低溫等離子體處理柴油機(jī)尾氣的技術(shù)研究

董國(guó)輝

摘要：由于柴油機(jī)具備較高的輸出功率與熱效率，以及優(yōu)秀的燃油經(jīng)濟(jì)性和耐久性，已被普遍應(yīng)用于商務(wù)車、汽車、卡車及諸多類型的重型機(jī)動(dòng)車中。相較于汽油機(jī)，柴油機(jī)但排放量更低，更適于當(dāng)今節(jié)能減排的政策安排。然而柴油機(jī)所排放的尾氣卻蘊(yùn)含大量PM和NOx等污染物，在環(huán)保政策不斷深化的視域下，如何治理柴油機(jī)污染物排放問題，是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的主要研究課題。本文結(jié)合柴油機(jī)污染特點(diǎn)及成分，探析傳統(tǒng)處理柴油機(jī)尾氣方法及現(xiàn)狀，提出基于低溫等離子體處理柴油機(jī)尾氣的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：低溫等離子體;柴油機(jī);尾氣處理

引言

柴油機(jī)以其高效的輸出功率及經(jīng)濟(jì)性得到廣泛的應(yīng)用。在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，約90%的卡車與80%的商用車均采用柴油機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)，而我國(guó)的柴油機(jī)應(yīng)用與生產(chǎn)也不斷保持著迅速的發(fā)展趨勢(shì)。2004年我國(guó)柴油機(jī)總產(chǎn)量達(dá)70萬(wàn)臺(tái)，2007年總產(chǎn)量已達(dá)167.34萬(wàn)臺(tái)，截止到2017年，我國(guó)柴油機(jī)制造企業(yè)排名靠前的企業(yè)，全年生產(chǎn)總量為395.21萬(wàn)臺(tái)。然而近些年來，隨著社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與深化，大氣污染問題逐漸嚴(yán)峻，機(jī)動(dòng)車尾氣在大氣污染的比例占70%–80%。我國(guó)環(huán)保部門對(duì)此提出更高的要求，嚴(yán)格要求柴油機(jī)利用多種現(xiàn)代科技全面治理尾氣中大量的PM和NOx物質(zhì)以此推進(jìn)相關(guān)環(huán)境保護(hù)工作的進(jìn)展。

柴油機(jī)尾氣中的污染物及污染特征

柴油機(jī)尾氣成分主要包括CO2、N2、O2、H2O以及各種有害物質(zhì)。通過相關(guān)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，可知柴油機(jī)污染物的成分主要為PM和NOx，也包含少量的HC、CO及硫化物。其中NOx是指氮氧化合物，是柴油機(jī)污染物的主要成分，約占總含量的60%，可以說NOx的生成與柴油機(jī)運(yùn)作原理具有緊密的關(guān)系。柴油機(jī)依托空氣壓縮技術(shù)，引燃柴油燃料推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)氣缸溫度達(dá)1700℃時(shí)，O2與N2發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化合物。其中氧含量、溫度及時(shí)間是氮氧化合物形成的主要因素，缺一不可。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)空氣中的氮氧化合物達(dá)到一定比重后，會(huì)形成酸雨，化學(xué)煙霧及生態(tài)循環(huán)富營(yíng)養(yǎng)化等問題，嚴(yán)重破壞著自然生態(tài)系統(tǒng)。于此同時(shí)，氮氧化合物是毒性猛烈的化學(xué)物質(zhì)，能夠引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病，危害國(guó)民健康。而PM是尾氣中僅次于氮氧化合物的有害物質(zhì)，是由燃燒不完全的潤(rùn)滑油和燃料通過化學(xué)作用聚集而成。PM的主要成分包括碳煙、水、硫酸鹽及少量的SOF。傳統(tǒng)治理柴油機(jī)尾氣可有效減少PM產(chǎn)生量，卻勢(shì)必增加氮氧化合物的生成量，不利于環(huán)境治理工作的開展。因而，氮氧化合物和PM的生成是尾氣治理環(huán)節(jié)中的主要矛盾。如何將氮氧化合物和PM進(jìn)行聯(lián)合治理是目前面對(duì)的主要難題。

