低溫等離子體凈化柴油機尾氣研究綜述

摘 要：柴油機作為最主要的船舶動力推進設備，船舶數量也隨之成逐年上升的趨勢。龐大的船隊規模帶來的船舶柴油機污染物排放也引起了廣泛的關注。船舶柴油機廢氣排放污染物主要包括氮氧化物、硫氧化物、碳氫化合物和微粒等。國內外范圍內有大量學者研究表明，低溫等離子體技術能有效凈化柴油機尾氣排放。

關鍵詞：柴油機尾氣；低溫等離子體；氮氧化物；PM

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.221

1 引言

隨著經濟貿易全球化的快速發展，航運業得到了迅猛發展，據統計，船舶每年NOx排放量約為 1275 萬噸，CO2排放量約為 43800萬噸，SOx 排放量約為 1054 萬噸，其中NOx排放對環境危害大、控制困難[1]。近年來，國內外采用低溫等離子體處理柴油機尾氣，這項技術具有能耗低、凈化效率高，無污染等優點。

2 低溫等離子體

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放電電壓時，氣體被擊穿，產生包括電子、各種離子、原子和自由基在內的混合體。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。低溫等離子體降解污染物是利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時間內發生分解，并發生后續的各種反應以達到降解污染物的目的。以介質阻擋放電形式運用最為廣泛。如圖1、2所示。

3 低溫等離子體處理PM

低溫等離子體裝置可產生帶氧化性質的氣體以及自由基，其可以氧化柴油機尾氣中的顆粒物。吳江霞采用煙度計來研究NTP對尾氣中PM的處理情況[2]，研究了不同能量密度下NTP處理PM的效果。圖三給出了煙度隨能量密度的變化關系，可看出，能量密度從10J/L增加到30J/L時，煙度值呈下降趨勢，繼續加大能量密度，煙度值趨于穩定，所以NTP對PM有較好的去除效果。

4 低溫等離子體處理NOx

韓國濟州國立大學化學系Young Sun Mok教授等人研究了介質阻擋放電（DBD）和催化混合法用于除去柴油發動機排氣中氮氧化物和顆粒物的方法。此研究表明，這種混合工藝可同時除去柴油機廢氣中的氮氧化物和顆粒物[3]。重慶大學吳福堂碩士采用高壓脈沖放電低溫等離子體技術對汽油機尾氣進行后處理研究。在重慶大學內燃機實驗室做了發動機臺架實驗。實驗結果表明高壓脈沖等離子體對發動機尾氣中的主要有害氣體具有很強的凈化功能，但凈化效率不僅受到NTP放電參數的影響，同時還受到發動機使用工況的影響[4]。圖4、圖5表示NO凈化率隨低溫等離子電壓、頻率參數的變化情況。

從兩圖中可以看出，NO凈化率隨低溫等離子體電壓、頻率參數升高而升高，但達到一定值時將達到凈化率最大值，超過以后則會下降。所以，需控制好設備參數的調整即能有效去除NOx ，達到凈化柴油機尾氣的效果。

5 總結

低溫等離子體在放電過程中會激發產生大量的活性基體， 顯著提高催化劑的活性，產生臭氧等氣體與排氣中的NOx、HC和PM等進行反應，如將NO氧化成高價氧化物NO2等。大幅提高了NOx轉化率和PM去除率。另外，低溫等離子體凈化尾氣技術具有流程短、轉化率高、處理徹底、無二次污染、適應溫度范圍廣、對燃油含硫量無要求等特點，越來越多的研究機構和生產廠商從事這方面的研究和開發。

如果將低溫等離子體放電與催化還原設備如SCR相結合，用于低溫工況下柴油機 NOx的選擇性還原，是極具吸引力和應用前景的研究方向。

參考文獻：

[1]李世用.船用柴油機Urea-SCR系統仿真與優化設計[D].大連海事大學，2012.

[2]吳江霞，蔡憶昔，趙衛東，李小華等.低溫等離子體處理柴油機NO_x和PM試驗研究[J].環境工程學報，2008（08）：1078-1082.[12]陳殿英.低溫等離子體及其在廢氣處理中的應用.化工環保，2001，21（03）：136-139.

[3]Young Sun Mok， Yil Jeong Huh. Simultaneous removal of nitrogen oxides and particulate matters from diesel engine exhaust using dielectric barrier discharge and catalysis hybrid system [J].Plasma Chemistry and Plasma Processing， 25（2005） 625-639.

[4]吳福堂.低溫等離子體凈化裝置對降低汽油機尾氣排放污染的實驗研究[D].重慶大學，2008.

作者簡介：尹釗（1993-），碩士在讀，研究方向：船舶柴油機尾氣排放控制。