等离子体柴油机尾气净化技术

时间:2017-8-2 9:05:00 来源:本网 添加人:admin

  由于柴油机具有热效率高功率范围宽、高可靠性和耐久性燃油经济性明显优于汽油机等特点,在汽车发动机中的应用越来越受到重视相对于汽油机,柴油机排放的CO、HC明显较低,NOx的排放量与汽油机接近,但是颗粒物的排放量是汽油机的几十倍。汽车柴油发动机在工作过程中,由柴油燃烧产生的碳烟残留物润滑油燃烧产生的烟灰颗粒、润滑油和燃油中的硫而形成的硫酸盐以及未燃烧的HC等形成柴油机颗粒,由汽车排出后,人们再吸入,将直接影响人们的身体健康。随着人们环境意识的日益增强,汽车尾气排放标准也将愈来愈严格如果能解决柴油机颗粒和NOx的排放污染,必将使汽车柴油发动机获得更广泛的应用,因此降低柴油机颗粒和NOx排放一直是研究的热点问题降低柴油机排放污染通常采用机内处理和机外处理的方法,尽管多年来人们在柴油机结构上进行了大量的改进,但是仍然无法满足日益严格的汽车尾气排放标准,因此机外处理(亦称为后处理)日益受到研究者的重视。

  研究表明因柴油机排气中富氧,采用三元催化净化的方法对降低柴油机颗粒和NOx的排放污染是无效的。减少柴油机排放颗粒,较多采用捕捉器收集的方法。捕捉器工作一段时间后,由于颗粒物的增加而堵塞,需要用物理或化学的方法清除颗粒物,即需要离线再生,致使商品化应用难以实现在后处理技术中,低温等离子体技术对其中的微粒、NOx以及HC等具有显著的去除作用,正好克服了柴油机微粒和NOx的排放量较高的“先天不足”采用等离子体技术净化柴油机尾气是近些年来国内外有关学者研究的新课题1等离子体净化技术的研究现状1.1低温等离子体技术净化机理1.1.1低温等离子体技术脱除柴油机微粒的机理根据Kittleson对柴油机排放微粒带电的研究表明,柴油机的微粒有7(%~80%(质量计)是带电的,每个微粒约带1~ 5个基本正电荷或负电荷,整体呈中性柴油机微粒的电阻率一般在10~KtVcm之间,符合静电捕集电阻率为10~10.cm的要求为应用附加电场对微粒实现静电吸附提供了科学依据但由于柴油机的微粒尺寸80%分布在直径小于2m的范围内,40%的微粒直径小于Qm,微粒过小和微粒荷电量不足使常规ESP的微粒捕集效率受到一定限制因此,为提高微粒捕集效率,强化荷电是必要的柴油机微粒荷电的方法主要有接触荷电、光电子接触荷电以及电晕荷电。其中,电晕荷电技术被很多研究者采甩电晕荷电技术产生离子的主要机理是电子碰撞电离气体中的自由电子从外加电场获得能量并与气体分子发生碰撞,致使气体分子的电子脱出,产生更多的电子和气体离子,离子附在微粒上使其带电,微粒在电场作用下向两极聚集这就是电晕荷电技术捕集柴油机微粒的主要过程1.1.2低温等离子体技术对NOx和HC的脱除机理现有的研究结果表明,脉冲电晕技术不仅可以脱除柴油机排气中的微粒排放,对NOx和HC也有一定的去除作用。放电过程中产生5eV~ 20eV高能电子,这些高能电子在和烟气的中性分子碰撞过程中会产生OOff、H2和3等自由基和自由原子。这些活性物中引发的化学反应把HC氧化成有害气体(如CO2H2O),气态的NOx氧化成高价氧化物,进一步转化成硝氨固体盐。同时还可以利用自由基或添加还原剂将NOx还原成N2有关研究表明,在柴油机尾气环境中存在的主要反应有:当注入的等离子体能量密度较小(< 100/L)时,NO通过下列反应氧化成NO2:尾气中高能电子裂解H2O产生足够的OH-可进一步氧化HC,NO以及NO2:同时,柴油机排放微粒中的有机可溶成分(SOF)可以促进NO的氧化,而NOx的去除主要通过自由基之间,自由原子与分子之间的反应完成,二者处于同一数量级的反应速度利用低温等离子体技术去除柴油机排气中的NOx和HC,在理论上是可行的,其去除效率与反应器类型,脉冲波形有很大的关系。据国内已有的实验结果来看,采用高压脉冲电晕放电,对NOx和HC的去除率可达到25%以上。

