楊偉浩 沈 浩 于志強 劉 悅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

柴油中硫含量對柴油機納米顆粒排放的影響

楊偉浩 沈 浩 于志強 劉 悅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

在大氣氣溶膠的貢獻(xiàn)源中，交通運輸行業(yè)產(chǎn)生的污染物是主要的人為源之一[1]。其中，從車輛和船舶配備的柴油機中排放出來的顆粒物，是大氣氣溶膠的重要組成部分。大量的研究表明,柴油機產(chǎn)生的納米顆粒會誘發(fā)肺癌等疾病,對人體健康會產(chǎn)生嚴(yán)重危害。同時，酸雨和冰川融化也與柴油機排放的顆粒物存在較為密切的關(guān)系，因此對環(huán)境空氣中納米顆粒污染的深入認(rèn)知和有效控制日益受到人們的重視[2]。

柴油機顆粒物排放的物理特性主要包括顆粒的粒徑、數(shù)量以及表面特性等。本文主要探討顆粒的粒徑和數(shù)量這兩個物理指標(biāo)。在柴油機顆粒排放物理特性的影響因素中，除柴油機本身技術(shù)和采樣稀釋測試條件外，燃油品質(zhì)是影響顆粒物排放的重要因素。在燃油的理化參數(shù)中，硫含量是非常關(guān)鍵的指標(biāo)之一，這是因為燃油中的硫成分在柴油機內(nèi)燃燒后，條件合適將形成顯著的納米、亞微米顆粒排放。

1 顆粒的形成與測量手段

柴油中的硫成分對柴油機排氣的顆粒物貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在兩個方面：在排氣中形成液態(tài)硫酸的納米顆粒和碳顆粒上的吸附。前者蘊含的物理化學(xué)變化過程對大氣中納米顆粒物的貢獻(xiàn)起主要作用。無論柴油中硫的含量、硫的存在形態(tài)是何種類型的，硫首先在柴油機內(nèi)高溫高壓的環(huán)境中燃燒,大部分被轉(zhuǎn)化為SO2，小部分會轉(zhuǎn)化為SO3，隨后在排氣過程和大氣環(huán)境中與水蒸汽結(jié)合形成硫酸，硫酸蒸汽在一定的環(huán)境條件下形成硫酸納米顆粒。此機理下形成的納米顆粒數(shù)量濃度很高，同時平均粒徑均在納米、亞微米尺度，對人體和環(huán)境的危害巨大。對這種納米、亞微米顆粒物的測量，無法采用常規(guī)的尾氣測量儀，國外主要采用掃描遷移率粒度分析器對其進(jìn)行測量研究[3]。

2 柴油硫含量對顆粒物的粒徑和數(shù)量的影響

由于燃料的硫成分大部分都可以在柴油機中轉(zhuǎn)換為SO2，所以決定納米顆粒物形成的硫酸濃度就主要取決于SO2向SO3的轉(zhuǎn)化過程和轉(zhuǎn)化率。這一過程直接與排氣系統(tǒng)中的后處理凈化裝置對SO2進(jìn)一步氧化的程度密切相關(guān)。本文針對柴油機后處理技術(shù)的氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，以下簡稱DOC）和顆粒捕集器對柴油機排氣顆粒物的粒徑和數(shù)量濃度的影響進(jìn)行討論。

