低溫等離子體處理汽車尾氣概要課件

1、低溫等離子體處理汽車尾氣第1頁，共23頁。等離子體的基本概念 低溫等離子體的產(chǎn)生方式 低溫等離子體處理廢氣的作用機(jī)理 低溫等離子體處理技術(shù) 4123目錄第2頁，共23頁。一、等離子體的基本概念及產(chǎn)生方式 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，故稱等離子體。 低溫等離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。第3頁，共23頁。等離子體是物質(zhì)第四態(tài)固體 冰液體

2、 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C第4頁，共23頁。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 電離氣體普通氣體等離子體放電需要有足夠的電離度的電離氣體才具有等離子體性質(zhì)?！半娦浴北取爸行浴备匾?( 電離度 10-4 )第5頁，共23頁。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(gè)反

3、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。第6頁，共23頁。低溫等離子體具有的特點(diǎn)1 2 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) ;第7頁，共23頁。產(chǎn)生低溫等離子體的方法介質(zhì)阻擋放電（DBD） 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

4、一層電介質(zhì)覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間里。整個(gè)放電由在時(shí)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。 第8頁，共23頁。 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(shí)，在內(nèi)部會(huì)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(shí)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。第9頁，共23頁。第10頁，共23頁。 等離子凈化原

5、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(shí)，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(shí)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(duì)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。第11頁，共23頁。 空氣經(jīng)過低溫等離子體作用后，產(chǎn)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(huì)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。 C

6、O凈化機(jī)理： 主要參與的反應(yīng)有： CO+OCO2 CO+2OHCO2+2H2O CO+H2OCO2+H2O 3CO+O33CO2第12頁，共23頁。 HC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第13頁，共23頁。PM凈化機(jī)理主要的反應(yīng)有:C+2O CO2C+4OHCO2+2H2O3C+4HO2 3CO2+2H2O3C+2O3 3CO22C+2NO2 N2+2CO第14頁，共23頁。NO的氧化反應(yīng)NO+ONO2NO+OHNO2+H2ONO+HO2CO2+OHNO+O3NO2第15頁，共23頁

7、。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(gè)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(dòng)機(jī)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過等離子凈化系統(tǒng)排出?？刂葡到y(tǒng)高壓高頻電源等離子反應(yīng)器汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排出第16頁，共23頁。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)的主要部件是一臺(tái)電暈放電式臭氧發(fā)生器, 由管道與發(fā)動(dòng)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 。

8、 處理結(jié)果節(jié)能效率 20% , 污染物減排約 50%。第17頁，共23頁。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NH3SCR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)第18頁，共23頁。（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

9、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(dòng)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(shí)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。第19頁，共23頁。（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(jí)系統(tǒng)，如下圖。 其作用機(jī)理是利用等離子體發(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

10、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。第20頁，共23頁。（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(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)或怠速時(shí)，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

11、+ 4NH3 + O2 4N2 + 6 H2O 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12 H2O 2NO2 + 2NH3 N2 + H2O + NH4NO3第21頁，共23頁。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高到一定程度時(shí)，關(guān)閉等離子體反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器單獨(dú)作用，實(shí)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(shí)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(duì)NO進(jìn)行預(yù)氧化，有效解決催化劑硫中毒問題。第22頁，共23頁。（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(duì)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L(zhǎng)a0.8K0.2CoO3的催化反應(yīng)