内侧支持板28b之间设置陶瓷纤维制过滤器30的圆筒状结构，并在罩体12内同轴状地设置。这些多孔性支持板28a、28b的罩体12的入口22侧及出口26侧端部分别由止动部件38、40同轴状地保持。
入口22侧的止动部件38将形成于支持板28a、28b之间的环状的空间、即陶瓷纤维制过滤器30的收容空间的端部密闭，并且也将内侧支持板28b的端部封闭，防止内侧支持板28b的内部空间、即轴向的孔与罩体12的入口22连通。该止动部件38的外周缘部固定在外侧支持板28a上，并且从这里并不向半径方向外侧突出。此外，出口26侧的止动部件40将形成于支持板28a、28b之间的环状空间的端部密闭。该出口26侧的止动部件40具有将内侧支持板28b的内侧的轴向孔与外部、即罩体12的内部通路24连通的开口，并且超过外侧支持板28a进一步向半径方向外侧延伸。这些止动部件38、40最好由例如SUS316等适合的板材料形成。
在该止动部件40的外周缘上，作为辅助加热部件，设置有由例如SUS316等适合的非磁性材料形成的圆筒状的环状部件42。该环状部件42紧密接触在罩体12的内周面上，在与外侧支持板28a之间形成废气流路44。
在该微粒子除去装置10A中，从罩体12的入口22流入的废气G1从形成在过滤组件36的环状部件42与外侧支持板28a之间的环状的废气流路44通过外侧支持板28a的多个冲孔进入陶瓷纤维制过滤器30内。在由该陶瓷纤维制过滤器30将微粒子除去后，从形成于内侧支持板28b上的多个冲孔，通过由该支持板28b的轴向孔形成的废气流路46，并从出口26排出。符号g示出了废气流路46内的气体流动。
在本实施例中，与图1所示的实施例相比，由于在极大地形成废气的流通面积的同时能够迷宫状地形成废气流路，因此能够增大微粒子的捕集效率。
在该微粒子除去装置10A中，在过滤组件36再生时，位于外侧支持板28a外侧的环状部件利用集肤效应在短时间内被加热至高温，起到帮助夹层状地夹持在内侧支持板28a、28b之间的陶瓷纤维制过滤器30的短时间加热的、作为辅助加热部件的作用。
上述的过滤组件36也可用形成截头圆锥状形状来替代形成圆筒状。在此情况下，小径侧可指向入口22侧或出口26侧的任一个。在环状部件42在入口22侧形成收缩直径的截头圆锥状的情况下，最好形成多个冲孔。或者，也可省略环状部件42。
图3为确认图2所示的微粒子除去装置10A所进行的微粒子除去的效果的实验装置的概要图。
实验中，从柴油发电机50通过耐热软管52将废气导至微粒子除去装置10A的入口22侧，在出口26侧通过排气管54向大气中排放。
该实验中使用的柴油发电机50的参数在表1中示出，烟度计56的参数由表2示出。柴油机不使用指定燃料的轻油，而是代之以比轻油更低质的A重油，产生较多地包含烟灰状的微粒子的黑烟。
                          表1发电机的详情
                    制造商：ヤンマ一デイ一ゼル公司
  机种名称(形式名)   单位   YDG250A-5E
发电机   形式   自励式回转磁场型交流发电机电容补偿式无刷
  频率   Hz   50
  额定输出   KVA   2.0
  额定电压   V   100
  额定电流   A   20
  相数   单相
  极数   2
  功率因数   1.0
  发动机   名称   L48ADGY5/6
  形式   立式空冷4冲程柴油机
  燃烧方式   直接喷射式
  汽缸径×行程   mm   φ70×55
  总行程容积   1   0.211
  输出   连续额定   KW/rpm   2.8/3000
  最大   KW/rpm   3.1/3000
               表2柴油烟度计(日产アルテイア公司)
  商品编号   ED1949
  规格   ST-100N
  运输省型号认定编号   DS-7
  测定原理   滤纸反射式
  测定范围   0-100％(污染度)
  测定精度   满刻度的±3％
  响应速度   2秒以内
  电源   AC100V 50/60Hz
  本体外形尺寸   400(高)×445(宽)×330(深)[mm]
  重量   约13kg
此外，微粒子除去装置10A的罩12及圆筒状部件42的各自外径约为100mm、98mm，外侧及内侧支持板28a、28b的外径分别为约70mm、50mm地形成，工作线圈18由大致4mm直径的铜制的中空细管形成，在大致300mm的轴向长度上卷绕。
废气中的具有烟灰等的排出微粒子的浓度在排气管54的出口部分上通过烟度计56来计测。在该实验中，进行微粒子除去装置10A产生的微粒子除去效果的确认以及感应加热产生的微粒子除去装置10A的再生效果的确认这2项。
