（环境工程专业论文）利用低温等离子体去除柴油机尾气中颗粒物质的研究.pdf

摘要 柴油机凭借良好的动力性，经济性与耐久性，广泛地应用于交通运输及工程机械等 领域。尤其是在2 0 世纪7 0 年代世界能源危机以后，车用柴油机更加受到人们的重视， 城市公共汽车，大型客车和载重车基本上都采用了柴油机，但其尾气排放中存在大量有 害物质，已成为机动车密集城市和船舶流量大的区域的主要污染源，导致人类各种疾病 的发生和生态环境的破坏。 与汽油车相比，柴油车的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 排放量很低，一般只 有汽油机的几十分之一；氮氧化物排放量与汽车属同一数量级；突出的污染物是颗粒物 质( p m ) ，其排放量约为汽油机的3 0 8 0 倍，而颗粒物质又是强致癌物苯并芘、硝基 稠环芳烃的载体，危害极大。因此对柴油车净化的主攻方向是降低颗粒物质和n o x 的 排放量。 近几年来，柴油机排放的尾气对环境的污染越来越严重，仅仅靠改进燃烧系统已经 很难达到日益严格的排放标准了。对于柴油机尾气后处理，更加有效、经济的处理技术 的研究开发迫在眉睫，尤其是对于柴油机尾气中的炭粒的去除显得尤为紧迫。虽然目前 陶瓷过滤器对于柴油机尾气中炭粒的去除率很高，但是过滤器的低温再生仍然是亟待解 决的问题，尤其是在车辆启动、制动过程中。现阶段柴油机颗粒过滤器的再生是采用间 接或者远距离产生并输送低温等离子体的方法。被低温等离子体作用的空气被输送到柴 油机尾气当中，n o 被氧化成n 0 2 。产生的n 0 2 和等离子中的活性物质使炭粒低温氧化 燃烧。 本文主要研究利用低温等离子体降低柴油机尾气中颗粒物质( p m ) 排放的技术。柴油 机排出的废气通过等离子体后，在直接和间接的作用下，将炭粒( 颗粒物质的主要成分) 氧化成c 0 2 ，从而降低排气中颗粒物质对环境的污染；同时分析了低温等离子体对炭粒 的作用机理，用实验验证了去除效果，另外还简单阐述了利用低温等离子体去除柴油机 尾气中n o x 的情况。 关键词：低温等离子体；p m ；柴油机尾气 a b s t r a c t u l e s e le n 母n e sw l t hag o o dm o m e n n 珊o fe c o n o m i ca n dd u r a b i l i 饥谢d e l yu s e d i i l 饥m s p o r ta n dc o n s t m c t i o nm a c l l i n e 巧，a n do t l l e r f i e l d s e s p e c i a l l yi 1 1t h el9 7 0 sa r e rt l l e w o r l d se n e r g yc r i s i s ，a u t o m o t i v ed i e s e le n 百n e sb ym o r e p e o p l e sa _ t t e n t i o n ，c i 够b l l s e s ，l a r g e b u s e sa n dt n l c k sh a v eb a s i c a l l ya d o p t e dt h ed i e s e l e n 百n e ，b u ti t se m i s s i o n so fh 锄1 m 1 s u b s t a i l c e sm i a r g e ，h a sb e c o m eav e 址c l es h i p p i l l gt r a m c i n t e n s i v ec i t ) ra i l dt h er e 西o n sm a i n s o u r c e so fp o l l u t l o n ，1 e a dt 0v 撕伽sm s e a s e s i 1 1h 啪a n 觚d e c o l o 百c a ld a i n a g et om e e n v i r o 眦e n t c o m p a r e dw i t hp e t r o lv e l l i c l e s ，d i e s e lv e l l i c l e so fc 舶o nm o n o x i d e ( c o ) ，h y 出o c a r b o n s 【h c ) e m l s s l o n sl sv e 巧l o w ，g e n e r a l l y0 1 1 l yaf c wo n e - t e n t ho ft h eg a s o l i n ee n 西n e ；n i t r o g e n o x l d e se 姗s s l o n s 舶mm o t o rv e h i c l e sa n d t h es 锄eo r d e ro fm a 嘶m d e ；p r o i i l i n e mp o l l u 觚s p a n l c u l a t em a t t e r ( p m ) ，i t sg a s 0 1 i n e e n g i l l ee m i s s i o