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      等離子體柴油機尾氣凈化技術

      時間:2017-8-2 9:05:00 來源:本網 添加人:admin

        由于柴油機具有熱效率高功率范圍寬、高可靠性和耐久性燃油經濟性明顯優于汽油機等特點,在汽車發動機中的應用越來越受到重視相對于汽油機,柴油機排放的CO、HC明顯較低,NOx的排放量與汽油機接近,但是顆粒物的排放量是汽油機的幾十倍。汽車柴油發動機在工作過程中,由柴油燃燒產生的碳煙殘留物潤滑油燃燒產生的煙灰顆粒、潤滑油和燃油中的硫而形成的硫酸鹽以及未燃燒的HC等形成柴油機顆粒,由汽車排出后,人們再吸入,將直接影響人們的身體健康。隨著人們環境意識的日益增強,汽車尾氣排放標準也將愈來愈嚴格如果能解決柴油機顆粒和NOx的排放污染,必將使汽車柴油發動機獲得更廣泛的應用,因此降低柴油機顆粒和NOx排放一直是研究的熱點問題降低柴油機排放污染通常采用機內處理和機外處理的方法,盡管多年來人們在柴油機結構上進行了大量的改進,但是仍然無法滿足日益嚴格的汽車尾氣排放標準,因此機外處理(亦稱為后處理)日益受到研究者的重視。

        研究表明因柴油機排氣中富氧,采用三元催化凈化的方法對降低柴油機顆粒和NOx的排放污染是無效的。減少柴油機排放顆粒,較多采用捕捉器收集的方法。捕捉器工作一段時間后,由于顆粒物的增加而堵塞,需要用物理或化學的方法清除顆粒物,即需要離線再生,致使商品化應用難以實現在后處理技術中,低溫等離子體技術對其中的微粒、NOx以及HC等具有顯著的去除作用,正好克服了柴油機微粒和NOx的排放量較高的“先天不足”采用等離子體技術凈化柴油機尾氣是近些年來國內外有關學者研究的新課題1等離子體凈化技術的研究現狀1.1低溫等離子體技術凈化機理1.1.1低溫等離子體技術脫除柴油機微粒的機理根據Kittleson對柴油機排放微粒帶電的研究表明,柴油機的微粒有7(%~80%(質量計)是帶電的,每個微粒約帶1~ 5個基本正電荷或負電荷,整體呈中性柴油機微粒的電阻率一般在10~KtVcm之間,符合靜電捕集電阻率為10~10.cm的要求為應用附加電場對微粒實現靜電吸附提供了科學依據但由于柴油機的微粒尺寸80%分布在直徑小于2m的范圍內,40%的微粒直徑小于Qm,微粒過小和微粒荷電量不足使常規ESP的微粒捕集效率受到一定限制因此,為提高微粒捕集效率,強化荷電是必要的柴油機微粒荷電的方法主要有接觸荷電、光電子接觸荷電以及電暈荷電。其中,電暈荷電技術被很多研究者采甩電暈荷電技術產生離子的主要機理是電子碰撞電離氣體中的自由電子從外加電場獲得能量并與氣體分子發生碰撞,致使氣體分子的電子脫出,產生更多的電子和氣體離子,離子附在微粒上使其帶電,微粒在電場作用下向兩極聚集這就是電暈荷電技術捕集柴油機微粒的主要過程1.1.2低溫等離子體技術對NOx和HC的脫除機理現有的研究結果表明,脈沖電暈技術不僅可以脫除柴油機排氣中的微粒排放,對NOx和HC也有一定的去除作用。放電過程中產生5eV~ 20eV高能電子,這些高能電子在和煙氣的中性分子碰撞過程中會產生OOff、H2和3等自由基和自由原子。這些活性物中引發的化學反應把HC氧化成有害氣體(如CO2H2O),氣態的NOx氧化成高價氧化物,進一步轉化成硝氨固體鹽。同時還可以利用自由基或添加還原劑將NOx還原成N2有關研究表明,在柴油機尾氣環境中存在的主要反應有:當注入的等離子體能量密度較小(< 100/L)時,NO通過下列反應氧化成NO2:尾氣中高能電子裂解H2O產生足夠的OH-可進一步氧化HC,NO以及NO2:同時,柴油機排放微粒中的有機可溶成分(SOF)可以促進NO的氧化,而NOx的去除主要通過自由基之間,自由原子與分子之間的反應完成,二者處于同一數量級的反應速度利用低溫等離子體技術去除柴油機排氣中的NOx和HC,在理論上是可行的,其去除效率與反應器類型,脈沖波形有很大的關系。據國內已有的實驗結果來看,采用高壓脈沖電暈放電,對NOx和HC的去除率可達到25%以上。

