NTP去除柴油机微粒与NOx的试验研究

张耀武

（呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

在柴油机排气中预先将NO氧化成NO2，提高了NOx转化为N2的效率，并延长了催化剂的使用寿命。所以采用低温等离子体与选择性还原相结合的方法，NOx的转化效率更高、催化剂的寿命更长[1]。本文对NOx净化的研究主要采用低温等离子体辅助催化下的HC－SCR技术。试验分两步进行，先对只有等离子体参与下的氧化反应进行研究，然后再利用NOx在NTP参与下对其氧化[2]。本文所设计的试验分为以下3部分：

（1）低温等离子体对NOx的去除试验。

（2）等离子体辅助催化下HC-SCR的NOx去除试验[3]。

（3）微粒与NOx的同时去除试验。

1 低温等离子体净化系统组成

试验在东风朝柴生产的QD32T－6A柴油发动机上进行，构建了低温等离子体辅助催化还原（NTPSCR）试验平台，主要包括流量控制系统、加热系统、微粒过滤装置、等离子体装置、SCR系统、AVL五气分析仪及控制系统7大部分。

（1）流量控制系统。流量控制系统由孔板式流量计和电控节流阀组成。

（2）加热系统。加热系统由温度传感器和加热箱组成，用来控制发动机排气温度。

（3）微粒过滤系统。采用壁流式蜂窝陶瓷过滤体过滤发动机排气微粒。

（4）催化还原系统。催化还原系统由还原剂喷射系统、温度传感器和催化器组成。

（5）控制部分。硬件包括计算机、USB7310高速输入模块、USB7322高速输出模块以及相对的输入信号转换电路和外设驱动电路；软件用VC++编写。

2 NTP对NOx的去除试验研究

柴油机的负荷、进气温度、转速、进气压力对NOx的生成有着重要的影响，因此同一工况下NOx的生成量不可避免的存在波动范围[4-5]。为了尽量减少这种波动对试验结果造成的影响，本文对QD32T－6A柴油机部分稳定工况的NOx排放特性进行了研究。试验结果如图1所示。

图1 QD32T柴油机NOx浓度与转速、扭矩关系图

结果是同一转速下扭矩越大，NOx浓度越高；同一扭矩下，NOx浓度大体上随着转速的升高而升高；当发动机转速达到2400r/min以上时，排气中的NOx浓度较为稳定，对NOx的去除试验有利。因此，本文所进行的NOx去除试验大都选择在2 400 r/min这一工况。

等离子体中的高能电子对NOx的去除起着重要作用。装置结构一定时，等离子体中的电子从外加电场取得的能量很多取决于电场强度的大小，电场强度的大小又由放电电压所决定，因此本文对不同电压下等离子体反应器的NOx去除效果进行了研究。试验条件如下：发动机转速稳定在2 400 r/min，油门保持在52%，排气流量控制在28 m3/h，NOx浓度为68mg/L，排气先流经壁流式陶瓷过滤体，进入等离子体装置，再排入大气。图2为放电电压与去除率关系图，图3为放电电流与去除率关系图。

图2 放电电压与去除率关系图

图3 放电电流与去除率关系图

结论是当电压增大到8kV左右时，NOx的去除率与低电压比有大幅提高。从整体来看，去除率最高达到18%。放电电流与NOx去除率的关系也有相似规律。要E/P保持在3以上，电压至少要在2kV以上。随着电压的逐步增大，NOx的去除率逐渐上升。在柴油机排气中，水蒸气占2.60%，CO2占7.10%，O2占 15.00%，N2占 75.21%[6]。

从图4可以看出对于本文研制的等离子体装置而言，当等离子体所注入能量密度大约为20J/L时，NOx有较高的去除率。

3 NTP辅助催化下HC－SCR的NOx去除试验

图4 同一工况下的能量密度与NOx去除率关系

用等离子体辅助催化还原（NTP-SCR）时，将还原剂的喷射位置布置在等离子体装置之前。Matsuei等[7]通过试验发现该方案的NOx去除率较好，原因是还原剂等经离子体作用以后生成中氧化产物，提高了SCR的效率。

采用等离子体辅助催化下的HC－SCR技术时，必须找出两种技术的最佳结合点。等离子体放电的重要可调参数是放电电压，而HC-SCR的一个关键可调点就是还原剂的供给比例（气化后的还原剂与NOx体积比）。试验结果如图5所示。

