低溫等離子體凈化柴油機尾氣研究綜述

摘 要：柴油機作為最主要的船舶動力推進(jìn)設(shè)備，船舶數(shù)量也隨之成逐年上升的趨勢。龐大的船隊規(guī)模帶來的船舶柴油機污染物排放也引起了廣泛的關(guān)注。船舶柴油機廢氣排放污染物主要包括氮氧化物、硫氧化物、碳?xì)浠衔锖臀⒘５?。國?nèi)外范圍內(nèi)有大量學(xué)者研究表明，低溫等離子體技術(shù)能有效凈化柴油機尾氣排放。

關(guān)鍵詞：柴油機尾氣；低溫等離子體；氮氧化物；PM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.221

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易全球化的快速發(fā)展，航運業(yè)得到了迅猛發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計，船舶每年NOx排放量約為 1275 萬噸，CO2排放量約為 43800萬噸，SOx 排放量約為 1054 萬噸，其中NOx排放對環(huán)境危害大、控制困難[1]。近年來，國內(nèi)外采用低溫等離子體處理柴油機尾氣，這項技術(shù)具有能耗低、凈化效率高，無污染等優(yōu)點。

2 低溫等離子體

低溫等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體。低溫等離子體降解污染物是利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時間內(nèi)發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)的各種反應(yīng)以達(dá)到降解污染物的目的。以介質(zhì)阻擋放電形式運用最為廣泛。如圖1、2所示。

3 低溫等離子體處理PM

低溫等離子體裝置可產(chǎn)生帶氧化性質(zhì)的氣體以及自由基，其可以氧化柴油機尾氣中的顆粒物。吳江霞采用煙度計來研究NTP對尾氣中PM的處理情況[2]，研究了不同能量密度下NTP處理PM的效果。圖三給出了煙度隨能量密度的變化關(guān)系，可看出，能量密度從10J/L增加到30J/L時，煙度值呈下降趨勢，繼續(xù)加大能量密度，煙度值趨于穩(wěn)定，所以NTP對PM有較好的去除效果。

4 低溫等離子體處理NOx

韓國濟(jì)州國立大學(xué)化學(xué)系Young Sun Mok教授等人研究了介質(zhì)阻擋放電（DBD）和催化混合法用于除去柴油發(fā)動機排氣中氮氧化物和顆粒物的方法。此研究表明，這種混合工藝可同時除去柴油機廢氣中的氮氧化物和顆粒物[3]。重慶大學(xué)吳福堂碩士采用高壓脈沖放電低溫等離子體技術(shù)對汽油機尾氣進(jìn)行后處理研究。在重慶大學(xué)內(nèi)燃機實驗室做了發(fā)動機臺架實驗。實驗結(jié)果表明高壓脈沖等離子體對發(fā)動機尾氣中的主要有害氣體具有很強的凈化功能，但凈化效率不僅受到NTP放電參數(shù)的影響，同時還受到發(fā)動機使用工況的影響[4]。圖4、圖5表示NO凈化率隨低溫等離子電壓、頻率參數(shù)的變化情況。

從兩圖中可以看出，NO凈化率隨低溫等離子體電壓、頻率參數(shù)升高而升高，但達(dá)到一定值時將達(dá)到凈化率最大值，超過以后則會下降。所以，需控制好設(shè)備參數(shù)的調(diào)整即能有效去除NOx ，達(dá)到凈化柴油機尾氣的效果。

5 總結(jié)

低溫等離子體在放電過程中會激發(fā)產(chǎn)生大量的活性基體， 顯著提高催化劑的活性，產(chǎn)生臭氧等氣體與排氣中的NOx、HC和PM等進(jìn)行反應(yīng)，如將NO氧化成高價氧化物NO2等。大幅提高了NOx轉(zhuǎn)化率和PM去除率。另外，低溫等離子體凈化尾氣技術(shù)具有流程短、轉(zhuǎn)化率高、處理徹底、無二次污染、適應(yīng)溫度范圍廣、對燃油含硫量無要求等特點，越來越多的研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠商從事這方面的研究和開發(fā)。

如果將低溫等離子體放電與催化還原設(shè)備如SCR相結(jié)合，用于低溫工況下柴油機 NOx的選擇性還原，是極具吸引力和應(yīng)用前景的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]李世用.船用柴油機Urea-SCR系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設(shè)計[D].大連海事大學(xué)，2012.

[2]吳江霞，蔡憶昔，趙衛(wèi)東，李小華等.低溫等離子體處理柴油機NO_x和PM試驗研究[J].環(huán)境工程學(xué)報，2008（08）：1078-1082.[12]陳殿英.低溫等離子體及其在廢氣處理中的應(yīng)用.化工環(huán)保，2001，21（03）：136-139.

[3]Young Sun Mok， Yil Jeong Huh. Simultaneous removal of nitrogen oxides and particulate matters from diesel engine exhaust using dielectric barrier discharge and catalysis hybrid system [J].Plasma Chemistry and Plasma Processing， 25（2005） 625-639.

[4]吳福堂.低溫等離子體凈化裝置對降低汽油機尾氣排放污染的實驗研究[D].重慶大學(xué)，2008.

作者簡介：尹釗（1993-），碩士在讀，研究方向：船舶柴油機尾氣排放控制。