傳統(tǒng)柴油機(jī)尾氣治理技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

DOC處理技術(shù)

DOC是柴油機(jī)催化器，能夠有效將CO與HC氧化，轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，并同時(shí)將NO轉(zhuǎn)化為二氧化氮，以此提升DOC下游的SCR和DPR系統(tǒng)的運(yùn)作效率。通常來講，DOC通常采用貴金屬作為催化劑，如鈀、鉑等。然而由于DOC系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)需要特定的活化溫度。因而，如何有效控制溫度，成為DOC系統(tǒng)催化反應(yīng)的重要前提。而為有效調(diào)控DOC系統(tǒng)溫度，相關(guān)科研人員在DOC系統(tǒng)外部增添加熱裝置，以達(dá)到充分治理有害物質(zhì)的目的。然而由于貴金屬對(duì)硫化物的抗性差，致使DOC的生產(chǎn)成本提升，極大制約著DOC系統(tǒng)的推廣。

DPF處理技術(shù)

DPF技術(shù)是指微粒捕捉器，主要運(yùn)用物理過濾實(shí)現(xiàn)去除尾氣中有毒物質(zhì)PM的目的。通常被廣泛應(yīng)用于DOC下游，以提升柴油機(jī)尾氣凈化率。DPF呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，由SiC或者青石構(gòu)成。相較于DOC通常的網(wǎng)格通道，DPF氣體網(wǎng)格出口被完全封堵，以此促使氣體通過容器壁，進(jìn)入其他網(wǎng)格，過濾掉大量有害PM物質(zhì)。因而DPF在治理PM層面有著較高的效率，通?？蛇_(dá)到90%的凈化率。然而在運(yùn)作DPF時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的背壓，增加燃油耗損量，降低運(yùn)行效率。此外，當(dāng)DPF過濾量達(dá)到一定數(shù)值后，顆粒會(huì)添堵容器壁孔隙，致使DPF尾氣過濾功能下降，不利于柴油機(jī)尾氣的治理工作。

SCR處理技術(shù)

SCR是指選擇性還原器，主要用于治理尾氣中的氮氧化合物，通過氧化作用，將其還原為二氧化氮并進(jìn)行排放。在實(shí)際應(yīng)用中，為有效還原氮氧化合物，需要在SCR系統(tǒng)中添加大量還原劑。而根據(jù)還原劑類別的不同，SCR可大體氛圍NH3–SCR與HC –SCR兩種，為有效探析傳統(tǒng)柴油機(jī)尾氣處理技術(shù)的運(yùn)作原理、特征及弊端，本文主要闡述應(yīng)用范圍較廣的NH3–SCR技術(shù)?；贜H3物質(zhì)極易引發(fā)排氣管道爆炸，科研人員通常將尿素和尿素溶液混合于NH3 內(nèi)部，以此保障SCR系統(tǒng)的安全運(yùn)作。然而由于SCR需要合適的反應(yīng)溫度，一旦反應(yīng)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)值后，可導(dǎo)致尿素分解不徹底，生成異氰酸及雙縮脲等有害物質(zhì)。

低溫等離子體柴油機(jī)尾氣治理技術(shù)

低溫等離子體技術(shù)治理HC、CO

低溫等離子體技術(shù)是指利用介質(zhì)放電、電暈放電的方式產(chǎn)生等低溫等離子體，以此達(dá)到治理尾氣污染物的目的。由于放電反應(yīng)處于氧化環(huán)境內(nèi)，等離子體通過電離反應(yīng)生成的自由基具備較強(qiáng)的氧化性，例如臭氧、OH及自由基等，極易與HC、一氧化氮進(jìn)行反應(yīng)，使其氧化為水和二氧化碳。在工業(yè)廢氣中，低溫等離子技術(shù)便被大量應(yīng)用在工業(yè)廢氣的處理中，已達(dá)到處理笨、甲醛等廢氣的目標(biāo)。在柴油機(jī)尾氣處理層面，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者通過實(shí)踐研究等方式，論證在不同電壓等級(jí)及工況等級(jí)視域下，低溫等離子體尾氣治理效果最高，其中HC凈化率可達(dá)91%。而應(yīng)用介質(zhì)放電方式，可有效達(dá)到凈化芳香烴、提升柴油機(jī)運(yùn)作效率的目的。

