一种分级式颗粒捕集装置及其再生方法

专利名称：一种分级式颗粒捕集装置及其再生方法
技术领域：
本发明涉及一种分级式颗粒捕集装置及其再生方法。
背景技术：
机动车，尤其是以压燃式发动机(如柴油机)为动力的机动车， 其排放的废气中含有大量的碳烟，以及粘附在其上的各种有机物质， 对人体和环境都会造成较大的伤害。对碳烟或微粒物排放的控制，是 目前机动车排放研究的重点和热点所在，也是国家相关标准法规严格 控制的对象。
目前对于柴油车新车，大多数釆用了较先进的机内净化措施(如 高压共轨等)和机外净化措施(如催化氧化或选择还原)，其排放的 废气中颗粒物的总质量呈下降趋势。但其微粒物的数量却呈现增加趋 势，因为釆用共喷射后，柴油雾化更细，在柴油扩散燃烧过程碳核形
成的数目更多。采用柴油车微粒捕集器DPF是目前解决新车颗粒物 污染问题的首选。但DPF只用一级过滤体，需要在一级过滤体上除 掉部分或全部的颗粒物。由于不存在捕集任务的分担，要求DPF有 足够高的过滤效率，同时要求发动机排放的污染中，颗粒物含量不能 过高。否则会导致过滤体很快被完全堵死，机动车无法运行；或需要 对过滤体进行频繁地再生，从而影响其寿命。
因此目前在应用DPF进行微粒排放控制时，首先需要对原机(发 动机)的排放进行有效控制(机内控制)，以控制微粒排放量尽量在"可 过滤"的状态。这将会增加发动机本身系统的复杂性和成本。另外DPF 的应用需要有超低硫含量的清洁柴油，这将增加使用成本和社会成 本，尤其是在目前油价飞涨的时期，更不合理。这些都是目前DPF 技术推广所面临的巨大难题。而对于在用柴油车，本系统的优势更为明显。在用柴油车，尤其 是使用年限接近或超过十年，或者行驶里程接近或超过二三十万公里 的在用柴油车，其排放较之新车要恶劣得多。
实际应用经验早已证明，在这种柴油车安装DPF系统根本行不 通。其原因就在于，由于DPF系统仅采用单一的、微小的截流半径的 过滤体，在单一过滤体上要将几乎所有的碳烟等微粒物全部截留住， 而不存在分担，导致DPF过滤任务负荷过大。DPF很快被完全堵死， 而无法应用。尤其是发动机冷起动时，排放的碳烟等颗粒物更多，在 DPF再生系统尚未响应之前，DPF已经堵死。但在此时， 一般只是利 用了DPF前端进气道的过滤作用，其过滤壁的过滤作用甚至来不及起 作用，显然其过滤功能并未被完全利用。另外，在这种情况下，若强 行对DPF进行再生，则很有可能导致过多负荷的碳烟在DPF上骤然反 应而释放大量热量，导致DPF被烧裂或烧熔。这是目前DPF应用遇到 的最大难题，也是限制DPF推广使用的最大障碍。

发明内容
本发明的目的是提供一种分级式颗粒捕集装置，对颗粒进行分 级、分段捕集、过滤，从而将废气中的颗粒物部分或全部除去。
本发明的另 一 目的是提供一种分级式颗粒捕集装置的再生方法。
为了实现本发明目的，本发明的一种分级式颗粒捕集装置，其由 两段以上过滤体构成，每段过滤体的过滤效率不同，用于捕集或过滤 不同大小和不同成份的颗粒。
所述不同级别的过滤体的过滤效率由进气端向出气端逐级增加， 也即其过滤孔半径逐级减小。而根据需要可在最后一级釆用过滤效率 最高的壁流式过滤体，从而净化除去废气中所有的颗粒。
所述过滤体以2-5个为佳。
所述过滤体的截面可以是矩形、圆形或圆环形等任意可实现过滤 的形状。所述的过滤体可以是壁流式的、部分壁流式的或直通式的，包括 但不限于各种材质的泡沬、丝网、颗粒捕集器、颗粒过滤器、滤烟器、 滤尘带及各种形式的整体式或球状碳烟、颗粒收集器等。
所述的过滤体的材质包括但不限于金属或其合金、陶瓷、氧化
物或氧化物复合体、堇青石、碳化硅、钛酸铝、氧化铝、莫莱石、各 种织物及各种有机或无机化合物等等。
所述的过滤体的过滤机理包括但不限于表面截流、深层截流、 碰撞、节流、吸附、离心和聚沉等等
