0 引　言

柴油机以其良好的动力性、经济性和可靠性而被广泛用于船舶动力装置。但与车用发动机相比，船舶发动机使用的燃油质量较差，其颗粒物（PM）排放较多^[1]。为控制PM排放，目前欧盟（EU）、美国环保局（EPA）以及我国环保部均针对小型船舶发动机颁布了颗粒物排放限制法规^[2]。其中颗粒捕集器（DPF）被认为是有效处理发动机PM排放的后处理装置之一，其过滤效率可达95%以上^[3]。柴油机运行过程中PM在DPF内不断沉积，使得发动机排气背压升高，这需通过再生来消除DPF内沉积的颗粒物。由于柴油机运行工况条件复杂，中、低负荷工况下排气温度较低，无法满足柴油机DPF主动再生温度要求。Lyu等^[4]研究了船舶发动机燃用不同油品时排放颗粒的物化性质。结果表明，高硫含量颗粒的粒径较大，石墨化度较低,颗粒内部形成多孔结构，有利于提高氧化反应性能。

目前有关DPF研究多针对车用发动机，而对于船用发动机加装DPF装置对燃用不同油品产生的颗粒物再生性能方面的研究较少。因此，本文针对不同类型的船用发动机燃用不同种类燃油所产生的排放颗粒物进行加载与再生模拟试验，分析不同来源颗粒物的再生特性，为船舶发动机DPF设计及运行管理提供参考。

1 试验台架及颗粒物收集 1.1 不同来源颗粒物收集

本文采用具有耐高温耐腐蚀的聚四氟乙烯（PTFE）材质的高密度捕集袋，将其安装在发动机排气管上进行颗粒物收集，颗粒物采集现场如图1所示。本文针对低速、中速、高速这3种类型船舶柴油机分别在燃用重油和0^#柴油的情况下收集排气颗粒物。在“育德”轮主机（低速机，型号：MAN B&W 5S60ME-C8.2）和副机（中速机，型号：Wartsila 975W6L20）分别收集了燃用重油时的排气颗粒物，在“夏港浚16”号工程船主机（高速机，型号：KTA19-M3）收集燃用0^#柴油时的排气颗粒物，并采购了PU颗粒物，共收集了4种来源颗粒物。收集的颗粒装入密封罐密封，放置于阴凉干燥处。

1.2 模拟试验台架 1.2.1 捕集模拟试验台架

捕集模拟试验台架由空压机、气溶胶发生器、调压阀、捕集主体段以及工业吸尘器所组成，如图2所示。空气压缩机提供高压干燥空气，在流量调节阀的调节下，进入颗粒发生器，将其内部的碳黑扬起，形成气溶胶；在工业吸尘器的抽吸下，气溶胶进入DPF主体段，使得颗粒在DPF内沉积，实现颗粒的加载。对于重油低速机和重油中速机颗粒在加载前需进行研磨过滤。试验所用DPF参数如表1所示。

1.2.2 再生模拟试验台架

再生模拟试验台架主要由空压机、流量计、电加热器、压力传感器、再生主体段、温度传感器、气体分析仪、颗粒物粒径谱仪及数据采集程序组成，如图3所示。再生过程由空压机产生高压干燥气体，气体流量由质量流量计实时监测，电加热器对气体进行加热，高温空气由入口端通入再生主体段，使载体内部碳烟颗粒氧化再生，数据采集卡记录压力传感器和温度传感器测试数据。台架主要设备型号如表2所示。

再生模拟试验台DPF出口的CO₂和CO浓度排放通过气体分析仪连续取样测试，PM排放浓度通过颗粒物粒径谱仪连续取样测试。颗粒物粒径谱仪测量浓度范围为1.0×10³～5.0×10⁸个/cm³、测量粒径范围为0～500 nm。

DPF载体内部温度通过载体内部共布置的14个K型热电偶进行测量。在直径35 mm处轴向均匀分布5个测点，在径向72、95和120 mm处分别有3个测点，具体分布如图4所示。其中，0～1.00代表DPF载体轴向上由前到后五等分点。下文以“x-y”表示热电偶位置（其中，x为径向位置，y为轴向位置）.

