柴油車尾氣氮氧化物控制技術(shù)現(xiàn)狀

郭秀榮 徐岳峰

摘?要：隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量大幅增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放量也隨之增加。氮氧化物（NOX）是機(jī)動(dòng)車排放四項(xiàng)污染物之一，會(huì)給人類健康和自然環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響，降低柴油車尾氣NOX排放的方法主要有機(jī)內(nèi)凈化和后處理技術(shù)，機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要從進(jìn)氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進(jìn)行改善排放;尾氣NOX后處理技術(shù)主要有稀燃NOX捕集技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)及低溫等離子體技術(shù)，其中選擇性催化還原技術(shù)應(yīng)用較多，低溫等離子體技術(shù)處于試驗(yàn)階段，目前尚未成熟。

關(guān)鍵詞：柴油車;尾氣;氮氧化物;控制技術(shù)

1 概述

隨著中國(guó)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國(guó)的交通事業(yè)日漸完善，機(jī)動(dòng)車數(shù)量大幅增長(zhǎng)，據(jù)2018年《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》統(tǒng)計(jì)，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.1億輛，其中汽車2.17億輛。而機(jī)動(dòng)車排放的廢氣同樣與日俱增，機(jī)動(dòng)車尾氣控制和治理機(jī)動(dòng)車尾氣迫在眉睫。而柴油車在機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放量分擔(dān)率占比上大幅領(lǐng)先于汽油機(jī)。

國(guó)Ⅱ和Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的柴油車NOX排放量分擔(dān)比例較小，這是由于國(guó)Ⅱ和國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的柴油車數(shù)量較少，僅占柴油車保有量的7.3%;國(guó)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的柴油車NOX排放量分擔(dān)比例最大，高達(dá)63.2%，國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的柴油車NOX排放量則占26.6%[1]。

氮氧化物（NOX）是機(jī)動(dòng)車排放四項(xiàng)污染物之一，會(huì)給人類健康和自然環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響。綜合已知的降低尾氣排放的方法，可以將其大致分為兩類：一種是在燃油燃燒時(shí)降低排放的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，另一種是柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)。

2 機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要從進(jìn)氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進(jìn)行研究。通過機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)的發(fā)展降低了柴油機(jī)排放物，緩解了后處理技術(shù)的壓力。

2.1 渦輪增壓中冷技術(shù)

通過渦輪增壓使進(jìn)入柴油機(jī)汽缸內(nèi)的空氣密度增大，實(shí)現(xiàn)高的空氣燃油比率，達(dá)到超低NOX排放和高熱效率。然而增壓導(dǎo)致空氣密度提高必然提高空氣的溫度，不僅影響充氣效率還會(huì)導(dǎo)致爆燃。此外，據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，較低的空氣溫度有利于柴油機(jī)功率增加以及降低排放廢氣中的氮氧化物，所以在增壓器和柴油機(jī)進(jìn)氣管之間必須增加中冷技術(shù)（中冷器）。

2.2 改進(jìn)燃油系統(tǒng)

使用新型的燃燒技術(shù)，例如均質(zhì)燃燒、低溫燃燒和高預(yù)混燃燒;以及改進(jìn)燃油噴射技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)低排放，需要滿足以下要求：提高噴油壓力，提高燃油的霧化程度;優(yōu)化噴油規(guī)律，實(shí)現(xiàn)的每循環(huán)多次噴射。

2.3 廢氣再循環(huán)

柴油機(jī)燃燒后排放的氣體含氧量極低，將其與進(jìn)來的氣體混合后實(shí)現(xiàn)氣體中的氧氣濃度降低，這時(shí)的柴油機(jī)燃燒溫度降低，從而抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。

3 柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)

柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)主要包括：顆粒捕集器（DPF）、氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、NOX凈化技術(shù)。

3.1 稀燃NOX捕集技術(shù)（Lean NOXTrap，LNT）

LNT也稱NOX存儲(chǔ)還原技術(shù)（NOXstorageandreduction，NSR）是利用發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃排氣條件下NOX吸附，富燃排氣條件下將NOX還原為N2的周期性尾氣后處理技術(shù)[1，2]。LNT技術(shù)的NOX去除率能達(dá)到90%以上，并且不需要像SCR系統(tǒng)添加額外的尿素溶液存儲(chǔ)控制設(shè)備和相應(yīng)的設(shè)備建設(shè)[2]。LNT技術(shù)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅使得柴油車在空間占用上進(jìn)行了縮減、成本降低，而且不容易發(fā)生故障。

3.2 選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction）

氨氣選擇性催化還原技術(shù)（NH3-Selective Catalytic Reduction，NH3-SCR）是由美國(guó)Engelhard公司首次提出，日本于20世紀(jì)70年代率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，隨后逐步在歐美國(guó)家廣泛應(yīng)用。其工作過程是向尾氣中噴入還原劑氨或者尿素，在催化劑作用下，將尾氣中的NOX還原成無毒害的N2和H2O，實(shí)現(xiàn)氮氧化物的去除[3]。

目前商用的催化劑是V2O5-WO3/TiO2系列，適合其工作的溫度窗口狹小，當(dāng)氣體溫度到達(dá)300℃-400℃時(shí)，SCR系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)最大效率的NOX去除。在相對(duì)較低的溫度范圍內(nèi)，V2O5-基催化劑的水中毒和硫中毒問題一直未得到有效的解決[4]。

3.3 低溫等離子體技術(shù)（Non-thermalplasma，NTP）

近年來，低溫等離子體技術(shù)因其產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)粒子、高能電子、自由基和離子等活性粒子能與有害氣體分子發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)而逐漸受到相關(guān)學(xué)者的注意。其特點(diǎn)是具有物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)，并且有消耗能量少、凈化效率高、沒有二次污染等明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是低溫等離子體技術(shù)在柴油車尾氣凈化中仍然處于試驗(yàn)階段，目前尚未成熟。

4 結(jié)論

降低柴油車尾氣NOX排放的方法機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和尾氣后處理技術(shù)。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要從進(jìn)氣、燃燒、噴油以及廢氣再循環(huán)等方面進(jìn)行改善排放;尾氣NOX后處理技術(shù)主要有稀燃NOX捕集技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)及低溫等離子體技術(shù)，選擇性催化還原技術(shù)應(yīng)用較多，低溫等離子體技術(shù)處于試驗(yàn)階段，目前尚未成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉磊.EGR與LNT協(xié)同控制稀燃汽油機(jī)NO_x排放試驗(yàn)及仿真研究[D].天津：天津大學(xué)，2016.

[2]趙海寧.吸附還原催化系統(tǒng)降低稀燃汽油機(jī)NOx排放仿真研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[3]Shi C，Ji Y，Graham UM，et al.NOx Storage and Reduction Properties of Model Ceria-based Lean NOx Trap Catalysts[J].Applied Catalysis B：Environmental，2012，119-120：183-196.

[4]Feng guo Jian-Yu-Mo-Chu-Guangwen-Xu.Interaction between support and V2O5 in the selective catalytic reduction of NO by NH3[J].Catalysis Science & Technology，2014，4（7）：2147-2155.