柴油機(jī)尾氣凈化處理技術(shù)綜述

柴油機(jī)尾氣凈化處理技術(shù)綜述

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求和使用類型不斷增加。與此同時(shí)，對(duì)環(huán)境的影響也在增加。柴油機(jī)尾氣的主要成分是氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM),它們對(duì)人類的健康和環(huán)境有著嚴(yán)重的影響。近幾年來(lái),各國(guó)正在大力發(fā)展尾氣處理技術(shù),來(lái)解決柴油機(jī)排放的PM與NOx所引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題。文章針對(duì)目前柴油機(jī)主要排放物PM和NOx的后處理技術(shù)進(jìn)行了探討,并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1pm處理技術(shù)1.1成co和hoPM的催化氧化技術(shù),是利用催化劑將尾氣中的HC、CO和PM中的可揮發(fā)性有機(jī)物徹底氧化成CO2和H2O,采用的催化劑通常為堿金屬、過(guò)渡金屬及金屬氧化物載體等。PM的催化氧化技術(shù)可使揮發(fā)性有機(jī)物的去除率高達(dá)90%,PM總?cè)コ蔬_(dá)到25%~50%,并降低柴油機(jī)尾氣的臭味,但溫度控制不當(dāng),易使催化劑中毒,導(dǎo)致催化能力下降,尾氣顆粒物排放量增加。1.2pm捕集制造控制技術(shù)微粒捕集技術(shù)是借助慣性碰撞、截留、擴(kuò)散和重力沉降等作用使微粒從氣流分離的方法,已經(jīng)成為公認(rèn)有效的PM排放控制技術(shù)。過(guò)濾材料和再生技術(shù)是PM捕集的關(guān)鍵技術(shù)。目前,廣泛使用的過(guò)濾材料包括泡沫陶瓷、泡沫金屬、金屬網(wǎng)板和陶瓷纖維等,其中以菫青石最為常用。此外,近年來(lái)還出現(xiàn)了一些新的濾芯材料,如碳化纖維和沸石等。PM捕獲技術(shù)對(duì)燃油中硫含量要求很嚴(yán)格,尾氣中的硫會(huì)使催化劑中毒,從而使催化效果下降,使用壽命縮短。2nox去除技術(shù)2.1催化劑的選擇SCR技術(shù)是指利用尾氣中有機(jī)物為還原劑或添加還原劑,在氧濃度高出NOx濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上條件下,高選擇性地優(yōu)先把NOx還原為N2。目前,常見(jiàn)的還原劑包括NH3、HC和CO。采用NH3作還原劑進(jìn)行催化還原NOx的優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)用溫度較低,催化劑不含貴金屬,壽命長(zhǎng),理想狀態(tài)下,NOx的脫除率達(dá)90%以上。但NH3或氨水腐蝕性強(qiáng),對(duì)管路設(shè)備的要求高,造價(jià)昂貴,且易造成二次污染。采用HC作還原劑選擇性地還原NOx,目前廣泛使用的催化劑主要包括金屬氧化物、貴金屬和分子篩三大體系。學(xué)者廣泛研究且催化效果較好的體系包括V2O5-TiO2、Ag/Al2O3、Co/Fe/Pt/Cu-分子篩,其中Ag/Al2O3體系NOx的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上,但其轉(zhuǎn)化溫度高,且抗硫化物和水蒸氣中毒能力差。近年來(lái),又出現(xiàn)了Au/CeO2體系,該體系催化劑可以在較低溫度下使NOx還原,但催化劑在高溫時(shí)易發(fā)生燒結(jié)。Permana等人使用CO做還原劑,采用Rh系列催化劑,選擇性催化還原NOx,研究發(fā)現(xiàn)NOx在催化劑上的表面覆蓋度直接影響催化劑的活性和選擇性。2.2等離子體輔助等離子輔助催化還原技術(shù)是利用低溫等離子與NOx選擇性催化還原相結(jié)合,以提高SCR催化劑的低溫活性與凈化效率。等離子輔助技術(shù)以輝光、電暈等放電形成低溫等離子體,將排氣活化為電子、離子及自由基等,使NO、HC轉(zhuǎn)化為反應(yīng)活性更高的NO2及HC部分氧化產(chǎn)物,從而促進(jìn)隨后催化劑作用下的NOx選擇性還原的進(jìn)行。等離子輔助催化還原技術(shù),具有對(duì)硫不敏感、SCR催化劑凈化效率與低溫活性高以及降低PM排放等技術(shù)優(yōu)勢(shì),是柴油機(jī)尾氣后處理研究的新方向之一。