PPS濾布對PM的過濾效率探究
柴油機由于其動力性好、耐久性好、CO2排放低等優點，目前正在被廣泛的應用［1，2］。但是，柴油車微粒排放量( 微粒排放量為同排量汽油機的 30 ～ 80倍［3］) 嚴重限制了柴油機的發展。目前，從技術上看，僅靠改進機內結構和改善燃油品質已經難以滿足當前的排放標準，未來更嚴格的排放法規將對后處理技術提出更高的要求［4，5］。現階段對 PM 的后處理方式有柴油機微粒捕集器技術( DPF) 、靜電捕集技術、等離子去除技術等［6-9］。其中，DPF 是的的顆粒物凈化裝置，也是目前凈化技術中商用前景技術之一［10，11］。但是，隨著捕集顆粒物的增加，最終導致過濾體壓降增大，影響柴油機的經濟性、動力性，因此需要對捕集器進行再生處理［12］。目前的再生方式有電加熱再生［13］、噴油助燃再生、微波再生和紅外再生［14］等。但這些再生方法都存在如裝置復雜、成本較高、造成“二次污染”等缺陷［15］。
本實驗探索采用新型的過濾材料，實現顆粒捕集器濾芯的可更換，從而可避免捕集器的再生問題。聚苯硫醚( PPS) 是一種化學穩定性、熱穩定性，造價較低的過濾材料，以 PPS 針刺氈制成的濾布是電廠鍋爐煙塵捕集的濾布［16］。本文利用自行設計的柴油機微粒捕集裝置對微粒進行捕集，通過與Whatman 公司生產的玻璃纖維濾紙進行對比，研究 3 種 PPS 濾布對柴油機顆粒的捕集效率，為 PPS材料應 用 于 柴 油 機 顆 粒 的 捕 集 提 供 基 礎 實 驗數據。
1 實驗裝置與方法
1. 1 實驗裝置
實驗采用額定功率 12. 7 kW、標定轉速 2 200 r /min 的 ZS1100 單缸、水冷柴油機作為顆粒發生源，調節柴油機的扭矩、轉速，并通過 AVL DICOM4000汽柴兩用分析儀來監測排氣中顆粒物的濃度，提供穩定濃度的發動機排氣。
柴油機排氣管上開旁通口與顆粒捕集裝置連接，連接管路和顆粒采集部分采用加熱保溫，保證與排氣溫度( 約 180℃ ) 保持一致。顆粒捕集裝置( 詳見: . 3) 能在高溫排氣條件下工作，并能實現濾紙的在線更換，裝置簡圖如圖 1 線框所示，其實物裝置及采集的顆粒物如圖 2 所示。經過濾后的尾氣經冷卻后，采用工業吸塵器進行抽吸，保證捕集裝置的穩定可靠運行。通過控制抽吸流量，控制過濾速度。此外，通過手持壓力表對濾紙/濾布加載前后的過濾壓降進行測試。
1. 2 實驗方法
1. 2. 1 過濾效率評價
實驗中，將 GF /A( 1820-150) 玻璃纖維濾紙作為濾紙( 默認過濾效率 99% ) ，間接評價某公司生 產 的 3 種 PPS 濾布的過濾效率。評 價 方 法如下:實驗時，在捕集裝置上同時安裝一張濾紙和一張針刺氈，兩者的放置位置( 如圖 3 所示) 分 2 種情況: 濾布下層布置和上層布置。本實驗通過稱量濾紙捕集的顆粒物質量對針刺氈的捕集效率進行評定。
在相同的捕集時間、發動機工況和排溫條件下，稱量濾紙上層布置時濾紙捕集的顆粒物質量Δm1 和濾紙下層布置時的濾紙捕集的顆粒物質量 Δm2。Δm1 作為在測試時間內裝置抽吸的煙氣中顆粒物的質量，Δm2 作為穿過針刺氈的顆粒物的質量，因此，針刺氈的捕集效率 ηk ( k = 1，2，
3) 為:ηk = ( 1 － Δm2Δm1) × 99% ( 3)
1. 2. 2 實驗前濾紙和濾布的處理為了減少濾紙吸水對本實驗的影響，實驗中對GF /A 型玻璃纖維濾紙采用了熱噴槍干燥法( 約120℃ ) ，然后在天平上稱量計量，重復 5 次以上，直到連續 3 次稱量濾紙的質量變化在 0. 1 mg 以內，恒重，然后置于干燥皿中保存備用。
由于 PPS 材料的工作溫度通常低于 180℃，為避免 PPS 材料在實驗中由于高溫熱熔而引起相鄰濾紙質量的變化。因此，實驗前先將 PPS 濾布置于干燥箱中，加熱到 180℃ 恒溫 3 h 后取出，然后置于干燥皿中保存備用。
1. 2. 3 過濾速度測定
在過濾效率測試結束后，對過濾速度進行了常溫實驗標定，裝置如圖 4 所示。
3 中的定容氣袋充滿空氣，體積為 V = 0. 494m3，將袋內氣體全部抽吸所需的時間為 t( s) ，則抽吸流量 Q( m3 / s) 為:Q = Vt( 1)則過濾速度 u( m / s) 為:u = QA ( 2)式中: 過濾面積 A = 6. 9 × 10 － 3 ( m2) ; 則過濾速度u ≈ 0. 6 m / s。通常 DPF 過濾介質的過濾速度小于0. 05 m / s［17］，但為了考察在較高過濾速度下 PPS 濾布的過濾效率，同時為了縮短實驗時間，本文選取了較高的過濾速度。
1. 2. 4 柴油機工況的選取
實驗中濾布測試所對應的發動機工況如表 1所示。
2 實驗結果及分析
2. 1 加熱的影響
經過 180℃高溫加熱 3 h 后，3 種濾布發生了顏色和形貌變化，如圖 5 所示。
