非道路移动机械用尾气黑烟处理净化系统及净化方法与流程

本发明涉及环保技术领域，具体的来说涉及一种非道路移动机械用尾气黑烟处理净化系统。

背景技术：

随着我国工业化、城市化进程的高速发展，大气细颗粒物（pm2.5）污染问题已经从地区典型个例，逐渐扩展为区域性、全国性甚至国际区域性环境问题、社会问题。当前我国区域性pm2.5污染普遍呈现多污染物驱动、多城市趋同的复合污染特征，日益呈现污染频率增加、影响范围扩大、污染程度加剧的趋势，已经严重威胁到人民群众的身体健康和生态安全，是当前社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题。

以内燃机为动力的机械设备在使用过程中会因燃料燃烧而排放大气污染物。除道路机动车外，大量非道路移动机械以内燃机为动力，主要包括工程机械、农业机械、港作机械、企业厂（场）内机械、机场地勤设备等。与道路机动车相比，非道路移动机械的主要燃料为柴油和重油，具有种类多、技术水平低、使用年限长、耗油量高、维护率底和污染物单机排放量较大等特点。美国和欧洲的相关研究表明，随着道路机动车排放控制成效的日益显著，非道路移动机械正逐渐成为重要的大气污染排放源，对空气中的氮氧化物和细颗粒物具有较大的贡献。

以上海为例，随着本市工业和交通等传统大气污染源防治工作的不断深入，非道路移动机械的大气污染问题开始凸显。为了解本市非道路移动机械的类型、保有量、使用情况、油耗和排放现状，市相关单位于2016年下半年开展了上海市非道路移动机械的调查工作。初步调查结果显示，上海市登记在册的非道路移动机械保有量约在8～9万台左右，其中，建筑及市政工程机械和港作机械分别在5000台左右，企业场（厂）内机械和农用机械保有量分别在3.8万台左右。尽管从保有量来看，工程和港作机械的数量相对较少，但是根据市统计局的柴油消费行业统计，工程和港作机械的柴油消费量约占50%左右，说明工程和港作机械的功率普遍较大、使用频率总体较高、单机油耗和污染物排放大，应该引起足够的重视。

目前，上海市正处于城市和港口的建设和发展期，工程和港作机械的大量使用势必将使非道路移动机械的排放不断上升。为有效遏制非道路移动机械污染物排放，上海市拟于2017年制定出台《关于推进本市非道路移动机械大气污染防治工作的实施意见》（以下简称《实施意见》），明确了上海市非道路移动机械的污染防治方向和主要措施。但是，这些措施在实际操作过程中仍然存在具体的落地和监管问题，特别是针对工程和港作机械，目前仍存在机械底数不清、排放水平不明、治理缺乏抓手等问题。工程机械主要包括挖掘机、装载机、铲运机、压路机、起重机以及桩工机械等。港作机械主要包括起重机械、输送机械、叉式装卸车、单斗车、跨运车、牵引车、搬运车等。

工程和港作机械单机油耗较大、排放较高且使用频繁，是上海市非道路移动机械污染防治的重点。但是，目前本市尚未建立起非道路移动机械的环保管理体系，机械申报和排放监管工作尚未获得实质性进展。

2018年6月，生态环境部发布《中国机动车环境管理年报2018》，其中明确指出：1.）机动车污染是造成空气污染的主要原因；2.）柴油车占机动车保有量的7.8%,但贡献了机动车pm污染的77.8%；3.）非道路移动机械，保有量比机动车少很多，但却排放了与机动车相当的黑烟颗粒物。

因此，在交通、环境等领域科学地开展非道路移动机械用尾气黑烟颗粒物减排关键技术研究，优先在非道路移动机械上进行规模化应用并形成技术规范，科学、有效地为非道路移动机械颗粒物后处理技术发展提供关键技术支撑，为交通、环境等多部门提供管理决策依据，实现协同其他领域，在科技减排、工程减排和管理减排方面的重大突破，为2018年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的实施提供科技支撑。同时，能够将非道路移动机械颗粒物减排关键技术的科技创新转换成现实生产力，有助于促进经济转型升级，实现社会经济可持续发展。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种非道路移动机械用尾气黑烟处理净化系统及净化方法。

