硕士论文——催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究

硕士学位论文催化型连续再生颗粒 捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究 姓名： 学号： 所在院系：汽车学院学科门类：工学学科专业：动力机械及工程指导教师： 二XX年X月Effects of Catalyzed Continuously Regeneration Trap on Emission Characteristics of Diesel Bus Fueled with Biodiesel Candidate: Student Number: School/Department: Discipline: Major: Supervisor: 催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究 同济大学同济大学 硕士学位论文 摘要摘要柴油机在燃油经济性、动力性和可靠性等方面的优势使其越来越多地被运用在城市公交车上，然而柴油公交车主要行驶在城市人口密集区域，其尾气排放严重影响了人们的健康与安全，因而柴油机尾气污染物排放限制了柴油公交车的推广与使用，寻找清洁的替代燃料和可靠的后处理技术迫在眉睫。一方面，以餐厨废弃油脂为来源的生物柴油燃料既可以避免废弃油脂重回餐桌，又可以直接在柴油机上使用且具有降低颗粒排放的优势，成为了清洁替代燃料领域的研究重点。另一方面，催化型连续再生颗粒捕集器可实现连续可靠的再生而被公认为最有前景的后处理技术，是后处理技术领域的研究热点。本文选取一辆上海市在用的国 III 柴油公交车为试验样车，开展了基于重型底盘测功机测试技术的整车排放试验，对比分析公交车原车燃用纯柴油 B0（原车+B0）、原车燃用生物柴油 B10（原车+B10）和安装 DOC+CDPF 后燃用生物柴油 B10（DOC+CDPF+B10）时运行在中国典型城市公交车循环（CCBC）下时其尾气污染物的排放特性，重点研究了 DOC+CDPF 对燃用生物柴油 B10 的公交车尾气气态物（CO、THC、NO、NO2、NOX）排放、颗粒数量与质量排放和颗粒组分（碳质组分、离子组分、有机组分）排放的影响，此外还从单颗粒层面上研究了公交车尾气颗粒的质谱图与粒径。得到的主要结论如下：（1）研究了 DOC+CDPF 对生物柴油公交车气态物排放的影响。试验结果表明：与燃用纯柴油 B0 相比，燃用生物柴油 B10 时公交车尾气中 CO 和 NO2 排放上升明显，CCBC 循环下 CO 和 NO2 排放分别上升 12.5%和 18.9%，THC 排放下降 3.6%，公交车尾气中 NOX 排放特性主要取决于 NO 的排放水平，CCBC 循环下 NO 和 NOX 排放有小幅上升。燃用生物柴油 B10 公交车安装 DOC+CDPF 后，其尾气气态物 CO 和 THC 分别降低 18.0%和 33.9%，DOC+CDPF 对 NO2 减排效果显著，降幅高达 58.1%，但安装 DOC+CDPF 后引起排气背压与排气温度升高，造成 NO 排放上升 2.7%，使得 CCBC 循环下 NOX 排放也增加 1.3%。（2）研究了 DOC+CDPF 对生物柴油公交车尾气颗粒数量、质量排放的影响。试验结果表明：与燃用纯柴油 B0 相比，公交车燃用生物柴油 B10 时其 CCBC 循环下核态颗粒数量与质量排放分别降低 35.5%和 40.2%；聚集态颗粒数量排放增加 44.1%，聚集态颗粒质量排放水平为燃用纯柴油 B0 时的 4.9 倍；总颗粒数量排放降低 22.8%，总颗粒质量排放水平为燃用纯柴油 B0 时的 4.8 倍。公交车燃用生物柴油 B10 时，CCBC 循环下 DOC+CDPF 对核态颗粒数量和质量排放的捕集效率分别为 99.5%和 98.9%；对聚集态颗粒数量和质量排放的捕集效率分别I同济大学 硕士学位论文 摘要为 99.4%和 98.7%；对总颗粒数量和质量排放的捕集效率分别为 99.5%和 99.7%。（3）研究了 DOC+CDPF 对生物柴油公交车尾气颗粒组分排放的影响。试验结果表明：公交车原车燃用纯柴油 B0、原车燃用生物柴油 B10 和安装 DOC+CDPF 后燃用生物柴油 B10 运行在 CCBC 循环下时，其尾气颗粒碳质组分 EC 与 OC 的浓度均依次降低。公交车燃用生物柴油 B10 时，相比于燃用纯柴油 B0，其尾气颗粒离子组分 Cl-、NO3-、SO42-、C2O42-、Na+和 Ca2+排放浓度降低，NH4+排放浓度有所上升。安装 DOC+CDPF 后，燃用生物柴油 B10 公交车尾气中 Cl-与 SO42-排放减小，但 NO3-、C2O42-、Na+、NH4+和 Ca2+的排放浓度变大。DOC+CDPF 对燃用生物柴油 B10 公交车尾气中颗粒有机组分烷烃、脂肪酸和 PAHs 的捕集率分别为 67.2%、56.8%和 89.9%。公交车原车燃用纯柴油 B0、原车燃用生物柴油 B10 和安装 DOC+CDPF 后燃用生物柴油 B10 运行在 CCBC 循环下时，EPA 规定的PAHs 分别占到 PAHs 总排放的 90.7%、90.0%和 89.4%，此外尾气颗粒 PAHs 的毒性当量依次降低，分别为 0.0225、0.0215 和 0.0034 ng/cm2。（4）基于 SPAMS 分析研究了各方案公交车尾气颗粒的质谱图与粒径。试验结果表明：公交车原车燃用纯柴油 B0、原车燃用生物柴油 B10 和安装 DOC+CDPF 后燃用生物柴油 B10 运行在 CCBC 循环下时，其尾气颗粒的单颗粒平均粒径分别为 0.85、0.99 和 0.88 m。