  1.2低温等离子体技术控制柴油机排放的研究状况1.2.1利用等离子体技术捕集微粒目前国内外在利用等离子体技术捕集微粒方面做了许多工作,在实验室里取得了一些成果其中,一种方式是在金属丝网上加一定电压,使微粒在经过上游金属网时荷电,在下游金属网处被吸附。实验得到一些明显碳烟微粒捕集结果,但是因捕集效率难于提高而未能达到实际应用。在此基础上,提出电晕放电强化微粒荷电和电场力驱进荷电微粒,以提高微粒捕集效率另外,通过电晕放电电极迷宫式设置来进一步提高微粒捕集效率。

  Hammer等研究认为,介质阻挡放电对碳烟捕集无太大作甩Harano等研究认为,微粒沉积在放电电极上影响阻挡放电Kawada等证实了这一现象,但同时认为通过提高放电电压若干次能保持放电稳定且对微粒有较高的捕集效率由于实验在常温下进行,气源为空气同柴油机尾气的混合气,所以,在真实尾气中不可能得到同样结果通过非热放电增加碳烟微粒荷电,然后用过滤或高压电场来促进碳烟微粒的捕集但是同过滤技术一样,同样遇到再生问题,即捕集的微粒如何清除使放电能正常维持而不影响捕集效率因为真实碳烟微粒主要成分为碳烟颗粒、可溶碳氢有机物、硫和水,不可能用常规方法进行清除意大利一研究机构提出,在线筒式电晕放电捕集器中,利用火花放电将筒壁上微粒引燃烧尽这对高压电源提出较高要求,同时火花放电发生区域的随机性给烧尽碳烟带来困难。

  2.也等离子体技术a去除NfcHamme藤认为等离技g术在u臀由机尾气中reNOx去除较工t上脉冲电晕脱硫脱硝更为有效,原因可能是柴油机尾气中存在的HC促进NO氧化和还原NO氧化和还原在介质阻挡放电处理中同时存在,氧化反应占主要部分,但是同还原反应在一个数量级上,难于控制产物能耗较大,同时脱除效率有待提高虽然,对高浓度NO脱除无论在去除效率和能量利用率上都有所促进,但是NO的氧化主要将其转化为NO2在此基础上,最近提出以NB作为还原剂将介质阻挡放电同V25-W3/Ti2催化剂结合降低NOx排放,实验得到在NO初始浓度为50(K1CT6(ppm)时脱硝效率达效90%应用电晕放电装置产生冷等离子体去除NO的实验研究,表明NO的去除率随放电管的输入功率、NO的初始浓度以及气体的流量而变化在流量较小fQ05m3/h)或者浓度较低< 10-6(ppm)的情况下,去除NO的效果较好(>80%)该装置体积小、重量轻功耗低,随着研究的不断深入及不断改进,对实际的汽车尾气排放控制,具有良好的应用前景1.2.3离子体技术脱除HCHC化合物的生成机理主要是:燃烧室内的缝隙效应燃料不完全燃烧、缸壁润滑油膜和积垢的吸收和解吸、曲轴箱窜气和扫气以及未燃烧的只匚等国外脱除HC所使用的方法,最经济的就是射频氢氧等离子体法脱HC试验该试验所使用的装置是一个直径为15厘米长20厘米的圆筒,射频频率是60MHz,用来产生等离子体HC化合物的压力在测试装置中进行测量射频氢氧等离子体法脱HC的反应机理为:10-9Torr,在氢等离子体刚刚加入的几分钟内,HC的浓度就显着地减少到7.5  等离子体技术用在脱除汽车尾气上是最近几年来研究的新课题,尤其是等离子体脱除HC化合物技术,更是在国内外很少报道虽然国内外已经能把等离子体脱除汽车尾气技术投入使用,但是在脱除HC化合物上仍没有太大的进展由于HC化合物的成分过于复杂,所以加入什么样的催化剂和把气体温度控制在什么范围之内能达到最佳的脱除效果,还有待于进一步的研究1.2.4同时脱除微粒、NOx和HCHigashi等从80年代中期进行等离子体放电柴油机尾气净化的研究,到90年代初提出利用阻挡放电和油雾结合捕集碳烟微粒、并去除NOx和SOx认为油雾存在因放电极化提高了微粒捕集,因均匀放电将NOx和SOx这些物质分解成N2S和O2,并提高去除效率实验结果显示捕集的碳烟微粒混合在收集的油液中,在较低的NOx和SOx初始浓度下,两者的脱除率均达70%但是对其产物形式的理论分析认为缺乏证据;另外,油雾在循环中因含碳烟微粒增加需过滤再生。

