NTP去除柴油機微粒與NOx的試驗研究

張耀武

（呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引 言

在柴油機排氣中預先將NO氧化成NO2，提高了NOx轉化為N2的效率，并延長了催化劑的使用壽命。所以采用低溫等離子體與選擇性還原相結合的方法，NOx的轉化效率更高、催化劑的壽命更長[1]。本文對NOx凈化的研究主要采用低溫等離子體輔助催化下的HC－SCR技術。試驗分兩步進行，先對只有等離子體參與下的氧化反應進行研究，然后再利用NOx在NTP參與下對其氧化[2]。本文所設計的試驗分為以下3部分：

（1）低溫等離子體對NOx的去除試驗。

（2）等離子體輔助催化下HC-SCR的NOx去除試驗[3]。

（3）微粒與NOx的同時去除試驗。

1 低溫等離子體凈化系統組成

試驗在東風朝柴生產的QD32T－6A柴油發動機上進行，構建了低溫等離子體輔助催化還原（NTPSCR）試驗平臺，主要包括流量控制系統、加熱系統、微粒過濾裝置、等離子體裝置、SCR系統、AVL五氣分析儀及控制系統7大部分。

（1）流量控制系統。流量控制系統由孔板式流量計和電控節流閥組成。

（2）加熱系統。加熱系統由溫度傳感器和加熱箱組成，用來控制發動機排氣溫度。

（3）微粒過濾系統。采用壁流式蜂窩陶瓷過濾體過濾發動機排氣微粒。

（4）催化還原系統。催化還原系統由還原劑噴射系統、溫度傳感器和催化器組成。

（5）控制部分。硬件包括計算機、USB7310高速輸入模塊、USB7322高速輸出模塊以及相對的輸入信號轉換電路和外設驅動電路；軟件用VC++編寫。

2 NTP對NOx的去除試驗研究

柴油機的負荷、進氣溫度、轉速、進氣壓力對NOx的生成有著重要的影響，因此同一工況下NOx的生成量不可避免的存在波動范圍[4-5]。為了盡量減少這種波動對試驗結果造成的影響，本文對QD32T－6A柴油機部分穩定工況的NOx排放特性進行了研究。試驗結果如圖1所示。

圖1 QD32T柴油機NOx濃度與轉速、扭矩關系圖

結果是同一轉速下扭矩越大，NOx濃度越高；同一扭矩下，NOx濃度大體上隨著轉速的升高而升高；當發動機轉速達到2400r/min以上時，排氣中的NOx濃度較為穩定，對NOx的去除試驗有利。因此，本文所進行的NOx去除試驗大都選擇在2 400 r/min這一工況。

等離子體中的高能電子對NOx的去除起著重要作用。裝置結構一定時，等離子體中的電子從外加電場取得的能量很多取決于電場強度的大小，電場強度的大小又由放電電壓所決定，因此本文對不同電壓下等離子體反應器的NOx去除效果進行了研究。試驗條件如下：發動機轉速穩定在2 400 r/min，油門保持在52%，排氣流量控制在28 m3/h，NOx濃度為68mg/L，排氣先流經壁流式陶瓷過濾體，進入等離子體裝置，再排入大氣。圖2為放電電壓與去除率關系圖，圖3為放電電流與去除率關系圖。

圖2 放電電壓與去除率關系圖

圖3 放電電流與去除率關系圖

結論是當電壓增大到8kV左右時，NOx的去除率與低電壓比有大幅提高。從整體來看，去除率最高達到18%。放電電流與NOx去除率的關系也有相似規律。要E/P保持在3以上，電壓至少要在2kV以上。隨著電壓的逐步增大，NOx的去除率逐漸上升。在柴油機排氣中，水蒸氣占2.60%，CO2占7.10%，O2占 15.00%，N2占 75.21%[6]。

從圖4可以看出對于本文研制的等離子體裝置而言，當等離子體所注入能量密度大約為20J/L時，NOx有較高的去除率。

3 NTP輔助催化下HC－SCR的NOx去除試驗

圖4 同一工況下的能量密度與NOx去除率關系

用等離子體輔助催化還原（NTP-SCR）時，將還原劑的噴射位置布置在等離子體裝置之前。Matsuei等[7]通過試驗發現該方案的NOx去除率較好，原因是還原劑等經離子體作用以后生成中氧化產物，提高了SCR的效率。

采用等離子體輔助催化下的HC－SCR技術時，必須找出兩種技術的最佳結合點。等離子體放電的重要可調參數是放電電壓，而HC-SCR的一個關鍵可調點就是還原劑的供給比例（氣化后的還原劑與NOx體積比）。試驗結果如圖5所示。