n so fa b o u t3 0t 08 0t i i i l e s w h n e p a n l c u l a t em a t t e rl sa l s os t r o n gc a r c i n o g e nb 眦e 0 p y r e n e ，i l i t r o t h j c k 血ga r o m a t i cc 删e r ， v 唧g r e a t h 釉s oc l e a nd i e s e lv e h i c l e s0 nt h em a i nd h c t i o ni st or e d u c ep 硼i c u l a t em a t t e r a n dn o xe m i s s i o n s r e g u l a t i o n sr e g a r d i n ga u t o m o t i v ed i e s e le n 百n ee m i s s i o n sb e c o m em o r es e v e r ee v e n r y e a r ，a 王l di ti sd i 师c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t sw i t h o i l l yc o m b u s t i o ni m p r o v e m e m t e c l l l l i q u e s m o r ee 虢c t i v ep o s t p r o c e s s i n gt e c l l l l o l o g yi sd e s i r e de s p e c i a l l yf o rp a r t i c u l a t e m a t t e r ( p m ) ， s u c ha sc a r b o ns o o t a l t h o u g hm eu s eo fac e f 锄i cd i e s e lp a r t i c u l a t e f i l t e r ( d p f ) i sn o wal e a d i n gt e c l l o l o g yf o rp mr e m o v m ，t l l ep r o b l e me x i s t sf o rt h es o o t r e m o v a lo r r e g e n e r a t l o na t1 0 wt e m p e r 栅e ， e s p e c i a l l ya tc o l ds 锄觚de n g i n eb 址e o p e r a t l o n 1 1 1t h ep r e s e n ts t i l d y ，ar e g e n e r a t i o no fad p fi si n v e s t i g a t e du s i n gi ni n d i r e c to r r e m o t en o n t h e 册a 1p l a s m a ( n t p ) m e m o d t h en t p t r e a t e da i ri s 蛔e c t e di n t 0 e 】【王l a u s tg a s ， a i l dt h en oi so x i d i z e dt on 0 2 t h ei n d u c e dn 0 2a 1 1 da c t i v a t e d0 x y g e ns p e c i e sa r eu s e dt o i 1 1 c i i l e r a t ec a r b o ns o o td e p o s i t e do nt h e d p f i tw a ss t u d i e dt h et e c l l i l o l o g yo fp m i i ld i e s e le ) 【1 1 a u s tu s i n gn o n 廿l e m l a lp l a s m a a r e r t t l ed i e s e le x h a u s t p a s s i n gt l l ep 1 懿m a ，c a r b o ns o o t ( t 1 1 em a i nc o m p o s i t i o n ) i so x i d i z e dt oc o ， u 1 1 d e rt h ed l r e c ：ta n di l l d 沁c ta 触t i o n ，s o l ee n v i m n m e n tp o l l u t i o no f t h ep mi nd i e s e l e x h a u s tc o u l db ed e c r e a s e d t l l em e c h a l l i s mo fp l a s m ae 疏c t0 nc a d ) o ns o o tw r a sd i s c u s s e d a 1 1 dt h ee 1 1 m l n a t i o nr e s u l t 、砚sp f 0 