  不同工况下低温等离子体过滤器去除柴油机微粒(PM)、NOx及HC的试验研究表明,在发动机广泛的转速以及中低负荷下,其微粒捕集效率一般在60%~90%的范围,NOx的去除效率可达20%,HC的去除效率可达25%~30%,使用再生装置可有效地解决电晕线的再生问题2影响等离子体过滤器性能的因素8(%(质量计)是带电的,微粒过小和微粒荷电量不足使常规ESP的微粒捕集效率受到一定限制为了提高微粒捕集效率,必须采取人工强化荷电〈2〉产生等离子体的射频频率同样影响微粒荷电量,因此应对等离子体发生器的射频频率进行优化,以提高微粒的捕集效率〈3〉等离子体使微粒荷电的机理与微粒捕集器的捕集方式之间的匹配对微粒捕集效果起着重要的作用,通常认为使微粒带负电荷、采用正极捕集板效果较好,但是如何捕集少量带正电荷的微粒仍是值得进一步研究的问题〈4〉加入的反应催化剂种类将影响催化转化效率及等离子体净化器的成本,选择低成本、高效的催化剂将是等离子体净化器达到实际应用的关键之一。

  〈5等离子(体净化的工作温度将影响净化反应的速度,因此将气体温度控制在什么范围之内以达到最佳的脱除效果,还有待于进一步的研究〈64刀始浓度也影响净化反应的进行,对车用柴油机在各种工况下,排放的NOx和Sx的初始浓度应进一步进行研究3研究状况及进一步研究的方向目前的汽车尾气治理主要依靠单一催化转化技术,它虽然能够去除尾气中的大部分的HC和C0,但仍有相当部分NOx和S2的排放随着人们环境意识的日益增强,汽车尾气排放标准也将愈来愈严格,单一的净化技术已不能适应未来高标准的要求低温等离子体技术对其中的微粒、NOx以及HC等具有显著的去除作用,是治理汽车尾气的前沿技术,随着该技术的不断改进,它将有着广阔的应用前景。

  等离子体净化技术的良好前景引起不少研究者的关注,应用等离子体技术于治理汽车尾气已进行了大量的研究,在理论和应用研究上都取得了可喜的成果。但等离子体净化技术是一门新颖的技术,它还不够成熟,要想实现工业应用和商业生产,还有许多工作要做目前对该课题的研究,基本上还处于实验室研究阶段。因此,对这方面的研究才有着十分重要的现实意义目前该技术研究尚存在的不足主要表现在:〈1〉就理论研究方面而言,对所发生的等离子体物理与化学反应,如激发态粒子、离子、自由基的反应过程动力学,多相复杂体系的异质反应,气溶胶的形成及对等离子体反应速率的影响等,还应进行深入的研究〈2〉实际应用中,怎样控制放电参数,进而控制电子的温度、能量和密度,以达到对污染物最佳去除或离解作用;如何适应气压、温度、湿度气体污染物浓度等反应条件的随机变化;副产物的堆积效应及收集技术,反应器匹配技术等。都还需要做大量的研究工作,以获得工业应用的技术和实验数据,解决工业应用中的认识和技术问题商业化过程中,还需降低装置的能耗,以便控制在发动机功率的5%以内;优化反应器结构,减小反应器体积,便于安装与维修;降低生产成本和运行费用。

  〈3〉在对柴油机的微粒的捕集方面,由于微粒过细使得捕获性能下降。在静电除尘前必须采用预荷电装置来解决收集的困难目前的问题是设备体积过大、结构过于复杂,成本太高,在车辆上使用最困难的是高压电的供给及收集中防止二次分散及反电晕等问题在脉冲电晕等离子体化学处理技术中,也因为产生了新的盐类和其它化学成份,有可能形成二次污染。

  4结论传统汽车尾气治理主要依靠单一催化转化技术,随着人们环境意识的日益增强,汽车尾气排放标准也将愈来愈严格,单一的净化技术已不能适应未来高标准的要求由于柴油机具有热效率高、功率范围宽、燃油经济性明显好于汽油机,且COHC比汽油机少得多等特点,但柴油机的NOx的排放量与汽油机相近,颗粒物的排放量是汽油机的几十倍。等离子体净化技术具有较高的微粒与NOx去除效率,正好克服了柴油机微粒和NOx的排放量较高的“先天不足”因此采用低温等离子体技术治理汽车尾气有着广阔的应用前最但是,目前等离子体净化技术还不够完全成熟,还有待进一步深入研究,对技术和设备还需不断优化和改进,才能更好地投入到柴油机污染控制的实际应用中去,使等离子体净化技术真正实现商业化重庆环境科学,2003,。大连海事大学学报,2002,28(2):ohnsonTV(美)。柴油机排放控制回顾。国外内燃机。2002,(5):。小型内燃机与摩托车,2003,23(2):曾科,龙学明。采用低温等离子技术降低柴油机有害排放物的研究。内燃机学报,2003,曾科。等离子体技术在控制汽车尾气排放上的应用。车用发动机,2000,。环境科学动态,1999,。环境污染治理技术与设备,2002,(5):。能源研究与应用,2002,汤海滨,姬复栓,刘宇,等。小功率电弧等离子体发动机实验数据采集系统。航天航空大学学报,2001,(责任编辑赖君荣)

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