公交车燃用纯柴油 B0 时，其尾气颗粒主要由NaKCa_Nitrate、EC、PAHs_OC_S-N、EC_S-N、OC_Nitrate、K_S-N 和 PAHs_Nitrate 组成。燃用生物柴油 B10 时主要由 EC_S-N、Ca_EC_P-N、OC_P-N、EC、NaK_Nitrate、Fe_Nitrate、PAHs_OC_S-N 和 OC_S-N 组成。DOC+CDPF 能有效氧化颗粒表面的有机成分，对颗粒的捕集效果突出。与安装前相比，燃用生物柴油 B10 公交车安装 DOC+CDPF 后尾气中没有发现新类别的颗粒，主要由 EC_S-N、OC_P-N、NaK_Nitrate、Ca_EC_P-N、Fe_Nitrate 和 PAHs_OC_S-N 组成。关键词：柴油公交车，生物柴油，催化型连续再生颗粒捕集器，排放特性IITongji University Master of Engineering AbstractABSTRACTWith its superior characteristics of fuel consumption, power performance and high reliability, diesel engines are increasingly used in city diesel buses. However, diesel buses mainly work in the densely populated districts of city, and the exhaust pollutants threaten peoples health and safety. As a result, exhaust emission has become the biggest obstruction when promoting the application of diesel engines, and it is of great importance to find clean alternative fuel and reliable after treatment technology. On the one hand, the biodiesel made from waste oil can avoid food waste oil returning to the table and be used in diesel bus without any changes, which makes it become a research emphasis in the field of alternative fuel research. On the other hand, DOC+CDPF is known as one kind of after treatment with the optimal prospects and has gained extensive attention in after treatment technology field.An in-use Shanghai China Three diesel bus was selected as test bus to conduct vehicle emissions study by the heavy-duty chassis dynamometer. The emission characteristics of the test bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF were investigated when the bus worked under the CCBC condition. Effects of DOC+CDPF on the gaseous and particulate pollutants of diesel bus fueled with biodiesel B10 were the key research parts, meanwhile the particle mass spectrum and size were studied by SPAMS. The main conclusions are as follows:(1) Effects of DOC+CDPF on gaseous pollutants emission of diesel bus fueled with biodiesel B10 were investigated. Compared with burning diesel B0, CO and NO2 obviously increased 12.5% and 18.9% when the diesel bus was fueled with biodiesel B10 under the CCBC condition, and THC has been decreased by 3.6%. The NO emission level decided the NOX emission characteristic of the diesel bus, and biodiesel B10 caused a light increase of both NO and NOX. When the biodiesel bus was equipped with a DOC+CDPF, DOC+CDPF could decrease the CO and THC emission by 18.0% and 33.9%, and DOC+CDPF had a superior performance by decreasing the NO2 emission by 58.1%. Meanwhile, the exhaust pressure and temperature increased when DOC+CDPF was adopted, which caused the NO and NOX increased 2.7% and 1.3%.