汽车尾气化学处理技术

汽车尾气化学处理技术

摘要：汽车作为现代化交通工具，给人们的生产与生活带来十分方便的同时，汽车的副产品—它的尾气排放物，给大气环境所造成污染却日益严重。目前，针对此问题，越来越多的处理技术不断问世。而笔者主要介绍其中的几种化学处理方法—低温等离子体催化法、电晕法、贵金属催化剂法。

关键词：汽车尾气贵金属催化剂低温等离子体电晕法

在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的通运输工具。人、环境与汽车之间的关系也是一个越来清晰的时代话题。自从1886年第一辆汽车诞生以来人们的生活和工作带来了极大的便利，并逐渐发展成为现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，车也带来了大气污染，也就是汽车尾气污染。时代的高速发展，我们每个人都与汽车紧密相关，看大街上车水马龙的公交车、私家车，车与人类的生活来越分不开。

尾气污染主要是指柴油、汽油等机动车燃料因含有加剂和杂质，在不完全燃烧时，所排出的一些有害物质环境及人体的污染和破坏。汽车尾气中的铅微粒直接进人体，碳氢化合物形成的光化学烟雾将扩散到整个城市地区。机动车的油气排放是我国空气污染的主要来源之同时造成能源大量浪费。目前，汽车尾气处理技术层出不穷，各有优缺点，而笔者主要就当前比较前沿的几种化学处理方法进行简单的概述。

1 低温等离子体催化处理汽车尾气

1.1 低温等离子体催化处理简介

低温等离子体催化主要指等离子体多相催化[1],通过置入催化剂,可在等离子体区、等离子体余辉区及产物收集区发生特定的化学反应[2]。低温等离子体和催化剂协同作用技术处理有害气体具有很多优点[3，4],已成为处理低浓度有害气体的重要技术,并能取得良好的污染物去除效果。文[5]对模拟气体在等离子体放电催化中NOx的脱除进行了实验研究,指出介质填充床的存在可使NO去除效率更高。文[18]对选择性催化还原法和低温等离子体结合净化机动车排气进行了研究,指出该法加强了整体反应,在相对低的温度下就能有效去除NOx。文[6,7]也对低温等离子体和催化剂协同作用处理汽车尾气等有害气体进行了积极的研究。上述文献仅从几个不同的侧面探讨了用等离子体-催化技术净化尾气中某一组分的可行性,揭示了其中的一些规律。但用低温等离子体-催化技术处理实际汽油机尾气时,关于工艺参数对多种主要污染物去除效果影响规律的报道还不多见。赵如金等[8]自制了介质阻挡放电催化反应器（如图1）,采用高压脉冲电源放电在常压下产生低温等离子体,对实际汽油机尾气进行了净化处理,研究了各参数对尾气中主要污染物去除的影响规律。

图1.试验系统示意图

1.2 各种参数对处理效能的影响

a)脉冲放电频率的提高有助于污染物去除率的增加,但其对污染物去除率影响的幅度不大。

b)NO、HC和CO的去除率均随放电电压的增加而增加,NO和HC的去除率明显高于CO,放电电压对HC化合物去除率的影响要大于NO和CO。

c)随φ0(NO)不断增大,NO去除率下降很快,φ0(NO)对HC和CO去除率也有影响,浓度越大2种污染物去除率越低,但影响不大。

d)气体流量越小,尾气在反应器内的停留时间越长,3种物质的去除率就越高;同时,HC去除率随气体流量增加下降的幅度较NO和CO都大;

e)γ-A12O3小球作为催化剂对NO去除有较大作用,而对提高HC和CO去除率作用不太大。

采用低温等离子体-催化处理实际汽油机尾气是可行的,该法增加了等离子体的利用率和尾气中污染物的去除率,对提高车辆排放污染控制水平具有重要的意义。

2 电晕法处理汽车尾气

脉冲电晕等离子体技术反应器结构简单，与风管道和排气管结构相似，就目前研究成果而言，技术对各种污染气体包括脱除空气中的悬浮颗粒物都有良好的净化能力，因此拥有广阔的应用前景。