图4示出了微粒子除去装置10A的微粒子除去效果。
图4的(a)示出了没有过滤器的情况下，废气的由烟度计测得的黑烟浓度(84％)，图4的(b)简要示出了通过微粒子除去装置10A后的浓度(0.12％)。
表3示出了没有设置微粒子除去装置10A时的由烟度计56测量的结果。从该表3所示的测定结果可知，如果以未设置黑烟浓度微粒子除去装置10A时的黑烟浓度为基准(100％)，通过微粒子除去装置10A后的烟灰状微粒子的降低率可实现约100％的高效率。在此，烟灰状微粒子降低率由以下的关系式(1)定义。即、关系式(1)为：
烟灰状微粒子降低率(％)＝{1-(设置微粒子除去装置10A时的黑烟浓度)/(未设置微粒子除去装置10A时的黑烟浓度)}×100。
                     表3无过滤器时的黑烟浓度
  第1次   第2次   第3次   平均
  烟度计黑烟浓度   84％   84％   83％   83.67％
此外，表4示出了感应加热产生的微粒子除去装置10A的再生效果。
在该实验中，微粒子除去装置10A通过感应加热再生后，5次发动柴油机，并捕集每次发动时的烟灰状微粒子。接着，在这些捕集后的烟灰状微粒子通过感应加热燃烧、使该微粒子除去装置10A再生后，捕集再次发动柴油机时的烟灰状微粒子的结果。此外，烟灰状微粒子降低率根据上述关系式(1)算出。
                         表4设置圆筒状过滤器时的黑烟浓度
             柴油机发动次数 平均值   烟灰状微粒子降低率
第1次 第2次 第3次 第4次 第5次
  烟度计黑烟浓度   感应加热前  1％  0％  0％  0％  0％   0.2％   99.8％
  第1次感应加热处理后 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 100％
  第2次感应加热处理后 2％ 0％ 0％ 0％ 0％ 0.4％ 99.5％
  第3次感应加热处理后 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 100％
  第4次感应加热处理后 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 0％ 100％
从以上可知，具有利用感应加热再生的过滤组件14、36的微粒子除去装置10、10A与以往的汽车用DPF不同，在与废气接触的部分上完全没有钢丝状加热器那样的配线部分，夹层状地支持陶瓷纤维制过滤器的支持板28通过非接触的感应加热用工作线圈通入高频交流电流，可起到在短时间内发热至高温的加热源的作用。因此，微粒子除去装置10、10A可以形成紧凑的结构，没有加热部件断线的担心，能够在短时间内高效率地加热陶瓷纤维制过滤器。由此，排出微粒子在短时间内被燃烧，能够容易地反复进行过滤器再生，在维护上也极为有益。
在上述的各实施例的微粒子除去装置中，尽管任何一个都使用了能够耐受上述的燃烧温度(约600℃)以上的高温的陶瓷纤维过滤器30，但可知并不局限于此，也可使用其它的捕集部件或捕集装置，只要在上述那样的在可由感应加热的支持板28、28a、28b直接加热的状态下能够捕集微粒子的装置即可。例如，通过将支持板28、28a、28b的孔径形成为例如10μm左右，可以在由该支持板28、28a、28b直接捕集加热之前，将这些捕集到的微粒子支持或保持。在此情况下，仅1个支持板即可形成捕集装置或过滤组件14、36。
此外，也可使作为捕集部件的过滤器本身发热。
图5A及图5B以省略罩体12及工作线圈18的状态示出了可使过滤器本身发热的过滤组件58。该过滤组件58具有沿形成了多个冲孔的圆筒状的支持板28c的外周安装有将金属纤维烧结而形成的烧结无纺布制过滤器60的圆筒状结构。该过滤组件58还具有从支持板28c的一端侧延伸的圆筒状的延长部62、从该延长部的前端向半径方向外侧伸出的凸缘74，支持板28c的另一端侧被封闭。这些支持板28c、延长部62及凸缘74由例如不锈钢等非磁性金属形成。该过滤组件58能够通过形成于凸缘64上的安装孔66安装在罩体12上。作用于烧结无纺布制过滤器60上的废气G1的压力由支持板28c支承，在废气的压力下保护该烧结无纺布制过滤器60。
在本实施例中，该烧结无纺布制过滤器60由按照来自贝卡尔特亚洲公司(Bekaert Asia)东京分公司的商品名为“BECRALY”而可得到的金属纤维形成。该金属纤维为含有作为平均值Cr为19.50％、Al为4.55％、Y为0.25％、基余以Fe为主要成分的磁性体，最高使用温度为1000℃。这种将金属纤维烧结的烧结无纺布制过滤器60通常具有60～85％的高空隙率，在低压力损失的同时可得到高的透过流量。在将该金属纤维的绕结品与不锈钢粉末的烧结品比较的情况下，滤过粒度4μm时，能够得到约14倍的水的透过流量。