(2) Effects of DOC+CDPF on particulate number and quality emission of diesel bus fueled with biodiesel B10 were investigated. Compared with burning diesel B0, when the diesel bus was fueled with diesel B0 under the CCBC condition, the nucleateIIITongji University Master of Engineering Abstractgrain number and quality decreased by 35.5% and 40.2%, the aggregated particles number increased 44.0% and the emission of aggregated particles quality increased to 4.9 times, the total particle number emission dropped 22.8% and its quality emission increased to 4.7 times. When the biodiesel bus worked under CCBC condition, DOC+CDPF could reduce the nucleate grain number and quality emission by 99.5% and 98.9%, dropped the aggregated particles number and quality emission by 99.4% and 98.7%, and trapped the total particles number and quality emission by 99.5% and 99.7%.(3) Effects of DOC+CDPF on particulate component emission were researched. Both the biodiesel B10 and the DOC+CDPF after treatment could help reduce the emission of OC and EC. Compared with diesel B0, biodiesel B10 could decreased theemission of Cl-, NO3-, SO42-, C2O42-, Na+ and Ca2+, but also increased the emission of NH4+. Besides, DOC+CDPF could reduce the emission of Cl- and SO42-, but increased the emission of NO3-, C2O42-, Na+, NH4+ and Ca2+. When the diesel bus was fueled with biodiesel B10, DOC+CDPF could trap the alkane, fatty acid and PAHs components by 67.2%, 56.8% and 89.9%. The PAHs obtained by EPA of the test bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF occupied the total PAHs emission by 90.7%, 90.0% and 89.4%, and the BEQ were 0.0225, 0.0215 and 0.0034 ng/cm2.(4) Particle mass spectrum and size were studied by SPAMS. The average single particle size of the bus when it burned diesel B0, biodiesel B10 and biodiesel B10 with a DOC+CDPF were 0.85, 0.99 and 0.88 m. When diesel bus was fueled with diesel B0, the exhaust particles mainly consist of NaKCa_Nitrate, EC, PAHs_OC_S-N, EC_S-N, OC_Nitrate, K_S-N and PAHs_Nitrate. When the bus burned biodiesel B10, its exhaust particles were EC_S-N, Ca_EC_P-N, OC_P-N, EC, NaK_Nitrate, Fe_Nitrate, PAHs_OC_S-N and OC_S-N. DOC+CDPF could oxidize the organic components in the particles