2.1 高压脉冲电晕净化汽车尾气原理

高压脉冲电晕放电技术的原理和其净化尾气主要污染物机理：电晕放电利用等离子体体系中的活性物种强化(催化)氧化—还原反应，将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。高压脉冲电晕放电技术在长、大隧道空气净化、发动机尾气净化方面拥有经济有效的应用前景。通常认为，高压脉冲放电是由高压电场中电子雪崩产生的流柱在电场中的运动现象，流柱理论是被广泛接受的一种理论。该理论认为，在流柱头部包含大量由电场加速的高能电子，它们碰撞气体分子而使得气体分子化学键断裂，从而达到减少反应气体中有害成分的目的。高频率的脉冲电压能够在不发生火花和弧光放电的前提下，达到更高的脉冲峰值电压，同时，在时间上产生更多的流柱，从而提供更多的高能电子。这些高能量的电子高速碰撞气体分子，打开气体分子的化学键，产生大量的活性粒裟赫子，使气体中的气体成分发生改变。

2.2电晕净化汽车尾气的关键技

2.2.1 正电晕裂变反应器的研发

电晕电极和裂变反应腔的几何形状与尺寸的设计及其材料的选用；电晕放电电流的计算与调试以及反应器中附加设施的配置与研制。所谓“正电晕裂变”是指电晕净化器中的尾气分子突然得到“爆炸式”的巨大能量时成为活化分子，发生频繁碰撞在纳秒级的有效碰撞瞬间，将动能转化为分子内部势能，使其化学键破坏，将CO、HC、NO X和分解成单质固体微粒子S、C和单原子气体分子O2、N2以及H2O的电离过程。汽车尾气电晕净化器安位置如图2所示。

图2 汽车尾气电晕净化器安装位置示意图

2.2.2 超高压窄脉冲发生器的研发

正电晕裂变所需要的超高压窄脉冲源的脉幅、脉宽、前沿、后沿及频率等参数的分析和计算以及该脉冲发生器的总体设计与研究。所谓“超高压窄脉冲”是指脉冲幅值为几百千伏，半幅值脉宽为几百纳秒，频率为几百赫的脉冲。

超高压窄脉冲发生器。基于超高压窄脉冲正电晕裂变法可使基态气体获得足够大的能量而发生强烈的辉光放电，并且空气气体迅速成为高浓度等离子体，因此用脉幅为几百千伏，脉宽为几百纳秒，频率为几百赫的脉冲，在电晕极附近发生激烈、快速的脉冲正电晕放电，能使净化器空间电场强度发生突然的巨大变化(由于脉冲陡并且峰值很高)，从而使汽车尾气分子突然获得裂变的巨大能量，在纳秒间成为活化分子，这些具有高能量的活化分子在频

繁碰撞瞬间(纳秒内)将动能转化为内部势能，破坏原有化学键使其断裂，生成新的单一原子气体或单质固体微粒子，即使尾气中的CO、HC、NO X和O2等有害气体分解成单原子气体O2、N2、或单质S和C以及H20，随气流排出，从而达到将汽车尾气净化的目的。

2.2.3．高压脉冲电源的组成

整流部分采用桥式整流电路，其输出的直流电幅值变化大，即为脉冲大的直流电，故利用电容电感双节滤波电路，使输出波形平滑。逆变部分采用带有反馈二极管的晶闸管并联逆变方式，通过对晶闸管的开关控制，满足脉冲电源的调幅、调频要求。倍压整流部分采用多级倍压整流电路，在满足变压器铁心材料耐压能力条件下，实现高压输出。本电路将高压直流输出和变压器二次侧脉冲输出信号迭加，产生脉冲高压信号。如图3所示。

3 贵金属催化剂处理汽车尾气

贵金属催化剂是目前本领域应用最多、性能最好和寿命最长的催化剂。汽车尾气中主要有CO，HC和NO X3种有害成分。Pt和Pd对尾气中的CO和HC的氧化有极好的催化活性，从而使之生成CO2和H2O;Rh和Ru对尾气中的NO X有