2 试验方案 2.1 颗粒物加载

试验用DPF载体体积为2.4754 L，按5 g/L碳加载量计算到载体碳加载总量为12.377 g，根据经验本DPF捕集台架捕集效率为98%，故一次捕集试验实际加载碳烟12.629 g。首先用烧杯量取颗粒物，用电子天平对其称重，称重后放入恒温干燥箱内进行干燥，干燥条件设定为150℃，干燥2 h。随后将干燥后颗粒装入气溶胶发生器，预先设定来流流量16.8 g/s，打开空压机向气溶胶发生器供压缩空气，并利用工业吸尘器进行抽吸，捕集时间设定为300 s。捕集结束后，取下DPF载体，将载体放入恒温干燥箱干燥，再次称重，如捕集量达到预期捕集量则捕集结束，如未达到则再次捕集。

2.2 颗粒物再生

在再生模拟试验台架设定压缩空气气流流量为16.8 g/L，设定加热器加热温度为525℃。再生试验前，预热再生台架30 min为后续颗粒物再生创造稳定升温条件和环境，并将干燥好的装有颗粒物载体安装在再生台架上，同时安装热电偶，开启气体分析仪和颗粒物粒径谱仪。加热器稳定在200℃时标志着再生开始，开始计时，并持续加热升温至525℃，气体分析仪、颗粒物粒径谱仪实时记录，再生总时长1600 s。再生结束后，取下热电偶与再生后载体，将载体进行称重，称重后反吹吹出残余物质，随后放入恒温干燥箱进行干燥。

对4种不同来源颗粒物分别进行上述捕集与再生模拟试验。但需注意的是，由于捕集过程中垫片的损耗以及再生后灰分颗粒等残余，干燥后载体可能会与第一次白载体质量有误差。每种颗粒物的加载以同样的捕集效率按照加载流程进行加载。

3 模拟再生试验结果分析 3.1 不同颗粒物再生过程载体内温度变化

在不同颗粒物再生试验过程中，分别检测载体轴向各个测点与末端径向测点温度分布。其中，以柴油高速机颗粒物再生时载体内不同位置温度分布如图5所示。前期升温幅度随轴向位置的深入而趋于减弱，以35-0靠近进气入口处升温速率较快，随着温度稳定升高的进气流量不断通入到载体末端，末端中心的温度会因载体壁面的阻力以及颗粒物的沉积而比前端温度峰值高；观察末端径向位置35-1、72-1、95-1和120-14个点位，越靠近轴心处温度峰值越高，反之越低。点位35-1处于载体轴向末端中心处，所产生的温度峰值最高，可以反映载体内最高温度。通过对比发现其它3种颗粒均呈现相似规律。

图6为525℃再生温度下的不同颗粒再生时载体内壁面最高温度的变化趋势。图6表明，PU颗粒与柴油颗粒温度变化较为平缓，原因是再生温度没有达到2种颗粒完全氧化所需的温度，颗粒物再生不完全。其中PU颗粒随着再生的进行，再生温度的不断升高，在再生进行962 s时达到温度峰值，此后温度稍有下降，燃烧趋于稳定；柴油颗粒在843 s处达到温度峰值；重油中速机颗粒在134s 处快速进行氧化反应，峰值温度达到940℃；重油低速机颗粒在162 s处温度上升幅度加快，峰值温度达到1190℃，这是由于CO在催化剂Pt的作用下氧化生成CO₂的同时，热量迅速在DPF内部累积，使得2种重油颗粒达到快速再生期，形成较高温度波峰。在缓慢再生阶段，由于碳黑氧化释放的热量沿气流方向向后传递并聚集，从而使得缓慢再生期的温度会略高于加热器的设定温度。

3.2 不同颗粒物再生过程压降变化

图7为不同颗粒再生时压降变化曲线。可以看出，PU压降损失最大，柴油颗粒次之，重油中速机与低速机颗粒压降损失相对较小，且在再生前期，重油2种颗粒压降会产生峰值。通过3.1节分析可知，重油2种颗粒存在快速再生期，故压降伴随着急剧上升的温度而达到一定的峰值，在快速再生期停止后，压降减小回归正常增长趋势。但由于颗粒在快速再生期进行充分燃烧，后续压降并不会继续增长过多，4种颗粒压降分别在各自温度峰值附近形成峰值，随后压降逐渐下降至稳定，直至再生结束。

3.3 不同颗粒物再生过程气体排放分析

图8为4种颗粒再生时的气体排放情况，结合3.1节温度分析可知，CO₂排放浓度随温度的变化而变化，其中PU颗粒燃烧在接近1000 s处达到温度峰值处产生的CO₂峰值浓度达到1468×10⁻⁶；柴油颗粒排放的CO₂峰值浓度为856×10⁻⁶；重油中速机颗粒燃烧更为剧烈，排放CO₂浓度最高达到17301×10⁻⁶；重油低速机颗粒排放CO₂峰值浓度达到9282×10⁻⁶。

