汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)

吳農(nóng)樂

【摘要】 ?我國近幾年來很多地區(qū)都開始出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，空氣中可吸入顆粒物含量嚴(yán)重超標(biāo)，空氣污染問題已經(jīng)十分嚴(yán)重，研究表明，有一半的空氣污染源來自汽車尾氣。因此，人們開始重視汽車尾氣排放的檢測與催化轉(zhuǎn)化，在高校中設(shè)置了大氣污染控制工程的課程，并在教學(xué)過程中進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)專業(yè)的人才。本文主要研究有關(guān)汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】 ?汽車尾氣 排放檢測 催化轉(zhuǎn)化 教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)

【中圖分類號】 ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）13-176-01

隨著人們生活質(zhì)量的逐漸提高，越來越多人選擇購買私家車，不但使道路更加擁堵，而且由于排放的汽車尾氣中含有大量的氮氧化合物，還造成了空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化。因而國家開始重點(diǎn)培養(yǎng)大氣污染控制工程方面的人才，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)的煙氣脫硝技術(shù)，對汽車尾氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力以及創(chuàng)新精神，培養(yǎng)出高素質(zhì)的治理大氣污染的人才。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)原理

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

我國目前高校開設(shè)的大氣實(shí)驗(yàn)課程還不夠成熟，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容枯燥單一，加之投入的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化現(xiàn)象嚴(yán)重，并不能滿足教學(xué)的需求。結(jié)合高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀以及我國目前大氣污染的治理情況，設(shè)計(jì)出一種“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，將學(xué)生所學(xué)的大氣污染控制的理論知識，應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中去，基于該系統(tǒng)進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)高素質(zhì)的環(huán)境科學(xué)人才。

（二）實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理

“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”如圖1所示，主要包括五部分分支系統(tǒng)：催化劑制備系統(tǒng)、溫控及催化反應(yīng)系統(tǒng)、尾氣排放檢測系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、反應(yīng)檢測系統(tǒng)。在汽車排放控制實(shí)驗(yàn)中，汽車尾氣排放檢測是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)處于空擋運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，節(jié)氣門開度很小，進(jìn)入氣缸的可燃混合氣較少，同時(shí)受到氣缸內(nèi)殘存廢氣的稀釋，使得混合氣的燃燒不充分。這時(shí)汽車排放的尾氣中一氧化碳和碳?xì)浠衔锏暮枯^高，氮氧化合物的含量較少。雖然怠速法測量汽車尾氣排放不能將實(shí)際的行車工況全部反映出來，但是由于在怠速工況下，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)處于無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，尾氣排放檢測方式相對簡單，所以普遍應(yīng)用在各國的尾氣排放檢測當(dāng)中。

“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”在實(shí)驗(yàn)過程中采用尾氣分析儀檢測汽車處在不同怠速工況下的氣體濃度，包括碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳以及氧氣等，使汽車處在不同的工況下，檢測氣體濃度，記錄尾氣排放特征，分析出現(xiàn)這種情況的原因。記錄尾氣中不同氣體濃度的變化，重點(diǎn)觀察污染大氣的氣體濃度變化，進(jìn)而確定催化轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中的配氣比例以及氣體的種類情況。

對于實(shí)驗(yàn)中檢測到的污染大氣的主要?dú)怏w氮氧化合物，使用SCR（選擇性催化還原法）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，SCR技術(shù)是通過催化劑的催化作用，在尾氣中噴入還原劑NH3，將汽車尾氣中的氮氧化合物轉(zhuǎn)化為水和惰性氣體氮?dú)?。NH3具有一定的選擇性，在適宜的溫度條件下，能夠不被尾氣中的氧化物氧化，只與氮氧化合物反應(yīng)，是一種高端的煙氣脫硝技術(shù)。NH3-SCR的實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

在“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”中涉及到的溫度控制及反應(yīng)系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)等都是通過專業(yè)的公司加工生產(chǎn)的，根據(jù)SCR的實(shí)驗(yàn)原理，通過比較最終選擇氮氧化合物、氨、氧氣、氮?dú)庾鳛檫M(jìn)入配氣系統(tǒng)的氣體，經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)之后，檢測尾氣中剩余的氮氧化合物濃度，進(jìn)而計(jì)算轉(zhuǎn)化的效率，分析影響催化轉(zhuǎn)化的因素。

二、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

在進(jìn)行汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了讓學(xué)生動(dòng)手進(jìn)行規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以外，教師還可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。例如，檢測不同怠速工況下，汽車尾氣排放中所含的氣體濃度，驗(yàn)證汽車尾氣中的重要?dú)怏w成分是哪一種，主要可以驗(yàn)證高怠速和怠速工況。通過實(shí)驗(yàn)表明，兩種怠速工況下尾氣排放中主要包含的都是氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔锖脱鯕?，并且高怠速下氣缸?nèi)氣體燃燒溫度較高，一氧化碳含量較低，氮氧化合物含量較高;怠速工況下氮氧化合物含量較低，一氧化碳、碳?xì)浠衔锏暮枯^高。由此可以得出結(jié)論，氮氧化合物是汽車尾氣排放中的重要?dú)怏w成分，也是大氣污染中的重要成分。

另外，例如在進(jìn)行氮氧化合物轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意氣體的配氣量，氮?dú)馐瞧胶鈿怏w，所以氮?dú)獾暮渴亲疃嗟?，保持?20ml/min，其次是氮氧化合物和氨的含量，保持在30ml/min，最后是氧氣的含量，保持在20ml/min。實(shí)驗(yàn)過程中，將催化劑的溫度從5度升到200度，然后開始檢測氮氧化合物的濃度，當(dāng)溫度升高到450度停止，每隔2分鐘讀取一次氮氧化合物的濃度，并記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，同時(shí)記錄此時(shí)的催化劑溫度，30分鐘后停止。

結(jié)束語

隨著小轎車數(shù)量的逐漸增多，汽車尾氣排放對空氣的污染也越來越嚴(yán)重，國家逐漸重視保護(hù)大氣環(huán)境，在高校開設(shè)了大氣污染控制工程的課程，其中汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)課程，有助于將復(fù)雜的科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為典型的教學(xué)案例，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到先進(jìn)的控制大氣污染的技術(shù)。同時(shí)還有利于學(xué)生更好的理解掌握汽車尾氣排放的污染氣體與不同工況的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和創(chuàng)造能力，進(jìn)而培養(yǎng)出符合國家需要的高素質(zhì)創(chuàng)新型科技人才。

[ 參 ?考 ?文 ?獻(xiàn) ]

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