汽車排放分析系統(tǒng)中NOX轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算分析

襄陽 劉茹 李昕 葉仁根 張斌 張富泰

摘要：本文介紹了汽車排放氣體分析系統(tǒng)中氮氧化物分析儀的工作原理，并對汽車排放氣體分析系統(tǒng)中氮氧化物的轉(zhuǎn)換效率如何計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)分析；上述內(nèi)容對汽車尾氣排放試驗(yàn)人員有一定參考價值。

關(guān)鍵詞：汽車排放分析系統(tǒng)；氮氧化物的轉(zhuǎn)換效率；計(jì)算分析

前言

氮氧化物NOX是汽車尾氣排放的主要污染物之一，所帶來的環(huán)境效應(yīng)多種多樣，它是酸雨的成因之一，可導(dǎo)致地表水的酸化，大氣能見度降低，增加水體中有害于魚類和其他水生生物的毒素含量等。因此檢測分析汽車尾氣中氮氧化物的含量對環(huán)境污染控制具有重要意義。氮氧化物NOX包括NO2和NO，由于NOX分析儀不能直接檢測出NO2的含量，需將NO2轉(zhuǎn)換為NO才能進(jìn)行檢測，該轉(zhuǎn)換過程由NOX轉(zhuǎn)換器完成（NOX的轉(zhuǎn)換效率指的是將NO2轉(zhuǎn)換為NO的轉(zhuǎn)換效率）。NOX的轉(zhuǎn)換效率直接影響NOX的測量結(jié)果，因此為確保NOX分析儀檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)定期檢查轉(zhuǎn)換效率是否符合要求。

1.NOX分析儀

1.1 化學(xué)發(fā)光法的原理

基態(tài)下的NO2不具有發(fā)光性，不能被化學(xué)發(fā)光法檢測出來，但化學(xué)發(fā)光法可以檢測出NO，因此須將NO2通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為NO。

化學(xué)發(fā)光法的原理如下：

NO和O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2，大約有10%的NO2處于激發(fā)狀態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)的NO2*返回到基態(tài)NO2時，將產(chǎn)生波長為600—2400nm，中心波長為900nm的近紅外熒光，其中一份光子的能量為hv。在一定的壓力和溫度條件下，熒光強(qiáng)度（或光子能量）只與反應(yīng)前的NO的濃度成正比。利用光電倍增管吸收光子產(chǎn)生光電流，光電流強(qiáng)度與NO的濃度成線性，可通過光電強(qiáng)度測得NO的濃度。

1.2 NOX轉(zhuǎn)換器原理

NOX轉(zhuǎn)換器效率裝置簡圖如圖1所示，NO和O2進(jìn)入氣路系統(tǒng)，將流量電磁閥控制開關(guān)置于閉合狀態(tài)，自耦變壓器產(chǎn)生高壓使臭氧發(fā)生器工作，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)：生成的O3與NO再進(jìn)入分析儀進(jìn)行分析。NOX轉(zhuǎn)換器效率裝置本質(zhì)上是提供了一個外置的臭氧發(fā)生器。

圖1 NOX轉(zhuǎn)換器效率裝置簡圖[1]

氮氧化物(NOX)轉(zhuǎn)換是將NO2轉(zhuǎn)換為NO，其原理[5]是在轉(zhuǎn)換器外部通過加熱器加熱，使轉(zhuǎn)換器內(nèi)部溫度達(dá)到氣體與轉(zhuǎn)換器內(nèi)轉(zhuǎn)換介質(zhì)催化物質(zhì)工作條件，樣氣從轉(zhuǎn)換器一端進(jìn)入，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)通過吸附作用將NO2轉(zhuǎn)換為成分穩(wěn)定的NO，催化劑不參與化學(xué)反應(yīng)。

（4）

1.3 NOX分析儀原理

將樣氣和用于臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧的外界空氣同時送入氣路系統(tǒng)，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)中產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度由光電倍增管探測，將NOX分析儀置于NO測量模式，使未經(jīng)過NOX轉(zhuǎn)換器的樣氣直接進(jìn)入分析儀，測得NO的濃度[4]。

NOX分析儀置于NOX測量模式，樣氣（樣氣中的NOX包括NO和NO2）進(jìn)入NOX轉(zhuǎn)換器，其中NO2被轉(zhuǎn)換成NO，再和樣氣中原有的NO一起與臭氧反應(yīng)，這時光電倍增管探測到的應(yīng)當(dāng)是NOX的濃度。

