低温等离子体处理柴油机尾气的技术研究

董国辉

摘要：由于柴油机具备较高的输出功率与热效率，以及优秀的燃油经济性和耐久性，已被普遍应用于商务车、汽车、卡车及诸多类型的重型机动车中。相较于汽油机，柴油机但排放量更低，更适于当今节能减排的政策安排。然而柴油机所排放的尾气却蕴含大量PM和NOx等污染物，在环保政策不断深化的视域下，如何治理柴油机污染物排放问题，是当今社会发展的主要研究课题。本文结合柴油机污染特点及成分，探析传统处理柴油机尾气方法及现状，提出基于低温等离子体处理柴油机尾气的技术。

关键词：低温等离子体;柴油机;尾气处理

引言

柴油机以其高效的输出功率及经济性得到广泛的应用。在西方发达国家，约90%的卡车与80%的商用车均采用柴油机作为发动机，而我国的柴油机应用与生产也不断保持着迅速的发展趋势。2004年我国柴油机总产量达70万台，2007年总产量已达167.34万台，截止到2017年，我国柴油机制造企业排名靠前的企业，全年生产总量为395.21万台。然而近些年来，随着社会市场经济的不断发展与深化，大气污染问题逐渐严峻，机动车尾气在大气污染的比例占70%–80%。我国环保部门对此提出更高的要求，严格要求柴油机利用多种现代科技全面治理尾气中大量的PM和NOx物质以此推进相关环境保护工作的进展。

柴油机尾气中的污染物及污染特征

柴油机尾气成分主要包括CO2、N2、O2、H2O以及各种有害物质。通过相关科研机构进一步的实验研究，可知柴油机污染物的成分主要为PM和NOx，也包含少量的HC、CO及硫化物。其中NOx是指氮氧化合物，是柴油机污染物的主要成分，约占总含量的60%，可以说NOx的生成与柴油机运作原理具有紧密的关系。柴油机依托空气压缩技术，引燃柴油燃料推动发动机运转。当气缸温度达1700℃时，O2与N2发生剧烈反应，产生氮氧化合物。其中氧含量、温度及时间是氮氧化合物形成的主要因素，缺一不可。相关数据显示，当空气中的氮氧化合物达到一定比重后，会形成酸雨，化学烟雾及生态循环富营养化等问题，严重破坏着自然生态系统。于此同时，氮氧化合物是毒性猛烈的化学物质，能够引发呼吸系统疾病，危害国民健康。而PM是尾气中仅次于氮氧化合物的有害物质，是由燃烧不完全的润滑油和燃料通过化学作用聚集而成。PM的主要成分包括碳烟、水、硫酸盐及少量的SOF。传统治理柴油机尾气可有效减少PM产生量，却势必增加氮氧化合物的生成量，不利于环境治理工作的开展。因而，氮氧化合物和PM的生成是尾气治理环节中的主要矛盾。如何将氮氧化合物和PM进行联合治理是目前面对的主要难题。

传统柴油机尾气治理技术及应用现状

DOC处理技术

DOC是柴油机催化器，能够有效将CO与HC氧化，转化为CO2和H2O，并同时将NO转化为二氧化氮，以此提升DOC下游的SCR和DPR系统的运作效率。通常来讲，DOC通常采用贵金属作为催化剂，如钯、铂等。然而由于DOC系统化学反应需要特定的活化温度。因而，如何有效控制温度，成为DOC系统催化反应的重要前提。而为有效调控DOC系统温度，相关科研人员在DOC系统外部增添加热装置，以达到充分治理有害物质的目的。然而由于贵金属对硫化物的抗性差，致使DOC的生产成本提升，极大制约着DOC系统的推广。

DPF处理技术

DPF技术是指微粒捕捉器，主要运用物理过滤实现去除尾气中有毒物质PM的目的。通常被广泛应用于DOC下游，以提升柴油机尾气净化率。DPF呈蜂窝状结构，由SiC或者青石构成。相较于DOC通常的网格通道，DPF气体网格出口被完全封堵，以此促使气体通过容器壁，进入其他网格，过滤掉大量有害PM物质。因而DPF在治理PM层面有着较高的效率，通常可达到90%的净化率。然而在运作DPF时，会产生大量的背压，增加燃油耗损量，降低运行效率。此外，当DPF过滤量达到一定数值后，颗粒会添堵容器壁孔隙，致使DPF尾气过滤功能下降，不利于柴油机尾气的治理工作。