所述的分级式颗粒捕集装置各段过滤体的大小、尺寸、连接管的 形状及尺寸、连接形式(法兰、卡箍等)等，可根据实际安装要求而 定。
所述的过滤体上可以负载上各种用途的催化剂或吸附剂，或对过 滤体进行升温加热(如电阻丝或微波加热器)，从而在过滤颗粒的同 时，净化废气中的各种有害气体或微生物体。
本发明的每个过滤体前后设一压力传感器，所有压力传感器均与 一压力信号显示和处理装置相连。
所述的分级式颗粒捕集装置可根据各段过滤体前后压力传感器 感应的值，计算、显示出各段过滤体的背压，从而决定是否对某一段 过滤体或整体装置进行再生。
所述的分级式颗粒捕集装置釆用任何连续的或/和间歇式的再生 形式，对其中任 一过滤段或全部过滤段的过滤体进行再生。
所述的再生形式可以间歇式的，也可以连续式的。
所述的再生方法包括但不限于反吹再生、加热再生、清洗再生、 催化再生及其他各种形式的物理的或化学的再生方式，这些再生方式 均为本领域技术人员所熟知。
本发明釆用分级过滤的方式，在气体入口端釆用过滤孔半径较 大、过滤效率较低的初级过滤体；其后釆用过滤孔半径相对较小、过滤效率相对较高的次级过滤体；遂级减小过滤孔半径、提高过滤效率，
从而达到分摊过滤任务，充分发挥每段过滤体效率、最大限度进行微 粒捕集的目的，不会导致过滤体被完全堵死。
而由于每级过滤体的都发挥了过滤的作用，总的过滤效率要远大
于DPF，所以过滤体相对DPF可以做得更小一点。而根据需求，可在 这种分级式颗粒捕集装置的最后一级上安装壁流式过滤体，而过滤掉 剩下的所有细小颗粒，完全净化除去废气中的颗粒物。由于此时壁流 过滤器仅承担对细小颗粒的过滤任务，负荷很小，不可能被立即堵死， 有足够的时间进行再生，其相对容积也不必如DPF那么大。
根据需要，可以采用多种方式对本发明所述的分级式颗粒捕集装 置的过滤体进行间歇式或连续式再生。如把某一段或某几段乃至全部 过滤体拆解下，进行加热再生、反吹再生，甚至水洗。由于每段过滤 体只分担一小部分过滤任务，工作负荷并不大，再生的间隔要远大于 DPF。若在这种分级式颗粒捕集装置入口处或某段过滤体的入口处， 或整个装置的外部安装上在线加热装置(如电阻丝或微波加热器)， 则可对其进行连续再生。由于每段的负荷并不重，每段捕集到的颗粒 的总量并不多，且相对均匀。因此很容易再生， 一般不会产生局部过 热的现象，从而能有效防止过滤体被烧损。
根据需要可以在其中某一级或某几级乃至全部过滤体上，负载上 相同或不同成份的催化剂。例如，可以负载上不同组份的氧化催化剂， 从而可促进被捕集的颗粒的进行催化燃烧，实现连续再生。或负载上 有机废气VOCs催化剂，在过滤颗粒的同时，对废气中的有机物或/和 微生物进行催化燃烧，从而提供无菌洁净空气。
同样的原理，本发明分级式颗粒捕集装置可用于各种工业和民用 场所，用于对工业或民用废气(固定污染源)中的颗粒物进行净化处 理。
使用本发明的分级式颗粒捕集装置，可以不必考虑发动机的原始排放和燃油的问题。由于釆用多级过滤，可以充分发挥每段过滤体的 最大过滤效率，并且其各段的形状和尺寸也可因地制宜而改变，因此 其实际安装尺寸及对空间的适应性要远优于DPF系统。
相对于目前的DPF或类似的装置，本发明装置的另一个特点就是 成本较低。该装置是将目前不同类型的常规的过滤体进行组合，对过 滤体本身的要求并不高，釆用成熟产品，本地釆购。
本发明分级式颗粒捕集装置可用于燃用各种燃料的在用的、或新 生产的发动机、汽车、摩托车、柴油车、船舶、发电机组、工程机械、 园林机械及各种非道路机械和火车机车等废气处理。该装置尤其适用 于燃用柴油(包括生物柴油和各种柴油代用燃料)的各种发动机、动 力机械、机动车、机车、船舶、舰艇、工程机械、发电机组和非道路 机械等。用于净化排气废气中的碳烟等固体和/或液体颗粒物。
