用热分析方法对柴油烟灰燃烧性能的研究

技来开丧 ·TECHNOLOGICAL DEVEa．0RMENT 用热方法 对柴油烟灰燃烧性能的研究 沙 钝’ U．Hoffmann 西德不伦瑞克工韭大学 奉支甩热重分析的方法测试了柴油_飘荻在多种 伺条件下的燃烧性能．得至 的有关数据将有助 于对柴油汽车尾气净化的研究． ‘ 柴樯烟灰指的是柴油发动机废气中的坦瑟。目 前，对柴油发动札{气车尾气的净 I超人们的重 视，许多研究者试图将选种废气过持，同时将烟灰 催化氧化。这就需要掌握这种烟灰的燃烧性能。本 文就是利用热分析的方法对柴油烟灰的燃烧性能在 多种不同条件下进行研究，同时也对其它烟灰进行 试验．以进一步了解柴油烟灰的性能。 1 实验设备鬣基本原理 实验是利用Mettler公司的zA20O0C热分析仪 来进行的。营包括一台热天平，一些控制仪器及一 告双笔记录仪． 样品可以在室蕾至12o0。C范围内被加热，并可 以在真空或一定流量的某种气体中被铡试。所 个装置就象一台可以控制的小型反应嚣，用它可以 动态跟踪样品的燃烧过程。 2 测试方法 奉实验参照J．Ch．Frohiie毒人的，在热 分析的测试 中，样品称量一般为 8±1mg，采用的是 陶磁坩锯。 测试中，我们一般采用线性升温2O C，分， 气 ~ 30ml／分。 5 数据处理 测得的热图谱与升温速率，进纸速度及选择的 热天单输出电压范围直接相关。 从记秉纸上读取各离散的数据点，并将其辅人 计算机进行换算。计算程序将这些数据换算成样品 的重量值，并将其对温度散分。在对赦分值进行一 些敦据处理之后，函数的曲线 由一台 绘 图仪 画 出 来，同时重量随温度变化的曲线也一起绘出 (见圈 1) 赶崖 CC) 图 l 重量变化及其赦分曲线 4 几个搬念的定义 4．1 蠢t蕾帕曩鏖 (T·) 在撼拭中，当样品被加热后，其重量逐渐发生 变化。当逮种变化值对温度的微分从小于 1向大于 1转化时， 其相应 的温度 定义 为失 重起始 温度 (T-)。T·表示样品重量发生 明显 变化 的起始 温 度．实验证明屙种样品在同样条件下剜 得 的 T 是 稳定的。 需婺指出的是，这里的T·与一些文献中提到的 ’‘‘ 《化学工程师》111991(总弟19期) 维普资讯 http://www.cqvip.com 氧化起始温度T。r是不同的。关于氧化起始温变， 我们在下边将要讨论 4．2 ■大麦重建奉时的量虞(T⋯ ) 与徽分曲线dG／dT中最大值相应的 温度 称 为 T⋯ 。T⋯ 是一个重要的表征样品燃烧性毖的参 数。 4．5 失■终止江虞(T⋯ ) 在lT⋯ 之后，失重速率很快下降。 当 其散分 值 】、于 i时，相应的温窿定义为 T．．J。 从 T-到 T． 。表示样品在测试中的主要失重范围。 5 实验结果与讨论 对二种柴油烟灰样品 (代号23 ，24 ) 作了铡 试，作为对照，还对熊型的火焰l烟灰 (代号 Mo) 砭活性炭 (代号AK)作了捌试。将上述样品分别 置于空气，不同浓度昀氧气砭氯气巾进行了蚵试． 5．1 在空气中的对试 用人工配制的生气作为实验气体t对样品进行 捌试。图中A、B曲线分别表示柴油烟荻 和 火焰烟 灰被莉试的情况。 圈 2 典型失陷烟获在空气中的情况 从图中罨出，柴油{j匿灰(A)在2o0。C左右 开始 先重，在600"--700。C失重速率最l丈，在700~750‘C 失重过程结束。而火焰烟灰(B)在550。C以前 完全 没有失重。选说明柴油烟灰 含有部分在低温下匏 挥发或分解的组分 从表 i看出，柴油烟灰的-r·、T⋯ 和T．． 都 明显低于火焰烟灰，说明这两种烟灰燃烧性能的差 异。 表 l 不同烟灰特性温度 5．2 在 同■气浓重下的囊斌 将样品23 置于不嗣氧气浓度条件下， 测试发 动机工作条件下，测试发动机工作条件对蝈灰燃烧 性能的影响。 测试结果表明 (觅鼠3)，氧激度的变化在柢温 时对拌品失重没有明显影响，只有在高温时，其失 重百分率才随着氧浓壁的增加而增加，并且这种变 图 8 不同氧浓度下 失重 化不是线性的。 但是簟浓度的增加对T 和T⋯ 却没有明显影 响，只是使T⋯ 有所下降 (见图4)。选说明适 当增加发动机中氧浓度可以使烟灰较快燃烧，而对 燃烧温度影响不大。 L二= i 。 5 】0 15 ∞ o．M 图t 氧浓度对样品特性沮窟的影响 由不同氧浓度下铡得的样品失蚕速率(dG／dT) 曲线 (见图 5)可看出在 温处几乎重台。这使我 们更清楚地看到，在低温时，氧浓度的变化对样品 的戋重没有明显影响。说明此时的失重，主要是由 于温度的变化§【起的。这可以解释为烟获表面挥发 份的挥发。 圈5 不屈辑’赢窑时的失莺遣率曲线 圈5还可取看 ，dG／dTi~ i在 出现 曩 大 忧学工程师》l，109l(蓉第l堋 ) ·5 * w p^。■■ D^ 王笔 维普资讯 http://www.cqvip.com 之前还有一个 唪 存在，其世置大约在550～ 600。C 并且选个峰随着氧浓度的增加越桌越明 显 。 说 明 柴油烟 灰 含 有 部分能在较低温度下氧化的组 。 在低旅度氧气下，这些组分氧化较慢，在圈上看起 来与碳骨架的氧化交叉在 一起。当氧浓炭增加，这 ． 