化工安全和環(huán)保課程論文

1、汽車尾氣中氮氧化物的成因與影響因素摘 要：隨著機(jī)動(dòng)車保有量的激增，我國(guó)的機(jī)動(dòng)車污染物排放總量持續(xù)攀升。事實(shí)上，汽車所產(chǎn)生的空氣污染量比任何其他單一的人類活動(dòng)產(chǎn)生的空氣污染量都多.人類必須認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性，盡全力保護(hù)我們賴以生存的環(huán)境。我們分析一下汽車尾氣中氮氧化物的生成機(jī) 理和影響因素關(guān)鍵詞：汽車尾氣 氮氧化物 危害生成機(jī)理 影響因素Formati on and in flue nee factors of n itroge n oxides in the tail gas ofautomobile作者英文名：Staper福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院化學(xué)工程與工藝Abstract: As the n

2、umber of vehicles in our eountry, vehicle emissions eontinued to rise. In fact, more the amount of air polluti on air pollutio n produced by the car produces more tha n any other sin gle human activity. Human beings must realize the importance of environmental protection, do our best to protect our

3、livi ng environment. We an alyze the formatio n mecha nism and in flue ncing factors of n itroge n oxides in automobile exhaust.Key words: Automobile tail gas NOx Harm Formati on mecha nism In flue ncing factors氮氧化物對(duì)人體和環(huán)境的危害氮氧化物是發(fā)動(dòng)機(jī)有一定負(fù)荷時(shí)大量產(chǎn)生的一種褐色的、有臭味的廢氣，是多種氮氧化物的總稱，如NO N02、N203 N205等。內(nèi)燃機(jī)中的氦氧化物主要是 N

4、Ox約占95%;其次是N02,約占5%。 發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣剛一排出時(shí)，氣缸內(nèi)存在的 NO毒性較小，但NO很快會(huì)氧化成毒性較大的 N02等其他 氮氧化物，這些氮氧化物進(jìn)入人的肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對(duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用。亞硝酸鹽能與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，形成變性血紅蛋白，可在一定程度上導(dǎo)致組織缺氧。NOx與HC在受到陽(yáng)光中紫外線照射后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成有毒的光化學(xué)煙霧。當(dāng)光化學(xué)煙霧中的光化學(xué)氧化劑達(dá)到一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)人的眼結(jié)膜有明顯的刺激性，引起流淚并導(dǎo)致紅眼癥，同時(shí)對(duì)鼻、咽、喉等器官也有刺激作用，可引起急性喘息癥，使人呼吸困難、眼紅喉痛、頭腦昏沉，造成中毒。此外，光化學(xué)煙霧還具有損害植物、

5、降低大氣能見(jiàn)度損壞橡膠制品等危害。氮氧化物的生成機(jī)理車用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的氮氧化物NOx包含NO和N：其中大部分是 No,它們是N在燃燒高溫下的產(chǎn)物。NO的生成主要與溫度和過(guò)量空氣系數(shù)有關(guān)。在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣I蔓主要是氧濃度起作用。在柴油機(jī)中NO可占到排氣中總 NO的10%30%。目前對(duì)NO大致上認(rèn)為NO在火焰區(qū)可以迅速轉(zhuǎn)變成NOn在對(duì)流層，Nq的存在會(huì)促進(jìn)近地層臭氧和光化學(xué)煙霧的產(chǎn)生。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的主要是NO排到大氣中后，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間幾乎全部都會(huì)被氧化成N02。在燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生 NO的路徑主要有三種：熱力型 NQ根據(jù)Zeldovich 機(jī)理，是由空氣中

6、的氮經(jīng)過(guò)高溫氧化產(chǎn)生的；瞬發(fā)型 NO根據(jù)Fenimore機(jī)理，產(chǎn)生在火焰前鋒，其中的氮來(lái)源于空氣；燃料型NQ燃油中的氮元素被氧化生成的NQ 熱力型No：熱力型NO產(chǎn)生在火焰前鋒后的燃燒區(qū)，最先由Zeldovich給出了解釋，之后 Baulch等對(duì)其做了補(bǔ)充。補(bǔ)充的 Zeldovich機(jī)理包含以下三個(gè)基元反應(yīng)：0+N2 =HNO+N N+02=HNO+O N+OH=HNO+H雖然Zeldovich 機(jī)理在所有解釋熱力型 NO生成機(jī)理中應(yīng)用最為廣泛，但在速率常數(shù)的確定上尚 未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。以上三個(gè)反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，NO濃度小于對(duì)應(yīng)溫度下的平衡濃度時(shí)，如發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的擴(kuò)散區(qū)域，正反應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)化率具有有決定性的

