船用排氣凈化低溫等離子體反應器設計研究

趙浩川，江國和，郭微微

(上海海事大學 商船學院，上海201306)

0 引 言

低溫等離子體是繼固態、液態、氣態之后的物質第四態，當外加電壓達到氣體的著火電壓時，氣體分子被擊穿，產生包括電子、各種離子、原子和自由基在內的混合體。其作用機理是利用高能電子激發氣體中的N2，O2和H2O 等氣體分子，產生O，N 和OH 等一系列離子態自由基，使NO之間的分子化學鍵發生斷裂，從而直接分解生成N2和O2。另外，還可以向反應系統中加入催化劑來降低NO 分解的化學能，提高反應速率［1］。低溫等離子體放電過程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現低溫狀態，所以稱為低溫等離子體。

1 國內外研究現狀

從20 世紀90 年代初，低溫等離子技術用于機動車尾氣后處理開始成為研究熱點，但目前仍處于基礎研究階段。國內外的研究主要集中在NOX及PM中有機可溶成分的轉化，采用模擬柴油機尾氣的方法(不包含PM 本身)研究等離子體的化學復合過程。目前利用NTP 催化技術轉化NOX、HC 取得了一定的成功。

西南研究院對利用低溫等離子體技術降低大功率柴油機排放的可行性進行了研究，得出低溫等離子體反應器能量消耗的實驗數據［1］。通過實驗研究出了對柴油機排放NOX的凈化很高，最高轉化效率可達93%。到現在為止，國內對低溫等離子體技術用于尾氣凈化以及脫硫取得了一些成果，但是將低溫等離子體技術應用在船舶尾氣處理上還很少。由于船用柴油機的燃料以及運行工況等的特殊性，采用低溫等離子體對船用柴油機排氣進行實際的研究，在船用工況下測量柴油機尾的凈化效果就顯得十分重要［2］。

2 柴油機后處理系統的設計原則

船舶柴油機的工作環境復雜、速度特性多變，傳統的尾氣處理裝置難以適應船舶工況的需求，所以船用尾氣處理裝置應符合以下特點:

1)一般廢氣渦輪增壓中流出的廢氣流速比較高，一般為10 ～40 m/s;

2)由于船舶柴油機使用重油為燃料，廢氣中的PM 濃度比較高，隨船舶柴油機的工況而變化;

3)柴油機廢氣的溫度較高，且運行時隨工況而變化;

4)船舶在海上運行情況復雜多變;

5)船舶柴油機的機械振動強烈［3］。

所以在設計低溫等離子體凈化系統時考慮如下因素:

1)加裝后處理系統后，不應該影響船舶柴油機的動力性和燃油經濟性。尾氣凈化系統應該具有較低的排氣背壓，低的流阻損失。

2)尾氣凈化系統能夠充分凈化柴油機的排氣，使排氣達到國際海事組織要求的排放標準。

3)尾氣凈化系統中的催化劑應該選用抵抗催化劑中毒能力強的催化劑。

4)尾氣凈化系統能夠在船舶處于不同傾覆角度時，保持穩定的凈化效率。

5)尾氣凈化系統使用壽命長，具有工業化生產的可行性。

3 低溫等離子反應器總體設計

從結構上看，催化劑可以布置在介質或電極、放電區以及放電區域外3 種類別。把前2 種結構成為一體式系統，后一種為分離式系統［4］。

第1 種屬于一體式系統，如圖1 所示;后2 種屬于分離式系統，如圖2 所示。

圖1 一體式系統Fig.1 Integrated system

圖2 分離式系統Fig.2 Split system

在一體式系統中，低溫等離子體反應器在外加電場的作用下，激發了大量的等離子體，這些高能活性粒子在反應器內進行氧化或還原反應;放電區內的催化劑在活性粒子的作用下，也偏離了電中性。

在分離式系統中，利用低溫等離子體技術能夠產生大量的活性粒子，其中活性粒子不但能夠凈化尾氣而且又能夠降低起燃溫度，提高催化劑的活性。最終將柴油機排氣中的NOX轉化為N2和CO2以及H2O。放電區外保持電中性。