为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的：

非道路移动机械用尾气黑烟处理净化系统，包括筒形壳体，筒形壳体一端设置进气口，另一端设置排气口，筒形壳体内设置有cdpf系统和doc系统；系统还包括一电加热系统，电加热系统连接筒形壳体的进气段侧边。

cdpf系统，包括一壁流式陶瓷dpf，dpf为蜂窝型孔道结构，一端开孔，一端堵塞；孔道微孔孔径为8～13微米；dpf上设置有催化剂，催化剂满布在dpf结构体上。

所述催化剂包括铂组金属元素、稀土金属元素、水、酸以及添加剂；所述dpf在催化剂的浆料内全部浸润后拿出干燥，使催化剂附着在dpf结构体上，附着催化剂厚度1～3微米。

doc系统，为尾气净化系统，doc系统为蜂窝型孔道结构，材质为金属或陶瓷，两端开孔；其上设置有氧化催化剂，将未燃尽的尾气污染物进一步氧化分解。

电加热系统包括一电加热器，电加热器连接在筒形壳体的进气段侧边上，通过卡箍密封连接；电加热器还连接一送风装置，所述电加热器、送风装置连接一控制箱。

所述电加热器上设置有温度传感器，所述筒形壳体的排气端设置有温度传感器，所述温度传感器连接所述控制箱。

非道路移动机械用尾气黑烟处理净化系统的净化方法：

非道路移动机械在正常工作时，无需外接电加热系统，尾气流经筒形壳体内的doc+cdpf系统，在催化剂的作用下，尾气中的co气体和hc气体被氧化成co2气体和水蒸汽；尾气中的黑烟颗粒被过滤下来，然后利用发动机废气的余热把被过滤下来的黑烟颗粒“二次燃烧掉”（也叫“被动再生”）；对于黑烟再生不彻底的非道路移动机械（比如：发动机排气温度比较低或发动机的黑烟颗粒排放比较高），当需要进一步清理筒形壳体内黑烟时，外接电加热系统，在外部热量作用下，将筒形壳体内尾气黑烟颗粒全部氧化处理成co2气体并排出，也叫“主动再生”。

doc系统废气净化过程如下：

排温在200～300℃时，doc系统去除尾气中的有害气体和部分黑烟颗粒，doc系统将no→no2,no2作为强氧化剂，将pm中的c颗粒氧化成co2气态分子,从而穿透过滤壁进入大气，化学反应如下：

1.)co+o2→co2+q

2.)hc+o2→co2+h2o+q

3.)no+o2→no2

4.)sof+o2→co2+h2o+q

cdpf系统黑烟颗粒氧化过程如下：

排温在200～300℃时，利用尾气中多余的no2气体和o2，对被过滤下来的黑烟颗粒soot进行氧化反应，自动去除黑烟颗粒，化学反应如下：

1.)co+o2→co2+q

2.)hc+o2→co2+h2o+q

3.)soot+no2→co2+no+q

4.)soot+o2→co2+q

soot代表黑烟，q代表热量；

进一步清理筒形壳体内黑烟时，外接电加热系统，电加热温度一般为400～600℃，并主动向筒形壳体内进气，使剩余的固结在dpf内壁上的黑烟颗粒，全部氧化成co2气体并排出。

有益效果，本发明所述的系统，对黑烟颗粒、尾气处理效果好，具有良好的抗老化性和主被动复合再生能力，dpf滤芯保养间隔周期长。对非道路移动机械黑烟颗粒的去除，具有良好的实用性和广泛的适用性，不受发动机排气温度和黑烟颗粒排放恶化的影响；两种手段结合，也可以大大降低电加热器的使用频率，使不同工况、不同性能、不同年代生产的非道路移动机械产生的黑烟颗粒，都能得到比较好的去除。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明所述的净化系统的整体结构示意图。