        1.2低溫等離子體技術控制柴油機排放的研究狀況1.2.1利用等離子體技術捕集微粒目前國內外在利用等離子體技術捕集微粒方面做了許多工作,在實驗室里取得了一些成果其中,一種方式是在金屬絲網上加一定電壓,使微粒在經過上游金屬網時荷電,在下游金屬網處被吸附。實驗得到一些明顯碳煙微粒捕集結果,但是因捕集效率難于提高而未能達到實際應用。在此基礎上,提出電暈放電強化微粒荷電和電場力驅進荷電微粒,以提高微粒捕集效率另外,通過電暈放電電極迷宮式設置來進一步提高微粒捕集效率。

        Hammer等研究認為,介質阻擋放電對碳煙捕集無太大作甩Harano等研究認為,微粒沉積在放電電極上影響阻擋放電Kawada等證實了這一現象,但同時認為通過提高放電電壓若干次能保持放電穩定且對微粒有較高的捕集效率由于實驗在常溫下進行,氣源為空氣同柴油機尾氣的混合氣,所以,在真實尾氣中不可能得到同樣結果通過非熱放電增加碳煙微粒荷電,然后用過濾或高壓電場來促進碳煙微粒的捕集但是同過濾技術一樣,同樣遇到再生問題,即捕集的微粒如何清除使放電能正常維持而不影響捕集效率因為真實碳煙微粒主要成分為碳煙顆粒、可溶碳氫有機物、硫和水,不可能用常規方法進行清除意大利一研究機構提出,在線筒式電暈放電捕集器中,利用火花放電將筒壁上微粒引燃燒盡這對高壓電源提出較高要求,同時火花放電發生區域的隨機性給燒盡碳煙帶來困難。

        2.也等離子體技術a去除NfcHamme藤認為等離技g術在u臀由機尾氣中reNOx去除較工t上脈沖電暈脫硫脫硝更為有效,原因可能是柴油機尾氣中存在的HC促進NO氧化和還原NO氧化和還原在介質阻擋放電處理中同時存在,氧化反應占主要部分,但是同還原反應在一個數量級上,難于控制產物能耗較大,同時脫除效率有待提高雖然,對高濃度NO脫除無論在去除效率和能量利用率上都有所促進,但是NO的氧化主要將其轉化為NO2在此基礎上,最近提出以NB作為還原劑將介質阻擋放電同V25-W3/Ti2催化劑結合降低NOx排放,實驗得到在NO初始濃度為50(K1CT6(ppm)時脫硝效率達效90%應用電暈放電裝置產生冷等離子體去除NO的實驗研究,表明NO的去除率隨放電管的輸入功率、NO的初始濃度以及氣體的流量而變化在流量較小fQ05m3/h)或者濃度較低< 10-6(ppm)的情況下,去除NO的效果較好(>80%)該裝置體積小、重量輕功耗低,隨著研究的不斷深入及不斷改進,對實際的汽車尾氣排放控制,具有良好的應用前景1.2.3離子體技術脫除HCHC化合物的生成機理主要是:燃燒室內的縫隙效應燃料不完全燃燒、缸壁潤滑油膜和積垢的吸收和解吸、曲軸箱竄氣和掃氣以及未燃燒的只匚等國外脫除HC所使用的方法,最經濟的就是射頻氫氧等離子體法脫HC試驗該試驗所使用的裝置是一個直徑為15厘米長20厘米的圓筒,射頻頻率是60MHz,用來產生等離子體HC化合物的壓力在測試裝置中進行測量射頻氫氧等離子體法脫HC的反應機理為:10-9Torr,在氫等離子體剛剛加入的幾分鐘內,HC的濃度就顯著地減少到7.5  等離子體技術用在脫除汽車尾氣上是最近幾年來研究的新課題,尤其是等離子體脫除HC化合物技術,更是在國內外很少報道雖然國內外已經能把等離子體脫除汽車尾氣技術投入使用,但是在脫除HC化合物上仍沒有太大的進展由于HC化合物的成分過于復雜,所以加入什么樣的催化劑和把氣體溫度控制在什么范圍之內能達到最佳的脫除效果,還有待于進一步的研究1.2.4同時脫除微粒、NOx和HCHigashi等從80年代中期進行等離子體放電柴油機尾氣凈化的研究,到90年代初提出利用阻擋放電和油霧結合捕集碳煙微粒、并去除NOx和SOx認為油霧存在因放電極化提高了微粒捕集,因均勻放電將NOx和SOx這些物質分解成N2S和O2,并提高去除效率實驗結果顯示捕集的碳煙微粒混合在收集的油液中,在較低的NOx和SOx初始濃度下,兩者的脫除率均達70%但是對其產物形式的理論分析認為缺乏證據;另外,油霧在循環中因含碳煙微粒增加需過濾再生。