这样的金属纤维的烧结无纺布制过滤器60能够从废气中以三维方式捕获异物，具有对于废气的优良的异物捕集能力。再者，与陶瓷相比在耐热性、机械强度方面优良，还具有对于硫化物的耐腐蚀性。因而，适合作为承受大的振动的船舶用DPF的过滤器。
由于该过滤组件58的烧结无纺布性过滤器60由金属纤维形成，因此在工作线圈18通过高频电流被励磁时，除支持板28c以外，烧结无纺布性过滤器60也被感应加热。因此，能够效率极高地燃烧捕集到的微粒子。
表5为将使用该过滤组件58的微粒子除去装置与上述同样地由图3所示的实验装置进行实验的结果。
                          表5粒子捕集实验结果(初压0.06)
  发动机起动次数   1   2   3   4   5   6   7
  黑烟浓度(％)   3.0   1.0   0   0   0   0   0
  压力损失(kPa)   3.06   3.06   2.96   2.88   2.96   3.32   3.68
  发动机起动次数   8   9   10   11   12   13   14
  黑烟浓度(％)   0   0   0   0   0   0   0
  压力损失(kPa)   4.02   4.60   5.32   5.78   6.28   6.82   7.26
从该实验结果看，在起动次数少时，即压力损失小时，发生微量的黑烟，但在起动次数增加时，压力损失增大，不产生黑烟。这被认为是由于废气中的微粒子被捕捉并堆积在烧结无纺布制过滤器60中、其结果是极小的微粒子也被捕捉在烧结无纺布制过滤器60中的缘故。接着，在压力损失达到4kPa时，向工作线圈18供给高频电流，将过滤组件58加热3分钟。其结果，加热前其表面为深黑的烧结无纺布过滤器60的表面恢复了金属光泽。
本发明在产业上的可利用性在于，如上述所说明的，根据本发明的微粒子除去装置，结构极为简单并且控制也容易，同时捕集的废气中的微粒子能够在短时间内高效率地燃烧。因此，不仅是用于道路行驶的卡车、施工车辆及船舶等的柴油机，也不仅是排出包含可燃性粒子的微粒子，对于锅炉及焚烧炉也能够非常良好地使用。

Claims (7)

1、一种废气中的微粒子除去装置，该微粒子除去装置(10；10A)具有：流通废气的非磁性材料制的罩体(12)；卷绕在所述罩体的外周部上的线圈(18)；可向该线圈供给高频电流的高频电源(20)；设置在该罩体内、捕集废气中的微粒子的捕集装置，其特征在于：
所述捕集装置(14；36；58)具有加热部件(28；28a、28b)，该加热部件在所述线圈(18)被供给高频电流后，通过在内部感应出的涡流而发热，以及
通过该加热部件中产生的热，使聚积在所述捕集装置中的微粒子燃烧。
2、按照权利要求1所述的微粒子除去装置，其特征在于，所述捕集装置(14；36)形成为具有能够使从一方流入的废气从另一方流出的一对多孔性支持板(28；28a、28b)，以及设置于这些支持板之间的陶瓷纤维制过滤器(30)的过滤组件，该过滤组件中的至少一方的支持板形成为所述加热部件。
3、按照权利要求2所述的微粒子除去装置，其特征在于，所述捕集装置(14；36)具有在圆筒状的外侧支持板(28a)内设置有圆筒状的内侧支持板(28b)的圆筒状结构。
4、按照权利要求3所述的微粒子除去装置，其特征在于，所述捕集装置(14；36)具有设置于外侧支持板(28a)的半径方向外侧的圆筒状的辅助加热部件(42)，该辅助加热部件在所述线圈(28)被供给高频电流后，与所述加热部件(28a、28b)一起被感应加热。
5、按照权利要求2至4中任一项所述的微粒子除去装置，其特征在于，所述陶瓷纤维制过滤器(30)具有在基拉诺切断状纤维层(32)之间夹持毡状纤维层(34)的层叠结构。
6、按照权利要求1所述的微粒子除去装置，其特征在于，所述捕集装置(58)被形成为具有能够使从一方流入的废气从另一方流出的一对多孔性支持板(28c)，以及由这些支持板支持的烧结无纺布制过滤器(60)的过滤组件。
7、一种过滤组件，该过滤组件(14；36；58)设置于在外周部上卷绕有线圈(18)并且其中流通废气的非磁性材料制的罩体(12)内，以捕集废气中的微粒子，其特征在于，
该过滤组件具有能够使从一方流入的废气从另一方流出，将捕集到的微粒子保持的多孔性支持板(28；28a、28b；28c)，该支持板在所述线圈(18)被供给高频电流时被感应加热，使捕集到的微粒子燃烧。
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