等离子体协同催化去除柴油机尾气颗粒物

摘要

近几年来，我国一些地区频繁发生雾霾等区域性大气污染问题，这些问题与大气中的颗粒物(Particulate Matter,PM)有着紧密的联系。PM粒径小于等于10微米(PM10)和小于等于2.5微米(PM2.5)，其在大气中的沉降速度慢，停留时间长，在大气动力作用下形成跨国界乃至跨洲际的长距离传输，使得其影响涵盖区域乃至全球尺度。城市大气中的PM主要来源于工业过程和机动车（柴油）尾气。柴油车尾气PM净化方法主要有过滤法和等离子体放电法。过滤法是将PM过滤在滤材上从而达到去除PM的目的，此方法需要柴油含硫量小于10ppm。等离子体放电法是通过放电将PM荷电并通过电场捕获，然后再通过放电产生的活性氧将PM氧化成CO2和H2O。由于等离子体放电法去除柴油机尾气PM不受柴油含硫量影响，且具有结构简单、不需要对柴油发动机进行改造等特点，等离子体去除柴油机尾气PM作为后处理新技术具有很好的应用前景。
　　本研究采用介质阻挡放电(dielectric barrier discharge，DBD)和DBD协同贵金属催化剂对柴油机尾气PM进行氧化去除。先利用模拟气体评价了金、白金和银三种贵金属催化剂对尾气PM的去除效果。然后利用柴油发动机尾气，研究了DBD反应器和DBD协同催化反应器的结构以及放电参数对PM去除的影响。
　　利用柴油发动机尾气对DBD去除PM效果进行了评价，得到的主要结果如下:
　　(1)随着柴油发动机输出功率的增加，尾气温度、PM总数量浓度、NOx(NO+NO2)和COx(CO+CO2)浓度增加，但O2浓度降低。
　　(2)随着反应通道数的增加，PM的去除率增加，反应通道由10个增加到40个时，PM去除率从61％增加到88％。但反应通道大于15个之后，PM去除率增加不明显。
　　(3)随着放电功率的增加，PM去除率明显增加，放电功率由0W增加到43.4 W时，PM去除率由0％增加到93％。但放电功率大于20 W之后，PM去除率增加不明显。
　　(4) DBD反应器对于粒径在200 nm以下的PM有较好的去除效率，而粒径大于200 nm的PM随着粒径的增大PM分级效率有所下降。
　　(5)注入到DBD反应器的放电功率随着反应器放电单元、放电电压及放电频率的增大而增大，最高的放电功率接近50 W。随着放电电压的增加，反应器的放电功率增加，PM去除率显著提高。但放电间隙越大，放电越困难，不利于PM的去除。
　　(6)随放电时间增加，PM去除率明显降低。因此，DBD去除PM需要催化剂来协同提高其去除能力。
　　利用模拟气体对DBD协同催化反应器进行了评价，得到的主要结果如下:
　　(1)和无催化剂相比，所选取的贵金属催化剂Au、Pt和Ag都能促进等离子体去除柴油机尾气PM。
　　(2)在200℃、放电功率为4W时无催化剂条件下的DBD反应器的PM去除效率为5.58 g/kWh，使用催化剂（浓度为0.1μg/cm2）时的PM去除效率分别为Au:6.01 g/kWh、Pt:6.14 g/kWh和Ag:5.72 g/kWh。Au催化剂在浓度为1μg/cm2时的PM去除效率最高，达6.10 g/kWh; Pt催化剂在浓度为0.1μg/cm2时的PM去除效率最高，为6.14 g/kWh; Ag催化剂在浓度为1μg/cm2时的PM去除效率最高为5.82 g/kWh。利用柴油发动机尾气对DBD协同催化去除PM效果进行了评价，
　　主要结果有:
　　(1)在等离子体协同催化去除柴油机尾气PM的长时间(8h)放电条件下，和无催化剂相比，Au、Pt和Ag催化剂都有一定的催化效果。
　　(2)当柴油发动机输出功率为0W时，Pt催化剂的催化效果最高;当柴油发动机输出功率为800、1200和2000W时，Au催化剂的催化效果最高。
　　(3) Au、Pt和Ag催化剂对DBD反应器的放电功率无明显影响，当放电参数相同时，有无催化剂的反应器中放电功率随放电时间的变化趋势相同。
　　(4)对等离子体场中贵金属催化剂净化PM的机理进行了讨论。推测等离子体放电产生的活性氧在催化剂的存在下得到有效利用。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 颗粒物的来源

1．2 柴油车颗粒物形成机理

1．3 柴油发动机尾气PM的危害及排放法规

1．4 机动车尾气排放现状

1．5 柴油发动机尾气PM后处理装置

1．5．1 柴油机颗粒过滤器

1．5．2 柴油机催化氧化器

1．5．3 等离子体反应器

1．6 研究目的与意义

第二章 试验装置与方法

2．1 柴油机试验装置系统

2．2 催化剂评价系统

2．3 贵金属催化剂的制备

2．4 试验结果处理方法

2．4．1 放电功率计算方法

2．4．2 催化剂成本计算

2．4．3 PM去除率、分级效率及去除效率计算

第三章 结果与讨论

3．1 放电特性

3．1．1 电压／电流波形

3．1．2 放电发光现象

3．2 放电参数及反应器结构对PM去除的影响

3．2．1 放电间隙与放电频率

3．2．2 放电功率对PM去除的影响

3．2．3 反应通道的影响

3．3 柴油机输出功率对PM去除的影响

3．3．1 柴油机尾气各组分初始浓度

3．3．2 连续放电8h对PM去除效果的影响

3．4 产物分析

3．4．1 NOx的产生及去除

3．4．2 O3的浓度

3．4．3 COx与O2的平衡

3．5 等离子体去除PM机理分析

3．6 不同温度下催化剂对PM去除的影响

3．7 不同催化剂浓度对PM去除的影响

3．8 不同催化剂去除柴油机尾气PM效果

3．9 不同催化剂对反应器放电及柴油机尾气其它组分的影响

3．10 催化剂对等离子体去除PM的机理分析

第四章 结论及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的发明专利

攻读硕士学位期间参与的项目

攻读硕士学位期间获奖情况

致谢

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