中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2018年7月3日，生態(tài)環(huán)境部刊發(fā)“關(guān)于發(fā)布國(guó)家污染物排放標(biāo)準(zhǔn)《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（GB17691—2018）的公告”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新國(guó)標(biāo)”），宣布自2021年7月1日起，所有生產(chǎn)、進(jìn)口、銷(xiāo)售和注冊(cè)登記的重型柴油車(chē)應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。
小編掐指一算，整整一個(gè)月后，隨著重型柴油車(chē)的加入，我國(guó)將全面步入“國(guó)六”時(shí)代。對(duì)于重型車(chē)而言，無(wú)論是壓燃式還是氣體點(diǎn)燃式柴油機(jī)，要想滿(mǎn)足史上最嚴(yán)苛的國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，都必須在發(fā)動(dòng)機(jī)后處理上進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)升級(jí)。
（圖片來(lái)源：云南菲爾特環(huán)保科技股份有限公司）
柴油機(jī)排放后處理系統(tǒng)的含義及發(fā)展
新國(guó)標(biāo)中對(duì)柴油機(jī)排放后處理系統(tǒng)的定義為：催化器（氧化型催化器、三元催化轉(zhuǎn)換器及任何氣體催化器）、顆粒捕集器、除氮氧系統(tǒng)、組合式降氮氧系統(tǒng)的顆粒捕集器，以及其他各種安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)下游的削減污染物的裝置。
在國(guó)四、國(guó)五時(shí)代，主要通過(guò)采用選擇性催化還原技術(shù)（SCR）利用尿素溶液對(duì)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理。到了國(guó)六階段，需要多種技術(shù)共同配合，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)的再一次革命，發(fā)動(dòng)機(jī)本體再次發(fā)生變化，需要引入渦輪增壓和更高的壓力共軌系統(tǒng)，后處理系統(tǒng)中還要增加柴油顆粒捕捉器（DPF）來(lái)降低懸浮顆粒個(gè)數(shù)等。
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雖然各廠商技術(shù)路線(xiàn)出現(xiàn)分化，但DPF（柴油顆粒捕捉器）成為至關(guān)重要的環(huán)節(jié)！
何為柴油顆粒捕捉器（DPF）
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的污染主要有微粒排放物質(zhì)(PM)、碳?xì)浠衔?HCx)、氮氧化物(NOx)和硫。其中微粒排放物質(zhì)(PM)大部分是由碳或碳化物的微小顆粒(尺寸小于4～20μm)所組成的。
顆粒過(guò)濾器能夠減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的煙灰達(dá)90%以上。捕捉到的微粒排放物質(zhì)隨后在車(chē)輛運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中燃燒殆盡。其工作基本原理是：如柴油微粒過(guò)濾器噴涂上金屬鉑、銠、鈀，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的含有炭粒的黑煙，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒捕集器，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部密集設(shè)置的袋式過(guò)濾器，將炭煙微粒吸附在金屬纖維氈制成的過(guò)濾器上；當(dāng)微粒的吸附量達(dá)到一定程度后，尾端的燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火燃燒，將吸附在上面的炭煙微粒燒掉，變成對(duì)人體無(wú)害的CO2排出。
DPF過(guò)濾材料的要求
DPF的工作環(huán)境，包括路況和發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化引起的機(jī)械振動(dòng)，含腐蝕成分氣體的熱沖擊，燃燒再生時(shí)產(chǎn)生的高溫及再生不均勻引起的熱應(yīng)力等。因此，過(guò)濾材料需要具備以下性能：
(1)高效的顆粒物捕集性能，且產(chǎn)生的排氣壓力不影響車(chē)輛動(dòng)力性能，不引起過(guò)多的燃油消耗；
(2)良好的抗高溫氧化和耐熱沖擊性能，以適應(yīng)燃燒再生時(shí)的高溫和溫度變化；
(3)良好的耐腐蝕性能，以抵抗排氣成分和顆粒物上吸附的金屬氧化物等物質(zhì)的侵蝕；
(4)優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和抗振動(dòng)性能，以便車(chē)輛搭載運(yùn)行和適應(yīng)路況變化；
(5)適用于某種再生形式，如催化再生、燃油添加劑再生或電加熱再生等；
(6)低廉的生產(chǎn)成本，以便大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用。
過(guò)濾材料眾多，SiC質(zhì)DPF潛力巨大
過(guò)濾器材料有陶瓷材料和金屬材料兩類(lèi)。市場(chǎng)上使用最多的是蜂窩陶瓷過(guò)濾器，其優(yōu)點(diǎn)是過(guò)濾效率高、強(qiáng)度高、抗熱沖擊和機(jī)械振動(dòng)能力強(qiáng)，陶瓷載體材料主要有堇青石陶瓷、碳化硅陶瓷和鈦酸鋁陶瓷等。
其中堇青石是一種鎂鋁酸鹽，主要成分為2MgO·2Al2O3·5SiO2，由高嶺土和云母燒結(jié)而成，由于堇青石具有成本低、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的顆粒物過(guò)濾和催化載體材料。但是堇青石多孔陶瓷燒成范圍窄、熱導(dǎo)率低、表面平滑難以固化催化劑，對(duì)含鈉化合物的灰分抗侵蝕性有限。
