淺談強電離放電對汽車排放物NOx凈化

杜丹豐 佟崢 趙靖 王俊翔 陳振霖 田龍禎

摘要：汽車排放污染物中NOx是一種十分有害的氣體，應(yīng)用大氣強電離放電技術(shù)，將廢氣中的NO、NO2等NOX氣體粒子轉(zhuǎn)化成O3，H2O2等氧活性粒子，凈化效率高，效果顯著，如果結(jié)合廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)將活性粒子送回發(fā)動機進氣系統(tǒng)當中，既降低了污染，又提高了發(fā)動機進氣系統(tǒng)中氧活性粒子的濃度，同時提高了充氣效率。

關(guān)鍵詞：強電離放電;汽車;排放物;NOx;凈化NOX由于其化學(xué)反應(yīng)低以及難溶于水的特性，一直是廢氣處理的難點之一，在研究內(nèi)燃機NOX排放物治理的問題上，白希堯等[1]提出的強電離放電技術(shù)則解決了這個問題，張芝濤等[2]人對電介質(zhì)材料做出了改進，在高頻電源的激勵作用之下，就可以有效地完成強電離放電。

據(jù)有關(guān)學(xué)者研究[34]，強電離放電技術(shù)可以在較短的時間段內(nèi)生成大量的強氧化性粒子（如O3，H2O2），從而迅速完成脫硝反應(yīng)過程，因此處理效率高、成本相對低的強電離放電脫硝技術(shù)具備極大的潛力，但由于其尚未形成完全統(tǒng)一理論，在實際運用方面仍存在空白。

1 強電離放電脫硝微觀機理

1.1 強電離放電技術(shù)的化學(xué)機理

強電離放電所涉及的基元反應(yīng)有激發(fā)、解離和電離過程、復(fù)合反應(yīng)、電子附著和解吸與離子分子反應(yīng)等。

（1）激發(fā)、解離和電離過程：活性粒子和離子的碰撞、電子間相互的碰撞和光線所導(dǎo)致的激發(fā)、解離和電離;

（2）復(fù)合：復(fù)合反應(yīng)是電離的逆過程，即帶有相反電荷粒子相互碰撞生成新的中性粒子且釋放能量的過程。復(fù)合反應(yīng)主要由離解復(fù)合、輻射復(fù)合、三體碰撞復(fù)合以及兩體碰撞復(fù)合四種類型構(gòu)成;

（3）電子附著和解吸：某些分子或原子與電子碰撞從而生成負離子的現(xiàn)象稱為電子附著。反之，負電子釋放離子的過程稱為電子解吸;

（4）粒子分子反應(yīng)：離子分子反應(yīng)即由離子和分子所形成的轉(zhuǎn)化過程，該反應(yīng)作為低溫等離子體反應(yīng)中極為重要的一環(huán)卻由于反應(yīng)過程極為復(fù)雜，尚未形成明確的反應(yīng)過程理論。以上四類基元反應(yīng)構(gòu)成了包括強電離放電在內(nèi)的各種等離子體反應(yīng)基礎(chǔ)。

四類基元反應(yīng)構(gòu)成了包括強電離放電在內(nèi)的各種等離子體反應(yīng)基礎(chǔ)。

1.2 強電離放電脫除NO微觀流程

NOx在等離子體容器內(nèi)主要是以氣相氧化的途徑完成分解與轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化分解過程可以大致分為以下三個階段[67]。

（1）微放電階段。排放廢氣中的中性氣體分子與強電離放電所產(chǎn)生的高能量電子相互作用，高能電子所帶能量通過非彈性碰撞傳遞至中性氣體粒子，在此過程中氣體粒子的共價鍵發(fā)生破壞，從而達到離解、電離氣體分子的目的，形成最原始狀態(tài)的活性粒子H、O、N和OH。

（2）暫態(tài)粒子轉(zhuǎn)化階段。氣體分子離解所生成的一些中間態(tài)粒子會和氣體粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而迅速消失，其存在的時長極短，與此同時也可以生成新的活性粒子，此過程持續(xù)時長十分短暫，約為幾十納秒，并在微放電過程中同步進行。