图2为本发明所述的净化系统去掉加热器结构示意图。

图3为本发明所述的净化系统剖面结构示意图。

图4为本发明所述的净化系统加热器控制原理示意图。

图5为本发明所述的净化系统用于叉车工作示意图。

图6为本发明所述的净化系统用于叉车工作净化原理示意图。

图7为本发明所述的净化系统用于叉车插电净化示意图。

图8为本发明所述的净化系统用于叉车插电净化原理意示图。

图9为本发明所述的净化系统工作温度与co2浓度曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

柴油机后处理技术研究围绕着颗粒物减排已出现诸多的净化措施，主要包括柴油机氧化催化转化器(dieseloxidationcatalyst，doc)、颗粒氧化催化器(particulateoxidationcatalyst，poc)、颗粒捕集器(dieselparticulatefilter，dpf)技术。

本实施例中使用壁流式陶瓷dpf，微孔孔径:8~13微米。黑烟颗粒的过滤效果:90~99.9%(pm2.5)。

dpf载体材料主要有堇青石、碳化硅、陶瓷纤维、泡沫陶瓷、金属网、钛酸铝等，不同材料在过滤效率、致密性、耐热性、机械强度、可加工性和热膨胀性等方面各有优劣。其中，堇青石和碳化硅具有较好的耐热性和较高的过滤效率，是两种目前较为主流的载体材料。最为普遍的dpf载体的材料是堇青石，过滤效率高，成本相对较低，有一定的耐热性，较低的热膨胀系数和良好的抗热冲击性能，可以加工成整体式的载体。另一种代替堇青石的材料是碳化硅（sic），该材料有更好的耐热、耐腐蚀和导热性能，最高使用温度可达2000℃。加工大体积的载体时需要由几块组成，彼此之间需要用特殊耐高温的陶瓷粘结剂粘结成一个整体。为进一步提高sic材料的抗热冲击性能和耐热性能，有两种sic改良性过滤材料。一是重结晶碳化硅（rsic），该材料空隙率达到60％，孔径分布在20微米左右，可达到90％以上的颗粒物过滤效率和很小的压降，最大的积碳量可达14.7g/l。另一种是硅结合碳化硅（si-sic），该材料空隙率大于65％，平均孔径也为20微米左右，具有很好的抗热冲击和耐久性能。

再生过程对于dpf至关重要，根据燃烧消除颗粒物所采用手段的不同，分为主动再生和被动再生两大途径。主动再生是利用外部能源加热的方式将颗粒物燃烧清除，包括电加热再生、喷油燃烧再生、微波加热再生、逆向喷气再生、大负荷再生等。

主动再生需要消耗额外的能量，系统结构和控制策略较为复杂，一定程度上也需要催化剂的帮助。

被动再生系统中，dpf往往需要搭载催化剂涂层或耦合上游的doc。根据再生的组合方式不同，可以形成诸多再生技术，其中，连续再生（doc+dpf，即continuouslyregeneratingtrap，crt）、连续催化再生（doc+cdpf，catalyzedcontinuouslyregeneratingtrap，ccrt）、催化燃烧再生（cdpf）等。

本实施例中对应用于非道路机械的heater+doc+cdpf系统的再生进行了研究，利用非道路机械大部分时间可以实现被动再生的特点，通过对其被动再生过程中各因素的分析，研究该系统实现可靠的主动再生的控制策略。

参看图1，筒形壳体1用于尾气处理，一端为进气口，另一端为排气口，安装于非道路移动机械设备上，如工程机械等，在其进气段设置有外接的可拆卸的加热器2，加热器2为圆筒形，通过卡箍卡接在筒形壳体1上，所以对应的筒形壳体1上也设置有圆筒形接口。加热器2采用电加热，加热产生的热量用于将筒形壳体1内累计的黑烟碳粉氧化分解成co2气体后排出。加热器2只是在必要时外接使用，当不需要时，参看图2，在外接加热器处，加盖封盖3用于将加热器接口密封堵住，以便节省净化器的安装空间。