and reduced the particle species when the bus burned biodiesel B10. As a result the exhaust particles of the test bus when it buren biodiesel B10 with a DOC+CDPF were composed by EC_S-N, OC_P-N, NaK_Nitrate, Ca_EC_P-N, PAHs_OC_S-N and Fe_Nitrate.Key Words: diesel bus, biodiesel, catalyzed continuously regeneration trap, emission characteristicsIV同济大学 硕士学位论文 目录目录第 1 章 绪论.11.1引言.11.2柴油车尾气污染物.31.2.1气态污染物.31.2.2颗粒污染物.31.3生物柴油.71.4颗粒捕集器.91.4.1颗粒捕集器工作原理.91.4.2颗粒捕集器关键技术研究.111.4.3催化型连续再生颗粒捕集器.131.5 DOC+CDPF 对生物柴油车排放的影响研究现状.141.6本文主要研究内容.15第 2 章 试验系统布置与方案设计.172.1概述.172.2试验设计.172.2.1试验车辆.172.2.2试验燃料.182.2.3后处理装置.192.2.4试验方案.202.3重型底盘测功机试验系统.212.3.1重型底盘测功机.212.3.2试验循环及有效性判定.222.3.3试验循环工况分析.232.4尾气污染物排放测试系统.252.4.1气态物测试系统.252.4.2颗粒测试系统.262.5本章小结.31第 3 章 DOC+CDPF 对生物柴油公交车气态物排放的影响.333.1排气温度.333.2一氧化碳 CO 排放特性 .343.3总碳氢 THC 排放特性.353.4氮氧化物 NOX 排放特性 .373.5本章小结.43第 4 章 DOC+CDPF 对生物柴油公交车颗粒排放的影响.45V同济大学 硕士学位论文 目录4.1颗粒数量排放特性.454.1.1不同行驶路段下的颗粒数量排放特性.454.1.2不同行驶工况下的颗粒数量排放特性.494.2颗粒质量排放特性.534.2.1不同行驶路段下的颗粒质量排放特性.534.2.2不同行驶工况下的颗粒质量排放特性.584.3颗粒组分排放特性.614.3.1碳质组分与离子组分排放特性.614.3.2有机组分排放特性.634.4本章小结.69第 5 章 基于 SPAMS 的尾气颗粒质谱图与粒径分析.735.1基于 ART-2a 的颗粒分类方法 .735.2各方案颗粒组成分布.755.3各方案颗粒质谱图.765.4各方案颗粒粒径分析.845.5各粒径段颗粒组成.865.6本章总结.90第 6 章 全文总结与展望.936.1全文总结.936.2展望.95致谢.96参考文献.97个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果.102VI第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 引言进入 21 世纪后，社会经济快速发展，我国对能源的需求量不断上升，面临着资源短缺、环境污染、生态破坏等严峻形势1。能源是关乎国土安全和民生质量的最基本、最重要的战略物资，我国的能源结构有着“富煤、贫油、少气”的特点，而工业的快速发展离不开石油的支撑，因而我国石油对外依存度正逐年上升，如图 1.1 可知近年来我国石油对外依存度一直居高不下，成为了维护我国国土安全的重大隐患之一。消费量与净进口量/(亿吨)780消费量净进口量进口依存度6560/(%)440进口依存度322010 02006200720082009201020112012201320142015图 1.1 我国石油消耗情况目前世界上每年近一半的石油能源是由机动车消耗掉的，环境污染也与机动车尾气排放密切相关。柴油机具备动力性好、燃油消耗低和可靠性强等优势，被越来越多地运用在机动车上。然而柴油车排放的尾气颗粒是雾霾天气的主要元凶，且大气中的氮氧化物也主要来源于柴油车尾气排放2。柴油公交车主要运行在城市人口密集区域，其尾气排放严重威胁着人们的正常生活与大气环境，治理柴油公交车尾气污染对推广公交车出行、实现节约能源和治理大气环境污染意义重大。为有效控制柴油车尾气污染物排放，各国都在积极制定并实施日趋严格的排放法规，无论是日本、美国还是欧洲，未来法规的发展趋势都是实现零排放3。我国当前制定排放法规及选用测试循环时，主要参照欧洲制定的相关排放法规标1同济大学 硕士学位论文 催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究准，表 1.1 所示为欧洲重型柴油机排放法规中各阶段各项污染物相应的排放限值。表 1.1欧洲重型柴油机排放法规排放阶段COHCNOX实施日期（g/kWh）（g/kWh）（g/kWh）Euro I4.51.181992, 85 kWEuro II41.171996.141.171998.1Euro III1.50.2521999.1 EEVs2.10.6652000.1Euro IV1.50.463.52005.1Euro V1.50.4622008.1Euro VI1.50.130.42013.1生物柴油作为一种含氧量高、十六烷值高的绿色可再生的燃料，在颗粒减排方面也具有一定优势，可不需要做任何改动被直接运用在柴油公交车上，兼备节能与减排双重效果，受到了广泛的关注。