淺談強電離放電對汽車排放物NOx凈化

杜丹豐 佟崢 趙靖 王俊翔 陳振霖 田龍禎

摘要：汽車排放污染物中NOx是一種十分有害的氣體，應用大氣強電離放電技術，將廢氣中的NO、NO2等NOX氣體粒子轉化成O3，H2O2等氧活性粒子，凈化效率高，效果顯著，如果結合廢氣再循環（EGR）系統將活性粒子送回發動機進氣系統當中，既降低了污染，又提高了發動機進氣系統中氧活性粒子的濃度，同時提高了充氣效率。

關鍵詞：強電離放電;汽車;排放物;NOx;凈化NOX由于其化學反應低以及難溶于水的特性，一直是廢氣處理的難點之一，在研究內燃機NOX排放物治理的問題上，白希堯等[1]提出的強電離放電技術則解決了這個問題，張芝濤等[2]人對電介質材料做出了改進，在高頻電源的激勵作用之下，就可以有效地完成強電離放電。

據有關學者研究[34]，強電離放電技術可以在較短的時間段內生成大量的強氧化性粒子（如O3，H2O2），從而迅速完成脫硝反應過程，因此處理效率高、成本相對低的強電離放電脫硝技術具備極大的潛力，但由于其尚未形成完全統一理論，在實際運用方面仍存在空白。

1 強電離放電脫硝微觀機理

1.1 強電離放電技術的化學機理

強電離放電所涉及的基元反應有激發、解離和電離過程、復合反應、電子附著和解吸與離子分子反應等。

（1）激發、解離和電離過程：活性粒子和離子的碰撞、電子間相互的碰撞和光線所導致的激發、解離和電離;

（2）復合：復合反應是電離的逆過程，即帶有相反電荷粒子相互碰撞生成新的中性粒子且釋放能量的過程。復合反應主要由離解復合、輻射復合、三體碰撞復合以及兩體碰撞復合四種類型構成;

（3）電子附著和解吸：某些分子或原子與電子碰撞從而生成負離子的現象稱為電子附著。反之，負電子釋放離子的過程稱為電子解吸;

（4）粒子分子反應：離子分子反應即由離子和分子所形成的轉化過程，該反應作為低溫等離子體反應中極為重要的一環卻由于反應過程極為復雜，尚未形成明確的反應過程理論。以上四類基元反應構成了包括強電離放電在內的各種等離子體反應基礎。

四類基元反應構成了包括強電離放電在內的各種等離子體反應基礎。

1.2 強電離放電脫除NO微觀流程

NOx在等離子體容器內主要是以氣相氧化的途徑完成分解與轉化，其轉化分解過程可以大致分為以下三個階段[67]。

（1）微放電階段。排放廢氣中的中性氣體分子與強電離放電所產生的高能量電子相互作用，高能電子所帶能量通過非彈性碰撞傳遞至中性氣體粒子，在此過程中氣體粒子的共價鍵發生破壞，從而達到離解、電離氣體分子的目的，形成最原始狀態的活性粒子H、O、N和OH。

（2）暫態粒子轉化階段。氣體分子離解所生成的一些中間態粒子會和氣體粒子發生化學反應而迅速消失，其存在的時長極短，與此同時也可以生成新的活性粒子，此過程持續時長十分短暫，約為幾十納秒，并在微放電過程中同步進行。

（3）活性粒子氧化NOX階段。活性粒子通過與NOX發生化學反應，將NOX氧化成HNO3來達到脫除轉化NOX的目的。除此以外，由于在NOX脫除轉化過程中通常會產生部分二次自由基O3、HO2，這些物質也會與NOX發生離解反應。

三個脫除階段的反應間邊界并不完全明確，即在時間和空間上都會存在反應同步發生的情況，前一階段反應完成后產生的物質或改變的狀態都將成為下一階段反應出現的誘發條件。

2 強電離放電技術優越特性

2.1 強電離放電電子能量分布特性

電子的平均能量不同，則對應的具有特定能量的電子的占有率也會有所不同，而在繪制電子能量—具有特定能量的電子的占有率函數圖像時，可近似將電場中的電子能量分布按照服從麥克斯韋分布計算。電子能量的強弱與分布狀態和理解效率有著緊密的聯系，有較高能量的粒子所占有的比例也越大，從隨著電子能量的增大，則具有較高能量的電子的占有率在持續增大，反之，能量較低的電子的所占比例在不斷減小。

2.2 強電離放電與稀薄燃燒對比

稀薄燃燒可以降低NOX、CO、HC的排放，同時也可以做到燃油的節約，然而稀薄燃燒還是難以達到排放標準，主要原因還是由于NOX的排放量過高而導致的。與稀薄燃燒相比，強電離放電技術通過提供足夠大的放電電場強度，從而達到足以破壞NOX內部共價鍵的結構，從而有效地提高了NOX的轉化效率，彌補了單一稀薄燃燒所帶來的不足之處。

2.3 強電離放電與單純EGR對比

根據裴普成的研究成果，在針對NOX的排放特性方面，EGR技術具有與稀薄燃燒相似的特性，故在相同條件下廢氣再循環技術對于NOX的轉化效率是要遠低于強電離放電技術。

3 結語

與單純稀薄燃燒和EGR技術對比，強電離放電技術在針對汽車尾氣中NOX的處理，具有顯著的優勢，能有效地提高NOX的轉化率，彌補了單一稀薄燃燒所帶來的不足之處;同時，強電離放電技術對于NOX的轉化效率遠高于廢氣再循環技術，如果結合廢氣再循環（EGR）系統將活性粒子送回發動機進氣系統當中，既降低了污染，又提高了發動機進氣中氧活性粒子的濃度，同時提高了充氣效率。

參考文獻：

[1]白希堯，張芝濤，楊波，胡又平.強電離放電及其應用研究的進展[J].中原工學院學報，2003（S1）：59.

[2]張芝濤，鮮于澤，白敏冬，許波.強電離放電研究[J].東北大學學報（自然科學版），2002（5）：507510.

[3]湯紅.強電場電離放電脫硫的研究[D].大連海事大學，2004：35.

[4]扈群，白敏冬，白希堯.電離放電脫硫脫硝等離子體過程的研究[J].大連海事大學學報，2000（3）：8790.

[5]余剛.等離子體NOx脫除機理及特性研究[D].東南大學，2003：1921.

[6]丁水蘭，張應洲，謝春雪，余奇，余剛.非熱等離子體氧化NO脫除實驗研究[J].武漢紡織大學學報，2014（3）：4145.

[7]夏剛.磁電等離子體極化激發態進氣裝置對降低汽車尾氣排放污染的實驗研究[D].重慶大學，2007：2930.

基金項目：東北林業大學大學生科研訓練項目：發動機進氣富氧研究支持（項目號：KY2019010）