汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗建設(shè)

吳農(nóng)樂

【摘要】 ?我國近幾年來很多地區(qū)都開始出現(xiàn)霧霾現(xiàn)象，空氣中可吸入顆粒物含量嚴(yán)重超標(biāo)，空氣污染問題已經(jīng)十分嚴(yán)重，研究表明，有一半的空氣污染源來自汽車尾氣。因此，人們開始重視汽車尾氣排放的檢測與催化轉(zhuǎn)化，在高校中設(shè)置了大氣污染控制工程的課程，并在教學(xué)過程中進(jìn)行檢測和轉(zhuǎn)化實驗，以培養(yǎng)專業(yè)的人才。本文主要研究有關(guān)汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗的建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】 ?汽車尾氣 排放檢測 催化轉(zhuǎn)化 教學(xué)實驗建設(shè)

【中圖分類號】 ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）13-176-01

隨著人們生活質(zhì)量的逐漸提高，越來越多人選擇購買私家車，不但使道路更加擁堵，而且由于排放的汽車尾氣中含有大量的氮氧化合物，還造成了空氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化。因而國家開始重點培養(yǎng)大氣污染控制工程方面的人才，通過學(xué)習(xí)先進(jìn)的煙氣脫硝技術(shù)，對汽車尾氣進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化實驗，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力以及創(chuàng)新精神，培養(yǎng)出高素質(zhì)的治理大氣污染的人才。

一、實驗設(shè)計與技術(shù)原理

（一）實驗設(shè)計思路

我國目前高校開設(shè)的大氣實驗課程還不夠成熟，實驗內(nèi)容枯燥單一，加之投入的實驗經(jīng)費有限，導(dǎo)致實驗設(shè)備老化現(xiàn)象嚴(yán)重，并不能滿足教學(xué)的需求。結(jié)合高校的實驗教學(xué)現(xiàn)狀以及我國目前大氣污染的治理情況，設(shè)計出一種“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化實驗系統(tǒng)”，將學(xué)生所學(xué)的大氣污染控制的理論知識，應(yīng)用到實驗當(dāng)中去，基于該系統(tǒng)進(jìn)行新的實驗項目，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)高素質(zhì)的環(huán)境科學(xué)人才。

（二）實驗技術(shù)原理

“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗系統(tǒng)”如圖1所示，主要包括五部分分支系統(tǒng)：催化劑制備系統(tǒng)、溫控及催化反應(yīng)系統(tǒng)、尾氣排放檢測系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、反應(yīng)檢測系統(tǒng)。在汽車排放控制實驗中，汽車尾氣排放檢測是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)汽車的發(fā)動機處于空擋運轉(zhuǎn)時，節(jié)氣門開度很小，進(jìn)入氣缸的可燃混合氣較少，同時受到氣缸內(nèi)殘存廢氣的稀釋，使得混合氣的燃燒不充分。這時汽車排放的尾氣中一氧化碳和碳?xì)浠衔锏暮枯^高，氮氧化合物的含量較少。雖然怠速法測量汽車尾氣排放不能將實際的行車工況全部反映出來，但是由于在怠速工況下，汽車的發(fā)動機處于無負(fù)荷運轉(zhuǎn)，尾氣排放檢測方式相對簡單，所以普遍應(yīng)用在各國的尾氣排放檢測當(dāng)中。

“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗系統(tǒng)”在實驗過程中采用尾氣分析儀檢測汽車處在不同怠速工況下的氣體濃度，包括碳?xì)浠衔铩⒌趸衔铩⒁谎趸肌⒍趸家约把鯕獾龋蛊囂幵诓煌墓r下，檢測氣體濃度，記錄尾氣排放特征，分析出現(xiàn)這種情況的原因。記錄尾氣中不同氣體濃度的變化，重點觀察污染大氣的氣體濃度變化，進(jìn)而確定催化轉(zhuǎn)化實驗中的配氣比例以及氣體的種類情況。

對于實驗中檢測到的污染大氣的主要氣體氮氧化合物，使用SCR（選擇性催化還原法）進(jìn)行實驗，SCR技術(shù)是通過催化劑的催化作用，在尾氣中噴入還原劑NH3，將汽車尾氣中的氮氧化合物轉(zhuǎn)化為水和惰性氣體氮氣。NH3具有一定的選擇性，在適宜的溫度條件下，能夠不被尾氣中的氧化物氧化，只與氮氧化合物反應(yīng)，是一種高端的煙氣脫硝技術(shù)。NH3-SCR的實驗原理如圖2所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

在“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗系統(tǒng)”中涉及到的溫度控制及反應(yīng)系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)等都是通過專業(yè)的公司加工生產(chǎn)的，根據(jù)SCR的實驗原理，通過比較最終選擇氮氧化合物、氨、氧氣、氮氣作為進(jìn)入配氣系統(tǒng)的氣體，經(jīng)過催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)之后，檢測尾氣中剩余的氮氧化合物濃度，進(jìn)而計算轉(zhuǎn)化的效率，分析影響催化轉(zhuǎn)化的因素。

二、實驗過程及結(jié)果

在進(jìn)行汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學(xué)實驗時，除了讓學(xué)生動手進(jìn)行規(guī)定的實驗內(nèi)容以外，教師還可以讓學(xué)生自主設(shè)計實驗。例如，檢測不同怠速工況下，汽車尾氣排放中所含的氣體濃度，驗證汽車尾氣中的重要氣體成分是哪一種，主要可以驗證高怠速和怠速工況。通過實驗表明，兩種怠速工況下尾氣排放中主要包含的都是氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔锖脱鯕猓⑶腋叩∷傧職飧變?nèi)氣體燃燒溫度較高，一氧化碳含量較低，氮氧化合物含量較高;怠速工況下氮氧化合物含量較低，一氧化碳、碳?xì)浠衔锏暮枯^高。由此可以得出結(jié)論，氮氧化合物是汽車尾氣排放中的重要氣體成分，也是大氣污染中的重要成分。

另外，例如在進(jìn)行氮氧化合物轉(zhuǎn)化的實驗時，要注意氣體的配氣量，氮氣是平衡氣體，所以氮氣的含量是最多的，保持在420ml/min，其次是氮氧化合物和氨的含量，保持在30ml/min，最后是氧氣的含量，保持在20ml/min。實驗過程中，將催化劑的溫度從5度升到200度，然后開始檢測氮氧化合物的濃度，當(dāng)溫度升高到450度停止，每隔2分鐘讀取一次氮氧化合物的濃度，并記錄在實驗報告中，同時記錄此時的催化劑溫度，30分鐘后停止。

結(jié)束語

隨著小轎車數(shù)量的逐漸增多，汽車尾氣排放對空氣的污染也越來越嚴(yán)重，國家逐漸重視保護(hù)大氣環(huán)境，在高校開設(shè)了大氣污染控制工程的課程，其中汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化的實驗課程，有助于將復(fù)雜的科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為典型的教學(xué)案例，讓學(xué)生學(xué)習(xí)到先進(jìn)的控制大氣污染的技術(shù)。同時還有利于學(xué)生更好的理解掌握汽車尾氣排放的污染氣體與不同工況的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和創(chuàng)造能力，進(jìn)而培養(yǎng)出符合國家需要的高素質(zhì)創(chuàng)新型科技人才。

[ 參 ?考 ?文 ?獻(xiàn) ]

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