低溫等離子體處理汽車尾氣

1、 等離子體的基本概念等離子體的基本概念 低溫等離子體的產(chǎn)生方式低溫等離子體的產(chǎn)生方式 低溫低溫等離子體處理廢氣的作用機(jī)理等離子體處理廢氣的作用機(jī)理 低溫等離子體處理技術(shù)低溫等離子體處理技術(shù) 4 1 2 3 目錄 一、等離子體的基本概念及產(chǎn)生方式一、等離子體的基本概念及產(chǎn)生方式 等離子體概念等離子體概念 由大量的帶電的正粒子、負(fù)粒子（其中包括正離由大量的帶電的正粒子、負(fù)粒子（其中包括正離 子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)等）組成子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)等）組成 的集合體，其中正電荷和負(fù)電荷電量相等，故稱等離的集合體，其中正電荷和負(fù)電荷電量相等，故稱等離 子體。子體。 低溫等離

2、子體又名非平衡等離子體，其內(nèi) 部的電子溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于離子溫度（電子溫度可 達(dá)104K，而離子溫度一般只有300K500K）， 系統(tǒng)處于熱力學(xué)非平衡態(tài)，其表觀溫度較低， 所以被稱為低溫等離子體。 等離子體是物質(zhì)第四態(tài) 固體 冰 液體 水 氣體 水汽 等離子體 電離氣體 溫度 00C1000 C 100000C 電離氣體是一種常見的等離子體 放電是使氣體轉(zhuǎn)變成等離子體的一種常見形式 等離子體 電離氣體 需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體 性質(zhì)。 “電性”比“中性”更重要 ( 電離度 10-4 ) 二、低溫等離子體處理廢氣的作用機(jī)理 利用高能電子使電子、離子、自由基和中性粒子以每 秒鐘300萬

3、次至3000萬次的速度反復(fù)轟擊氣體中的污染物 分子，激活、電離、分解污染物分子，從而發(fā)生氧化、分 解等一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，將有害物轉(zhuǎn)化為無害物。 而且，離子溫度和大量中性粒子的溫度遠(yuǎn)低于電子 溫度,整個反應(yīng)體系又可以保持低溫,乃至接近室溫,反應(yīng)器 也可以處于低溫。這樣,設(shè)備投資少,節(jié)省能源。 低溫等離子體具有的特點(diǎn) 1 1 2 2 3 3 該等離子體為準(zhǔn)電中性的, 即正 電荷載流子密度總體上等于負(fù)電 荷載流子密度 。 等離子體中的電子具有 較中性粒子大得多的能 量或更高的溫度; 帶電粒子的數(shù)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小 于中性粒子總的數(shù)密度( 即 電離度小) ; 產(chǎn)生低溫等離子體的方法 介質(zhì)阻擋放電（DBD）

4、 介質(zhì)阻擋放電是一種靈活可靠的低溫等離子體放電方 式，適合生成較大體積的等離子體，其兼有輝光放電的大 空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行特點(diǎn)，而且電子密 度很高，更加有利于汽車尾氣的凈化。 DBD的主要特征是至少有一層電介質(zhì)覆蓋在電極上或 者懸掛在放電空間里。整個放電由在時間和空間上隨機(jī)分 布的大量稱為微放電的電流細(xì)絲構(gòu)成。 下圖為一種常用的介質(zhì)阻擋低溫等離子體發(fā)生器.低溫等離子 體發(fā)生器通過復(fù)合高壓電極連接變壓變頻等離子體電源和低壓電 極接地來產(chǎn)生低溫等離子體放電。發(fā)生器開始工作時，在內(nèi)部會 產(chǎn)生大量的自由基等強(qiáng)氧化物質(zhì)，它們的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S，很 容易與尾氣中的污染組分如CO、HC及NOx

5、發(fā)生反應(yīng)，使催化劑迅 速被激活，從而達(dá)到降低催化劑激活溫度的目的，同時低溫等離 子體發(fā)生器產(chǎn)生的自由基能促進(jìn)催化劑的催化反應(yīng)過程，顯著提 高尾氣催化凈化的效果。 等離子凈化原理根據(jù)汽車尾氣成分的不同而有所差異，汽車 尾氣排放中,無機(jī)物和有機(jī)物成分共有幾十種。含量最多的有害 成分主要是NO、CO、HC和PM微粒。當(dāng)電子能量10 eV，且 電子能量大于尾氣分子化學(xué)鍵的結(jié)合能時，高能的活性粒子可 以直接將其分解成單原子分子，當(dāng)電子能量10 eV的時候，氧 化反應(yīng)起主要的作用。因此，活性粒子的能量與氣體的鍵能對 凈化的影響非常大。表1示出常見的汽車尾氣活性粒子的鍵能表。 空氣經(jīng)過低溫等離子體作用后，產(chǎn)

6、生一系列氧化性極 強(qiáng)的OH、HO2、O、O3等強(qiáng)氧化物質(zhì)。這些活性物質(zhì) 會有效的將汽車尾氣中的HC、NOx、PM等有害氣體轉(zhuǎn)化 為無害的CO2 、H2O和硝氨固體鹽等。 CO凈化機(jī)理凈化機(jī)理： 主要參與的反應(yīng)有： CO+OCO2 CO+2OHCO2+2H2O CO+H2OCO2+H2O 3CO+O33CO2 HC凈化機(jī)理凈化機(jī)理 主要參與的反應(yīng)有: HC+OCO2+2H2O HC+2OH CO2+2H2O HC+HO2 CO2+H2O HC+O3 CO2+H2O PM凈化機(jī)理凈化機(jī)理 主要的反應(yīng)有: C+2O CO2 C+4OHCO2+2H2O 3C+4HO2 3CO2+2H2O 3C+2O3

