汽车尾气后处理器技术综述

呼唤呼唤 汽车环保汽车环保 尾气后处理器技术综述尾气后处理器技术综述 由于地球环境日益恶化 环保议题也更加受到重视 欧美各国柴油车污染排放 无不实施更严格之管制措施 以欧洲为例 其轻型柴油车 PM 排放管制 EuroIV 比 EuroIII 的管制量降低 50 NOx 也降低 50 而重型柴油引擎 PM 排放管制则降 低 80 NOx 降低 30 如图 1 图 2 所示 图 1 重型柴油引擎 EuroIII 与 EuroIV 污染排放标准比较 图 2 轻型柴油车 EuroIII 与 EuroIV 污染排放标准比较 美国也决定了 2007 重型柴油引擎排放标准 PM 为 0 01g bhp hr NOx 为 0 20g bhp hr 与现在的 1998 年标准相比 新规则在 NOx 水平代表 95 降低 目前 在 4 0g bhp hr 在 PM 排放有 80 90 降低 当前卡车引擎在 0 1g bhp hr 和城市的 公共汽车在 0 05g bhp hr 这也意味着后处理器的强迫使用 以目前情况来看 符合我国三期排放标准车辆中已约有 50 配置使用氧化触媒 等废气排放后处理器组件 其对 HC 和部分 PM 具有改善作用 而对 NOx 及 PM 中碳成分却无影响 为因应未来更严格的排放标准 各大车厂无不积极投入 De NOx 触媒及 PM 粒状污染物捕集器之开发工作 期以符合法规要求 环顾国内情况 我国柴油引擎技术大部分是依赖国外原厂提供 对于国内几家 大厂而言 技术来源或许较无问题 但对于生产及代理数量较少之车厂 其技术能 力之获得则必然发生困难 因此 于实施下一阶段排放标准前 政府相关单位应建 立起柴油车污染控制后处理器之相关技术能力来协助车厂因应污染排放的控制工作 国内外后处理器技术发展现况国内外后处理器技术发展现况 在全球法规污染物排放标准更加严苛的发展趋势下 若单纯只透过改良引擎燃 烧行为 降低机油消耗量及减少柴油中的硫含量等方式 仍然不足以保证能完全符 合较严苛的法规标准值 故借助于后处理系统的二次减量仍在所难免 一 氧化触媒转化器 选择后处理系统时 必须考虑下列因素 效率 背压 耐温 耐久 成本 截 至目前为止 氧化触媒转化器之经济效益最大 其优点如下 1 符合法规需求 可氧化 SOF 达 80 以上 但对碳粒无氧化能力 因此须配合燃烧行为预先减少 碳粒生成 并控制柴油中的硫含量低于 0 05 以避免生成硫酸及金属类硫酸盐等 粒状污染物 2 环境保护 柴油引擎采过氧燃烧 只要排气温度维持在 170 以上 触媒转化器即能充分氧 化 HC 及 CO 并能大幅减少乙醛与 PAH 降低致癌机会 3 开发弹性 氧化触媒能氧化柴油及机油发生的碳氢化合物 故能控制因制造差异生成的污 染物 使不至于逾越法规值 并容许工程人员开发的污染防制技术时 不会发生顾 此失彼的现象 开发柴油引擎用的触媒转化器 除必须考虑它的空间速度 密度 背压 触媒 担体及贵重金属外 尚须留意柴油硫含量 机油添加剂及排气温度 避免影响耐久 性能 二 其他后处理技术 正在发展中的技术包括氮氧化合物吸附器 NOxAbsorber 连续性再生柴油引 擎粒状污染物过滤器 CR DPF 柴油引擎粒状污染物催化过滤器 CDPF 等 近来美国能源部 USDOE 引擎制造商协会 EMA 与污染排放控制装置制造 商协会 MECA 合作的计划已着手研究柴油燃料含硫量等级在 3 16 30 150 与 350ppm 时 对重型与轻型柴油引擎在这些污染控制技术方面的影响 1 NOx 防制技术方面 废气再循环系统 废气再循环系统 Exhaust Gas Recirculation 废气再循环系统 EGR 是利用所排放出之废气再次导入燃烧室中反应燃烧 藉由降低燃烧时之最高温度 以达到 NOx 污染排放减量的效果 应用上需配合增 压器与中间冷却器来使用 废气再循环系统 EGR 平均可使得氮氧化合物减量可 达 40 在轻型汽油车及柴油车上 经常可以看到 EGR 系统 SCR 触媒触媒 Selective Catalytic Reduction SCR 触媒是利用尿素 Urea 喷射于排气尾管中 由于高温转化为氨水 NH3 Amonia 与二氧化碳 CO2 NH2 CO NH2 H2O 2NH3 CO2 NH3 又在 De NOx 触媒中与氮氧化合物 NO NO2 反应还原成氮气与水蒸气 4NH3 4NO O2 4N2 6H2O 8NH3 6NO2 