等離子凈化器在汽車尾氣處理中的應用

樊少軍 杜中勇 張立恒

（第二炮兵工程大學士官學院）

近年來，汽車給人類帶來便捷的同時，其尾氣引起的環(huán)境污染也成為一個公認的社會問題。從長遠來看，目前針對限制汽車尾氣的減排，相關部門制定了非常嚴格的法律法規(guī)，但僅僅依靠法律法規(guī)的強制作用遠遠不能解決愈來愈嚴重的尾氣污染問題。從根本上解決汽車尾氣的污染問題要依賴科學技術手段，建立長效的汽車尾氣治理研究機制。低溫等離子技術作為卓有成效的科研成果，近年來被廣泛應用于處理廢氣廢水等污染物之中。研究證明，其強有力的凈化能力能夠處理多種污染物，并且可以避免二次污染，從而達到徹底的凈化效果，是一種非常理想的污染物凈化技術。汽車尾氣凈化處理過程中引入低溫等離子技術具有非常廣泛和實用的應用前景。

1 傳統(tǒng)汽車尾氣凈化技術

目前，我國控制汽車尾氣污染的主要技術是在排氣系統(tǒng)上安裝三元催化轉化裝置。然而單一的催化轉化技術存在催化劑成本高、可能引發(fā)二次污染的問題，已經(jīng)不能滿足人們對汽車尾氣排放的高標準要求。而迅速發(fā)展的低溫等離子技術能夠彌補催化轉化法的不足。與傳統(tǒng)的三元催化轉化方法相比，低溫等離子技術在處理污染物方面具有處理范圍廣、效率高、凈化徹底且無二次污染等優(yōu)勢。實踐證明，將低溫等離子技術應用于環(huán)境污染物的處理，是目前國際上最新采用的處理廢氣污染的一種高效安全的方法，并取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。汽車尾氣凈化的現(xiàn)有技術措施主要分為機內(nèi)凈化與機外凈化2種方式。

1.1 機內(nèi)凈化

機內(nèi)凈化，即在發(fā)動機工作過程中，通過對發(fā)動機的控制，提高燃燒的質量和改善發(fā)動機內(nèi)的燃燒條件，從而降低尾氣有害物質產(chǎn)生的一種技術。常見的方法有:延時打火法，EGR(廢氣再循環(huán)裝置)，CSS（燃燒控制系統(tǒng)）及CAP（空氣凈化器）等。機內(nèi)凈化方法有效地提高了汽車尾氣的凈化水平，降低了汽車尾氣帶來的污染危害。但是，這些方法的可操作性比較低，在具體的應用過程中不可避免地提高了汽車的成本，對汽車的動力性能帶來很大的影響。

1.2 機外凈化

機外凈化，即著重于消除已經(jīng)產(chǎn)生的有害氣體，常用的方法是三效催化方法。三效催化方法是使用特定的催化劑來綜合排除汽車尾氣中的CO，HC和NOx的一種凈化方法。催化劑的組成部分主要有4個:多孔活性載體、氧化層、活性組分以及助劑。這4個組成部分起到不同的作用。三效催化技術是目前國際上公認的減少汽車尾氣排放的主流技術，但依然存在著致命的弱點，如催化劑和汽車不容易匹配、催化劑“中毒”不好解決、必須采用無鉛汽油及空燃比要求非常精確等問題。

2 等離子凈化汽車尾氣的原理

等離子凈化原理根據(jù)汽車尾氣成分的不同而有所差異，汽車尾氣排放中，無機物和有機物成分共有幾十種。含量最多的有害成分主要是NOx，CO，HC和PM微粒。當電子能量＞10 eV，且電子能量大于尾氣分子化學鍵的結合能時，高能的活性粒子可以直接將其分解成單原子分子。當電子能量＜10 eV的時候，氧化反應起主要的作用。因此，活性粒子的能量與氣體的鍵能對凈化的影響非常大。表1示出常見的汽車尾氣活性粒子的鍵能表。

表1 活性粒子的能量與氣體鍵能表eV

2.1 NOx凈化原理

電子-分子的碰撞反應是含有帶電粒子的反應，而除此之外的其它反應都是中性物質和中性物質之間的反應，所以在整個反應中，可以忽略帶電粒子的反應。NOx凈化的可能途徑，如圖1所示。

2.2 CO凈化機理

主要參與的反應有:

2.3 HC凈化機理

主要參與的反應有:

2.4 PM微粒凈化機理

主要的反應有:

2.5 汽車尾氣等離子凈化系統(tǒng)

汽車尾氣等離子凈化系統(tǒng)主要有3個部分組成:等離子反應器、高壓高頻電源和控制系統(tǒng)。圖2示出等離子凈化系統(tǒng)的整體結構。汽車發(fā)動機產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過等離子凈化系統(tǒng)排出，在凈化前后通過汽車尾氣分析儀來確定汽車尾氣中各種有害物質的含量變化。

3 等離子尾氣凈化系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展

為實現(xiàn)美國環(huán)保局提出的機動車尾氣中NOx必須還原90%以上的目標，等離子體尾氣凈化系統(tǒng)的催化體系在治理機動車排氣方面有了很大進展。目前，用該項技術還原NOx，效率可達到65%以上。同時，該項技術還可脫除92%～96%的顆粒物，去除40%以上甲醛。

國內(nèi)學者發(fā)明了一種后置式汽車尾氣凈化器，尾氣經(jīng)錐體分散后進入電場的催化劑中，在低溫等離子體和催化劑的協(xié)同作用下，尾氣凈化率大大提高。該凈化器一方面可使催化劑活性增加，轉化率提高；另一方面可避免催化劑燒結，從而降低汽車尾氣中有害氣體的排放。與現(xiàn)有技術相比，該凈化器具有以下優(yōu)點:1）將低溫等離子體技術與催化技術相結合，技術得到升級；2）適用于各種車型，不受汽車的原始排放限制，不同于現(xiàn)有的三元催化裝置；3）沒有起燃溫度限制，對冷車起動同樣有效，且適用范圍廣；4）結構緊湊，設計獨特、新穎。

4 結語

低溫等離子體技術應用的可行性和條件試驗已較充分，有了大量理論基礎，為這項技術早日工業(yè)化打下了充實的基礎。但在低溫等離子體技術與催化協(xié)同作用方面研究較少，是一項全新的處理技術。二者相結合，等離子體場產(chǎn)生高能量活性粒子，促進催化反應，減少能耗；催化主導反應方向，讓反應具有選擇性，并能大大減少反應副產(chǎn)物，該技術被認為在處理NOx、機動車尾氣方面有著廣闊的發(fā)展前景，但實際應用還很不成熟，必須投入足夠力量進行更加深入的理論和實踐研究。