低溫等離子體技術(shù)治理PM物質(zhì)

低溫等離子體治理PM的理論依據(jù)是借助靜電集塵原理，是通過放電反應(yīng)使PM顆粒產(chǎn)生負(fù)荷，并在靜電環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行收集的手段。福建大學(xué)張?jiān)茲Y(jié)合低溫等離子體的特征與柴油機(jī)運(yùn)作原理，研制出電暈放電裝置，以此提升低溫等離子體治理效率。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，該裝置在特定脈沖頻率與電壓等級(jí)下，能達(dá)到70%–80%的PM治理率。然而此裝置卻不能全面、直接地清除尾氣中的PM。因而相關(guān)研究人員進(jìn)行低溫等離子體焚燒PM實(shí)驗(yàn)，并為提升等離子體治理能力，增加了放電能量，研制出介質(zhì)放電裝置，以此達(dá)到凈化PM的目的。在后續(xù)應(yīng)用中，國(guó)外學(xué)者Okubo將介質(zhì)放電裝置與傳統(tǒng)DPF技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地整合，利用等離子體放電形成的臭氧物質(zhì)，氧化DPF中的PM物質(zhì)，并將其徹底清除。

低溫等離子體技術(shù)治理NOx物質(zhì)

一般來講，低溫等離子技術(shù)難以真正去除柴油機(jī)尾氣中的氮氧化合物。原因在于等離子具有較強(qiáng)的氧化性，而將氮氧化合物還原為無害的氮物質(zhì)，必須利用催化劑及還原劑。因而，可將氮氧化合物中的一氧化氮生成二氧化氮，以此達(dá)到降低氮氧化合物濃度的問題。為有效完善低溫等離子體的治理體系，相關(guān)學(xué)者在貧氧環(huán)境下對(duì)等離子體凈化氮氧化合物進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)在采用BaTiO3 介質(zhì)后，氮氧化合物總量快速下降，轉(zhuǎn)化率可達(dá)75.45%左右。根據(jù)這個(gè)原理，研制出利用周期性的解吸附與吸附的方式治理氮氧化合物的系統(tǒng)，在實(shí)際處理環(huán)節(jié)中，選用催化劑對(duì)氮氧化合物進(jìn)行吸附，并在達(dá)到一定數(shù)值后，導(dǎo)入二氧化氮?dú)怏w，從而促使氮氧化合物解吸附為無害的N2 物質(zhì)。

結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)柴油機(jī)尾氣處理系統(tǒng)通常采用物理方法對(duì)有害污染物進(jìn)行治理，例如DOC、DPF及SCR等。然而在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)手段存在著諸多的應(yīng)用問題，例如催化劑中毒、汽車?yán)鋯?dòng)等問題。因此低溫等離子體的引入能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)處理手法所帶來的弊端，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)尾氣中的CO、HC、PM、氮氧化物治理的目標(biāo)，進(jìn)而提升柴油機(jī)運(yùn)作效率，推動(dòng)科技發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

陶杰，任連城，趙成利.基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫等離子體凈化汽車尾氣技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)，2012（06）：42–45.

陳澤智，周玉香，劉濤，唐秋萍，龔惠娟.尾氣凈化用低溫等離子體催化反應(yīng)器的研制及實(shí)驗(yàn)研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2005（02）：6–8+12.

張文豪，杜傳進(jìn)，王偉.低溫等離子體技術(shù)凈化柴油機(jī)尾氣NO_x的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008（01）：79–81.