v e d b yt h ee x p 嘶m e n t t l l es i 眦i o n o fn o xr e d u c t i o nu s i l l g i l o n - t l l 锄a lp l a s m ai nd i e s e le x l l a u s tw 船s i m p l ei n t r o d u c e dt o o k ，e yw o r d s ：n o n - m e m a lp l a s m a ；p m ；d i e s e ie x h a u s t i l 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：盈盘皇 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学 位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日期： 电话：型! 竺2 兰， 邮编： 篓 东北师范大学硕士学位论文 引言 环境问题是当今世界各国所面临的严峻问题，其中大气污染已严重危害了人类的健 康，甚至破坏了自然界的生态平衡，因此，防治大气污染成为各个国家的当务之急。柴 油机燃油效率高、性能稳定可靠、油耗低【l 】，在矿山、交通运输等方面得到广泛应用。 特别是随着柴油车保有量的增加，柴油车对大气污染的分担率不断的增加，研究柴油车 的排放污染问题及净化技术成为当前的重要课题。 传统的机后处理技术有：过滤技术、静电技术、氧化催化技术、选择性还原催化技 术等。过滤技术的研究主要集中在对滤芯的研究上，滤芯的不同，压力损失和过滤效率 也不同，这种技术对微粒有较好的收集效率，但由于再生的原因，导致排气背压增加， 影响过滤效率。静电除尘用于颗粒物质的捕集，因柴油机排放颗粒带电，适合静电收集 且静电除尘不影响柴油机运行性能，其缺点是静电捕集效率低，除尘器体积大。氧化催 化应用较为普遍，技术上比较成熟，主要用来消除颗粒中可溶性物质( s o f ) 及液相碳 氢化合物( h c ) ，c o ，但只适合含硫量比较低的柴油，因为氧化催化反应会使s 0 2 氧 化成s 0 3 ，s 0 3 易进一步生成硫酸盐烟雾或固态硫酸盐，增加微粒成分。 低温等离子体用于柴油机后处理研究于2 0 世纪8 0 年代中期提出，在2 0 世纪9 0 年 代有了较大发展，主要研究集中在放电加强颗粒物质荷电并通过电场驱动捕获微粒，放 电产生等离子体，化学反应降低n o x 等气态污染物，以及同时捕集炭粒和去除n o x ， 另外，还通过添加剂或催化剂提高n o x 去除效率和降低能耗等。低温等离子体放电方 法具有简单高效，不影响柴油机运行性能以及同时捕集炭粒和降低n o x 等潜在优势， 是柴油机后处理研究的发展方向。 东北师范大学硕士学位论文 第一章柴油机主要污染物的净化措施 1 1 碳氢化合物( h c ) 的生成及净化 1 1 1 碳氢化合物的生成 柴油机排放废气中未燃碳氢化合物是由原始燃料和分解的燃油分子或者是由重新 化合的中间产物( 如醛、醇、酮、酚类等) 所组成，少部分产生于润滑油。这些中间化 合物即使浓度很低也会产生很强的气味，是形成柴油机特有排气味道的主要成分。其中 有芳香族碳氢化合物产生“油质”气味，而由碳氢化合物的氧化物产生“焦烟”气味。 柴油机中碳氢化合物的生成直接与负荷( 即燃空比) 变化有关，因为柴油机中负荷 调节是靠改变燃油喷射量来实现的。当油量变化就会引起喷注内燃油分布状况、沉积在 壁面上的油量、气缸燃气压力和温度以及喷射持续期的变化。 在怠速和极小负荷情况下，空燃比很小，此时燃油喷注没有达到壁面，而且在核心 处的浓度也很小。在这种情况下，未燃烃的排出物主要在贫油火焰外围区发生。这时喷 注其余部分燃烧而引起的局部温度增加在这一区域内很小，消失反应速率是非常慢的。 同时燃料分子在空气中扩散的浓度在这区域内各处都很低，消失反应的速率被进一步减 弱。因此，在怠速和小负荷时，碳氢化合物的排放量是很高的。 随负荷增加燃空比增加，在喷注核心处形成较高的浓度，更多的燃油附着于壁面上， 在这些区域内形成的未燃烃增多。然而在混合气中始终有足够的氧，因此随着温度升高 氧化反应增强，结果碳氢化合物排出物减小。 1 1 2 碳氢化合物的净化措施 柴油机处于低负荷、缸内温度低时，碳氢化合物排出浓度加大。因此机内净化措施 主要对燃烧室、喷油系统、润滑方式等进行改进，使缸内温度增加，减少过后燃烧及窜 机油现象，都能减少碳氢化合物的排出浓度。 1 2 一氧化碳( c o ) 的生成及其净化 1 2 1c o 的生成 c o 是在燃料中间燃烧阶段中形成的化合物之一。当燃烧过程进行时，通过不同的 氧化物之间的再化合反应，c o 氧化成c 0 2 ，如果再化合反应由于缺乏氧化物、燃气温 度低或滞留时间短等原因而不完全时，c 0 将存留下来。因此，c o 形成与碳烟极为相似， 都与有效0 2 有关，结果使柴油机中c o 浓度变化也大致与碳烟成比例。目前柴油机c o 达标问题不大，可不必重点考虑。 2 东北师范大学硕士学位论文 1 2 2c o 的净化措施 c o 的机内净化措施，主要在改进燃烧系、进气系和供给系，使燃烧和空气均匀混 合，就能减少c o 产生【4 】。 