在Pt催化剂的作用下，柴油与PU颗粒再生过程中几乎不产生CO排放，2种重油颗粒的CO排放持续时间也十分短暂。这是由于Pt有利于降低颗粒中干碳烟和CO氧化所需活化能，使之进一步转化为CO₂^[5]。中速机会比低速机CO₂浓度更高而CO浓度更低的原因在于压力过低会使催化剂Pt催化活性变低^[6]，由3.2节压降分析可知，重油低速机颗粒压降整体低于中速机颗粒，催化剂活性有限，造成CO转化不完全。重油2种颗粒产生的CO₂浓度远高于柴油和PU颗粒，这是由于重油含硫量高，燃烧过程中会形成更多的SO₃，SO₃作为强氧化剂在高温下对颗粒进一步氧化，随着温度迅速升高，氧化速率会进一步加快，达到快速再生期，释放大量CO₂。

3.4 不同颗粒物再生过程颗粒物排放分析

由颗粒物粒径谱仪测得了不同来源颗粒物再生时的排放情况，结果如图9所示。PU与柴油颗粒排放浓度趋势相近，平均排放粒径小于150 nm，大部分集中在0～30 nm和80～120 nm，2种颗粒在整个升温阶段和再生阶段的颗粒物数量浓度在10⁴～10⁶个/cm³范围内；2种重油颗粒在再生过程中同样会排放较高浓度粒径在0～30 nm颗粒，尤其在快速再生期时，其中重油船用中速发动机排放颗粒物浓度峰值为4.85×10⁸个/cm³，重油船用低速发动机为2.49×10⁷个/cm³，同时伴随一定数量浓度的上百纳米的较大颗粒，说明排气中核膜态与积聚态颗粒并存。究其原因，再生阶段DPF前端中心区域碳黑氧化释放的热量沿气流方向向后传递并聚集，当传递的能量达到一定程度后，使得DPF后端沉积的碳黑剧烈燃烧，从而在末端中心处出现局部高温。温度波峰出现的阶段，使得颗粒层结构发生巨大变化，大量团聚状颗粒物燃烧裂解成的0～30 nm左右粒径的核模态颗粒物，伴随着少量100 nm以上的聚集态颗粒物一起穿过DPF过滤层。随着再生过程的进行，温度波峰消失后，DPF载体内部最高温度降低，使得碳黑颗粒燃烧速率降低，从而其出口颗粒物数量浓度降低，且排放出的颗粒粒径会随着再生温度的升高而增大^[7]。

3.5 不同颗粒物再生效率分析

再生前后质量决定了再生效率，在相同的再生时间下，通过对4种颗粒再生前后质量进行称重得到再生前后载体质量对比如表3所示。

利用称重法定义固定再生时间内的再生效率，定义加载前质量为M₀，加载后质量为M₁，再生后质量为M₂，再生效率为

$ \eta = \frac{{{M_1} - {M_2}}}{{{M_1} - {M_0}}}。$

(1)

由图10可知，在同等条件下，PU与柴油高速机燃烧的颗粒再生效率相差不大，由于柴油高速机颗粒中的被氧化干碳烟与PU颗粒中的氧化活化能相当^[8]；为避免误差，在相同条件下做了2次重复性试验，得到2种颗粒效率均为45%～50%，原因由上文温度变化情况分析可知，2种颗粒在DPF载体内燃烧不完全，后续可以进一步提高加热器温度，提高再生效率。

重油低速机颗粒再生效率为80%，重油中速机颗粒再生效率达到91%，由3.3节分析可知重油燃烧产生过多的硫氧化物，会对颗粒的氧化再生起到促进作用，温度峰值大大超出颗粒物起燃温度，使颗粒氧化较为彻底。

4 结　语

将收集的不同类型船用发动机燃用不同品种燃油的排气颗粒物，通过外加热源再生试验台进行再生试验，试验结果表明：

1）燃用柴油的高速船用发动机排放的颗粒物与市售PU颗粒再生不完全，而燃用重油的中、低速船用发动机排放颗粒物在DPF催化剂的影响下，在模拟再生过程中可以形成快速再生期，温度峰值最高达到1190℃。

2）燃用重油的中、低速船用发动机排放颗粒物模拟再生过程中具有较高的CO₂排放和颗粒排放。其中，重油中速机颗粒再生时CO₂浓度高达17301×10⁻⁶，颗粒物数量浓度最高达到4.85×10⁸个/cm³，粒径大部分为0～30 nm的核膜态颗粒。

3）受催化剂与再生条件的影响，不同颗粒物的再生效率不同。燃用重油的中、低速船用发动机颗粒物再生效率高于柴油高速机颗粒物与市售PU，其中重油中速机颗粒再生效率最高，达到91%。