脉冲电晕放电等离子体净化柴油机尾气的应用研究

一、引言
  
  柴油机以其动力大、效率高、燃料经济等优点得到日益广泛的应用。许多大型的商场、宾馆、剧院以及大小工厂企业的机械设备都以柴油机为动力。中小城市、农村的交通运输、农业机械更是离不开柴油机。目前世界范围内汽车的动力装置柴油机化的趋势越来越明显，在亚洲，各国柴油机的数量增长速度也比较快。
  
  由于柴油机尾气中的NOX、HC、CO和PM（即碳烟粒子、高可溶性碳氢、铅化物等）、臭氧（甲醛、丙烯醛、未燃醇等）及CO2等对人体、生物构成不同程度的威胁，而且HC和NOX在一定条件下，受太阳照射会发生一系列光化反应。所以，柴油机尾气严重污染了人们的工作与生活环境，愈来愈引起世界范围的关注和重视。
  
  近几年来，国内外出现了一种新兴的物理与化学相结合的技术——低温等离子体技术（NTP，Non Thermal Plasma）。将低温等离子体技术应用于柴油机尾气的净化，是柴油机尾气排放后处理技术领域的一种全新概念。NTP不仅对PM有很好的净化效果，而且能对NOX、HC、CO等有害物实现同步净化。这项技术具有净化效率高、能源低以及没有二次污染等特点，发展前景广阔。国内外内燃机权威已将NTP确定为未来全面、有效解决柴油机排气污染问题最有希望的一项技术。
  
  二、柴油机尾气治理的现状
  
  目前，国内外对柴油机排气处理技术主要在3方面：一是机前处理，如混合气的形成，燃油添加剂、优化发动机冷却、改进缸盖结构等；二是机内净化，如高压缩比、废气再循环、电控化油器、废气涡轮增压与增压中冷技术、降低机油消耗量等；三是后处理的研发。由于对油品质量的调节与控制以及对机体结构、部件的改造完善都很有限，难以满足日趋严格的排放标准。因此，柴油机尾气的后处理技术显得格外重要。后处理技术的研究现状可作如下描述。采用催化氧化器可以降低排放微粒物中的可溶性HC（SOF）的含量及气态有害物HC和CO，但催化氧化器工作的可靠性受排气温度和燃油量的影响很大，通常要求燃油含硫量低于0.05％甚至0.01％，这大大提高了油价（成本）又增加了工厂SO2的污染排放。采用过滤捕集净化，通过碰撞、截留、扩散、沉降等机理能获得50％～80％的净化效率。但其致命弱点是柴油机排气背压增高，需定期清灰再生，而且再生系统复杂昂贵、滤料再生周期短、使用寿命短，直接影响柴油机使用的经济性。
  
  三、低温等离子体净化技术
  
  等离子体是物质存在的第4状态，是自由电子、离子、原子、分子和自由基等组成的集合体，具有宏观尺度的电中性和高导电性。通常情况下，可以在电场、光或高能射线等作用下，通过加速电子、离子或高能中性粒子的碰撞产生气体电离。在等离子空间中，电子和离子无规则热运动超过它们的定向运动，其中离子的质量比电子大得多，不易被加速，中性的自由基完全不被加速，造成电子的平均动能远大于离子和中性基团的动能，这样作为体系中质量主体的离子和自由基温度比电子温度低得多，逐渐形成电子温度与气体温度分离的体系，形成低温等离子体，也可以称为非平衡等离子体。
  
  低温等离子体技术具有处理流程短、效率高、能耗低等特点，其核心技术主要包括低温等离子体放电电源的设计与反应器制造2部分。根据放电机制、压强范围和电极结构的不同，产生低温等离子体的方法也不同。通常可以由以下几种：辉光放电、介质阻挡放电、电晕放电、沿面放电、射频放电、微波放电等。它们有各自的特点和适用条件。本文选用的电晕放电，可以在常压下工作，反应器设计简单，电极与电源成本相对低廉，而且采用已获得国家发明专利的脉冲电源，提供高压极窄脉冲供电方式来实现非平衡态等离子体。由于其荷电效率高、注入能量大，能够形成比直流电晕更多更强的高能电子，使自由基和活性粒子的数量及能量效率有较大幅度的提高，且不易引起火花放电，与直流电晕荷电相比有很大的优越性。因此，本试验过程中采用脉冲电源释放低温等离子体。
  