SCR处理技术

SCR是指选择性还原器，主要用于治理尾气中的氮氧化合物，通过氧化作用，将其还原为二氧化氮并进行排放。在实际应用中，为有效还原氮氧化合物，需要在SCR系统中添加大量还原剂。而根据还原剂类别的不同，SCR可大体氛围NH3–SCR与HC –SCR两种，为有效探析传统柴油机尾气处理技术的运作原理、特征及弊端，本文主要阐述应用范围较广的NH3–SCR技术。基于NH3物质极易引发排气管道爆炸，科研人员通常将尿素和尿素溶液混合于NH3 内部，以此保障SCR系统的安全运作。然而由于SCR需要合适的反应温度，一旦反应温度低于标准值后，可导致尿素分解不彻底，生成异氰酸及双缩脲等有害物质。

低温等离子体柴油机尾气治理技术

低温等离子体技术治理HC、CO

低温等离子体技术是指利用介质放电、電晕放电的方式产生等低温等离子体，以此达到治理尾气污染物的目的。由于放电反应处于氧化环境内，等离子体通过电离反应生成的自由基具备较强的氧化性，例如臭氧、OH及自由基等，极易与HC、一氧化氮进行反应，使其氧化为水和二氧化碳。在工业废气中，低温等离子技术便被大量应用在工业废气的处理中，已达到处理笨、甲醛等废气的目标。在柴油机尾气处理层面，国内诸多学者通过实践研究等方式，论证在不同电压等级及工况等级视域下，低温等离子体尾气治理效果最高，其中HC净化率可达91%。而应用介质放电方式，可有效达到净化芳香烃、提升柴油机运作效率的目的。

低温等离子体技术治理PM物质

低温等离子体治理PM的理论依据是借助静电集尘原理，是通过放电反应使PM颗粒产生负荷，并在静电环境中对其进行收集的手段。福建大学张云涛结合低温等离子体的特征与柴油机运作原理，研制出电晕放电装置，以此提升低温等离子体治理效率。通过相关实验可发现，该装置在特定脉冲频率与电压等级下，能达到70%–80%的PM治理率。然而此装置却不能全面、直接地清除尾气中的PM。因而相关研究人员进行低温等离子体焚烧PM实验，并为提升等离子体治理能力，增加了放电能量，研制出介质放电装置，以此达到净化PM的目的。在后续应用中，国外学者Okubo将介质放电装置与传统DPF技术进行有机地整合，利用等离子体放电形成的臭氧物质，氧化DPF中的PM物质，并将其彻底清除。

低温等离子体技术治理NOx物质

一般来讲，低温等离子技术难以真正去除柴油机尾气中的氮氧化合物。原因在于等离子具有较强的氧化性，而将氮氧化合物还原为无害的氮物质，必须利用催化剂及还原剂。因而，可将氮氧化合物中的一氧化氮生成二氧化氮，以此达到降低氮氧化合物浓度的问题。为有效完善低温等离子体的治理体系，相关学者在贫氧环境下对等离子体净化氮氧化合物进行研究，并发现在采用BaTiO3 介质后，氮氧化合物总量快速下降，转化率可达75.45%左右。根据这个原理，研制出利用周期性的解吸附与吸附的方式治理氮氧化合物的系统，在实际处理环节中，选用催化剂对氮氧化合物进行吸附，并在达到一定数值后，导入二氧化氮气体，从而促使氮氧化合物解吸附为无害的N2 物质。

结语

传统柴油机尾气处理系统通常采用物理方法对有害污染物进行治理，例如DOC、DPF及SCR等。然而在实际应用中，传统手段存在着诸多的应用问题，例如催化剂中毒、汽车冷启动等问题。因此低温等离子体的引入能有效弥补传统处理手法所带来的弊端，实现对柴油机尾气中的CO、HC、PM、氮氧化物治理的目标，进而提升柴油机运作效率，推动科技发展。

参考文献

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