参看图3，在净化器的筒形壳体1内部，分别设置doc系统4和cdpf系统5。

cdpf，是带有有催化剂的dpf，在贵金属催化作用下，当排气温度在200～300℃时，doc将no→no2,no2作为强氧化剂，将pm中碳颗粒氧化成co2气态分子,从而穿透过滤壁进入大气，恢复dpf的捕集能力，避免了人为主动干预再生过程。主要反应公式：

1.)co+o2→co2+q

2.)hc+o2→co2+h2o+q

3.)soot+no2→co2+no+q

4.)soot+o2→co2++q

soot代表黑烟，q代表热量。参看图9。

柴油机氧化催化转化器(doc)是净化排气中的未燃co、hc和sof的常用有效措施，同时也可以有效去除多环芳香烃和乙醛等有害成分。doc是以铂(pt)、钯(pd)为催化剂。

柴油机氧化催化转化器(doc)是以直通式的蜂窝陶瓷或金属为载体，doc中的soot在催化剂的作用下被no2和o2氧化为co2气体，从而部分解决黑烟颗粒问题，净化效果在50%左右。doc质量轻、体积小、尺寸可变，易于集成到排气后处理系统中。

doc(尾气净化器):将未燃尽的尾气进一步氧化分解

1.)co+o2→co22.)hc+o2→co2+h2o3.)sof+o2→co2+h2o

参看图4，在加热器上连接有送风装置6，送风装置6为鼓风机，用于将新鲜空气送入到净化器筒体内。加热器上还设置有温度传感器7，用于测量加热器加热气体温度，另外在净化器筒形壳体1尾部也设置温度传感器7，用于测量末端排出的气体温度，便于参考调整加热器功率。所述加热器2、送风装置6、温度传感器7等部件连接一个电气控制箱8，用于控制加热系统工作并监控系统运行。

参看图5~8，非道路移动机械在正常工作时，无需外接电加热系统，尾气流经筒形壳体内的doc+cdpf系统；doc将柴油机未燃尽的尾气及部分黑烟颗粒进行氧化分解，在催化剂的作用下，cdpf利用尾气的余热将剩余的黑烟颗粒进一步氧化为co2气体排出；

若doc+cdpf利用催化剂，无法氧化尾气中的全部黑烟颗粒，需要进一步清理筒形壳体内黑烟时，外接电加热系统，在外部热量作用下，将筒形壳体内的黑烟颗粒全部氧化处理并排出。

doc废气净化过程如下：

排温在200～300℃时，doc系统去除尾气中的有害气体和部分黑烟颗粒，doc系统将no→no2,no2作为强氧化剂，将pm中c颗粒氧化成co2气态分子,从而穿透过滤壁进入大气，化学反应如下：

1.)co+o2→co2+q

2.)hc+o2→co2+h2o+q

3.)no+o2→no2

4.)sof+o2→co2+h2o+q参看图9。

cdpf系统黑烟颗粒氧化过程如下：

排温在200～300℃时，利用尾气中多余的no2气体和o2对被过滤下来的黑烟颗粒进行氧化，自动去除黑烟，化学反应如下：

1.)co+o2→co2+q

2.)hc+o2→co2+h2o+q

3.)soot+no2→co2+no+q

4.)soot+o2→co2+q

soot代表黑烟，q代表热量；参看图9。

进一步清理筒形壳体内黑烟时，外接电加热系统，电加热温度400～600℃，并主动向筒形壳体进气，使剩余的固结在黑烟颗粒物，全部氧化并排出，参看图9。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明专利要求保护的范围由所附的权利要求书及其等同物界定。