（3）活性粒子氧化NOX階段?；钚粤Ｗ油ㄟ^與NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將NOX氧化成HNO3來達到脫除轉(zhuǎn)化NOX的目的。除此以外，由于在NOX脫除轉(zhuǎn)化過程中通常會產(chǎn)生部分二次自由基O3、HO2，這些物質(zhì)也會與NOX發(fā)生離解反應(yīng)。

三個脫除階段的反應(yīng)間邊界并不完全明確，即在時間和空間上都會存在反應(yīng)同步發(fā)生的情況，前一階段反應(yīng)完成后產(chǎn)生的物質(zhì)或改變的狀態(tài)都將成為下一階段反應(yīng)出現(xiàn)的誘發(fā)條件。

2 強電離放電技術(shù)優(yōu)越特性

2.1 強電離放電電子能量分布特性

電子的平均能量不同，則對應(yīng)的具有特定能量的電子的占有率也會有所不同，而在繪制電子能量—具有特定能量的電子的占有率函數(shù)圖像時，可近似將電場中的電子能量分布按照服從麥克斯韋分布計算。電子能量的強弱與分布狀態(tài)和理解效率有著緊密的聯(lián)系，有較高能量的粒子所占有的比例也越大，從隨著電子能量的增大，則具有較高能量的電子的占有率在持續(xù)增大，反之，能量較低的電子的所占比例在不斷減小。

2.2 強電離放電與稀薄燃燒對比

稀薄燃燒可以降低NOX、CO、HC的排放，同時也可以做到燃油的節(jié)約，然而稀薄燃燒還是難以達到排放標準，主要原因還是由于NOX的排放量過高而導(dǎo)致的。與稀薄燃燒相比，強電離放電技術(shù)通過提供足夠大的放電電場強度，從而達到足以破壞NOX內(nèi)部共價鍵的結(jié)構(gòu)，從而有效地提高了NOX的轉(zhuǎn)化效率，彌補了單一稀薄燃燒所帶來的不足之處。

2.3 強電離放電與單純EGR對比

根據(jù)裴普成的研究成果，在針對NOX的排放特性方面，EGR技術(shù)具有與稀薄燃燒相似的特性，故在相同條件下廢氣再循環(huán)技術(shù)對于NOX的轉(zhuǎn)化效率是要遠低于強電離放電技術(shù)。

3 結(jié)語

與單純稀薄燃燒和EGR技術(shù)對比，強電離放電技術(shù)在針對汽車尾氣中NOX的處理，具有顯著的優(yōu)勢，能有效地提高NOX的轉(zhuǎn)化率，彌補了單一稀薄燃燒所帶來的不足之處;同時，強電離放電技術(shù)對于NOX的轉(zhuǎn)化效率遠高于廢氣再循環(huán)技術(shù)，如果結(jié)合廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)將活性粒子送回發(fā)動機進氣系統(tǒng)當中，既降低了污染，又提高了發(fā)動機進氣中氧活性粒子的濃度，同時提高了充氣效率。

參考文獻：

[1]白希堯，張芝濤，楊波，胡又平.強電離放電及其應(yīng)用研究的進展[J].中原工學(xué)院學(xué)報，2003（S1）：59.

[2]張芝濤，鮮于澤，白敏冬，許波.強電離放電研究[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002（5）：507510.

[3]湯紅.強電場電離放電脫硫的研究[D].大連海事大學(xué)，2004：35.

[4]扈群，白敏冬，白希堯.電離放電脫硫脫硝等離子體過程的研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2000（3）：8790.

[5]余剛.等離子體NOx脫除機理及特性研究[D].東南大學(xué)，2003：1921.

[6]丁水蘭，張應(yīng)洲，謝春雪，余奇，余剛.非熱等離子體氧化NO脫除實驗研究[J].武漢紡織大學(xué)學(xué)報，2014（3）：4145.

[7]夏剛.磁電等離子體極化激發(fā)態(tài)進氣裝置對降低汽車尾氣排放污染的實驗研究[D].重慶大學(xué)，2007：2930.

基金項目：東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項目：發(fā)動機進氣富氧研究支持（項目號：KY2019010）