        不同工況下低溫等離子體過濾器去除柴油機微粒(PM)、NOx及HC的試驗研究表明,在發動機廣泛的轉速以及中低負荷下,其微粒捕集效率一般在60%~90%的范圍,NOx的去除效率可達20%,HC的去除效率可達25%~30%,使用再生裝置可有效地解決電暈線的再生問題2影響等離子體過濾器性能的因素8(%(質量計)是帶電的,微粒過小和微粒荷電量不足使常規ESP的微粒捕集效率受到一定限制為了提高微粒捕集效率,必須采取人工強化荷電〈2〉產生等離子體的射頻頻率同樣影響微粒荷電量,因此應對等離子體發生器的射頻頻率進行優化,以提高微粒的捕集效率〈3〉等離子體使微粒荷電的機理與微粒捕集器的捕集方式之間的匹配對微粒捕集效果起著重要的作用,通常認為使微粒帶負電荷、采用正極捕集板效果較好,但是如何捕集少量帶正電荷的微粒仍是值得進一步研究的問題〈4〉加入的反應催化劑種類將影響催化轉化效率及等離子體凈化器的成本,選擇低成本、高效的催化劑將是等離子體凈化器達到實際應用的關鍵之一。

        〈5等離子(體凈化的工作溫度將影響凈化反應的速度,因此將氣體溫度控制在什么范圍之內以達到最佳的脫除效果,還有待于進一步的研究〈64刀始濃度也影響凈化反應的進行,對車用柴油機在各種工況下,排放的NOx和Sx的初始濃度應進一步進行研究3研究狀況及進一步研究的方向目前的汽車尾氣治理主要依靠單一催化轉化技術,它雖然能夠去除尾氣中的大部分的HC和C0,但仍有相當部分NOx和S2的排放隨著人們環境意識的日益增強,汽車尾氣排放標準也將愈來愈嚴格,單一的凈化技術已不能適應未來高標準的要求低溫等離子體技術對其中的微粒、NOx以及HC等具有顯著的去除作用,是治理汽車尾氣的前沿技術,隨著該技術的不斷改進,它將有著廣闊的應用前景。

        等離子體凈化技術的良好前景引起不少研究者的關注,應用等離子體技術于治理汽車尾氣已進行了大量的研究,在理論和應用研究上都取得了可喜的成果。但等離子體凈化技術是一門新穎的技術,它還不夠成熟,要想實現工業應用和商業生產,還有許多工作要做目前對該課題的研究,基本上還處于實驗室研究階段。因此,對這方面的研究才有著十分重要的現實意義目前該技術研究尚存在的不足主要表現在:〈1〉就理論研究方面而言,對所發生的等離子體物理與化學反應,如激發態粒子、離子、自由基的反應過程動力學,多相復雜體系的異質反應,氣溶膠的形成及對等離子體反應速率的影響等,還應進行深入的研究〈2〉實際應用中,怎樣控制放電參數,進而控制電子的溫度、能量和密度,以達到對污染物最佳去除或離解作用;如何適應氣壓、溫度、濕度氣體污染物濃度等反應條件的隨機變化;副產物的堆積效應及收集技術,反應器匹配技術等。都還需要做大量的研究工作,以獲得工業應用的技術和實驗數據,解決工業應用中的認識和技術問題商業化過程中,還需降低裝置的能耗,以便控制在發動機功率的5%以內;優化反應器結構,減小反應器體積,便于安裝與維修;降低生產成本和運行費用。

        〈3〉在對柴油機的微粒的捕集方面,由于微粒過細使得捕獲性能下降。在靜電除塵前必須采用預荷電裝置來解決收集的困難目前的問題是設備體積過大、結構過于復雜,成本太高,在車輛上使用最困難的是高壓電的供給及收集中防止二次分散及反電暈等問題在脈沖電暈等離子體化學處理技術中,也因為產生了新的鹽類和其它化學成份,有可能形成二次污染。

        4結論傳統汽車尾氣治理主要依靠單一催化轉化技術,隨著人們環境意識的日益增強,汽車尾氣排放標準也將愈來愈嚴格,單一的凈化技術已不能適應未來高標準的要求由于柴油機具有熱效率高、功率范圍寬、燃油經濟性明顯好于汽油機,且COHC比汽油機少得多等特點,但柴油機的NOx的排放量與汽油機相近,顆粒物的排放量是汽油機的幾十倍。等離子體凈化技術具有較高的微粒與NOx去除效率,正好克服了柴油機微粒和NOx的排放量較高的“先天不足”因此采用低溫等離子體技術治理汽車尾氣有著廣闊的應用前最但是,目前等離子體凈化技術還不夠完全成熟,還有待進一步深入研究,對技術和設備還需不斷優化和改進,才能更好地投入到柴油機污染控制的實際應用中去,使等離子體凈化技術真正實現商業化重慶環境科學,2003,。大連海事大學學報,2002,28(2):ohnsonTV(美)。柴油機排放控制回顧。國外內燃機。2002,(5):。小型內燃機與摩托車,2003,23(2):曾科,龍學明。采用低溫等離子技術降低柴油機有害排放物的研究。內燃機學報,2003,曾科。等離子體技術在控制汽車尾氣排放上的應用。車用發動機,2000,。環境科學動態,1999,。環境污染治理技術與設備,2002,(5):。能源研究與應用,2002,湯海濱,姬復栓,劉宇,等。小功率電弧等離子體發動機實驗數據采集系統。航天航空大學學報,2001,(責任編輯賴君榮)

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