图5 不同还原剂供给比例条件下NOx去除率

试验结果可以看出，当还原剂供给比例控制在3左右时，NOx的去除率达到最大值，即59.4%。

4 NTP对微粒的去除试验研究

由于柴油机排气流速较高，要达到高净化效率，对微粒的去除先捕集后去除。Van Setten等[8]对微粒和氧化催化剂之间不同的接触情况下的催化剂活性进行试验研究，认为在柴油机排气中用催化剂载体挂烟最理想。因为微粒能均匀附着在催化剂的载体表面，且微粒和催化剂的接触与实际状态相符[9]。具体如下：

将γ-Al2O3小球装入排气管中，两端用打孔金属挡板将其约束，然后在柴油机排气气流中进行挂烟。发动机转速稳定在2400r/min，油门由57%逐步过渡到77%，往复循环，持续挂烟1h，得到的γ-Al2O3小球。试验系统：试验采用的介质阻挡放电结构为杆－杆形，为了使微粒的去除与NOx的去除统一起来，整个等离子体产生装置除长度与NOx去除试验所用装置不同之外，其余尺寸完全相同。整个试验在大气环境中进行，试验过程中，将挂烟的小球放入放电间隙中，通过等离子体放电来去除附着在小球表面的微粒。放电电压对微粒去除率的影响：环境温度为15℃条件下，从0V开始逐步增大放电电压至10.5kV，在介质小球周围就有微放电发生；随着电压的逐步增大，微放电范围增大，亮度增加。加大电压至8kV，放电持续10min再观察γ-Al2O3介质小球，小球表面附着的微粒几乎完全被氧化。

5 微粒与NOx同时去除的试验研究

采用挂烟方法，将γ-Al2O3小球放入排气中挂烟3h之后，装入等离子体装置中，小球在等离子体装置中的堆积高度为80mm。试验条件：柴油机排气流经壁流式陶瓷过滤体后进入等离子体装置，放电电压8.5 kV，排气流量控制在20 m3/h，发动机稳定在2 400r/min，油门从52%变化到77%，往复循环，累积运行时间1h。运行时间1h之后停止放电，拆开等离子体装置对γ-Al2O3小球进行观察。放电之后的小球比放电前表面上出现了许多斑点。这些斑点的形成可能有3种原因：（1）碰撞与振动造成；（2）排气气流冲击造成；（3）微粒与NOx或O2反应形成。

图6为第一次工况循环时测得的NOx去除效果与排气中O2含量变化图。NOx去除率增大主要是由于NOx与微粒反应的结果，而且微粒与NOx的氧化反应与NOx的初始浓度关系密切。此外，将挂烟3h之后的γ-Al2O3小球取出一部分放入等离子体装置中，在不产生等离子体的情况下，重复上述试验过程。半小时后观察小球表面，没有发现斑点的形成。再对装有小球（挂烟后）的装置进行振动与摇晃或用气泵往装置中吹入压缩空气，都未发现小球表面有斑点形成。因此小球表面斑点的形成只可能是第3种原因。

图6 微粒与NOx共同作用效果图

整个试验过程柴油机排气温度始终处于较低水平，在110～250℃之间变化。虽然微粒与NOx的氧化反应在较低的温度下得以进行，但反应速率较小，氧化过程十分缓慢。同时由于柴油机排气的复杂性以及微粒本身的特性，使得等离子放电过程趋于复杂，能量利用率不高[10]。因此必须对整个反应速率加以控制，使其朝着有利于微粒与NOx反应的方向进行。

6 结束语

本文利用NTP技术对实际柴油机排气当中微粒与NOx的去除进行了研究，主要结论及创新如下：

（1）构建了一套低温等离子体辅助催化还原（NTPSCR）试验平台。

（2）等离子体放电电压与放电区域对NOx的去除起着重要的作用。随着电压的增高，NOx的去除率逐步增高，为了控制反应方向、降低能耗，往等离子体装置中注入的能量密度达到20 J/L时，NOx去除效果较好。

（3）对NTP辅助催化下的HC－SCR进行研究，当还原剂供给比例控制在3左右时，NOx的去除效率较高。低温等离子体对低温下的HC－SCR的净化率有明显的促进作用。

（4）对NTP去除柴油机排气微粒研究试验表明，放电电压决定着反应速率，当放电电压达到10kV时，小球表面捕集的微粒氧化速率提高迅速。

（5）在等离子体参与下，实际排气中NOx与γ-Al2O3陶瓷小球表面所捕集微粒的共同作用研究表明，NOx与微粒的氧化反应在较低排气温度下得以进行，微粒的氧化过程与NOx的初始浓度关系密切，但氧化速度较慢。

经过上述研究，目前研制的低温等离子体净化装置在低温情况下对HC－SCR净化率的提高有较好的促进作用，对微粒的去除作用非常明显。

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