柴油車顆粒物與NOX生成機理及凈化技術

孟 雄

(重慶交通大學 重慶 400074)

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柴油車顆粒物與NOX生成機理及凈化技術

孟 雄

(重慶交通大學 重慶 400074)

柴油車降低排放的主要目標是顆粒物和NOX，而柴油車顆粒物與NOx排放之間存在Trade-off關系，所以要想將尾氣中顆粒物的排放控制很低的同時，將NOx的排放也控制的很好是一件相對困難的事情。本文在分析柴油車尾氣中顆粒物與NOx的生成機理的基礎上，研究了兩者之間的Trade-off關系，并對柴油車顆粒物與NOx的凈化技術進行探討。

柴油車；顆粒物；NOx；生成機理；凈化技術

柴油車有更高的熱效率值和更加強勁的動力性，因而被廣泛運用到商用車領域，與此同時也給環境帶來了污染問題，其尾氣中所含有的NOX不僅對人類的身體有直接危害,而且在大氣中生成硝酸，形成酸雨、也是光化學煙霧的主要成分。尾氣中的顆粒物對人體有危害，例如對呼吸系統有危害，引發哮喘病、具有不同程度致癌作用等。因此減少柴油車尾氣中PM與NOX的排放、降低對壞境和對人體的危害具有十分重要的意義。

一、顆粒物與NOx的生成機理

柴油車顆粒物顆粒物的主要成分是碳、有機物質和硫酸鹽。它的主要通過燃油或潤滑油首先經過裂解、脫氫、碳化，然后聚合、吸附，最終形成顆粒物。它的生成條件是高溫缺氧。按是否可溶分類，它可分為可溶性有機物(SOF)和非可溶性性有機物(NSOF)。SOF主要是燃料和竄入氣缸中的潤滑油不完全燃燒剩余的重餾分THC，NSOF得主要成分是碳煙，占NSDF的50%左右。按照顆粒物直徑分類，可分為可吸入顆粒物PM10(直徑小于100微米)和細顆粒物PM2.5(直徑小于2.5微米)。圖1表示典型柴油機PM排放的粒徑分布。

柴油車NOX的主要成分是NO，另外有少量的NO2，NO的生成途徑有三種，即熱力型(主要來源)、快速型和燃料型。熱力型生成機理：在高溫條件下，氧分子O2裂解成氧原子O，再通過一系列的化學反應生成NO,同時該反應需要在的偏稀混合氣體中進行；快速型生成機理：首先由碳氫化合物在燃燒中裂解出CH和CH2與N2，再與N2反應生成HCN、NH和N等中間產物。HCN和NH經過進一步反應生成NO。燃料型生成機理：燃料中的氮化合物在高溫條件下首先生成HCN、CN、NH2和NH等中間產物，然后通過與激發NO相似的途徑生成NO。圖2表示NOx生成量與溫度的關系。

圖1 柴油機PM排放的粒徑分布

圖2 NOx生成量與溫度的關系

二、顆粒物與NOx的Trade-off關系

柴油車尾氣中顆粒物的生成條件是空燃比小于0.6、溫度1500K，在1600k-1700k之間達到最大值，即高溫缺氧的環境中。而NOx在溫度大于1600k時大量生成，在空燃比等于1.1時到到峰值，即高溫富養的環境中。所以在對二者進行控制時，存在著權衡關系。

三、PM及NOx的處理技術

柴油機的氧化催化劑(DOC)：柴油機氧化催化技術是指用Pt或Pd做活性成分。顯著降低PM中的SOF，使得PM的質量降低。氧化催化技術能夠使得PM總去除率達到25%-50%，而且凈化效率可以達到30%-80%[1],并降低柴油機尾氣的臭味，但溫度控制不當，易使催化劑中毒，導致催化能力下降，尾氣顆粒物排放量增加[2]。所以DOC一般適用于硫含量較低的柴油。

微粒捕集器：微粒捕集器也被稱為柴油機微粒過濾(DPF)，通過物理方法對尾氣中的微粒進行捕集，其評價指標主要有過濾效率，流通阻力，使用壽命，DPF體積，其過濾材料有陶瓷蜂窩載體(堇青石，Mg2Al4Si5O18)，陶瓷纖維編織物(如Al2O3-B2O3-SiO2)和金屬纖維編織物(如Cr-Ni不銹鋼)，此外，近些年來還出現一些新的濾芯材料，如碳化纖維和沸石等，過濾材料和再生技術是PM排放控制的關鍵。

NOx的處理技術：根據生成NOx的條件是高溫，富氧和反應時間，除了機內凈化中所采取的種種措施，NOx的后處理方法主要有直接催化分解，選擇性非催化還原(SNCR),選擇性催化還原(SCR)，吸附催化還原系統(LNT)以及等離子技術等[3]。目前業界廣泛研究的方案是SCR選擇性催化還原，這種方案是使用氨水，尿素溶液等作為還原劑，與NOx在催化劑作用下進行催化還原反應，NOx被還原為氨氣和水。

四、結論

柴油車的尾氣凈化技術的發展重點是圍繞控制PM和NOx的含量，控制PM一般將DOC和POC聯合應用，以及研究開發更加高效率和再生性好的DPF。而針對NOx的控制，主要是在SCR催化劑體系的上的研究。總之隨著人們環保意識的不斷提高和各國針對柴油車尾氣排放標準的日趨嚴格，經過各界研究者的不斷努力，必然能使柴油車的尾氣排放得到有效的控制。

[1]高新文，王忠俊.DOC+POC在直列泵柴油機上的應用研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.5.

[2]黃志勇.柴油機尾氣凈化處理的研究進展[J].廣東化工，2011,38(8):86-87.

[3]王建，郭軍武.船用柴油機尾氣中NOx和PM的綜合處理技術研究[J].內燃機與動力裝置，2014,31(3)：48-50.

孟雄(1992-)，男，碩士研究生，重慶交通大學，研究方向：交通運輸工程。