低温等离子体处理柴油机PM和NOx排放研究的文献综述

顾林波

江苏大学汽车与交通学院 江苏镇江 212000

低温等离子体处理柴油机PM和NOx排放研究的文献综述

顾林波

江苏大学汽车与交通学院 江苏镇江 212000

柴油机因其优良的动力性、经济性而被广泛应用于交通运输和农用机械等领域，但尾气排放中的PM和NOx严重危害着人类的健康。低温等离子体技术凭借净化效率高、能耗低、无二次污染等优点，在处理柴油机的尾气排放方面有明显的优势，是近几年尾气净化领域的研究热点。本文综合阐述了低温等离子体净化PM和NOx的研究现状，包括NTP发生器的优化和NTP处理PM和NOx的研究现状，讨论了今后的发展趋势。

低温等离子体；颗粒物；氮氧化物

一、前言

柴油机的主要排放污染物有PM、NOx、CO、HC和硫化物等。柴油机的NOx排放与汽油机在同一个数量级，PM排放却远高于汽油机。因此PM和NOx是柴油机排放控制的研究重点。低温等离子体技术凭借处理效率高、装置简单、能耗低等优点，在处理柴油机的尾气排放方面有明显的优势，是近几年尾气净化领域的研究热点。NTP技术利用高压放电产生大量活性粒子与柴油机尾气中的PM发生强烈的氧化反应，最终可净化柴油机尾气中的PM。同时，低温等离子体可将NOx氧化为NO2，结合催化剂和还原剂可将NOx还原成N2。目前，很多学者对低温等离子体处理柴油机尾气中的PM和NOx进行了大量的研究，为NTP处理柴油机尾气的实际应用提供了理论的基础，本文对部分学者的有关文献进行了梳理和总结。

二、低温等离子体技术处理PM和NOX的研究现状

低温等离子体由放电产生，当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、离子、原子和自由基在内的混合体。NTP中的活性粒子与有机污染物发生一系列复杂的物理化学反应，从而分解去除污染物。PM和NOx是柴油机尾气中的主要污染物，越来越多的学者对利用低温等离子体技术处理PM和NOx进行了大量的研究。

（一）发生器的优化

低温等离子体发生器是低温等离子体技术的核心，发生器设计的好坏直接影响NTP处理PM和NOx的效率，且发生器的能耗和发生器放电的稳定性也是NTP处理尾气的研究重点。Anaghizi S J等人设计了棒型和螺纹型两种反应器，利用圆柱形介质阻挡放电还原模拟气中的NOx，研究发现，螺纹型比棒型的处理效率更高，螺纹型所需的功率比棒型的减少了14%。

可见，对于不同的发生器类型和不同的发动机都需要对发生器的性能进行优化，以求在NTP处理柴油机尾气时使处理效率达到最高，发生的能耗降到最小。发生器优化的研究为将等离子体处理柴油机尾气应用到实际奠定了基础。

（二）等离子体处理PM

柴油机的尾气经NTP发生器产生具有氧化性的活性物质，可以氧化尾气中的颗粒物。曾科等设计了一种脉冲电晕放电捕集PM的装置，研究了不同工况、电压等级和脉冲频率下的PM捕集率,一般可以达到60%～90%并认为电压的峰值和脉冲的频率是影响PM捕集率的主要因素。

大量试验证明NTP可降低柴油机尾气中的PM，但关于经NTP处理后柴油机颗粒物尺寸变化的研究却较少，颗粒物中尺寸较小的超细颗粒严重危害着人类的健康。Babaie M等人研究发现电压过低时，放电功率较低，PM的去除量较少；电压过高时，PM的大颗粒易分解形成小颗粒，危害更大。综合考虑，在放电电压为17KVpp时，PM去除效果最佳。所以NTP去除PM时需要同时考虑PM的去除和PM尺寸的分布。

（三）等离子体处理NOx

低温等离子体处理柴油机的NOx排放主要分为两种途径，低温等离子体结合催化剂、还原剂还原NOx是比较常见的处理方式，也有学者在贫氧条件下将NOX还原成N2，使NOx得以净化。Jõgi等人通过介质阻挡放电试验发现，在O2含量为10%-20%、NTP能量密度大于100J/L时，NO的脱除效率可达90%以上。

低温等离子体具有很强的氧化性，NOX易被氧化成稳定的NO2，所以单独使用低温等离子体处理NOx不能使NOx还原成无毒无害的N2。因此，大量学者将低温等离子体与催化剂、还原剂相结合，先利用低温等离子体将NOx氧化为NO2，再通过催化剂或还原剂将NO2还原成N2。王攀等应用介质阻挡放电与一种CeO2-CuO-Al2O3,负载型催化剂协同作用,研究了柴油机在不同转速和负荷下对NOx的转化率,最高可达80%以上。

NTP结合催化剂可降低NOx的排放，也有大量学者将NTP与SCR相结合来处理NOX。Subrahmanyam C等对NTP协同C3H6-SCR技术脱除NOx进行了试验研究，研究发现，NTP不仅可以提高催化剂的低温活性，而且可以有效提高NOx的脱除效果，NOx的脱除效率可达50%以上。

三、总结

低温等离子体技术能有效降低柴油机尾气排放的PM和NOx，很多学者对NTP净化柴油机尾气进行研究，取得了一定的进展。NTP可直接氧化尾气中的PM，但不能单独使用完全净化NOx，需结合催化剂和还原剂才可将NOx还原成无毒无害的N2。同时，优化NTP发生器是提高净化效率，降低能耗的有效手段。但目前大多数研究仍停留在试验阶段，车载实际应用NTP净化尾气还存在很多问题。继续优化发生器的参数，提高净化的效率，降低能耗，降低结合催化剂的成本和将NTP与当代后处理技术相结合，是今后等离子体净化尾气的发展趋势。

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