  四、低温等离子体技术治理柴油机尾气排放应用研究的现状
  
  等离子体技术在工业生产与日常生活中已得到极为广泛的应用，近年来，等离子体技术在环境污染处理方面的应用研究引起了极大关注，其中许多技术已经商业化，取得了很好的经济效益与社会效益，被认为是环境污染物处理领域中最有发展前途的技术之一。脉冲电晕等离子体活化法降低汽车尾气排放的技术，也引起普遍重视和深入研究。对于电晕的发展和自由基的产生国外已有较深的研究，国内直到8O年代后期才开始对脉冲电晕脱硫脱硝进行研究，经过多方面的研究，已取得了一系列的经验数据。国内脉冲电晕氧化脱除CO的研究近几年才见报道，用于控制汽车尾气排放取得了一定的研究成果。目前汽车尾气控制成果较多的是将其用于排气微粒的捕集，在实验室中已获得较满意的试验数据。与其他方法相比，脉冲电晕等离子体活化法控制尾气排放净化效率高，去除率可以达到80％以上，能够满足日益严格的排放标准，而且不产生其他有害气体，负效应少。随着对环境污染治理要求提高，等离子体活化法的优越性与先进性进一步显现，成为一项引人注目的高新技术。
  
  五、低温等离子体净化NOX、CO和微粒技术
  
  （一）低温等离子体净化
  
  NOX的试验研究实验表明，NOX的净化率与以下因素有关：（1）线径影响。电晕功率与起晕电压和电流有关。起晕电压随线极直径增大而提高，当电压达到起晕电压后，如继续升高并超过一定值后，电晕场被破坏，造成击穿。电晕功率在不变的情况下，线极直径增大，起晕电压升高，电晕电流减少，因此，线极直径为某值时，效率最高，若此时线极直径继续增加，效率反而降低。（2）含湿量影响。净化率随含湿量的增加先升后降。存在一个最佳含湿量，此时净化率最高。含湿量继续增加，电子风碰撞扰动受挫，水蒸气过剩造成运动交换面积过大，使高速电子与H2O和OH原子团等碰撞不充分，因此需在最佳含湿量下才能够产生足够的OH自由基，并能利用最经济的电晕功率，得到最有效的NO净化率。此外，NO的净化率还与外加电压大小等其他因素有关。
  
  （二）低温等离子体净化CO的试验
  
  研究研究表明，采用高压超窄脉冲流柱电晕放电可使CO的氧化脱除率达80％以上。根据目前的研究成果，影响CO氧化去除率的主要因素有脉冲电源性能，脉冲电压上升前沿越小越好，脉冲宽度越小越好，脉冲峰值电压越高越好；此外，反应器的结构尺寸和反应器与脉冲电源的匹配对CO的氧化脱除有很大影响，它决定能量的转化利用率。湿度也是影响CO氧化脱除的重要因素之一，当处理空气相对湿度在80％左右时，CO的氧化脱除效果最佳。
  
  （三）低温等离子体净化微粒的研究
  
  电晕放电去除微粒的机理与去除NOX和CO不同，它的反应器通常采用非对称电极（如针-板电极、针-针电极等），在电极曲率半径小的地方电场强度特别高，容易形成电子发射和气体电离，可以在常压条件下形成电晕。常见的针-板电晕放电反应器如图1，施以电压形成不均匀电场（即金属丝表面附近的电场强度最大，随着距金属丝表面距离的增大，电场强度迅速减少）；再升高电压，电场强度随之增大。当电流达到饱和之后，继续升高电压，首先在金属丝表面的一层气体，由于高能量的电子碰撞中性气体或原子发生电离，随着电场强度的增加，活动度较大的负离子获得了足够的能量，碰撞中性气体分子或原子，使带电离子越来越多，电流急剧增大。此时，也有一部分离子在复合，并有光波辐射出来。由于复合过程比较微弱，发射的光波比较暗淡，听不到任何声响，因此，被称为无声放电或光芒放电。当电场强度再行升高，到达某一点时，活动度较小的正离子也因获得足够的能量而开始碰撞别的中性分子或原子，因此，电流又有所增加，此时，肉眼可见金属丝表面附近的蓝色火点，且伴有咝咝和噼啪声。随着与金属丝表面距离的增加，电场强度迅速下降，离子移动速度减慢，因而不至于气体中某点被击穿而引起整个空间击穿，这就是不均匀电场电晕放电的特点。
  