些组分在低温下可 较充分氧化，在微分曲线上就 与碳骨架的氧化分开。 将柴油烟扳与典型火焰烟软的燃烧情 况进行比 较，可以看到在700。C以下氧浓变的变化对火焰汹 灰的失重影响很小 (见表 2)，而柴油烟莰从600。C 开始随着氧泼度的增加失重就明显增加。 表 2 样品失重百 率的比较 M 。lz。 Iz IM。 z z IM。 4．2 l22 6．31 l24． 9．31 l2B． 21．0 I42． · 5【33 5 蕞 从表 3可见，柴油烟灰与火焰烟灰的最大失重 速率值Max(dG／dT)以及相应的T⋯ 值相当 接 近。这说明在高温时，柴油烟灰与火焰烟灰的燃烧 性能相近，可以看作是碳骨架的氧化。 表3 样品T⋯ 受Max(dG／dT)的比较 5．s 在情性气体中的鞠试 柴油烟灰在惰性气体中测试的结果见图 6，其 失重主要在600。C以前。由于在惰性气体中， 样品 完全不能燃烧，其失重其能解释为某些 组 分 受 热 后的挥发． 在空气中测得的失重曲线与在氯气审测得的曲 线 f见图 7)，可以看出这两条曲线在低温列几乎 完垒重台，这再次证明，样品低温时的失重与氧气 无关，随着温度的升高，在空气中的样品失重逐渐 图 6 柴油烟灰在NI中的失重 增加，而在氮气中的样品重量几乎不变。这后一部 分的失重正是样品被氧化的反映。连两条曲线的分 支之处可以认 为是起始氧化点。 图 7 在氯气中及空气中的失重 用这种方法得到的柴油烟灰 的 起始 氧化 温度 (约430。C)与文献中的数据接近。 但是由于受多 种因素的影响，用这种方法确定起始氧化温度比较 困难。 如果将在 N，中测试以后的样品继续通人空气 进行测试．可以看到在低温部分样品已完全没有失 重 (见图 8)。选说明烟灰表面的可挥发组分在氯 气中已完全挥发。而在氧气中开始出现失重的一点 电就是起始氧化点。用这种方法来确定起始氧化置 度重复性比较好。 一 图 8 在N：中测试的样品在空气中测试 如果将用这种方法得到的曲线与活性碳在空气 中铡得的曲线进行比较 (见图 9)．可以看到，脱 ‘6‘ 《化学工程师》 1／19ol(总第19新) “ 驵 ∞ ：暑帅 3 6 9 3 Ⅶ 6l L量 ㈨ “一 一m瑚Ⅲ溺 圳一叫 ． ， 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 除了吸附物的柴油烟灰与活性碳的燃烧性能非常相 似。 表 4进一步说明这二者 之间在 T，、T⋯ 和 T⋯ 上有很走的相近之处。 图 9 活性碳在空气中的铡试 表4 柴油烟扶与茜惶碳的比较 这里昕用的活性碳样品是经过二次酸冼与水洗 后供干的，其组威可以认为完全是碳．由此说明， 柴油烟灰表面的可挥发组分挥发以后，剩下的主要 是碳。 6 小结 通过上述热分析实验，我们看到柴油烟灰是不 同于火焰烟扶的一种物质。它包有部分能在低温下 挥发的组廿。由于这些组分的存在，其特性温度以 及氧浓度对其的影响都发生了变化。当这些物质挥 发以后，其燃烧性能与碳的燃烧基本相同。 实验确定烟灰起始氧化温度的方法以及实验羽I 得的柴油烟灰的特性敦据，将会有助于进一步净化 车尾气的研究工怍。 下一步的设想是测试在加入各种箍加剂后烟灰 的燃烧性能。如果某种舔加剂使烟灰在燃烧过程中 的特性温度有明显降低，它就有可能在汽车尾气的 过滤器 中被采用。进一步开展的敦学模型化工作将 对研究工作的进行及过程的优化 指导作用。 ● 者 文 t l Feoh~e，J．Ch．4rt口，．， “Thermoana tische Methoden znr chBrakte ern g TOn Dieselruss~ ． Erdoel＆ Koble·Erdgas，42 1969 Ma．J· Reaktioesteclmiscbe Untersuchulge zur Regenerung VOU Dieselrussfilte~ ．TU Clau· sthal，Disser 0n 1g99 3 Urba~ C．M dt 口，． Evaluation of heavy-duty e~gine exhau~ particulate traps SAE Paper No．860147 1985 STUDY ON C0MBUSTlLITY OF DIESEL PARTICULATE BY THER-^OGR^ VIMETRIC ANALYSER sa D·^ J u．H ott 口H (Teeh~ che Universatat of Braunshweig。German) Abstract The combustibility of diesel particulate(diesels。。t)nndef TBfi。ns conditions is te~ted br thermograv~mefric auatyBis·The related data obtained will help to study the cleaning of exhaust gas produced by diesel automobile． 《化学工程拜》 i／19gl(总弟19期) 维普资讯 http://www.cqvip.com