由圖可以看到 1#、2#濾布在干燥后的顏色均明顯變深，但形態無明顯變化。3#針刺氈顏色變化不明顯但在干燥后有很明顯的形態變化，針刺氈表面呈現褶皺現象，較干燥前柔軟平整表面變得堅硬而凹凸不平。因此在柴油機上應用 PPS 濾布時，應考慮降低工作溫度。
前后質量比對發現，1#濾布質量減少 4. 2 mg，2#濾布質量反而增加 8. 2 mg，3 #濾布質量也增加了 1. 7 mg，說明濾布的吸潮能力較強，質 量 易 變化; 因此，不能直接用來稱量其捕集的柴油機顆粒質量。
2. 2 過濾效率
在選定的柴油機工況條件下，開展了 PPS 濾布在 180℃ 時的過濾效率測試。實 驗 數 據 如 表 2所示。
由表 2 可得 1# ～ 3#PPS 濾布相對于 GF /A 型玻璃纖維濾紙的過濾效率分別為: 78. 8% 、75. 96% 和83. 76% ，均略高于金屬絲網或泡沫陶瓷過濾體的過濾效率( 40% ～ 70% ) ［18，19］。其中盡管 3#濾布的厚度( 0. 72 mm) 僅有 1#、2#濾布厚度( 2 mm、1. 5 mm)的 1 /2 以下，但 3 #濾布的效率明顯高于 1 #、2 #濾布。原因主要是由于 3#濾布表面涂覆有一層致密的聚四氟乙烯材料，并且 3 #濾布纖維的橫縱向交叉編織程度較 1 #、2 #濾布高，從而使得 3 #濾布的過濾效率偏高( 如圖 6 所示) 。此外，由表 3 可知，1#濾布的過濾效率比 2#濾布過濾效率高，主要原因是 1 # 濾 布 的 厚 度 ( 2 mm) 大 于 2 # 濾 布 ( 1. 5mm) ，并且 2#濾布的( 針刺) 微孔多于 1#濾布( 如圖 6a、6b 所示) ，從而使得 1#濾布的過濾效率高于2#濾布。
由表 2 還可看出，過濾速度為 0. 6 m / s 時，1、2#濾布的初始壓降均在 1 kPa 左右，捕集碳煙后其壓降將上升至 3 kPa 左 右。而 3 #濾布初始壓降為. 34 kPa，捕集碳煙后其壓降將上升至 14. 16 kPa。由于 3#濾布過濾效率較高，因而其壓降顯著增大。因此，若應用 3 #PPS 材料濾布在排氣管上捕集柴油機 碳 煙，為不影響發動機性能 ( 背 壓 ＜ 25kPa［3］) ，需降低過濾速度以降低背壓，避免發動機性能惡化。
根據柴油機顆粒物的過濾特性，隨顆粒的沉積，過濾階段進入顆粒層過濾期后，其過濾效率將趨于穩定( 通常會接近 99% ) ，且受過濾材料的影響較小。因此，為比較不同材料的過濾效率，選取深床過濾期來開展過濾效率測試。實驗中發現捕集 20 min后濾布表面尚未形成明顯的顆粒層，因此選擇的測試時間為 20 min。為驗證測試時間選擇的合理性，選取過濾高( 深床過濾期最短) 的 3#濾布開展深床期時間的探索。
2. 3 深床過濾時間
針對 3#PPS 濾布，選擇已捕集顆粒物 20 min 后的濾布一張，以及 2 張空白濾布開展深床過濾時間的探索。實驗數據如表 3 所示。
由表 3 可知，3#PPS 濾布經過 20 min 的過濾后，下層濾紙基本不能再捕捉到顆粒，說明 3#PPS 濾布的深床過濾時間在 20 min 以內。在捕集 15 min 后，濾紙收集的顆粒質量已開始減小( 0. 2 mg) 。綜合上述實驗數據可知，3#PPS 濾布的深床過濾時間大致在 15 ～ 20 min 之間; 在 20 min 以后，3#PPS 濾布的捕集效率將接近 99% 。相比金屬絲網或泡沫陶瓷過濾體在整個工作期間都保持較低的過濾效率而言，PPS 濾布在經過短暫的深床過濾期后( 即進入顆粒層過濾期) ，過濾效率較高，因此，PPS 濾布有望成為可更換式柴油機顆粒捕集器的過濾材料。
3 結 論
( 1) 加熱后( 180℃，3 h) ，濾布出現顏色和形態變化。1#、2#濾布加熱后顏色有所加深，而 3#濾布較加熱前柔軟平整表面變得堅硬而凹凸不平。
( 2) 在深床過濾期，3 種 PPS 濾布的過濾效率分別為 78. 80% 、75. 96% 和 83. 76% ; 過濾效率均略高于金屬絲網或泡沫陶瓷過濾體的過濾效率。
( 3) 過濾速度為 0. 6 m / s 時，深床過濾期后 3#濾布的過濾壓降較大，大于 14 kPa; 而其余 2 種材料的壓降較小約為 3 kPa 左右。因此，為不影響發動機性能，應用 3#PPS 材料濾布捕集柴油機碳煙需降低過濾速度。
( 4) 表面涂覆聚四氟乙烯的 3#PPS 濾布的深床過濾時間在 15 ～ 20 min 之間( 排氣不透光度約 6% 、溫度 180℃、微粒 SOF 含量約 9. 9% ，過濾速度 0. 6m / s) ; 深床過濾期后，過濾效率可接近 99% ; 相比金屬絲網或泡沫陶瓷材料，PPS 材料具有一定的應用優勢。
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