1 3 氮氧化物( n o x ) 的净化措施 研究去除柴油机排气中n o x 的净化，其主要措施可按机内净化、燃料预处理和废 气后处理来讨论。通过延迟供油提前角可以有效降低n o x 排放，然而这将导致其动力 性和经济性的下降；通过机内净化措施，降低柴油机缸内最高燃烧温度，使n o x 排放 量降低可达8 0 ，但会明显增加燃油消耗，还会使c o 、碳氢化合物以及颗粒物质含量 升耐7 j ；采用废气再循环系统( e g r ) 来控制n 0 x 排放，难以保证全负荷和低负荷时的 排放要求；采用催化转化技术可以在一定程度上降低n o x 排放，然而需要低硫燃料并 解决催化剂中毒问题。在汽油机中，m a s u d as e n i c l l i 等利用高压脉冲电源放电产生的等 离子体对汽车尾气中的n o x 进行分解，实验表明低温等离子体技术脱除n o x 是可行的 【5 1 。 1 4 颗粒物质( p m ) 的成分及净化 与汽油机相比，柴油机的颗粒物质排放量约为汽油机的3 0 8 0 倍，是柴油机尾气 中的主要污染物。其成分主要包括炭粒( s 0 0 t ) 、液相碳氢化合物( h c ) 和少量吸附在 其上的h 2 s 0 4 或硫酸斟们。炭粒粒径小，主要分布于0 0 1 2 岬之间，质量轻，能长时 间悬浮在大气中，容易被人体吸入并沉积在肺泡中，对人体造成极大的危害。炭粒中的 液相碳氢化合物来自未燃的柴油和润滑油，都吸附在炭粒上，统称为可溶解有机成分 ( s o f ) 或可挥发有机成分( v o f ) 。 虽然近年来增压中冷、电控高压喷射、多气门等新技术的应用使得柴油机炭粒排放 量已大大降低，但要满足日益严格的排放法规，排气后处理技术的应用仍然是一个重要 的环节。目前对炭粒的后处理技术主要有氧化催化技术与捕集器( 或过滤器) 技术两种。 氧化催化技术一般只适用于低硫柴油，主要是氧化去除炭粒中的可溶解有机成分，对颗 粒物质的净化几乎没有作用；炭粒捕集器与过滤器有着较高的炭粒去除率，但捕集器与 过滤器的再生问题仍然没有得到很好的解决。一般捕集器与过滤器再生的起始温度在 3 0 0 以上，而大中型柴油机在高负荷状态下才能达到这一温度，轻型柴油机排气温度 一般都不足2 0 0 。因此必须利用喷油助燃、电加热、催化剂等方法进行再生，这就限 制了捕集器与过滤器技术的应用。目前，柴油机排气后处理技术( 低温等离子体技术 ( n t p ) ) 悄然兴起，为柴油机排气颗粒物质净化开辟了一条新的途径【_ 7 1 。 3 东北师范大学硕士学位论文 第二章等离子体概述 2 1 等离子体的由来 大家早已熟知物质的固体、液体和气体三态。将固体加热到熔点时，粒子的平均动 能超过晶格的结合能，固体会变成液体；将液体加热到沸点时，粒子的动能会超过粒子 之间的结合能，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会部分电离或完全电 离，即原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，而失去外层电子的原子变成 带电的离子。当带电粒子的比例超过一定程度时，电离气体凸现出明显的电磁性质，而 其中正离子和负离子( 电子) 的数目相等，因此被称之为等离子体( p l a s n l a ) ，又被称 之为物质的第四态。 p l a s m a ”一词最早在生物学名词原生质( p r o t op l a s m a ) 中出现。1 8 3 9 年，捷克生物 学家浦基尼( p u r k 河e ) 最先将“原生质”的名词引入科学词汇。它表示一种在其内部散 布许多粒子的胶状物质，是组成细胞体的一部分，也称为“血浆”。1 9 2 9 年，朗格缪尔 ( l a n g m u i r ) 和托克斯( t o l l l 【s ) 在研究气体放电时首次将p l a s m a 一词用于物理学领域， 用来表征所观察到的放电物质，该词来源为古希腊兢缎彬口，即为可塑物质或浆状物质 之意，我国大陆学者将之翻译成“等离子体”，而台湾学者翻译成“电浆”。 2 2 等离子体的自然存在 根据印度天体物理学家沙哈( s a l l a ) 的计算，宇宙中9 9 的可见物质都处于等离子 体状态。从炽热的恒星、灿烂的气态星云、浩瀚的星际间物质，到多变的电离层和高速 的太阳风，都是等离子体的天下。地球上的生物生活在另外的1 中，人们最早见到的 等离子体是火焰、闪电和极光。但当今人类接触到越来越多的等离子体，如荧光灯和霓 虹灯里炫目的电弧、等离子体显示屏中彩色的放电、聚变装置中燃烧的等离子体等，尽 管它们大多是由人工产生的。在地球上自然存在的等离子体之所以少见，是因为在常温 下气体的电离度非常低。 2 3 等离子体的基本概念 等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子( 原子、分子、炭粒等) 组成的， 宏观上呈现准中性( q u a s i n e u 仃a l 埘) ，且具有集体效应的混合气体。