2.3發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理NSR技術(shù)是在三元催化劑的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的,其活性成分是貴金屬和堿土金屬(如Na+,K+,Ba2+等)或稀土金屬(如La2O3),其作用機(jī)理如下:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃狀態(tài)下工作時(shí),排氣處于氧化氣氛,在貴金屬(Pt)催化作用下,NO與O2反應(yīng)生成NO2,并以硝酸鹽的形式存儲(chǔ)在堿土金屬表面;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在化學(xué)計(jì)量或濃混合氣狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),硝酸鹽又分解釋放出NOx,在催化劑上與CO、HC和H2反應(yīng)生成N2、CO2和H2O,同時(shí)使得堿土金屬得以再生。目前,NSR系統(tǒng)處于迅速發(fā)展階段,由于其高效率,正在通過(guò)工程技術(shù)階段向?qū)嵱没^(guò)渡。NSR技術(shù)尚未能應(yīng)用于柴油機(jī),主要由于催化劑容易硫中毒。此外,柴油機(jī)只能是在稀燃狀態(tài)下工作,而不能在濃混合氣中運(yùn)行。3排放pm作為還原反應(yīng)NOx和PM同時(shí)去除技術(shù)是目前一個(gè)新的研究方向,它是用柴油機(jī)排放的PM直接作為還原劑和NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng),以此來(lái)達(dá)到同時(shí)消除NOx和碳煙顆粒雙重污染物的目的。目前,國(guó)內(nèi)外的研究主要有兩種方法四元催化凈化器技術(shù)和PM和NOx同時(shí)催化去除技術(shù)。3.1元催化分離器四元催化凈化技術(shù)是在三元催化凈化器(TWC)的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的。對(duì)于汽油機(jī)的排氣凈化,最為有效的方法是采用三元催化凈化器,使CO、HC和NOx互為氧化劑和還原劑而同時(shí)去除。目前,為同時(shí)降低柴油機(jī)排氣中的CO、HC、PM和NOx,研究者們采用的方法主要有過(guò)濾器和SCR技術(shù)、過(guò)濾器和NOx捕集器以及豐田公司推出的DPNR技術(shù)等。3.2種理想的柴油后處理技術(shù)PM和NOx同時(shí)催化去除技術(shù)是利用柴油機(jī)自身排放的NOx和PM在富氧環(huán)境中發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成無(wú)害的CO2和N2,是一種理想的柴油后處理技術(shù)。Yoshida首次提出了用過(guò)濾器收集PM在富氧條件下還原NOx的理念,并證實(shí)在同一催化床層上消除PM和NOx是可行的。目前,廣泛使用鈣鈦礦型和尖晶石型復(fù)合氧化物來(lái)代替貴金屬作為汽車尾氣凈化的催化劑,研究發(fā)現(xiàn)者兩類均具有較好的催化活性和選擇性。但目前的研究?jī)H處于研發(fā)階段,開(kāi)發(fā)和尋找同時(shí)去除PM和NOx的雙功能高效催化劑是研究者不懈努力的目標(biāo)。4尾氣后處理的研究方向隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸提高和世界各國(guó)柴油機(jī)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格,柴油機(jī)尾氣凈化處理技術(shù)越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。目前,柴油機(jī)尾氣凈化處理技術(shù)存在的問(wèn)題和發(fā)展方向如下:(下轉(zhuǎn)第66頁(yè))(上接第86頁(yè))(1)柴油機(jī)尾氣凈化處理技術(shù)中,尾氣中硫的存在,會(huì)使催化劑中毒,導(dǎo)致催化活性和使用壽命明顯下降,如何解決柴油機(jī)尾氣中硫的問(wèn)題是當(dāng)今關(guān)鍵技術(shù)和研究重點(diǎn)。一方面可以從燃油本身著手,即不斷提高燃油的品質(zhì),降低硫含量;另一方面從使用的催化劑著手,不斷提高催化劑抗硫中毒能力,以保持良好的催化活性和使用壽命。(2)離子輔助技術(shù)具有對(duì)硫不敏感、催化劑凈化效率高、低溫活性高以及有效降低PM排放等技術(shù)優(yōu)勢(shì),深入研究離子輔助技術(shù)結(jié)合SCR技術(shù),大力發(fā)揮兩者的優(yōu)