7、 3CO2 2C+2NO2 N2+2CO NO的氧化反應(yīng)的氧化反應(yīng) NO+ONO2 NO+OHNO2+H2O NO+HO2CO2+OH NO+O3NO2 汽車尾氣等離子凈化系統(tǒng) 汽車尾氣等離子凈化系統(tǒng)主要有3個部分組成：等離子反應(yīng)器高 壓高頻電源和控制系統(tǒng)。下圖表示出等離子凈化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) ，汽 車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過等離子凈化系統(tǒng)排出。 控制系統(tǒng) 高壓高頻 電源 等離子反 應(yīng)器 汽車發(fā)動 機(jī) 氣體排出 1、機(jī)內(nèi)凈化中的等離子體處理技術(shù) 用于機(jī)內(nèi)凈化處理的低溫等離子體技術(shù), 其基本原理 是將空氣離子化, 即將空氣送入內(nèi)燃機(jī)之前, 利用低溫等離 子體將空氣中的氧轉(zhuǎn)化為臭氧。該技術(shù)的主要部件是一

8、臺 電暈放電式臭氧發(fā)生器, 由管道與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣裝置相連接 。 臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧進(jìn)入燃燒室便分解為氧負(fù)離子, 使 火焰膨脹, 促進(jìn)燃燒, 從而提高了反應(yīng)速率 。 處理結(jié)果節(jié) 能效率 20% , 污染物減排約 50%。 2、機(jī)外凈化中的等離子體處理技術(shù) 機(jī)外凈化中所用的等離子體技術(shù)主要有電暈放電 、 介電位壘 放電 、 沿面放電等幾種方式, 利用等離子體體系中的活性物種強(qiáng)化 ( 催化) 氧化還原反應(yīng), 將汽車尾氣中的有害物質(zhì)通過氧化 、 還 原或離解而轉(zhuǎn)化為無害或低害物質(zhì)以達(dá)到降低環(huán)境污染的目的 。 （1）等離子體技術(shù)的單獨(dú)應(yīng)用 （2）等離子體與三元催化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用 （3）等離子體與NH3S

9、CR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用 （4）等離子體/La0.8K0.2CoO3催化劑協(xié)同凈化技術(shù) （1）等離子體技術(shù)的單獨(dú)應(yīng)用 等離子體技術(shù)在汽車尾氣凈化的單獨(dú)使用，原理基本 上與等離子體技術(shù)在機(jī)內(nèi)凈化中的原理相同。主要是通過 沿面放電或介質(zhì)阻擋放電，使得由發(fā)動機(jī)排出的尾氣等離 子化，即通過等離子激發(fā)的活性原子氧等元素，與CO 、 HC反應(yīng)，同時利用尾氣中的C元素作為還原劑，可進(jìn)一步 有效的將NOx 生成無害的H2O 、N2 、CO2。 （2）等離子體與三元催化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用 等離子體與三元催化技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，本質(zhì)上是等 離子體輔助催化還原技術(shù)。根據(jù)等離子的特點(diǎn)，較多采 用二級系統(tǒng)，如下圖。 其作用機(jī)理是利用

10、等離子體發(fā)生器產(chǎn)生離 子、激發(fā)態(tài)分子、原子和自由基等化學(xué)活性極 強(qiáng)的物質(zhì)，在氧( O2) 和碳?xì)浠衔? HC) 存在 的條件下，將汽車尾氣中的NO氧化為NO2； 隨后，借助三元催化劑的作用，將未能完全凈 化掉的NO2 物質(zhì)，進(jìn)行選擇性還原，并最終生 成H2O、 CO2、 N2 等。 （3）等離子體與NH3SCR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用 等離子體與NH3SCR技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用具體而言，就是當(dāng)發(fā)動機(jī) 冷啟動或怠速時，低溫汽車尾氣通過等離子體反應(yīng)器，由等離子體 反應(yīng)器放電產(chǎn)生高濃度低溫等離子體，在等離子氣體放電間隙區(qū)與 高能電子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生相應(yīng)的氧化能力極強(qiáng)的活性基團(tuán)，這些活 性基團(tuán)可以將汽車尾氣中絕大部分

11、的NO部分氧化成NO2，并在SCR 反應(yīng)器中與NH3在催化劑的共同作用下將NOx催化還原成無害的N2 和H2O。 應(yīng)方程式如下: 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6 H2O 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12 H2O 2NO2 + 2NH3 N2 + H2O + NH4NO3 當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度升高到 一定程度時，關(guān)閉等離子體反 應(yīng)器，SCR反應(yīng)器單獨(dú)作用， 實現(xiàn)NH3 SCR高效降低NOx 排放。等離子體與NH3SCR 技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)了降低 NOx排放，并使用等離子體反 應(yīng)器替代貴金屬催化氧化功能 對NO進(jìn)行預(yù)氧化，有效解決 催化劑硫中毒問題。 （4）低溫等離子體/La0.8K0.2CoO3催化劑協(xié)同 凈化技術(shù) La0.8K0.2CoO3系鈣欽礦型復(fù)合氧化物催化劑。該催化 劑對顆粒物、碳?xì)浠衔锞写呋饔?。該協(xié)同凈化技 術(shù)是低溫等離子技術(shù)與La0.8K0.2CoO3催化劑技術(shù)的具體 結(jié)合，是在DBD反應(yīng)器之后連接催化劑為La0.8K0.2CoO3