所谓准中性是指在 等离子体中的正负离子数目基本相等，系统在宏观上呈现中性，但在小尺寸上则呈现出 电磁性。而集体效应则突出反映了等离子体与中性气体的区别。中性气体中粒子的相互 4 东北师范大学硕士学位论文 作用是粒子间频繁的碰撞，两个粒子只有在碰撞的瞬间才有相互作用，除此之外没有相 互作用。而等离子体中带电粒子之间的相互作用是长程库仑力作用，体系内的多个带电 粒子均同时且持续地参与作用，任何带电粒子的运动可以形成局部的电荷集中，从而产 生电场，带电粒子的运动也可以产生电流，从而产生磁场，这些磁场又会影响其他带电 粒子的运动。因此等离子体呈现出集体效应。 2 3 1 低温等离子体的概念 低温等离子体是指在实验室和工业设备中通过气体放电或高温燃烧而产生的、温度 低于几十万度的部分电离气体。它一般是弱电离、多成分的，并和其他物质有强烈的相 互作用。低温等离子体按物质性质分为三类，热等离子体( 或近局域热力学平衡等离子 体) 、冷等离子体( 非平衡等离子体) 、燃烧等离子体。实验室和工业生产中一般所涉及 的属于冷等离子体范畴。非平衡等离子体通常是对低气压得下稀薄气体采用高频、微波、 激光、辉光放电或对常压下气体采用电晕放电所产生。体系中电子温度t 。远远大于离 子温度t 。，t 。约为室温的几百倍。 2 4 等离子体独立参量 2 4 1 粒子数密度n 等离子体的粒子数密度n 满足等离子体的准中性条件，即 刀。= z 口以口 其中以。为等离子体中电子数密度，聆口是口类离子的数密度，z 是口类离子带的基本电 荷数。值得指出的是等离子体自身具有恢复和保持电中性的能力，也就是说，如果等离 子体在某一局域由于某种原因偏离了电中性，它将通过自身的相互作用，很快恢复电中 性，这是等离子体的重要性质。 2 4 2 温度t 等离子体温度t 只有在等离子体达到热力学平衡( 哪怕是局域平衡) 时才有意义。 处于热力学平衡的等离子体，其速度服从麦克斯韦分布： m ，= ( 奇) 纠2 唧( 一矧 由上述平衡分布可以求得粒子的平均动能： 臣= 辔：丢m p z ：吾灯：吾m 谚臣= 万2 专舢22 量肚盖卅 其中仉= ( 耵研) 2 为粒子的热速度，一般情况下，可以用灯近似地表示粒子动能，即 5 东北师范大学硕士学位论文 e k k t o 2 4 3 电子温度t 。和粒子温度t l 大家知道一个多粒子系统是通过粒子间碰撞实现粒子间的能量和动量的交换，最后 达到平衡。由于电子与离子质量相差悬殊，同种粒子之间达到平衡要比异种粒子之间达 到平衡快得多，所以，电子和粒子在自身达到而整体还未达到平衡之前，它们各自由自 己的温度来表征。对于实验室及空间等离子体，通常电子温度t e 与粒子温度t i 是不相 等的，只有电子与离子最终达到平衡时，才有统一的温度。 2 4 4 温度的单位 对于温度，一般采用热力学温度，以k 为单位，但是在等离子体物理学中常采用能 量作为温度的单位，它用k t ( 能量的量纲) 作为温度的量值。因此温度的单位还有电 子伏特、格尔等，而用的最多是电子伏特，一个电子伏特相当于热力学温度的度数为 丁：丝：! ：鱼兰! 骘：之：1 1 6 0 皤 后 1 3 8 1 0 一”，k 作为量级的估计，有时采用1 e v 1 0 4 k 2 5 德拜屏蔽效应 2 5 1 德拜长度 首先回顾一下，一个电荷量为q 的点电荷在真空中所建立的电场，在离开它r 远处 产生的静电势为 办) = l 现在考虑一个电荷量为q 的试验电荷在等离子体中所建立的电场。显然，这个试验 电荷将异号带电粒子吸引到自己的附近，同时将排斥同号带电粒子。于是，将使得在此 试验电荷周围的一定空间范围内，正负电荷数目不相等，异号电荷出现了过剩( 偏离电 中性) ，这些过剩的异号电荷产生的场将叠加在原来试验电荷在空间建立的场，其总效 果是使原来的静电势减弱。也就是说，它们对试验得电荷的场起着屏蔽作用。 德拜半径或德拜长度( d e b y el e n g t h ) 是等离子体物理中最重要的特征参量之一， 其表达式如下 如= ( 爱+ 辔厂 如果粒子均匀不动，可以求出电子的德拜半径为 6 东北师范大学硕士学位论文 如- ( 警) l ，2 = 6 9 ( 器) l ，2 = 似3 0 ( 端) l ，2 类似地，粒子的德拜半径为 厶- ( 拳) l 2 = 6 9 ( 器) l 2 2 5 2 德拜势 带电粒子周围的静电势表达式为 ，、 以) _ 赤e x 乩一云j 此势称为d e b y e h 讹k e l 势或y 酞a w a 势。它的形式与真空中的势有本质的区别。 在真空中，势按r 的一次幂衰减，而在等离子体中是按指数衰减。显然德拜势随r 下降 的趋势要比库仑势快得多。在f b 的球面上( 德拜球) ，德拜势的数值比对应的库仑势 值小e 倍。在此球外，势场被认为很微弱了。由上述分析可知，一个带电粒子会将一些 异号电荷吸引到它的附近，形成屏蔽云，反过来对自身的势起屏蔽作用，这就就是所谓 的德拜屏蔽现象。当然，由势的表达式可知，这个屏蔽是不完全的。在德拜球外，还有 很小的电势漏出。 2 5 3 德拜半径的物理意义 由上面的讨论可知，等离子体中任何一个带电粒子产生的静电势( 或引入一个外电 势) ，将要受到周围电荷的屏蔽。