3.1 反應器結構及參數對其性能的影響

1)DBD 單元結構的影響:反應器電壓與DBD單元長度的關系為當反應器的直徑一定時，放電間隙越小則放電電壓越低，放電越易發生，對尾氣的去除效果越好。

2)DBD 單元極間間隙的影響:當施加給反應器相同的功率的條件下，不同的極間距離產生的電流強度以及密度不同。總體上看，電流密度與極間的距離是隨著極間距離的增加而減小。那么當極間距較小時去除放電效率更高，去除率也相對較高。反之，當極間距較大時有效放電功率小，凈化效率差［5］。

3)低溫等離子體反應裝置材料的影響:不同的材料會影響放電器的起始放電電壓。金屬材料的起始放電電壓較低，具有較好的放電性能，同時也會有一些不利影響，如放點區域容易產生火花等。陶瓷材料的起始放電電壓略高，放電比較平穩，無火花等產生，又由于陶瓷表面結構疏松，可以作為催化劑的載體，所以可以很容易實現一體式系統。

3.2 尾氣凈化反應器設計

產生低溫等離子體的方法雖然不同，但是低溫等離子體發生裝置的構造基本相同。介質阻擋放電低溫等離子體發生裝置分類方法很多，依照介質在電極間的位置的不同可以分為圖1 和圖2 三種，按照外形區分有同心圓式和板式，按照介質層數的不同又有單層與雙層DBD 之分。

單層式反應器結構比較簡單，產生的熱量可以通過高導熱性的金屬電極散發，在工作時產生的等離子體分布均勻，面積較大。

雙層式低溫等離子體反應器的由于兩電極上都有介質遮蓋，放電區域沒有和金屬直接接觸，所以電極的腐蝕性小，并且產生的低溫等離子體純度較高。此種放電裝置在工作時，介質表面上會有大量的等離子體，分布均勻，面積較大［6］。

平板式反應器產生的等離子體分布更均勻，但是效率上同心圓式反應器更高。

而本文在結合以上幾種反應器優點的基礎之上，設計了新的反應器。

3.3 等離子體凈化反應器的容積選擇

本設計擬安裝在上海海事大學主機實驗室的6135G128ZCa 型柴油機，規格及相關參數如表1所示。

等離子體凈化反應器在設計上通常要考慮到柴油機排量，排氣管道尺寸等參數。對于等離子體反應器的入口直接選用渦輪增壓器出口端的尺寸(86 mm)，這樣有利于減少尾氣的渦流，較小影響發動機的燃油經濟性。

表1 6135G128ZCa 型柴油機主要規格和參數Tab.1 The main parameters of type 6135G128ZCa M/E

低溫等離子體容積的設計主要依據柴油機的排量來選擇。設計比較合理的低溫等離子體容積可以提高尾氣的凈化效率，又可降低功率損失。本文在設計低溫等離子體凈化器上參照文獻［7］的經驗公式來確定凈化器容積:

式中:Vh為發動機排量，L;n 為發動機轉速，r/min;Z 為發動機氣缸數;N 為系數，四沖程N=1，二沖程N=2 ;K 為常數，K=5 000 ～50 000，根據使用的用途取值。

根據容積計算經驗公式，則有:

3.4 等離子體凈化器尺寸設計

通過前述設計，得到低溫等離子體的容積大小。接下來確定合理的低溫等離子體凈化器的直徑，可以提高尾氣的凈化效率，又可以降低功率損失。根據文獻［7］中提供的經驗公式，L 和D 可由體積公式估算出:

式中:L 為低溫等離子體凈化器的長度;D 為低溫等離子體凈化器的直徑。

解得:D=360 mm，L=720 mm。

3.5 低溫等離子體凈化器排氣口直徑設計

低溫等離子體排氣口的大小對排氣有著很大的影響［8］。不合理的設計，會導致柴油機的輸出功率下降，效率不佳。嚴重的話還會影響到廢氣處理效果，所以合理設計排氣口關系著整個機器的運轉。

通過查閱資料得到如下設計公式:

式中:S1為為低溫等離子體凈化器進氣口面積;Kτ為修正系數，二沖程Kτ=0.02，四沖程Kτ=0.01;Kn為轉速修正系數，Kn=0.7 +10－4n(n 是發動機標定轉速);Vh為發動機總排量，ml。

一般地說，凈化器的排氣管直徑略小于進氣管直徑。由上面的公式計算有:

式中S2為低溫等離子體凈化器排氣口面積。

所以有:

式中:D2=92 mm。

3.6 放電電極的直徑確定

介質阻擋性放電裝置在外加高頻高壓電場的作用下，每個DBD 單元會形成一個低溫等離子體放電區。當柴油機廢氣流經等離子體區域時，廢氣中的氮氧化物以及顆粒物會被高能活性粒子氧化［9］。反應器電源的選擇關系著凈化是否充分，是設計低溫等離子體凈化器的關鍵。一個適配的電源可以使低溫等離子體凈化裝置獲得足夠的能量，以保證活性粒子的供應。通過查閱相關資料筆者選用高頻電源作為該裝置的配套電源。DBD 放電單元的選用放電極直徑約為25 mm (放電極直徑視試驗情況可適當調整)，放電間隙為4 mm。

圖3 低溫等離子反應器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of low temperature plasma reactor

圖3 為低溫等離子放電器結構示意圖，圖4 為反應器示意圖，低溫等離子體放電部分由DBD 放電單元組成。在長720 mm，外徑360 mm 的不銹鋼鋼管內放置30 組DBD 放電單元，外徑為25 mm、內徑20 mm、長為260 mm 材質為剛玉管，在剛玉管內部套有1 根長190 mm 不銹鋼內電極。其中不銹鋼內電極為高壓電極，不銹鋼內電極表面進行了滾花處理，表面產生無數的小尖端，這樣實現了尖端放電，從而能更好建立微放電通道。

圖4 反應器示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reactor

3.7 催化系統組成

催化系統由殼體、減振層、載體及催化劑4 部分組成。其中催化劑通常是催化活性成分和涂層的合成，它是整個催化器的核心部位，決定著主要性能指標［10］。

圖5 反應器的主視圖Fig.5 The main view of reactor

圖6 反應器剖視圖Fig.6 The section view of reactor

殼體:通常由不銹鋼板材制成，殼體形狀應符合空氣動力學要求，材料應具有較高的抗腐蝕性和高溫下熱變形小等特性。

減振層:一般有膨脹墊片和鋼絲網墊片2 種，起到減振、緩解熱應力、固體載體、保溫和密封作用。

載體:一般使用工業上廣泛應用的氧化鋁顆粒，主要成分是活性氧化鋁(γ － Al2O3)。如今，由于蜂窩陶瓷具有熱膨脹系數低、抗熱沖擊性好、良好的熱穩定性，適合船舶柴油機排氣溫度驟變環境，并且具有較好的機械強度，而得到廣泛使用。

涂層:為了改善載體表面積低等不利因素，通常在其壁面上涂覆一層多孔的物質增加催化劑的比表面積，增加反應效率。

催化活性物質:本文主要選用了學術界公認的催化性能和選擇性能都較好的鈣鈦礦型催化劑。

催化劑性能指標評價主要有以下幾方面:

1)轉化效率

催化器的轉化效率:

式中:ηi為尾氣在催化器中的轉化效率;C(i)1為廢氣在入口處的濃度;C(i)2為廢氣在出口處的濃度。

2)起燃溫度特性

催化劑所處環境的溫度直接影響著催化劑的轉化效率。催化劑的活性只有當環境溫度達到一定時才會被開啟。隨著溫度的改變那么催化劑的活性也會有一定的變化，當催化活性達到最大活性的一半時，這時的溫度稱之為起燃溫度T50。T50溫度越低，催化劑的活性就越好。

3)流動特性。

催化劑的流動特性影響著發動機的經濟性和動力性。催化劑的流動阻力越小，發動機排氣的泵氣損失越小，發動機的燃燒效率越高，這樣的催化劑的流動性越好。

3.8 反應器去除NOX 和PM 的性能評價

3.8.1 催化劑的性能評價參數

主要有催化劑的活性、選擇性以及目標反應物的轉化率3 個指標。通常情況下，催化劑的活性通過碳煙的Tig，Tm，Tb 三個指標來衡量［11］。

同時去除NOX－SOOT 的總反應方程式為:

式中:α 為碳煙轉化N2百分數;β 為碳煙轉化N2O百分數;Tig為用碳煙的點火溫度;Tm 為最大燃燒點溫度;Tb 為燃盡溫度。

催化劑在碳煙的環境下選擇N2的活性為:

式中:V(N2)為反應過程中轉化的N2的總量;V(CO2)為碳煙燃燒形成CO2總量;V(NOX)in為反應過程中NOX的總量;φ(N2)% 為由NOX轉化而來的N2在反應體系中的體積百分數;φ(CO2)% 為碳煙燃燒形成CO2在反應體系中的體積百分數。

3.8.2 NOX和CO2的轉化率的評價

催化劑轉化NOX的活性γ (NOX)%:

式中:［N2］為某溫度時生成N2濃度;［NOX］in為低溫等離子體反應器進口處NO 的濃度。

催化劑轉CO2的活性化為:

式中:W1為凈化前顆粒物質量;W2為凈化后顆粒物質量。

通過上述結構描述與分析，進行船舶柴油機排氣凈化裝置的設計。以介質阻擋放電反應器為基本結構，采用單層同心圓式介質阻擋放電裝置進行研制:反應器的所有結構本體采用不銹鋼材料制作，反應器選用DBD 放電單元，放電單元的內電極表面進行了滾花處理采用不銹鋼材料制作，介質選用耐高溫壽命長的剛玉管，選用不銹鋼作為外電極。在反應器中設計了催化裝置，催化劑的載體選用擠壓成型的蜂窩結構堇青石陶 瓷(2Al2O3·2MgO·5SiO2)，并確定了催化劑類型(鈣鈦石類)。

4 結 語

本文從制定凈化柴油機尾氣的整體方案入手，做了如下工作:

1)為達到綜合降低柴油機尾氣排放的目的，利用低溫等離子體技術設計和催化技術設計和開發出一條新的處理方案，即低溫等離子體結合催化技術的混合系統。

2)參考了文獻中的經驗公式，通過計算確定了反應器的設計尺寸，對低溫等離子體凈化裝置匹配了合適的電源裝置，確定了催化系統的結構。為進一步分析做了充分的準備工作。

［1］張文豪．低溫等離子體與催化劑協同凈化柴油機有害排放物的研究［D］．武漢:武漢理工大學，2007．

［2］夏衛東．低溫等離子體與催化劑協同凈化汽車尾氣的研究［D］．上海:上海大學，2009．

［3］馮志宏．低溫等離子體凈化汽車尾氣中NOX的反應動力學研究［D］．鎮江:江蘇大學，2005．

［4］葛袁靜，張廣秋，陳強．等離子體科學技術及其在工業中的應用［M］．北京:中國輕工業出版社，2011．

［5］金玲．等離子體協同光催化劑處理微污染水［D］．天津:天津大學，2012．

［6］JOHNSON T V． Review of diesel emissions and control［C］//SAE Paper，2010 －01 －0301．

［7］姜東峰．介質阻擋放電低溫等離子體凈化脫除柴油機排放物的初步研究［D］．天津:天津大學，2005．

［8］毛漢穎，吳彤峰，范健文． 柴油車尾氣微粒等離子體凈化器的設計［J］． 廣西工學院學報，2007，18(4):24－28．MAO Han-ying，WU Dan-feng，FAN Jian-wen． Design of diesel exhaust particulate plasma purifier［J］． Journal of Guangxi University of Technology，2007，18(4):24 －28．

［9］尹和儉． 緊湊式SCR 凈化消聲裝置設計與仿真研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010．

［10］陳松玲． 低溫等離子體凈化汽車尾氣動力學模型研究［D］．鎮江:江蘇大學，2005．

［11］王軍．NTP 技術轉化柴油機NOX 及再生DPF 的實驗研究和機理分析［D］．鎮江:江蘇大學，2009．