圖5 不同還原劑供給比例條件下NOx去除率

試驗結果可以看出，當還原劑供給比例控制在3左右時，NOx的去除率達到最大值，即59.4%。

4 NTP對微粒的去除試驗研究

由于柴油機排氣流速較高，要達到高凈化效率，對微粒的去除先捕集后去除。Van Setten等[8]對微粒和氧化催化劑之間不同的接觸情況下的催化劑活性進行試驗研究，認為在柴油機排氣中用催化劑載體掛煙最理想。因為微粒能均勻附著在催化劑的載體表面，且微粒和催化劑的接觸與實際狀態相符[9]。具體如下：

將γ-Al2O3小球裝入排氣管中，兩端用打孔金屬擋板將其約束，然后在柴油機排氣氣流中進行掛煙。發動機轉速穩定在2400r/min，油門由57%逐步過渡到77%，往復循環，持續掛煙1h，得到的γ-Al2O3小球。試驗系統：試驗采用的介質阻擋放電結構為桿－桿形，為了使微粒的去除與NOx的去除統一起來，整個等離子體產生裝置除長度與NOx去除試驗所用裝置不同之外，其余尺寸完全相同。整個試驗在大氣環境中進行，試驗過程中，將掛煙的小球放入放電間隙中，通過等離子體放電來去除附著在小球表面的微粒。放電電壓對微粒去除率的影響：環境溫度為15℃條件下，從0V開始逐步增大放電電壓至10.5kV，在介質小球周圍就有微放電發生；隨著電壓的逐步增大，微放電范圍增大，亮度增加。加大電壓至8kV，放電持續10min再觀察γ-Al2O3介質小球，小球表面附著的微粒幾乎完全被氧化。

5 微粒與NOx同時去除的試驗研究

采用掛煙方法，將γ-Al2O3小球放入排氣中掛煙3h之后，裝入等離子體裝置中，小球在等離子體裝置中的堆積高度為80mm。試驗條件：柴油機排氣流經壁流式陶瓷過濾體后進入等離子體裝置，放電電壓8.5 kV，排氣流量控制在20 m3/h，發動機穩定在2 400r/min，油門從52%變化到77%，往復循環，累積運行時間1h。運行時間1h之后停止放電，拆開等離子體裝置對γ-Al2O3小球進行觀察。放電之后的小球比放電前表面上出現了許多斑點。這些斑點的形成可能有3種原因：（1）碰撞與振動造成；（2）排氣氣流沖擊造成；（3）微粒與NOx或O2反應形成。

圖6為第一次工況循環時測得的NOx去除效果與排氣中O2含量變化圖。NOx去除率增大主要是由于NOx與微粒反應的結果，而且微粒與NOx的氧化反應與NOx的初始濃度關系密切。此外，將掛煙3h之后的γ-Al2O3小球取出一部分放入等離子體裝置中，在不產生等離子體的情況下，重復上述試驗過程。半小時后觀察小球表面，沒有發現斑點的形成。再對裝有小球（掛煙后）的裝置進行振動與搖晃或用氣泵往裝置中吹入壓縮空氣，都未發現小球表面有斑點形成。因此小球表面斑點的形成只可能是第3種原因。

圖6 微粒與NOx共同作用效果圖

整個試驗過程柴油機排氣溫度始終處于較低水平，在110～250℃之間變化。雖然微粒與NOx的氧化反應在較低的溫度下得以進行，但反應速率較小，氧化過程十分緩慢。同時由于柴油機排氣的復雜性以及微粒本身的特性，使得等離子放電過程趨于復雜，能量利用率不高[10]。因此必須對整個反應速率加以控制，使其朝著有利于微粒與NOx反應的方向進行。

6 結束語

本文利用NTP技術對實際柴油機排氣當中微粒與NOx的去除進行了研究，主要結論及創新如下：

（1）構建了一套低溫等離子體輔助催化還原（NTPSCR）試驗平臺。

（2）等離子體放電電壓與放電區域對NOx的去除起著重要的作用。隨著電壓的增高，NOx的去除率逐步增高，為了控制反應方向、降低能耗，往等離子體裝置中注入的能量密度達到20 J/L時，NOx去除效果較好。

（3）對NTP輔助催化下的HC－SCR進行研究，當還原劑供給比例控制在3左右時，NOx的去除效率較高。低溫等離子體對低溫下的HC－SCR的凈化率有明顯的促進作用。

（4）對NTP去除柴油機排氣微粒研究試驗表明，放電電壓決定著反應速率，當放電電壓達到10kV時，小球表面捕集的微粒氧化速率提高迅速。

（5）在等離子體參與下，實際排氣中NOx與γ-Al2O3陶瓷小球表面所捕集微粒的共同作用研究表明，NOx與微粒的氧化反應在較低排氣溫度下得以進行，微粒的氧化過程與NOx的初始濃度關系密切，但氧化速度較慢。

經過上述研究，目前研制的低溫等離子體凈化裝置在低溫情況下對HC－SCR凈化率的提高有較好的促進作用，對微粒的去除作用非常明顯。

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