如今各国都在积极地推广生物柴油，日本的标准柴油中要求混合 5%的甲基醇脂肪酸（Fatty Acid Methyl Ester, FAME）；欧洲和美国分别有 5%菜籽油掺混的柴油和 20%大豆油掺混的柴油在市场上销售；亚洲的一些发展中国家，则倾向于利用棕榈油或椰子油来制造生物柴油3。考虑到在生物柴油的应用与推广中需避开汽车用油对人类食物供应的负面影响，基于废弃油脂加工而成的生物柴油，成为了多个国家的优先之选。其中，以日本为代表的国家，在该领域已经取得了可观的研究成果。目前，中国以上海市为代表的地方政府，已经率先启动了探索建立餐厨废弃油脂回收、处置、公交车使用标准及政策体系，并在上海多个区域的多条公交车线路上，进行了公交车燃用生物柴油混合燃料 B10 的公开示范运营4。然而，仅仅依靠以生物柴油为代表的清洁燃料技术显然无法满足日趋严格的排放法规，结合清洁燃料技术和可靠的尾气后处理技术成为了实现柴油机节能减排目标的理想选择。目前，颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, DPF）被公认为最有效的针对降低 PM 的后处理净化装置，由氧化催化转化器（Diesel OxidationCatalyst, DOC）与催化型颗粒捕集器（Catalyzed Diesel Particulate Filter, CDPF）耦合而成的催化型连续再生颗粒捕集器 DOC+CDPF，可实现连续可靠的再生而被认为是最有前景的颗粒捕集器。综上可知，进行催化型连续再生颗粒捕集器对燃用餐厨废弃油脂制生物柴油的柴油公交车尾气污染物排放的影响研究十分必要，研究结果可为缓解对传统石油燃料的依赖以及开展治理城市大气污染工作提供帮助。2第 1 章 绪论1.2 柴油车尾气污染物1.2.1 气态污染物机动车尾气中多种成分对人类的健康有着不同程度的危害，其中 CO、HC、 NOX 这三类典型的气态污染物对人体的危害近些年来得到了人们越来越多的关注5-6。CO 阻碍人体血液的正常运输氧工作的进行而危及人类的生命，CO 还可在大气中停留 23 年之久，对大气环境造成持续污染7。HC 是一类含有苯等芳香烃类强致癌物质成分的气态污染物，研究还表明其十分不利于生态环境的平衡8-9。NOX 也具有致毒作用，NO 进入血液后其与血红蛋白的亲和力是氧气的数十倍，会阻碍氧气的输送，还容易同空气中其它活性较强的 VOCs 等成分，发生一系列化学反应引发灰霾、酸雨10-11，当满足一定的光照条件时，NOX 还能与 HC 反应，生成毒性更强的物质12。在机动车尾气 CO 的检测过程中，最常采用的仪器是不分光红外线气体分析仪。HC 则由氢离子火焰分析仪进行测量，该仪器具有灵敏度高、线性范围广、不易受环境温度与压力影响等优势。NOX 由化学发光分析仪检测，该仪器基于 NO 与臭氧 O3 的反应原理13。通常在进行机动车尾气气态污染物的排放研究试验时，较为常见的测量仪器主要为日本 Horiba 公司研发的 OBS-2200、美国 CATI 公司研发的 OEM-2100、美国 Sensors 公司研发的 SEMTECH-D 及清华大学和天津大学等高校自主研发的测量仪器。检测技术的不断进步，为研究者开展柴油车尾气气态污染物的生成机理、排放特性和控制方案等方面的研究提供了良好支撑。胡志远等14通过典型道路车载排放测试对 THC、CO、NOx 与 CO2 的排放率与车辆的行驶速度和加速度的关系进行了研究。万霞15等进行道路测试发现低速下高加速状态的柴油车排放因子最大，且单位质量功率与排放速率呈现良好的关联性。Giakoumis E G 和 Kato S16-17等基于台架测试技术，分析研究了柴油机不同工况下的污染物排放特性。1.2.2 颗粒污染物柴油车尾气中还含有大量对人类与环境都有极大危害的以颗粒形式存在的污染物，尤其是粒径在 30100 nm 这一粒径段的颗粒18。大量的医学研究指出， PM2.5 与人类疾病的死亡率和发病率密切相关，PM2.5 主要通过对呼吸系统和心血管系统造成伤害，引起咳嗽、降低肺功能、引发呼吸道炎症，甚至促使癌症的产生19-21。一方面，大量研究成果指出，颗粒的危害与其粒径大小密切相关。徐雯22等3同济大学 硕士学位论文 催化型连续再生颗粒捕集器对生物柴油公交车排放的影响研究人分析比较了不同粒径的颗粒对人类肺癌上皮细胞 A549 的毒性作用，发现不同粒径的颗粒对细胞的损伤作用有所差异，PM0.181.00 的毒性强于 PM1.003.20，而 PM0.561.00 的毒性又强于 PM0.180.56。李红23等认为颗粒吸附其它有毒化合物的能力随着其粒径的减小而快速上升，大量的有毒物质沉淀在细小颗粒内部，甚至可以随颗粒溶入血液，因而有着极强的毒性。另一方面，颗粒的毒性离不开其复杂的化学成分的影响。柴油车尾气颗粒主要由可溶性有机组分（Soluble Organic Fractions, SOF）、碳质组分、灰分及硫酸化合物组成。其中，SOF 含有毒性极强的 PAHs 成分而受到了科研人员的重视。碳质组分由元素碳（Element Carbon, EC）与有机碳（Organic Carbon, OC）组成，其中 EC 又被称为黑碳或碳黑24-25。机动车尾气颗粒中碳质组分对温室效应的贡献仅次于 CO2，还能与大气发生光化学反应，对人体造成伤害26-27。此外，燃油与润滑油中的添加剂，还使柴油车尾气颗粒中含有大量能对环境造成污染的金属离子28。此外，机动车尾气颗粒还是引起当前日益严重的大气气溶胶污染现象的关键因素。气溶胶中的颗粒容易造成大气可见度降低，甚至引起灰霾天气，对人们的日常出行造成不便。世界卫生组织（WHO）、美国环境保护署（USEPA）、欧盟环境局（EEA）等诸多国际机构在评价大气污染的健康危害时均选择颗粒作为代表性空气污染物之一29。国内外的一批学者，利用气溶胶质谱分析技术从单个颗粒的层面上