浅谈强电离放电对汽车排放物NOx净化

杜丹丰 佟峥 赵靖 王俊翔 陈振霖 田龙祯

摘要：汽车排放污染物中NOx是一种十分有害的气体，应用大气强电离放电技术，将废气中的NO、NO2等NOX气体粒子转化成O3，H2O2等氧活性粒子，净化效率高，效果显著，如果结合废气再循环（EGR）系统将活性粒子送回发动机进气系统当中，既降低了污染，又提高了发动机进气系统中氧活性粒子的浓度，同时提高了充气效率。

关键词：强电离放电;汽车;排放物;NOx;净化NOX由于其化学反应低以及难溶于水的特性，一直是废气处理的难点之一，在研究内燃机NOX排放物治理的问题上，白希尧等[1]提出的强电离放电技术则解决了这个问题，张芝涛等[2]人对电介质材料做出了改进，在高频电源的激励作用之下，就可以有效地完成强电离放电。

据有关学者研究[34]，强电离放电技术可以在较短的时间段内生成大量的强氧化性粒子（如O3，H2O2），从而迅速完成脱硝反应过程，因此处理效率高、成本相对低的强电离放电脱硝技术具备极大的潜力，但由于其尚未形成完全统一理论，在实际运用方面仍存在空白。

1 强电离放电脱硝微观机理

1.1 强电离放电技术的化学机理

强电离放电所涉及的基元反应有激发、解离和电离过程、复合反应、电子附着和解吸与离子分子反应等。

（1）激发、解离和电离过程：活性粒子和离子的碰撞、电子间相互的碰撞和光线所导致的激发、解离和电离;

（2）复合：复合反应是电离的逆过程，即带有相反电荷粒子相互碰撞生成新的中性粒子且释放能量的过程。复合反应主要由离解复合、辐射复合、三体碰撞复合以及两体碰撞复合四种类型构成;

（3）电子附着和解吸：某些分子或原子与电子碰撞从而生成负离子的现象称为电子附着。反之，负电子释放离子的过程称为电子解吸;

（4）粒子分子反应：离子分子反应即由离子和分子所形成的转化过程，该反应作为低温等离子体反应中极为重要的一环却由于反应过程极为复杂，尚未形成明确的反应过程理論。以上四类基元反应构成了包括强电离放电在内的各种等离子体反应基础。

四类基元反应构成了包括强电离放电在内的各种等离子体反应基础。

1.2 强电离放电脱除NO微观流程

NOx在等离子体容器内主要是以气相氧化的途径完成分解与转化，其转化分解过程可以大致分为以下三个阶段[67]。

（1）微放电阶段。排放废气中的中性气体分子与强电离放电所产生的高能量电子相互作用，高能电子所带能量通过非弹性碰撞传递至中性气体粒子，在此过程中气体粒子的共价键发生破坏，从而达到离解、电离气体分子的目的，形成最原始状态的活性粒子H、O、N和OH。

（2）暂态粒子转化阶段。气体分子离解所生成的一些中间态粒子会和气体粒子发生化学反应而迅速消失，其存在的时长极短，与此同时也可以生成新的活性粒子，此过程持续时长十分短暂，约为几十纳秒，并在微放电过程中同步进行。

（3）活性粒子氧化NOX阶段。活性粒子通过与NOX发生化学反应，将NOX氧化成HNO3来达到脱除转化NOX的目的。除此以外，由于在NOX脱除转化过程中通常会产生部分二次自由基O3、HO2，这些物质也会与NOX发生离解反应。

三个脱除阶段的反应间边界并不完全明确，即在时间和空间上都会存在反应同步发生的情况，前一阶段反应完成后产生的物质或改变的状态都将成为下一阶段反应出现的诱发条件。

2 强电离放电技术优越特性

2.1 强电离放电电子能量分布特性

电子的平均能量不同，则对应的具有特定能量的电子的占有率也会有所不同，而在绘制电子能量—具有特定能量的电子的占有率函数图像时，可近似将电场中的电子能量分布按照服从麦克斯韦分布计算。电子能量的强弱与分布状态和理解效率有着紧密的联系，有较高能量的粒子所占有的比例也越大，从随着电子能量的增大，则具有较高能量的电子的占有率在持续增大，反之，能量较低的电子的所占比例在不断减小。

2.2 强电离放电与稀薄燃烧对比

稀薄燃烧可以降低NOX、CO、HC的排放，同时也可以做到燃油的节约，然而稀薄燃烧还是难以达到排放标准，主要原因还是由于NOX的排放量过高而导致的。与稀薄燃烧相比，强电离放电技术通过提供足够大的放电电场强度，从而达到足以破坏NOX内部共价键的结构，从而有效地提高了NOX的转化效率，弥补了单一稀薄燃烧所带来的不足之处。

2.3 强电离放电与单纯EGR对比

根据裴普成的研究成果，在针对NOX的排放特性方面，EGR技术具有与稀薄燃烧相似的特性，故在相同条件下废气再循环技术对于NOX的转化效率是要远低于强电离放电技术。

3 结语

与单纯稀薄燃烧和EGR技术对比，强电离放电技术在针对汽车尾气中NOX的处理，具有显著的优势，能有效地提高NOX的转化率，弥补了单一稀薄燃烧所带来的不足之处;同时，强电离放电技术对于NOX的转化效率远高于废气再循环技术，如果结合废气再循环（EGR）系统将活性粒子送回发动机进气系统当中，既降低了污染，又提高了发动机进气中氧活性粒子的浓度，同时提高了充气效率。

参考文献：

[1]白希尧，张芝涛，杨波，胡又平.强电离放电及其应用研究的进展[J].中原工学院学报，2003（S1）：59.

[2]张芝涛，鲜于泽，白敏冬，许波.强电离放电研究[J].东北大学学报（自然科学版），2002（5）：507510.

[3]汤红.强电场电离放电脱硫的研究[D].大连海事大学，2004：35.

[4]扈群，白敏冬，白希尧.电离放电脱硫脱硝等离子体过程的研究[J].大连海事大学学报，2000（3）：8790.

[5]余刚.等离子体NOx脱除机理及特性研究[D].东南大学，2003：1921.

[6]丁水兰，张应洲，谢春雪，余奇，余刚.非热等离子体氧化NO脱除实验研究[J].武汉纺织大学学报，2014（3）：4145.

[7]夏刚.磁电等离子体极化激发态进气装置对降低汽车尾气排放污染的实验研究[D].重庆大学，2007：2930.

基金项目：东北林业大学大学生科研训练项目：发动机进气富氧研究支持（项目号：KY2019010）