7、影響。反之，逆反應(yīng)起決定性作用，這點(diǎn)很好地體 現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)作功沖程末期，此時(shí)的溫度相對(duì)較低。反應(yīng)（1.1）的正反應(yīng)活化能很高，因?yàn)橐茐牡I需要很高的能量，這也使得該反應(yīng)只在高溫時(shí)才能獲得較高的速率，一般認(rèn)為該步反應(yīng) 為決速步。該反應(yīng)對(duì)溫度依賴性很大，可以認(rèn)為NO的生成由動(dòng)力學(xué)控制。燃燒室中的溫度范圍內(nèi)，各反應(yīng)速度較其能夠進(jìn)行的時(shí)間而言不夠快，因此反應(yīng)達(dá)不到化學(xué)平衡。如圖1. 1，對(duì)Zeldovich機(jī)理分別按照反應(yīng)熱力學(xué)平衡控制和動(dòng)力學(xué)控制計(jì)算出的NO濃度曲線，很好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)。曲線前半段，按動(dòng)力學(xué)控制假設(shè)計(jì)算出來(lái)的NO濃度明顯小于按化學(xué)平衡控制，但在燃燒后期，后者又超過(guò)了前者，這是由于

8、溫度下降導(dǎo)致反應(yīng)速率迅速降低，使得產(chǎn)生的NO不能通過(guò)逆反應(yīng)被消耗掉，這種現(xiàn)象稱為反應(yīng)“凍結(jié)”。瞬發(fā)型NO瞬發(fā)型N0產(chǎn)生在火焰前鋒，與具有很多可能反應(yīng)路徑的CH基團(tuán)聯(lián)系密切，所以其生成機(jī)理比熱力型NO復(fù)雜得多。Fenimore最先提出了瞬發(fā)型 NO的概念。CH基團(tuán)與N2生成HCN氫氰酸）為速控步，之后經(jīng)過(guò)若干快速反應(yīng)生成NO.word文檔可自由復(fù)制編輯作為CH基生成反應(yīng)中的中間產(chǎn)物，乙炔 (C2H2)只在富燃條件下火焰前鋒產(chǎn)生，使得瞬發(fā)型 NO這 一概念更加形象。瞬發(fā)型 NO生成反應(yīng)的活化能較低，在 1000K時(shí)即可發(fā)生。HCN和CH的氧化反 應(yīng)的主要決速步如下：HCN+O=NCO+H CN+0

9、2=NCO+0 HCN+OH=HCN+H20瞬發(fā)型NO由于其生成反應(yīng)的活化能較低而對(duì)溫度的依賴性不高，但對(duì)燃油中CH與HCN的含量有很強(qiáng)的依賴性。在典型的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，通過(guò)Fenimore機(jī)理產(chǎn)生的Nq(瞬發(fā)型NO)占Nq總量的510%，通過(guò)Zeldovich機(jī)理產(chǎn)生的Nq(熱力型NO)占9095% 剮。燃料型NO在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中，燃料中的N元素被氧化生成 Nq這一路徑所起的作用很小，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃料中含氮量極低。在煤燃燒中，這就是一種很重要的反應(yīng)路徑，因?yàn)榧词故?含氮量最低的煤也含有約1 %的氮元素。對(duì)燃料型 NO的研究已經(jīng)很成剿 61。經(jīng)由N20產(chǎn)生的NO經(jīng)由N20產(chǎn)生NO這一反應(yīng)路徑在如

10、下兩種情況下才能發(fā)揮明顯作用：稀燃條件CH的生成得到抑制，瞬發(fā)型NO生成量降低；溫度較低時(shí)，熱力型NO的生成得到抑制。N20的生成反應(yīng)：N2+O+M=N20+M組分M在該反應(yīng)中的作用是控制生成物為N20而非NQ在高壓條件下，容易沿該反應(yīng)路徑進(jìn)行。該反應(yīng)對(duì)溫度不敏感，降低溫度對(duì)反應(yīng)速率影響不大。在燃?xì)廨啓C(jī)的稀燃預(yù)混合燃燒過(guò)程中，N20路徑是產(chǎn)生NO的必經(jīng)過(guò)程。在稀燃點(diǎn)燃式 (SI)發(fā)動(dòng)機(jī)中，該反應(yīng)路徑也會(huì)發(fā)生。氮氧化物生成的影響因素(1) 噴油定時(shí)的影響柴油車機(jī)內(nèi)氣缸NO生成量數(shù)值大小大致與預(yù)混燃燒期內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量成正比。噴油提前角減小，使燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的N0X較少。(2) 放