本发明分级式颗粒捕集装置的另一个重要应用是在工业和民用 除尘领域。用于各种窑、炉、锅、灶、生产线、生产机械(如筛分机、 和掘进机等)、生产装置等的废气净化和烟尘、灰尘处理；用于各种 坑、井、地下室、爆炸腔、无尘室及种封闭或半封闭空间的进、排气 风口，以净化进排气。
本发明分级式颗粒捕集装置还可用于生物制药、无尘试验室等对 环境气氛要求较严格的领域。根据应用需要，在过滤体上负载各种用 途的催化剂、吸附剂或对其进行升温加热，从而在过滤颗粒的同时， 净化废气中的各种有害气体或微生物体。用于进气系统，从而提供无 尘无菌的洁净环境。


图l为本发明所述分级式颗粒捕集装置结构示意简图2a-c为本发明所述分级式颗粒捕集装置常见过滤体外形示意图。
其中，1具有不同过滤效率的过滤体，2压力传感器，3压力信号显示和处理装置。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 实施例l
本实施例分级式颗粒捕集装置的组合形式如图l所示。N表示可 以釆用多级过滤体。该装置由具有不同捕集效率的若干个过滤体1组 成。可针对成份和粒径不同的颗粒进行分段、分级过滤和捕集。其中， 以2-5个为佳。
过滤体l按过滤效率由小到大，由进气端向出气端逐级安装。从 而确保含有碳烟或/和颗粒的气流流经该装置时，组成和大小不同的 颗粒，被分别捕集于在不同段的过滤体上，从而最终被完全或部分除 去。
每个过滤体1前后设一压力传感器2，所有压力传感器均与一压力 信号显示和处理装置3相连。可根据各段过滤体前后压力传感器感应 的值，计算、显示出各段过滤体的背压，从而决定是否对某一段过滤 体或整体装置进行再生。
过滤体的截面可以是矩形、圆形或圆环形等任意可实现过滤的形 状。如图2a-c所示。
各过滤体分别负载氧化型催化剂。
当过滤体的背压超过设定的数据时，则需要对过滤体进行再生处 理，可把某一段或某几段乃至全部过滤体拆解下，进行加热再生、反 吹再生，甚至水洗。由于每段过滤体只分担一小部分过滤任务，工作 负荷并不大，再生的间隔要远大于DPF。
也可以在这种分级式颗粒捕集装置入口处或某段过滤体的入口 处，或整个装置的外部安装上在线加热装置(如电阻丝或微波加热 器)，则可对其进行连续再生。由于每段的负荷并不重，每段捕集到 的颗粒的总量并不多，且相对均勾。因此很容易再生， 一般不会产生局部过热的现象，从而能有效防止过滤体被烧损。
其中，各段过滤体的大小、尺寸、连接管的形状及尺寸、连接形 式(法兰、卡箍等)等，可根据实际安装要求而定。
当然，本发明的分级式颗粒捕集装置可根据需要，对过滤体形式、 大小、尺寸、段数和级数进行适当调整。由于采用分级式捕集，分段 分担颗粒捕集和过滤任务，可以控制整个装置的背压在允许范围之 内。
应用例1
在发动机台架进行传统DPF和本发明的分级式颗粒捕集装置的 比对试验。采用的发动机为某款6.0升柴油发动机(国I水平，已使 用5年)，使用硫含量为800ppm的-10号柴油。DPF的总体积为12L (长径比为2: 1), DPF上负载有贵金属氧化型催化剂。本发明的分 级式颗粒捕集装置相关参数如表1。在四级过滤体上均负载有非贵金 属氧化型催化剂。
_表l分级式颗粒捕集装置相关参数_
过滤体形式 材质 过滤孔平均半径形状长径比有效容积
第一级泡沬陶瓷 碳化硅 3mm
第二级泡沬陶瓷 碳化硅 0.8mm
第三级烧结金属体 铁铬铝 O.Olmm
第四级壁流式过滤器钬酸铝 O.lpm
圆柱 2: 1 2L
圆柱 2: 1 2L
圆简 6: 1 5L
圆柱 2: 1 3L
按国标GB17691-2001规定的十三工况进行对比试验。实验结果 表明，釆用传统DPF进行试验时，试验未能进行完成。在第三工况 点时，发动机自动熄火，拆解后发现DPF已完全堵死。而本发明的 分级式颗粒捕集装置运行正常，微粒排放检测结果为0.08g/kwh,达 到排放标准要求，总的过滤效率为80%。 应用例2
