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柴油机排气低温等离子体净化技术
作者:管理员    发布于:2016-10-17 08:50:46    文字:【】【】【

  近几年,国外出现了一种新兴的物理与化学相结合的废气处理技术低温等离子体技术(Northemal Plasma,NTP)将NTP技术应用于柴油机排气净化是柴油机排气后处理技术领域的一种全新概念。NTP不仅对碳烟微粒(PM)产生很好的净化效果,而且能对NOx、HC、CO等有害物实现同步净化112.这项技术具有净化效率高、能耗低以及无二次污染特点,发展前景广阔。国外内燃机权威己将NTP确立为未来全面、有效解决柴油机排气污染问题的具希望的一项技术。

  美国汽车工程协会(SAE)将低温等离子体汽车尾气排放控制技术列为2000年世界汽车工业十大科技之一13 NTP净化柴油机排气的基本原理NTP净化机理是,在常压下通过电晕或介质阻挡放电产生低温等离子体,利用等离子体中含有大量的高能电子、激发态粒子、原子氧(0)以及由此产生的氧化性极强的自由基(OHX、HO2)、臭氧(O3)等,引发一系列的物理和化学反应,从而实现对排气有害物实现净化的目的。

  等离子体中活性粒子具有较高的能量,有的甚至还高于某些气体分子的键能,如表1所示141.当电子能量<10eV时,由原子氧产生的一系列氧化性极强的氧和氢氧根自由基、臭氧等强氧化物质迅速将气体中的N0x、C0、HC、m氧化并转化成无害成分。当分子能10eV时,电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时,高能的活性粒子和有害物作用直接打开分子键生成一些单原子分子和固体微粒表1等离子体能和一些气体分子的键能(等离子体中各种粒子的结合能量值)NTP净化柴油机排气的技术路线NTP净化柴油机排气时,可能发生各种类型的反应。既有氧化反应,又有还原反应。这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及其共存的气体成分。从柴油机排气净化的应用角度出发,国际上比较公认的NTP净化柴油机排气的技术路线为:利用高压脉冲放电在柴油机排气中产生低温等离子体。

  利用等离子体中产生的氧化能力极强的OH x、ho2x、x、3在柴油机排气中进行氧化反应。

  PM的氧化反应:C+2O-CO2 NO的氧化反应:利用氧化反应生成的具有强氧化性的NO2对排气中的PM进行氧化,同时NO2得到还原15 NTP净化柴油机排气的关键技术国内外在NTP净化气体有害物方面进行了大量的基础性研究,取得了一些研究成果161,但对于NTP净化柴油机排气的技术方面还存在许多问题和一些不一致的观点,有待于进一步研究。目前低温等离子体净化柴油机排气的关键技术主要有:4.1反应机理的研究脉冲电晕等离子体中产生的活性粒子、柴油机排气成分、浓度、温度、速度等对柴油机排气中的PM、NOx、CO、HC等的作用,这其中包括氧化、还原、分解、以及化合等作用171;排气中的各种气体成分及其浓度,在有害排气物净化过程中的协同作用研究;脉冲注入能量对柴油机有害排放物的反应速度4)脉冲放电低温等离子体对NOx的选择催化还原(SCR),PM对氧化产物NO2还原和PM同时得到氧化的研究。

  通过以上内容的研究获得有关反应机理的信息,掌握控制化学反应定向的关键技术使活化了的气体分子按要求的方向发展,从而使柴油机排气中的NOx、PM、CO和HC同时得到净化。

  4.2电晕特性的研究电晕特性直接决定反应器中等离子体状态(电子温度和密度分布等),并终影响净化效果。通过对电参数测量或光谱分析揭示脉冲电晕特性。描述电晕特性的主要电参数有电源参数和电源波形参数。其中,电源参数主要有脉冲电压、脉冲电流、脉冲上升时间、脉宽以及重复频率;电源波形参数主要有单次脉冲能量、单次脉冲电量、能量峰值以及脉冲波形的震荡程度等。

  快的脉冲上升前沿时间和高的脉冲电压峰值可以使电子在自由程内受到突发性强电场>100kV加速而得到足够的能量。数万度的高能电子与中性气体分子和原子发生非弹性碰撞,使这些中性粒子的激发、分解及电离更为强烈;脉冲宽度窄,可有效防止离子(其迁移率为电子的103)在电场中加速而引起的能量浪费。

  4.3电源和反应器的研究电源和反应器是NTP净化柴油机排气的实体。

  常用反应器供能方式有直流(dc)、交流(ac)、脉冲、骑脉冲(脉冲叠加直流,ac+dc)等形式。脉冲电源是目前研究的热点,它只加速质量较小的电子,而不加速质量较大的离子,因此能量利用率高。脉冲电源波形需满足前沿陡峭、脉宽窄的特点,以便使能量有效地注入反应器。

  研究表明,电源极性也对产生的等离子体的性质有影响,且正极性脉冲电压放电要比采用负极性的流注长171.理论上峰值电压与脉冲重复频率越高、脉宽越窄、上升沿时间越短,放电所产生的净化效率就越高。实际运用中,电源参数的指标越高、制作电源的成本和难度也将呈直线上升。电源设计时,应考虑电源的过载保护功能,确保电源在(过压、超温、短路保护功能)时能自动切断电源自我保护。

  及净化效率的研究aAcadco唧alElectronicPublishinglf,1)能产(生高密度均匀分布的流光;2)低起焱电压、反应器设计的好坏直接影响净化效率、电源能耗、放电的稳定性能及反应器使用寿命等。设计时应遵高击穿电压;3)对气体能产生一定的滞留作用,使气体反应充分,提高净化效率;4)适于车载,柴油机排量一定时,获得较高效率,成本低廉,符合工艺要求。

  要达到较好的净化效果,电源和反应器两者必须结合研究。反应器作为电源负荷必须同电源相匹配,既将传输到反应器的脉冲能量全部注入到反应器,而又无沿传输线反应。

  5结束语经过近十年的研究,国外己在柴油机排气低温等离子体净化技术方面取得了一定的研究成果。近几年国内一些高校和科研单位才开始研究柴油机低温等离子体净化技术到目前还没有取得重大的进展,距实用化尚有较大的距离。可以预见,柴油机排气低温等离子体将是今后内燃机净化领域研究的热点之一,其开发成功无疑将极大地推动柴油机尾气控制技术的进步。

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