11、熱規(guī)律的影響柴油機(jī)燃燒放熱規(guī)律的兩種模式：傳統(tǒng)放熱規(guī)律模式和低排放放熱規(guī)律模式。傳統(tǒng)模式在壓縮上止點(diǎn)前即由于不可控預(yù)混合燃燒而出現(xiàn)一個(gè)很高的放熟率尖峰，接著是由于擴(kuò)散燃燒造成的一個(gè)平緩的放熱率尖峰。前者導(dǎo)致生成大量：而后者(緩慢拖拉的燃燒)導(dǎo)致柴油機(jī)熱效率惡化，微粒排放增加。(3) 負(fù)荷與轉(zhuǎn)速的影響。排放隨負(fù)荷增大而顯著增加，這是因?yàn)殡S負(fù)荷增大可燃混合氣的平均空 燃比減小，使燃燒壓力和溫度提高所致。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排放的影響比負(fù)荷的影響小。非增壓柴油 機(jī)，一般最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的 NOx體積分?jǐn)?shù)大于標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的值。(4) 混合氣溫度在高溫下內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生氮氧化物的速率加快，產(chǎn)生量急劇增加。(5) 混合氣成

12、分混合氣成分影響著燃燒時(shí)氣體的溫度和可利用的氧濃度通過(guò)對(duì)平衡狀態(tài)下一氧化氮濃度的計(jì)算表明：NOx的濃度在混合氣稀的區(qū)域內(nèi)主要是溫度起支配作用，而在混合氣濃的區(qū)域內(nèi)，主要是氧的濃度起決定作用(6) 滯留時(shí)間通過(guò)對(duì)非平衡狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)中NOx濃度計(jì)算可知，滯留時(shí)間短，NO濃度低，滯留時(shí)間長(zhǎng)，NOx濃度高(7) 高內(nèi)燃機(jī)內(nèi)壓力 壓力主要對(duì)理想混合氣或濃混合氣影響較大拉伏耶(Lavoie)等人研究了澤爾多維奇的反應(yīng)機(jī)理后認(rèn)為： NOx的反應(yīng)機(jī)理除了按上述反應(yīng)進(jìn)行以外，氧的濃度對(duì)NO的生成率有很大影響。除此之外，氮與氧在高溫區(qū)滯留的時(shí)間是影響NOx生成率的又一重要因素。綜上所述，高溫、富氧和氧與氮在高溫下

13、滯留時(shí)間是決定柴油機(jī)燃燒過(guò)程中NOx生成率大小的三個(gè)重要因素。而由于柴油機(jī)燃燒過(guò)程中，氮的含量始終是充足的，因此不存在氮的濃度對(duì) NOx生成率氧的濃度對(duì) NOx的生成率有很大影響。除此之外，氮與氧在高溫區(qū)滯留的時(shí)間是影響 NO%生成率的又一重要因素。綜上所述，高溫、富氧和氧與氮在高溫下 滯留時(shí)間是決定柴油機(jī)燃燒過(guò)程中 Nox生成率大小的三個(gè)重要因素。而由于柴油機(jī)燃燒過(guò)程中， 氮的含量始終是充足的，因此不存在氮的濃度對(duì)NOx生成率的影響的影響。結(jié)語(yǔ)隨著環(huán)保問(wèn)題的日益突出，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要具有良好的經(jīng)濟(jì)性能，還應(yīng)具有較好的低公害性能(良好的排放性與低噪聲性能)氮氧化物成分隨不同發(fā)動(dòng)機(jī)型與運(yùn)轉(zhuǎn)條件均

14、有所變化，因此通過(guò)對(duì)燃燒系統(tǒng)的改進(jìn)，達(dá)到控制燃燒，減少污染物的形成，是實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)凈化的重要途徑由于混合氣 形成與燃燒控制進(jìn)行情況，對(duì)氮氧化物的生成有著直接聯(lián)系，因此對(duì)混合氣形成與燃燒影響大的 因素實(shí)行最佳的調(diào)節(jié)與控制，是機(jī)內(nèi)凈化的一種有效方法，其中包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣成分、點(diǎn)火 時(shí)間、進(jìn)氣溫度隨工況變化的最佳調(diào)節(jié)與控制。降低火焰溫度，減少熱力型NOx改變空氣與燃?xì)饣旌媳壤龑?shí)現(xiàn)富氧和厭氧燃燒減小NOx產(chǎn)生。參考文獻(xiàn)：1 美sTanky E Manahm 著環(huán)境化學(xué).陳甫華等譯天津：南開(kāi)大學(xué)出版社，19932 錢耀義編.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染與控箭.北京：A展交通吐I版社，19873 李興虎.汽車環(huán)境污染與控制M，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011 .4 劉巽俊.內(nèi)燃機(jī)的排放與控制M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社.5 孫夕香，