低溫等離子體處理柴油機(jī)PM和NOx排放研究的文獻(xiàn)綜述

顧林波

江蘇大學(xué)汽車與交通學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212000

低溫等離子體處理柴油機(jī)PM和NOx排放研究的文獻(xiàn)綜述

顧林波

江蘇大學(xué)汽車與交通學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212000

柴油機(jī)因其優(yōu)良的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性而被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸和農(nóng)用機(jī)械等領(lǐng)域，但尾氣排放中的PM和NOx嚴(yán)重危害著人類的健康。低溫等離子體技術(shù)憑借凈化效率高、能耗低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，在處理柴油機(jī)的尾氣排放方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，是近幾年尾氣凈化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文綜合闡述了低溫等離子體凈化PM和NOx的研究現(xiàn)狀，包括NTP發(fā)生器的優(yōu)化和NTP處理PM和NOx的研究現(xiàn)狀，討論了今后的發(fā)展趨勢(shì)。

低溫等離子體；顆粒物；氮氧化物

一、前言

柴油機(jī)的主要排放污染物有PM、NOx、CO、HC和硫化物等。柴油機(jī)的NOx排放與汽油機(jī)在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，PM排放卻遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。因此PM和NOx是柴油機(jī)排放控制的研究重點(diǎn)。低溫等離子體技術(shù)憑借處理效率高、裝置簡(jiǎn)單、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在處理柴油機(jī)的尾氣排放方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，是近幾年尾氣凈化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。NTP技術(shù)利用高壓放電產(chǎn)生大量活性粒子與柴油機(jī)尾氣中的PM發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，最終可凈化柴油機(jī)尾氣中的PM。同時(shí)，低溫等離子體可將NOx氧化為NO2，結(jié)合催化劑和還原劑可將NOx還原成N2。目前，很多學(xué)者對(duì)低溫等離子體處理柴油機(jī)尾氣中的PM和NOx進(jìn)行了大量的研究，為NTP處理柴油機(jī)尾氣的實(shí)際應(yīng)用提供了理論的基礎(chǔ)，本文對(duì)部分學(xué)者的有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理和總結(jié)。

二、低溫等離子體技術(shù)處理PM和NOX的研究現(xiàn)狀

低溫等離子體由放電產(chǎn)生，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的著火電壓時(shí)，氣體分子被擊穿，產(chǎn)生包括電子、離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。NTP中的活性粒子與有機(jī)污染物發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，從而分解去除污染物。PM和NOx是柴油機(jī)尾氣中的主要污染物，越來越多的學(xué)者對(duì)利用低溫等離子體技術(shù)處理PM和NOx進(jìn)行了大量的研究。

（一）發(fā)生器的優(yōu)化

低溫等離子體發(fā)生器是低溫等離子體技術(shù)的核心，發(fā)生器設(shè)計(jì)的好壞直接影響NTP處理PM和NOx的效率，且發(fā)生器的能耗和發(fā)生器放電的穩(wěn)定性也是NTP處理尾氣的研究重點(diǎn)。Anaghizi S J等人設(shè)計(jì)了棒型和螺紋型兩種反應(yīng)器，利用圓柱形介質(zhì)阻擋放電還原模擬氣中的NOx，研究發(fā)現(xiàn)，螺紋型比棒型的處理效率更高，螺紋型所需的功率比棒型的減少了14%。

可見，對(duì)于不同的發(fā)生器類型和不同的發(fā)動(dòng)機(jī)都需要對(duì)發(fā)生器的性能進(jìn)行優(yōu)化，以求在NTP處理柴油機(jī)尾氣時(shí)使處理效率達(dá)到最高，發(fā)生的能耗降到最小。發(fā)生器優(yōu)化的研究為將等離子體處理柴油機(jī)尾氣應(yīng)用到實(shí)際奠定了基礎(chǔ)。

（二）等離子體處理PM

柴油機(jī)的尾氣經(jīng)NTP發(fā)生器產(chǎn)生具有氧化性的活性物質(zhì)，可以氧化尾氣中的顆粒物。曾科等設(shè)計(jì)了一種脈沖電暈放電捕集PM的裝置，研究了不同工況、電壓等級(jí)和脈沖頻率下的PM捕集率,一般可以達(dá)到60%～90%并認(rèn)為電壓的峰值和脈沖的頻率是影響PM捕集率的主要因素。

大量試驗(yàn)證明NTP可降低柴油機(jī)尾氣中的PM，但關(guān)于經(jīng)NTP處理后柴油機(jī)顆粒物尺寸變化的研究卻較少，顆粒物中尺寸較小的超細(xì)顆粒嚴(yán)重危害著人類的健康。Babaie M等人研究發(fā)現(xiàn)電壓過低時(shí)，放電功率較低，PM的去除量較少；電壓過高時(shí)，PM的大顆粒易分解形成小顆粒，危害更大。綜合考慮，在放電電壓為17KVpp時(shí)，PM去除效果最佳。所以NTP去除PM時(shí)需要同時(shí)考慮PM的去除和PM尺寸的分布。

（三）等離子體處理NOx

低溫等離子體處理柴油機(jī)的NOx排放主要分為兩種途徑，低溫等離子體結(jié)合催化劑、還原劑還原NOx是比較常見的處理方式，也有學(xué)者在貧氧條件下將NOX還原成N2，使NOx得以凈化。J?gi等人通過介質(zhì)阻擋放電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在O2含量為10%-20%、NTP能量密度大于100J/L時(shí)，NO的脫除效率可達(dá)90%以上。

低溫等離子體具有很強(qiáng)的氧化性，NOX易被氧化成穩(wěn)定的NO2，所以單獨(dú)使用低溫等離子體處理NOx不能使NOx還原成無毒無害的N2。因此，大量學(xué)者將低溫等離子體與催化劑、還原劑相結(jié)合，先利用低溫等離子體將NOx氧化為NO2，再通過催化劑或還原劑將NO2還原成N2。王攀等應(yīng)用介質(zhì)阻擋放電與一種CeO2-CuO-Al2O3,負(fù)載型催化劑協(xié)同作用,研究了柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化率,最高可達(dá)80%以上。

NTP結(jié)合催化劑可降低NOx的排放，也有大量學(xué)者將NTP與SCR相結(jié)合來處理NOX。Subrahmanyam C等對(duì)NTP協(xié)同C3H6-SCR技術(shù)脫除NOx進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，NTP不僅可以提高催化劑的低溫活性，而且可以有效提高NOx的脫除效果，NOx的脫除效率可達(dá)50%以上。

三、總結(jié)

低溫等離子體技術(shù)能有效降低柴油機(jī)尾氣排放的PM和NOx，很多學(xué)者對(duì)NTP凈化柴油機(jī)尾氣進(jìn)行研究，取得了一定的進(jìn)展。NTP可直接氧化尾氣中的PM，但不能單獨(dú)使用完全凈化NOx，需結(jié)合催化劑和還原劑才可將NOx還原成無毒無害的N2。同時(shí)，優(yōu)化NTP發(fā)生器是提高凈化效率，降低能耗的有效手段。但目前大多數(shù)研究仍停留在試驗(yàn)階段，車載實(shí)際應(yīng)用NTP凈化尾氣還存在很多問題。繼續(xù)優(yōu)化發(fā)生器的參數(shù)，提高凈化的效率，降低能耗，降低結(jié)合催化劑的成本和將NTP與當(dāng)代后處理技術(shù)相結(jié)合，是今后等離子體凈化尾氣的發(fā)展趨勢(shì)。

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