这表示，该势的作用范围要受到限制，其作用的空间 的特征尺度，就是德拜半径( 大于b 时，势场已很微弱) 。因此，在考虑一个带电粒子 与等离子体相互作用时，只需考虑到与此带电粒子为中心、以德拜长度为半径的球内的 粒子相互作用就可以了。 在空间尺度小于b 的区域内，正负电荷数目不相等。这表示在德拜球中是偏离电 中性的。因此，可以把b 作为等离子体内部局域偏离电中性的尺度或电荷分离的尺度。 只有大于这个距离时，等离子体粒子才基本上不受该势场的影响。 7 东北师范大学硕士学位论文 第三章实验部分弟二早头垭郁万 3 1 实验原理 低温等离子体催化主要指等离子体多相催化2 0 1 ，通过置入催化剂，可在等离子体区、 等离子体余辉区及产物收集区发生特定的化学反应2 。低温等离子体和催化剂协同作用 技术处理有害气体具有很多优点【2 2 2 3 1 ，已成为处理低浓度有害气体的重要技术，并能取 得良好的污染物去除效率。 3 2 实验流程 通过把产生后的等离子体通过d p f 系统已经有很多研究成果了，如m a s a a k i 等人1 4 1 。 其实验的流程图如下： 圜b 囡部 t = 2 5 0 0 c 活性物质 氧化剂 令翟 o z 图1 传统的利用低温等离子体去除柴油机尾气中的颗粒物质、n o 。流程图 1 1 气体 1 流量控制器2 气体混合阀3 i g b t 电源4 示波镜5 空气压缩机6 空气过滤干燥机 7 高压探头8 等离子体反应器9 电流探头l o 加热的d p f1 1 压力转换器 1 2 0 3 去除器1 3 n o 、n 0 2 & c o 分析器1 4 c 0 2 、n 2 0 分析器 图2 传统的利用低温等离子体去除柴油机尾气中的颗粒物质、n o 。示意图 8 东北频范大学硕士学位论文 有关柴油机尾气中炭粒的比电阻，受高温、不同机型和不同工况的影响。柴油机 p m 中有了乞8 0 呈带电状态，每个带电炭粒约带l 5 个基本正电荷或负电荷，炭粒 的电阻率一般在1 0 6 q 锄1 0 8 q 锄之间，符合静电捕集对电阻率的要求( 1 0 4 q 伽 1 0 娃q 锄之闻) 嗣。所以般还是认为柴油车尾气中的炭粒基本上是导电性质的。此方案 可能就是考虑到传统低温等离子体反应器高压绝缘的困难，没有把高压直接加在尾气气 流中，而把该反应器安霭在清洁气流中，这样产生的等离子体就需要褥次输入到柴油机 尾气中，所需要的能量耗费量大。实验结果也表明此方法远没有达到应用的水平。 基于以上处理方法的弊端，为了提高能量利用律，我们考虑把低温等离子体直接作 用于炭粒上，能量一部分用来产生低温等离子体，另一部分用于炭粒的活讫，实验流程 见图3 。 厂 | 菜油机| ii i 。一 n o 专n 0 2 b 器 0 z 图3 利用低温等离子体去除柴油机尾气中的颗粒物质、n o ，流程图 在本次试验中，考虑到重载柴油机燃油质量不高，缀难解决催化荆中毒闻题，因次 我们并没有加入催化系统，而是着重研究低温等离子体对颗粒物质作用这部分。 3 3 炭粒捕集器型式的选择 炭粒捕集技术是目前公认的作为有效的炭粒冷纯技术，也是曩前商焉前景最好的技 术之一。炭粒捕集器安装在柴油机排气管上，排气通过时炭粒被过滤体捕集。捕集效率 主要受到炭粒粒径、排气流速、气流温度等因素影响。随着工作时间的增长，过滤体内 堆积的炭粒增多，发动机的背压将上升，影响柴油机的正常工作，须闵燃烧等方法将这 些炭粒除去，即过滤体的再生。柴油机颗粒过滤器的关键技术是过滤材料及其再生的研 究f 。 3 。3 1 过滤材料 过滤材料的结构与性能对整个炭粒捕集器系统的性能( 入压力降、过滤效率、强度、 传热和传质特性等) 有很大的影响。柴油机颗粒过滤器对过滤材料的要求是：高的炭粒 过滤效率，低的排气阻力，高的机械强度和抗震动性能，并且还须具备抗高温氧化性的 耐热冲击性与耐腐蚀性。其中高的过滤效率与低的排气阻力是一对矛盾，选择材料时要 综合考虑这两方面的性能。国外在过滤材料上的研究已经取得较大的突破，出现了一些 商品化的产品。目前国内外研究和应用等过滤材料有陶瓷基、金属基和复合基三大类h 司。 3 。3 1 1 陶瓷基过滤材料 目前研究和应用最多的是陶瓷基过滤材料，它们通常由氧化物或碳化物组成，具有 9 东北师范大学硕士学位论文 多孔结构，在7 0 0 以上能保持热稳定，比表面积大于1 m 2 g ，主要结构包括蜂窝陶瓷、 泡沫陶瓷及陶瓷纤维毡。 蜂窝陶瓷常用热膨胀系数低、造价低廉的堇青石制成，这种材料开发最早，使用最 广，有壁流式、泡沫式等多种结构。目前在柴油机颗粒过滤器上研究和使用较多的是壁 流式蜂窝陶瓷。它具有多孔结构，相邻两个通道中，一个通道进口被堵住，而另一通道 的出口被堵住，为保证其机械强度和耐热强度，孔道密度一般约为1 6 孔c l n 2 ，孔道截 面为2 删 1 1 2 删 n 左右，壁厚为o 4 n u n 左右，见图4 。 图4 壁流式蜂窝陶瓷 这种结构迫使排气由入口敞开的通道进入，穿过多孔的陶瓷壁面进入相邻的出口敞 开，而炭粒就被过滤在通道壁面上，这种柴油机颗粒过滤器对炭粒的过滤效率可达9 0 以上。可溶性有机成分也能被部分捕集，近年来在制造技术上取得明显的突破，蜂窝陶 瓷壁厚减薄，开口截面积增大，从而降低了背压损失，扩大了使用范围。