7N2 12H2O 此型去除氮氧化合物触媒系统效率可达 80 90 但需装置尿素喷射及储存筒且 须定期添加 故系统较复杂 且也有尿素渗漏造成额外污染的疑虑 氮氧化合物吸附器 氮氧化合物吸附器 NOx Absorber 氮氧化合物吸附器 NOx Absorber 是利用触媒于低温或引擎低负载时捕集氮 氧化合物 NOx 再于高温或引擎高速高负载时将之释放燃烧 此触媒转化系统 能从柴油引擎的过氧废气中将氮氧化合物 NOx 移除 然而此系统对燃料中的含 硫量十分敏感 容易招受硫酸毒化 故燃料中含硫量的等级是影响此种触媒转化系 统性能表现的重要因素 目前燃料中的含硫量会使得氮氧化合物吸附器 NOx Absorber 吸附有毒物质 的效率不彰 若将其使用在低硫的情况下 其移除氮氧化合物的效率可高达 90 二氧化硫 SO2 在燃烧与废气排放的这段时期的形成 关系到燃料中的含硫量 图 3 各类 De NOx 触媒特性与应用状况 2 PM 防制技术方面 连续性再生捕集器 连续性再生捕集器 Continuously Regenerating Trap 连续性再生捕集器 CRT 利用过量的氮氧化合物去除粒状污染物 PM 一 氧化氮氧化生成二氧化氮 依次地使氧化黑烟 Soot 反应成二氧化碳与氮 然而 连续性再生捕集器必须在氮氧化合物 NOx 与粒状污染物 PM 比最小为 8 1 的条件下运作 在优化条件下 燃料含硫量低于 50ppm 以下 连续性再生捕集器 CRT 移除粒状污染物 PM 的效率可高达 90 连续性再生柴油粒状污染物过滤器 CR DPF 与触媒柴油粒状污染物过滤器 CDPF 是典型的柴油粒状污染物过滤器 DPFs 的代表 连续性再生柴油粒状污染物过滤器 CR DPF 是利用引擎排放的一氧化氮 NO 经过连续性再生柴油粒状污染物过滤器 CR DPF 的氧化触媒回流产生连 续性的二氧化氮 NO2 目前已证实二氧化氮 NO2 比氧气 O2 对于柴油粒 状污染物 PM 的低温氧化媒介效果更为有效 废气中所含的硫经由连续性再生 柴油粒状污染物过滤器 CR DPF 氧化后 形成硫酸 Sulfates 二氧化硫 SO2 会抑制一氧化氮 NO 与二氧化氮 NO2 的反应 使再生捕集的效果 降低 触媒柴油粒状污染物过滤器 CDPF 是藉由在此触媒器上涂覆元素促进在废气 中捕集粒状污染物 PM 的氧化作用 废气中的硫经触媒柴油粒状污染物过滤器 CDPF 反应后生成硫酸 废气排放温度与燃料中的含硫等级是影响连续性再生 柴油粒状污染物过滤器 CR DPF 与触媒柴油粒状污染物过滤器 CDPF 性能表 现的重要因素 黑烟触媒过滤器 黑烟触媒过滤器 Catalyzed Soot Filters 此种过滤器使用反应催化剂来帮助氧化 在温度 350 时 它仍然能有约 75 的 粒状污染物 PM 减量的效果 与连续性再生捕集器 CRT 一样属于被动式的 触媒 能容易地适用于修正过的引擎 燃料触媒添加物 燃料触媒添加物 Catalyzed Fuel Additives 直接将触媒剂加入燃料中 配合过滤器的使用可使移除粒状污染物 PM 的效 率达到 75 某些技术是在主燃料槽旁另加一个储存槽储放添加剂 透过引擎的燃 烧控制技术 可容许粒状污染物 PM 于低温时 在过滤器中进行燃烧 表 4 仅 针对柴油引擎后处理器污染防制技术减量效益可行性分析作一比较 表 4 后处理器污染防制技术减量效益可行性分析 结束语结束语 柴油车辆大多为客货运输业主力的生财工具 长期以来柴油车辆在全球经贸活 动中一直扮演着一个相当重要的角色 但柴油车辆所造成的空气污染相对的引发了 空气质量加速恶化的隐忧 也因此对于其污染排放的管制与改善 一直被视为全球 性的重要课题之一 积极发展相关的污染管制措施与技术 并透过这些管制作为与 污染防制技术 来达成有效管控污染排放 改善空气质量 然而现阶段柴油车辆前处理污染控制技术的进步已达到技术饱和的状态 所以 在柴油车辆前处理技术方面做进一步的技术突破 俨然相当有限 且可能所费不赀 需投注相当大的金钱与人力于其上 在技术复杂度方面也更趋困难 以目前柴油车后处理技术的发展而言 触媒滤烟器一直是一项重要的实质发展 成果 但也由于现阶段使用环境条件的影响下 诸如 需配合燃料添加剂的介入使 用 黑烟过滤器的再生问题造成引擎背压升高 产品本身的耐久性能表现等 一直 无法顺利的达到其理想工作状态 故而使得其对于柴油车辆排放黑烟的改善效果受 到影响 所以后处理技术所