由NOX的濃度減去NO的濃度就可得到NO2的濃度。

2.NOX轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算分析

2.1 NOX轉(zhuǎn)換效率檢查各步驟的濃度分析及計(jì)算公式推導(dǎo)

在進(jìn)行氮氧化物(NOX)轉(zhuǎn)換效率檢查時，標(biāo)準(zhǔn)氣體由定容取樣系統(tǒng)采集取樣，經(jīng)稀釋空氣進(jìn)行稀釋，再進(jìn)入NOX分析儀進(jìn)行分析。

NOX轉(zhuǎn)換效率檢查步驟的4種工作模式如表1。

表1 NOX轉(zhuǎn)換效率檢查步驟

Step NO O3-gen

O2 flow MODE

1 a OFF ON NO

2 b ON ON NO

3 c ON ON NOX

4 d OFF ON NOX

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣體中NO的含量為x，NO2的含量為y，注入稀釋空氣的量為s。

工作模式1：NOX分析儀在NO測量模式，臭氧發(fā)生器不發(fā)生作用，NOX轉(zhuǎn)換器不工作。標(biāo)準(zhǔn)氣體中NO的濃度為：

工作模式2：NOX分析儀在NO測量模式，臭氧發(fā)生器發(fā)生作用產(chǎn)生臭氧并與 NO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： ，NOX轉(zhuǎn)換器不工作。設(shè)與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的NO的量為n，則剩余氣體中NO的濃度為：

工作模式3：NOX分析儀在NOX測量模式，臭氧發(fā)生器發(fā)生作用產(chǎn)生臭氧并與 NO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，NOX轉(zhuǎn)換器工作。標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)過轉(zhuǎn)換器，設(shè)轉(zhuǎn)換效率為 ，則此時標(biāo)準(zhǔn)氣體中NO的濃度為：

工作模式4：NOX分析儀在NOX測量模式，臭氧發(fā)生器不發(fā)生作用，NOX轉(zhuǎn)換器工作。此時標(biāo)準(zhǔn)氣體中NO的濃度為：

由此可以導(dǎo)出： ，

上面兩式可解得：

2.2 NOX轉(zhuǎn)換效率檢查實(shí)例

應(yīng)用日本HORIBA公司的GDC-703對NOX轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換效率檢查，該分析儀的量程為50ppm，將濃度為43.80ppm的NOx標(biāo)準(zhǔn)氣體經(jīng)由稀釋通道通入分析儀，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表2 NOX轉(zhuǎn)換效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Target Conc.

NO 43.2977

a >=38.96 40. 3681

b 6.4947 7.7309

c 40.6890

d 41.1212

NOX <=45.46 44.0390

表3 NOX轉(zhuǎn)換效率檢查結(jié)果

% Status

Eff 98.68 Pass

NO2 in NO 1.71 Pass

根據(jù)公式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率：

（13）

與NOX分析儀的檢查結(jié)果一致。標(biāo)準(zhǔn)氣體中NO2占NO的比例為1.71%，NOX轉(zhuǎn)換效率為98.68%，滿足排放法規(guī)要求。

3.結(jié)論

通過設(shè)定未知數(shù)，可在分析儀4種工作模式下列出4個方程，經(jīng)簡化計(jì)算可求得NOX轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換效率公式的正確性。

隨著低排放和超低排放車輛的出現(xiàn)，稀釋空氣中的NOX對分析儀的分析結(jié)果有較大影響，為了使NOX分析儀的檢測數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，可應(yīng)用稀釋空氣精致系統(tǒng)。稀釋空氣精致系統(tǒng)可將稀釋空氣中的NOX用NOX吸收裝置吸收，從而大大降低了稀釋空氣中的NOX對分析儀的影響，使分析儀檢測結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。

4.參考文獻(xiàn)：

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會. GB18352.3-2005 中國標(biāo)準(zhǔn)書號[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005

[2] 牟建勇. 空氣凈化裝置DAR在輕型車排放測量中的應(yīng)用[J]. 車輛與動力技術(shù), 2012(2): 48-50

[3] P.J.,Bishop,G.A.,and Stedmon,D.H. A method for commercial aircraft NOX emission measurements. [G]. Environmental Science and Technology, 2008:1542-1544.