目前应用最广 的美国c o r n j n g 公司和日本n g k 公司生产的柴油机颗粒过滤器采用的就是壁流式蜂窝 陶瓷。但这种滤芯受温度影响较大，排气温度较低时沉积在壁面的h c 成分将在排温升 高时重新挥发出来，并排向大气；发动机工作的热循环引起过滤体尺寸的交替振动，会 导致过滤材料的持续退化；若采用热再生，导热系数小的堇青石容易受热不均而局部烧 融或破裂。 泡沫陶瓷是将浸渍堇青石陶瓷浆体的聚氨酯泡沫塑料半成品经过高温煅烧，塑料气 化逸出得到的陶瓷骨架。与蜂窝陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增强，孔隙率大( 8 0 9 0 ) 且孔洞曲折，材料的热膨胀系数各向同性，具有更好的热稳定性，今年被用作柴 油机排气炭粒的过滤材料，但捕集效率较低( 5 0 左右) ，烟灰吹除困难。 陶瓷纤维材料不受固定尺寸的限制，过滤体的孔形状和孔分布有广泛的选择余地， 通过改变各种设计参数可使应用达到优化。陶瓷纤维毡具有高度表面积化的特点，过滤 体内纤维表面全是有效过滤面积，过滤效率可高达9 5 。但陶瓷纤维是一种脆性的耐高 l o 东北师范大学硕士学位论文 温材料，生产工艺较复杂且易损坏【l 0 1 。 3 3 1 2 金属基过滤材料 金属在材料的强度、韧性、导热性等方面有陶瓷无法比拟的优势。目前研究较多的 是泡沫合金和金属纤维毡。、 泡沫合金是一种具有三维网络骨架的材料，日本住友电工公司将泡沫合金用于制备 炭粒过滤器已有数年，曾采用泡沫镍作为过滤材料，但镍的抗蚀性差，为改善其在高温 环境和含硫气氛中的抗蚀性，采用耐热耐蚀的镍铬铝高温合金，合金表面是结构牢固的 口一舢2 0 3 ，可在8 0 0 的高温下静置2 0 0 h 基本不受侵蚀。这种泡沫合金具有高的热导 率，可兼作热再生装置的辐射加热器，热度分布均匀，再生时过滤体不会开裂与融化。 泡沫合金的主要优点包括：具有大孔径和薄骨架结构，泡沫合金表面容易被熔融铝液侵 透并覆盖，退火处理后得到保护层；由于合金骨架的机械强度高，可大大改善过滤材料 的耐振性能：应用粉末冶金技术制造泡沫合金，可以降低生产成本。 金属纤维毡与陶瓷纤维毡过滤材料相比，具有强度高、使用寿命长、容尘量高等特 点；与金属丝网过滤材料相比，具有过滤精度高，透气性好，比表面大和毛细管功能等 特点，尤其适于高温、有腐蚀介质等恶劣条件下的过滤，因此是一种很有前途的柴油机 炭粒过滤材料【9 j 。 3 3 1 3 复合基过滤材料 陶瓷基过滤材料和金属基过滤材料都有不可避免的缺陷，因此开始考虑复合基增强 过滤材料，目前研究与应用主要集中在纤维毡结构上。为了解决在再生过程中燃烧引起 的局部过热导致过滤材料熔融破裂或残留烟灰黏附在过滤材料上使柴油机颗粒过滤器 失效的问题，n h ks p 血g 公司发明了一种新型过滤材料，这种过滤体的单元由层叠金 属纤维毡和氧化铝纤维毡组成。金属纤维毡材料是f e 1 8 c r - 3 a l ，最高耐热温度1 1 0 0 ， 氧化铝纤维毡材料是7 0 a 1 2 0 3 3 0 s i 0 2 ，最高耐热温度1 4 0 0 。从排气进口到出口，叠层 纤维毡的密度越来越细，保证了炭粒的均匀捕获，过滤效率可达到8 0 9 0 ，同时能 起到消声器的作用【1 。 3 3 2 静电捕集器 根据对柴油机尾气中各种污染物排放特性的研究，发现高压静电电场对h c 、n o x 及炭粒的捕集作用主要在几下几个方面。 3 3 2 1h c 和n o x 在电晕电场中的“电化学反应” 研究发现【1 1 】：大气中的h c 和n o x 积聚到一定浓度，在太阳能( 紫外线) 的作用 下，会发生一系列的光化学反应，生成一种蓝色的烟雾。由于进入静电捕集装置内的柴 油机尾气中h c 和n o x 的浓度比大气中的含量高出几十倍乃至上百倍。因此，当柴油机 尾气进入电晕电场后，尾气中的h c 和n o x 能很快地吸收到一种类似于太阳能( 紫外线) 方面的“电场能”，在这种“电场能”的作用下，尾气中的一些h c 和n o x 能够迅速地发生 类似“光化学反应”的“电化学反应”，同样地生成一种“烟雾”产物，这种物质是以炭粒的 形势存在于电晕电场中。因此，很可能是由于这种“电化学反应”的发生，使得尾气中的 1 l 东北师范大学硕士学位论文 h c 和n o x 的含量有所减少。 3 3 2 2h c 和n o x 在电晕电场中的氧化反应 除了上述“电化学反应”外，还有一部分尾气中的h c 和n o x 能在电晕电场的作用下， 发生氧化反应，尾气中的h c 和n o x 在这种氧化反应过程中转化为非有害气体( 如c 0 2 、 h 2 0 ) 及某种排气炭粒，这种氧化反应同样地使得柴油机尾气中h c 和n o x 的含量减少。 3 3 2 3h c 、n o x 及其“电化学”，氧化产物与柴油机排气炭粒之间的吸附、黏结、 凝聚作用 在进行静电捕集试验过程中发现【1 2 】：捕集装置中的收尘板上除收集到大量的柴油机 排气颗粒外，还有一薄薄的柴油炭粒。这层柴油炭粒主要来自柴油机气缸中还来不及燃 烧就被气缸中的高速气流带出机外的柴油气雾。