2.1 氧化催化器

車用柴油機加裝氧化型催化器，以鉑(Pt) 、鈀(Pd)等貴金屬作為催化劑,主要降低微粒排放中的SOF（Soluble Organic Fractions，可溶有機成分）的含量從而降低PM的排放。因而可以有效減少排氣中的HC、CO。氧化催化器可以除去90%的SOF, 從而使PM排放減少40%～50%。其對HC 和CO 的處理效率可以分別達(dá)到88%，68%。但是在一定溫度條件下它也會將SO2直接氧化為SO3，從而促進(jìn)硫酸納米顆粒的形成。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在加裝DOC的現(xiàn)代輕型共軌柴油機上燃用高硫燃料時（硫含量為350×10-6），其核模態(tài)的納米顆粒顯著增加，總顆粒數(shù)量成幾十倍增長，而未加裝DOC的柴油機則沒有形成核模態(tài)的納米顆粒。在燃用低硫燃油（4×10-6）的條件下，無論是否加裝DOC，均未出現(xiàn)相應(yīng)的納米顆粒物。而且進(jìn)一步的研究證實，輕型柴油車的納米顆粒物主要是由硫化物組成，而燃料硫含量直接影響柴油機排氣顆粒的總數(shù)量，且主要為納米顆粒物[6]。綜合以上的典型研究不難發(fā)現(xiàn)，輕型柴油機在應(yīng)用高硫燃料后，硫酸液態(tài)顆粒是主要的納米顆粒物貢獻(xiàn)物。因此若要控制和降低納米顆粒物數(shù)量，必須嚴(yán)格控制燃料的硫含量。

2.2 顆粒捕集器

顆粒捕集器：安裝在排氣管上進(jìn)行顆粒物的捕集，然后在其內(nèi)部將過濾的顆粒物燃燒掉。一般來講，顆粒捕捉器能夠減少柴油發(fā)動機所產(chǎn)生的顆粒達(dá)90% 以上。但是近些年來的研究發(fā)現(xiàn)，顆粒捕集器有可能會帶來二次的顆粒排放。美國可再生能源實驗室（NREL，National Renewable Energy Laboratory ）的研究表明，選用的兩種顆粒捕集器在使用高硫燃料的時候，顆粒物中的硫酸成分較多，而低硫燃料則較少[7]。顆粒數(shù)量的研究則發(fā)現(xiàn)，對于高硫燃料，顆粒捕集器不能有效降低納米顆粒，相反會顯著增加硫酸顆粒的形成，從而增加總顆粒數(shù)量[8]。這主要是由于氧化型顆粒物捕集器內(nèi)部對SO2的高效轉(zhuǎn)化引起的。同時，SO2的轉(zhuǎn)化還會引起顆粒捕集器的催化器“中毒”，導(dǎo)致其過濾和再生效率降低。所以對裝備氧化催化器和顆粒捕集器的柴油機，為了改善顆粒物的排放和有效提高后處理凈化裝置的效率，都必須控制燃料硫含量，使其至少達(dá)到50×10-6，甚至更低。

3 結(jié)語

柴油機燃料中的硫會在燃燒室內(nèi)轉(zhuǎn)化為SO2，進(jìn)一步在排氣后處理器的作用下形成較多的核模態(tài)的硫酸納米顆粒，最終成為大氣納米顆粒物的重要組成部分。所以從控制柴油機可吸入顆粒物數(shù)量排放和提高尾氣凈化裝置效率的兩個角度來看，都必須有效降低柴油燃料的硫含量，同時這也是新型高效節(jié)能柴油機得以應(yīng)用的前提條件。

[1] 章澄昌，周文賢. 大氣氣溶膠教程[M]. 北京：氣象出版社，1995.

[2] 郝吉明，段雷，易紅宏，等. 燃燒源可吸入顆粒物的物理化學(xué)特征[M]. 北京: 科學(xué)出版社，2008.

[3] 楊偉浩. 生物柴油燃燒排放顆粒數(shù)量濃度測量的研究[J]. 上海計量測試，2011，38（1）：16-20.

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[7] Diesel Emission Control-Sulfur Effects (DECSE) Program.Phase I Interim Data Report No. 4: Diesel Particulate Filters-Final Report; National Renewable Energy Laboratory, 2000.

[8] Andersson, J. and B. Wedekind (2001). “DETR/SMMT/CONCAWE Particulate Research Programme”, Ricardo Consulting Engineers, Summary Report DP01/0515, May 2001.