低溫等離子體降低柴油機(jī)NOX排放的研究進(jìn)展

濮曉宇

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

低溫等離子體降低柴油機(jī)NOX排放的研究進(jìn)展

濮曉宇

江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212013

作為近年來(lái)處理柴油機(jī)氮氧化物（NOx）的新手段，低溫等離子體（NTP）技術(shù)具有極大的應(yīng)用前景。低溫等離子體技術(shù)通過(guò)放電產(chǎn)生活性物質(zhì)，可使常規(guī)條件下不易實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)得以啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物分子的分解去除。本文回顧了低溫等離子體技術(shù)在降低柴油機(jī)NOx排放領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)不同放電方式的NTP技術(shù)進(jìn)行了綜合性歸納。近年來(lái)，為了達(dá)到更好的NOx去除效果，NTP與催化吸附相結(jié)合的方式也被廣泛研究。NTP技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制領(lǐng)域的一項(xiàng)新型技術(shù)，值得更多的學(xué)者進(jìn)行深入探索與研究，以期實(shí)現(xiàn)NTP技術(shù)的實(shí)車應(yīng)用。

低溫等離子體；氮氧化物去除；柴油機(jī)；催化劑；排放控制

一、引言

憑借低油耗、高熱效率、低HC及CO排放等優(yōu)勢(shì)，柴油機(jī)被廣泛應(yīng)用于固定及移動(dòng)機(jī)械。然而相較于汽油機(jī)，柴油機(jī)排放大量的NOX及PM，其中NOx的危害有：酸雨、地表臭氧濃度升高、光化學(xué)煙霧等。

目前，已有多種用于降低NOx排放的發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、主動(dòng)稀燃NOx技術(shù)、NOx吸附還原技術(shù)等都被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放控制。但這些處理技術(shù)都有一些固有的缺點(diǎn)。

低溫等離子體技術(shù)被認(rèn)為能夠有效減少柴油機(jī)的尾氣排放。NTP尾氣處理方式將等離子體通入排氣中，能達(dá)到較為高效的NOx還原效率，具有極大的應(yīng)用前景。產(chǎn)生NTP的放電方式有多種，如電暈放電、射頻放電、微波放電及介質(zhì)阻擋放電（DBD）等。

已有研究中，多種不同放電方式的NTP被應(yīng)用于降低柴油機(jī)NOx排放的研究。一些研究者采用介質(zhì)阻擋放電型反應(yīng)器及填充式DBD反應(yīng)器對(duì)降低NOx排放進(jìn)行研究，結(jié)合使用NTP及催化吸附的方式也得到廣泛的應(yīng)用。

二、NTP技術(shù)降NOx排放的研究進(jìn)展

（一）介質(zhì)阻擋放電型

2008年，Rajanikanth等研究了兩種不同種類的DBD反應(yīng)器（線－柱型和管－柱型）對(duì)模擬及真實(shí)排氣的處理。結(jié)果表明，管－柱型反應(yīng)器由于其更小的放電間隙，產(chǎn)生了比線－管型更高的NOx去除效率。

2011年，Mohapatro等采用橫向流DBD反應(yīng)器處理一臺(tái)3.75kW柴油機(jī)的NOx排放。試驗(yàn)反應(yīng)器包括9個(gè)放電電極，且氣流徑向流動(dòng)通過(guò)電極，因此該反應(yīng)器具有更穩(wěn)定的放電工況和更長(zhǎng)的氣體滯留時(shí)間，取得了良好的NOx去除效果。

（二）填充式介質(zhì)阻擋放電型

2003年，Yamamoto等研究了低溫等離子體對(duì)一臺(tái)2kW柴油機(jī)不同工況下的尾氣處理效果。試驗(yàn)采用了三種等離子體反應(yīng)器：脈沖DBD反應(yīng)器、脈沖填充式DBD反應(yīng)器和交流填充式DBD反應(yīng)器。試驗(yàn)結(jié)果表明交流填充式DBD反應(yīng)器和不帶吸附體的脈沖DBD反應(yīng)器在放電功率和NOx去除效率上有更好的表現(xiàn)。研究者聲稱，等離子體催化吸附系統(tǒng)總的運(yùn)行成本是傳統(tǒng)選擇性催化過(guò)程的1/4至1/3。

2009年，Srinivasan等研究了三種不同電壓激發(fā)方式（交流、直流、脈沖）的NTP反應(yīng)器對(duì)于柴油機(jī)NOx的排放控制。試驗(yàn)采用裝有電介質(zhì)小球的填充式DBD反應(yīng)器。結(jié)果表明，脈沖放電的反應(yīng)器總體性能優(yōu)于交流放電和直流放電的反應(yīng)器，脈沖放電反應(yīng)器輸入更低的能量密度就能達(dá)到與交流及直流放電反應(yīng)器相同的NOx去除效率。

（三）介質(zhì)阻擋放電結(jié)合催化吸附

2003年，Rajanikanth等將一個(gè)NTP結(jié)合催化吸附的串聯(lián)系統(tǒng)用于對(duì)NOx和HC的處理研究。串聯(lián)系統(tǒng)包括一個(gè)DBD反應(yīng)器和一個(gè)下游的催化吸附反應(yīng)器。使用了三種不同材料的吸附小球：活性氧化鋁、MS-13X和活性炭。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于單一的凈化過(guò)程，NTP-催化吸附的串聯(lián)凈化過(guò)程有著更高的NOx去除效率，且NOx去除效率隨著時(shí)間基本保持不變。此外，活性炭和MS-13X吸附體對(duì)NOx和HC去除效率更高。

2009年，Rajanikanth等提出了一種新穎的為等離子體反應(yīng)器提供高壓電源供給的方式。相比于傳統(tǒng)的重復(fù)脈沖或交流放電方式，采用一種太陽(yáng)能高頻放電方式以提高能量密度。這種發(fā)生器能夠產(chǎn)生高達(dá)16kV的高壓，12.2kHz的放電頻率和24ns的脈沖上升時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明。應(yīng)用這種太陽(yáng)能高頻交流發(fā)生器，能夠達(dá)到比其他發(fā)生器更高的NOx去除效率。

三、結(jié)論

低溫等離子體技術(shù)是一種極具應(yīng)用前景的降低柴油機(jī)NOx排放的手段。已有大量專家學(xué)者對(duì)NTP降NOx的技術(shù)進(jìn)行了探索研究，并對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改善，為提高NTP降NOx的效率提出了很多新的方法。該領(lǐng)域的已有研究表明，脈沖電源供給能更高效地產(chǎn)生等離子體，近年來(lái)被越來(lái)越多地加以應(yīng)用。此外，相比單獨(dú)的NTP降NOx技術(shù)，NTP與催化吸附相結(jié)合的技術(shù)有更高的NOx去除效率。然而，絕大多數(shù)現(xiàn)有研究?jī)H限于試驗(yàn)室，尚不足以應(yīng)用至實(shí)車上。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知，能耗較大是NTP技術(shù)應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)，需要進(jìn)行更加深入的研究以改進(jìn)反應(yīng)器的放電和設(shè)計(jì)。鑒于排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，NTP技術(shù)在實(shí)車應(yīng)用上具有極大的可行性。當(dāng)然NTP技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，還需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)與研究。

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