  
  
  静电除尘是比较成熟的技术，它的特点是捕集效率高（可达80％～99.9％）、阻力小（约为0.2～0.3kPa），适于捕集微小微粒。静电除尘的最佳电阻范围是104～10.1Ω·cm，而柴油机微粒的电阻率在106～108Ω·cm内变化，适于静电捕集。并且静电捕集装置的流动阻力较小，对发动机性能影响不大，且有较高的捕集效率，用静电去除微粒的研究引起了越来越多的关注，大量的试验研究结果表明，在柴油机上使用静电技术去除微粒，去除效率高，对柴油机的性能影响很小，工况变化对去除效果影响不大。所以说静电除尘技术在柴油机上的应用是一项很有发展前景的新技术。
  
  Kittelson等对柴油机排放微粒本身携带电荷的特性进行了深入研究，证明柴油机微粒有70％～80％（以质量计）是带电的，每个带电微粒约带1～5个基本正电荷或负电荷，整体呈电中性。这为利用附加强电场，对呈荷电特性的碳烟微粒实现静电吸附提供了可靠的科学依据。目前国内外在这一方面已做了许多工作，在实验室里取得了一些可喜的成果。
  
  静电除尘效率可用Deutch公式表示如下：
  
  
  
  从上式可以得出，保持μ不变时，ae与q成反比，而Q与q成正比。因此，增加微粒荷电电量可减小静电捕集器的体积，这是实现在车辆上应用低温等离子体技术的关键因素。
  
  为了达到更高的除尘效率，可以在静电除尘装置前加上一个荷电装置，可以有效地增加微粒的荷电量，提高除尘效果，使微小的微粒产生更好的凝并效果，解决了微小颗粒难以收集的困难。这样会增加设备体积，使结构复杂，而且成本较高。为了使其更具有实用性，还有待进一步的研究。
  
  六、结论
  
  （1）低温等离子体净化柴油机排气的机理，是一个十分复杂的过程，影响这一过程的因素很多。虽然目前已有大量文献对低温等离子体净化柴油机排气的机理进行研究，且卓有成效，但要形成能指导实践的理论体系，还需不断完善与提高，为实际应用提供充足的理论保障。
  
  （2）在降低微粒排放方面，柴油机排气微粒的电阻率在106～108Ω·cm范围内，适于静电捕集；柴油机台架试验表明，在高压电源小型化和成本降低以后，排气微粒静电捕集器有可能应用在柴油机上；用柴油机排气微粒的固有电荷进行静电捕集，效率低、实用性差。
  
  （3）提高柴油机排气净化效率，降低能耗。低温等离子体技术工业化应用关键在于保证柴油机排气净化率较高的基础上降低能耗。通过优化反应器的构性与操作参数，保证电源与反应器的最佳匹配，可以提高电源能量效率。
  
  （4）处理好实验室研究装置与工业应用装置的关系。目前大多数低温等离子体净化柴油机排气的研究还停留在实验室模拟阶段，对于实际应用的柴油机，排气种类繁多，其浓度等随工况不同差异很大。如何处理两者差异，为低温等离子体从试验台架过渡到装置实用化提供广阔的应用前景。
  
  （5）提高脉冲电压、脉冲频率、脉冲前沿上升时间，在脉冲峰压上叠加直流基压均可以提高NOX的去除效率；脉冲电压较高时有利于NOX的分解；提高风速、降低初始浓度、延长停留时间、降低流量在一定阶段能提高NOX的去除率；高温不利于NOX脱除，适当增加水蒸气含量和O2含量有利于NOX去除；进一步改善电源和反应器性能以提高能量的利用率。

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