與堇青石相比，SiC具有更優(yōu)異的耐熱、耐蝕性能和導(dǎo)熱性能。SiC的耐熱溫度和導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于堇青石，機(jī)械強(qiáng)度也大幅度提高，能夠承受更加惡劣的再生環(huán)境。而且SiC的空隙結(jié)構(gòu)具有更佳的可調(diào)性，可以制備更高孔隙率和更均勻孔徑分布的過(guò)濾材料。高孔隙率、強(qiáng)熱擴(kuò)散能力的優(yōu)點(diǎn)，可使過(guò)濾器內(nèi)的溫度場(chǎng)分布更為均勻，在相同積碳量再生時(shí)，過(guò)濾器內(nèi)部的最大溫度遠(yuǎn)低于堇青石，可確保良好的再生安全性能，因此成為研發(fā)熱點(diǎn)。
SiC過(guò)濾材料類(lèi)型
日本Ibiden公司和NGK公司成功研發(fā)出了重結(jié)晶碳化硅(RSiC)和硅結(jié)合碳化硅(Si—SiC)過(guò)濾材料，并獲得良好的實(shí)用效果。
1、重結(jié)晶碳化硅(RSiC)
RSiC材料是把SiC在2200℃高溫及氦氣等惰性氣氛下，經(jīng)蒸發(fā)，重結(jié)晶等過(guò)程制成。由于其100％的高純度，RSiC具有更優(yōu)良的耐熱性能、抗高溫疲勞性能和更高的熱導(dǎo)率。早在1993年日本Ibiden公司率先研發(fā)出壁流蜂窩式RSiC—DPF，并于2000年生產(chǎn)出空隙率>50％、孔徑<10μm的RSiC材料作為尾氣過(guò)濾材料和催化劑載體投入市場(chǎng)應(yīng)用。
2、硅結(jié)合碳化硅(Si—SiC)
另一種SiC材料，硅結(jié)合碳化硅(Si-SiC)由日本NGK公司在2000年研制成功。Si—SiC是把Si填充到SiC顆粒中間，經(jīng)燒結(jié)而成。硅的加入對(duì)SiC的性能產(chǎn)生如下影響：
(1)降低SiC的楊氏模量，阻止再生時(shí)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而具有更高的抗熱沖擊性能；
(2)降低SiC的燒結(jié)溫度，增加孔隙結(jié)構(gòu)(如孔隙率和孔徑分布)的可調(diào)性；
(3)保持較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性能，因?yàn)楣杈哂信cSiC相似的熱機(jī)械性能；
(4)保持優(yōu)良的耐酸腐蝕性能，Si-SiC的耐酸性能和RSiC相似。
總結(jié)
目前已有多個(gè)跨國(guó)公司申請(qǐng)了SiC材質(zhì)蜂窩陶瓷體專(zhuān)利，如日本礙子株式會(huì)社、日本揖斐電株式會(huì)社、美國(guó)康寧股份有限公司等，這些專(zhuān)利技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)該類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)構(gòu)成專(zhuān)利封鎖。目前日本Ibiden和NGK公司開(kāi)發(fā)的碳化硅顆粒過(guò)濾器(SiCDPF)已成功進(jìn)入日本和歐洲市場(chǎng)，被眾多汽車(chē)廠商所采用，并取得了良好的實(shí)用效果。
長(zhǎng)期以來(lái)，汽車(chē)尾氣凈化處理核心技術(shù)及產(chǎn)品市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外巨頭壟斷，美國(guó)康寧和日本NGK均享受到汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展紅利期。隨著中國(guó)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)驅(qū)動(dòng)，中國(guó)國(guó)產(chǎn)蜂窩陶瓷將迎來(lái)發(fā)展窗口期。
中國(guó)粉體網(wǎng)將在鄭州舉辦“2021第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”。屆時(shí)，來(lái)自武漢工程大學(xué)的徐慢教授帶來(lái)題為《滿(mǎn)足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)碳化硅質(zhì)柴油顆粒過(guò)濾器的研究》的報(bào)告，徐慢教授將重點(diǎn)介紹滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的尾氣處理系統(tǒng)中DPF（柴油顆粒捕集器）國(guó)內(nèi)外的研究情況，同時(shí)針對(duì)原料粒度、原料配比及燒結(jié)溫度與DPF物相、顯微結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行講解。（鑒于當(dāng)前防控需要，原定于2021年8月13-14日在鄭州喆鵬酒店舉辦的“第四屆新型陶瓷技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇”將延期舉辦，計(jì)劃參會(huì)的單位可以聯(lián)系會(huì)務(wù)組，具體舉辦日期主辦方確定后將第一時(shí)間通知您�。�
參考來(lái)源：
[1]夏宗寶，彭幸玲.國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)下的重型柴油車(chē)排放后處理技術(shù)簡(jiǎn)析
[2]王芳等.柴油機(jī)顆粒物及氮氧化物排放后的處理技術(shù)
[3]李貴佳. 用于汽車(chē)尾氣凈化的 SiC 蜂窩陶瓷
專(zhuān)家介紹：
徐慢，博士，教授，博導(dǎo)�，F(xiàn)任武漢工程大學(xué)黨委常委、紀(jì)委書(shū)記；湖北省環(huán)境材料與膜技術(shù)工程技術(shù)研究中心主任、湖北省“雙創(chuàng)戰(zhàn)略團(tuán)隊(duì)”負(fù)責(zé)人、中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)薄膜與涂層分會(huì)理事、長(zhǎng)江上游新材料產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟理事長(zhǎng)；全國(guó)石油和化工優(yōu)秀科技工作者、中國(guó)膜行業(yè)教育名師。研究方向?yàn)樘沾煞蛛x膜材料、裝備及應(yīng)用，先后承擔(dān)國(guó)家和省部級(jí)科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，發(fā)表研究論文60余篇，授權(quán)專(zhuān)利30余項(xiàng)；以第一完成人獲省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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