由于这部分柴油气雾比重较大，吸附、 黏附力较强，其在静电捕集器的运动过程中极易与柴油机排气炭粒、h c 、n o x 间的“电 化学反应”产物及氧化反应产物发生碰撞，碰撞过程中，它们相互吸附，凝聚，这些作 用机理使得各种炭粒不断壮大，形成一个个“巨大团体”。 3 3 2 4 吸附、黏结、凝聚产物在电晕电场中进一步带电及被收集过程 此外，研究表明1 1 3 。1 4 】各种炭粒在电场中，带上自由电荷，在电场力的作用下会产生 凝并。其主要是由于排气炭粒是一种电介质，这种电介质进入电晕电场后，在场强的作 用下，其原子或分子发生位移极化或取向极化，产生附加电场。这种附加电场反过来又 进一步改善其极化程序。而且，极化的柴油机排气炭粒在电晕电场中受到感应力矩和感 应力的影响，这种影响使得炭粒间的凝并作用进一步加强，并在感应力的作用下沿电力 线向电极方向运动，同时由于定向后，粒子球之间具有相互吸引力，因此在很短的时间 内，粒子球就沿着电场方向凝结在一起，形成“灰珠串”的炭粒集合。这种“灰珠串”的炭 粒集合体的快速形成，使静电捕集器的捕集效果得到极大提高。 由于柴油机排气炭粒，柴油机尾气中的柴油气雾的吸附及黏结力，相互间的各种炭 粒在电晕电场中受到感应力矩和感应力不断加强，使得“凝聚体”的等效直径不断增大， 根据电收尘的理论可知“凝聚体”的荷电量与其有效直径成正比，而荷电量又直接影响到 收集效率。因此，在这一过程中，“凝聚体”加快了向收尘极运动的速度，即提高了静电 捕集器的捕集效率。 柴油机尾气进入电晕电场后，在这种捕集机理、颗粒间的吸附，凝并机理和亚微粉 尘极化荷电机理等作用下，从而使得柴油机排气炭粒捕集效率进一步提高，以及尾气中 的h c 和n o x 也得到了一定的净化效果【比】。 3 4 炭粒捕集器型式的设计 柴油机颗粒过滤器的连续再生能耗应该比现有的国外相应的技术降低4 0 以上。为 了达到这个目标，对于炭粒的捕集，我们使用静电增强介质过滤器，并且在柴油机颗粒 过滤器再生的同时达到去除n o x 的目的。这种新型的过滤器将避免电能的浪费，因为 我们利用的就是由于柴油机排气气流中的颗粒导电，造成电压降低时产生的能量。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 对于金属过滤器来说，使炭粒达到7 0 的过滤效率很难。如果采取有效的方法捕集 炭粒并且实现捕集器的再生，那么静电预荷电捕集器能够达到很高的炭粒捕集效率。但 是目前对于静电预荷电捕集器来说，还是很难实现连续低温燃烧的。文章 3 】讨论了这个 问题。 结合本次实验的目的和原理，我们采用不锈钢网作为颗粒捕集器，也就是前面提到 的金属基过滤材料。这样设计，一方面是考虑到金属材料的强度、韧性、导热性等方面 有着陶瓷等过滤器无法比拟的优势；另一方面利用不锈钢网良好的导电性，将其接地， 作为电场的正极，被负高压赋上负电荷的炭粒在电场力的作用下将被收集在不锈钢网 上。这样，既利用了不锈钢网多空的物理结构对炭粒进行截留，又利用了金属导电特性 增加炭粒的捕集效率，一举两得。 尽管以前我们研究并采用过磁增强预荷电静电增强过滤器，并且取得了很高的过滤 效率，但在本次实验中，为了避免高压绝缘的困难，我们使用介质过滤层。就是将柴油 机颗粒过滤器与静电增强过滤原理结合起来，并利用介质阻挡放电产生的低温等离子体 共同作用，使炭粒在颗粒过滤器中低温燃烧，我们把这个系统称为介质阻挡放电一柴油 机颗粒过滤器系统( d b d d p f ) ，结构示意图见图6 。 l ， 产产l 丑专产 个由 尾气 极 1 不锈钢电极2 石英玻璃板3 介质过滤层4 不锈钢板5 不锈钢网电极 图5 利用低温等离子体使柴油机颗粒过滤器连续再生( d b d d p f 系统) 示意图 图5 示意了一个基本单元，很多基本单元装配在一起组成d b d d p f 。每个基本单 元都是由介质过滤层( 3 ) 和介质阻挡放电系统( 1 ，2 和4 ) 组成的。伴有n o x 和p m 的 柴油机排气气流进入图中的空白空间，经过过滤层( 3 ) 过滤后，清洁气流从出口流出。 气流中p m 的捕集是应用了静电增强过滤机理，细小的流注放电细丝从不锈钢网电极向 d p f 中的绝缘介质阻挡层扩散。通过过滤的炭粒一定会被活化，因为在静电力作用下炭 东北师范大学硕士学位论文 粒得到电荷，并且电风也会把炭粒吹到过滤层背面，这些作用机理都将提高d p f 的捕 集效率。 低温等离子体物理净化方面即通过静电捕集的方法来达到去除颗粒物质的目的。当 含有颗粒物质的排气流经等离子体反应区时，其颗粒物质就被赋电。在其后的流动过程 中，这些被赋电的颗粒物质可能发生凝聚，颗粒直径增加，并按其电荷的性质向两个电 极运动，最终被吸附在相应的电极上【7 】【1 6 】【2 5 1 。 d a r r e nh e 订i n g 等人设计出来的微粒捕集器就是按照这种思想设计出来的，在中低 负荷工况下，其效率高于9 0 ，在美国道路试验工况f t p 7 5 下总效率可达7 0 以上【圳， 而且低温等离子体反应器可以离解氧分子和水分子，并和碳氢化合物反应产生大量的o 和o h 等氧化性极强的化学物质【2 5 】，这些化学物质可以把聚集在电极上的带电碳烟氧化 成c o