同样的两套颗粒捕集装置，安装在某一排量为6L的巴士汽车上进行跑车试验，车辆已行驶23万里程，同样使用硫含量为800ppm 的-10号柴油进行试验。安装DPF，汽车行驶50公里后明显感觉动力 性下降、加速反应迟钝，行驶80公里后拆解下来进行检查，发现已 基本被堵死，试验终止。换上本发明的分级式颗粒捕集装置， 一直行 驶了近300公里，没出现任何可感觉的动力下降等现象。最终累计行 驶了近1500公里，仍未发现任何明显的问题，试验终止。拆解后发 现本装置，各段均不存在明显堵塞现象。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详 尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本 领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础 上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
权利要求
1.一种分级式颗粒捕集装置，其特征在于，其由两段以上过滤体构成，每段过滤体的过滤效率不同，用于捕集或过滤不同大小和不同成份的颗粒。
2. 根据权利要求l所述的分级式颗粒捕集装置，其特征在于，所述过滤体的过滤孔半径逐级减小。
3. 根据权利要求1或2所述的分级式颗粒捕集装置，其特征在于， 所述过滤体的截面是矩形、圆形或圆环形。
4. 根据权利要求l-3任意一项所述的分级式颗粒捕集装置，其特 征在于，所述的过滤体为壁流式的、部分壁流式的或直通式的，包括 但不限于各种材质的泡沬、丝网、颗粒捕集器、颗粒过滤器、滤烟器、 滤尘带及各种形式的整体式或球状碳烟、颗粒收集器。
5. 根据权利要求l-4任意一项所述分级式颗粒捕集装置，其特征 在于，所述的过滤体的材质包括但不限于金属或其合金、陶瓷、氧 化物或氧化物复合体、堇青石、碳化硅、钛酸铝、氧化铝、莫莱石、 各种织物及各种有机或无机化合物。
6. 根据权利要求l-5任意一项所述分级式颗粒捕集装置，其特征在于，所述过滤体的最后一级釆用壁流式过滤体。
7. 根据权利要求l-6任意一项所述分级式颗粒捕集装置，其特征在于，每个过滤体前后设一压力传感器，所有压力传感器均与一压力 信号显示和处理装置相连。
8. 根据权利要求l-7任意一项所述的分级式颗粒捕集装置，其特 征在于，所述的过滤体上负载各种用途的催化剂或吸附剂，或对过滤 体进行升温加热。
9. 权利要求l-8任意一项所述的分级式颗粒捕集装置的再生方 法，其特征在于，采用任何连续的或/和间歇式的再生形式，对其中 任 一 过滤段或全部过滤段的过滤体进行再生。
10.根据权利要求9所述的分级式颗粒捕集装置的再生方法，其 特征在于，所述的再生方法包括但不限于反吹再生、加热再生、清 洗再生、催化再生及其他各种形式的物理的或化学的再生方式。
全文摘要
本发明提供了一种分级式颗粒捕集装置，其采用具有不同捕集效率的过滤体，不同级别的过滤体的过滤效率由进气端向出气端逐级增加。含有碳烟或/和颗粒的气流流经该装置时，组成和大小不同的颗粒，被分别捕集于在不同段的过滤体上，从而最终被完全或部分除去；本发明可以采用任何连续的或/和间歇式的再生形式，对其中任一过滤段或全部过滤段的过滤体进行再生。使用本发明的分级式颗粒捕集装置，可以不必考虑发动机的原始排放和燃油的问题。由于采用多级过滤，可以充分发挥每段过滤体的最大过滤效率，并且其各段的形状和尺寸也可因地制宜而改变，因此其实际安装尺寸及对空间的适应性要远优于DPF系统。
文档编号F01N3/035GK101307705SQ20081005767
公开日2008年11月19日 申请日期2008年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者刘耀军, 杜愎刚, 潘陆陆, 王大祥 申请人:北京英泰世纪环境科技有限公司