低温等离子体处理汽车尾气

等离子体的基本概念低温等离子体的产生方式低温等离子体处理废气的作用机理低温等离子体处理技术4123目录一、等离子体的基本概念及产生方式等离子体概念由大量的带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等，故称等离子体。低温等离子体又名非平衡等离子体，其内部的电子温度远远高于离子温度（电子温度可达104K，而离子温度一般只有300K~500K），系统处于热力学非平衡态，其表观温度较低，所以被称为低温等离子体。等离子体是物质第四态固体冰液体水气体水汽等离子体电离气体温度00C1000C100000C电离气体是一种常见的等离子体放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体电离气体普通气体等离子体放电需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。“电性”比“中性”更重要(电离度10-4)二、低温等离子体处理废气的作用机理利用高能电子使电子、离子、自由基和中性粒子以每秒钟300万次至3000万次的速度反复轰击气体中的污染物分子，激活、电离、分解污染物分子，从而发生氧化、分解等一系列复杂的化学反应，将有害物转化为无害物。而且，离子温度和大量中性粒子的温度远低于电子温度,整个反应体系又可以保持低温,乃至接近室温,反应器也可以处于低温。这样,设备投资少,节省能源。低温等离子体具有的特点123该等离子体为准电中性的,即正电荷载流子密度总体上等于负电荷载流子密度。等离子体中的电子具有较中性粒子大得多的能量或更高的温度;带电粒子的数密度远远小于中性粒子总的数密度(即电离度小);产生低温等离子体的方法介质阻挡放电（DBD）介质阻挡放电是一种灵活可靠的低温等离子体放电方式，适合生成较大体积的等离子体，其兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行特点，而且电子密度很高，更加有利于汽车尾气的净化。DBD的主要特征是至少有一层电介质覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里。整个放电由在时间和空间上随机分布的大量称为微放电的电流细丝构成。下图为一种常用的介质阻挡低温等离子体发生器.低温等离子体发生器通过复合高压电极连接变压变频等离子体电源和低压电极接地来产生低温等离子体放电。发生器开始工作时，在内部会产生大量的自由基等强氧化物质，它们的化学性质非常活跃，很容易与尾气中的污染组分如CO、HC及NOx发生反应，使催化剂迅速被激活，从而达到降低催化剂激活温度的目的，同时低温等离子体发生器产生的自由基能促进催化剂的催化反应过程，显著提高尾气催化净化的效果。等离子净化原理根据汽车尾气成分的不同而有所差异，汽车尾气排放中,无机物和有机物成分共有几十种。含量最多的有害成分主要是NO、CO、HC和PM微粒。当电子能量10eV，且电子能量大于尾气分子化学键的结合能时，高能的活性粒子可以直接将其分解成单原子分子，当电子能量10eV的时候，氧化反应起主要的作用。因此，活性粒子的能量与气体的键能对净化的影响非常大。表1示出常见的汽车尾气活性粒子的键能表。空气经过低温等离子体作用后，产生一系列氧化性极强的OH·、HO2·、O·、O3等强氧化物质。这些活性物质会有效的将汽车尾气中的HC、NOx、PM等有害气体转化为无害的CO2、H2O和硝氨固体盐等。CO净化机理：主要参与的反应有：CO+O→CO2CO+2OH→CO2+2H2OCO+H2O→CO2+H2O3CO+O3→3CO2HC净化机理主要参与的反应有:HC+O→CO2+2H2OHC+2OH→CO2+2H2OHC+HO2→CO2+H2OHC+O3→CO2+H2OPM净化机理主要的反应有:C+2O→CO2C+4OH→CO2+2H2O3C+4HO2→3CO2+2H2O3C+2O3→3CO22C+2NO2→N2+2CONO的氧化反应NO+O∙→NO2NO+OH∙→NO2+H2ONO+HO2∙→CO2+OH∙NO+O3→NO2汽车尾气等离子净化系统汽车尾气等离子净化系统主要有3个部分组成：等离子反应器高压高频电源和控制系统。下图表示出等离子净化系统的整体结构，汽车发动机产生的尾气经过等离子净化系统排出。控制系统高压高频电源等离子反应器汽车发动机气体排出1、机内净化中的等离子体处理技术用于机内净化处理的低温等离子体技术,其基本原理是将空气离子化,即将空气送入内燃机之前,利用低温等离子体将空气中的氧转化为臭氧。该技术的主要部件是一台电晕放电式臭氧发生器,由管道与发动机进气装置相连接。臭氧发生器产生的臭氧进入燃烧室便分解为氧负离子,使火焰膨胀,促进燃烧,从而提高了反应速率。处理结果节能效率20%,污染物减排约50%。2、机外净化中的等离子体处理技术机外净化中所用的等离子体技术主要有电晕放电、介电位垒放电、沿面放电等几种方式,利用等离子体体系中的活性物种强化(催化)氧化—还原反应,将汽车尾气中的有害物质通过氧化、还原或离解而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。（1）等离子体技术的单独应用（2）等离子体与三元催化技术的联合应用（3）等离子体与NH3－SCR技术的联合应用（4）等离子体/La0.8K0.2CoO3催化剂协同净化技术（1）等离子体技术的单独应用等离子体技术在汽车尾气净化的单独使用，原理基本上与等离子体技术在机内净化中的原理相同。主要是通过沿面放电或介质阻挡放电，使得由发动机排出的尾气等离子化，即通过等离子激发的活性原子氧等元素，与CO、HC反应，同时利用尾气中的C元素作为还原剂，可进一步有效的将NOx生成无害的H2O、N2、CO2。（2）等离子体与三元催化技术的联合应用等离子体与三元催化技术的联合应用，本质上是等离子体辅助催化还原技术。根据等离子的特点，较多采用二级系统，如下图。其作用机理是利用等离子体发生器产生离子、激发态分子、原子和自由基等化学活性极强的物质，在氧(O2)和碳氢化合物(HC)存在的条件下，将汽车尾气中的NO氧化为NO2；随后，借助三元催化剂的作用，将未能完全净化掉的NO2物质，进行选择性还原，并最终生成H2O、CO2、N2等。（3）等离子体与NH3－SCR技术的联合应用等离子体与NH3－SCR技术的联合应用具体而言，就是当发动机冷启动或怠速时，低温汽车尾气通过等离子体反应器，由等离子体反应器放电产生高浓度低温等离子体，在等离子气体放电间隙区与高能电子发生碰撞，产生相应的氧化能力极强的活性基团，这些活性基团可以将汽车尾气中绝大部分的NO部分氧化成NO2，并在SCR反应器中与NH3在催化剂的共同作用下将NOx催化还原成无害的N2和H2O。应方程式如下:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O6NO2+8NH3→7N2+12H2O2NO2+2NH3→N2+H2O+NH4NO3当发动机排气温度升高到一定程度时，关闭等离子体反应器，SCR反应器单独作用，实现NH3－SCR高效降低NOx排放。等离子体与NH3－SCR技术的联合应用实现了降低NOx排放，并使用等离子体反应器替代贵金属催化氧化功能对NO进行预氧化，有效解决催化剂硫中毒问题。（4）低温等离子体/La0.8K0.2CoO3催化剂协同净化技术La0.8K0.2CoO3系钙钦矿型复合氧化物催化剂。该催化剂对颗粒物、碳氢化合物均有催化作用。该协同净化技术是低温等离子技术与La0.8K0.2CoO3催化剂技术的具体结合，是在DBD反应器之后连接催化剂为La0.8K0.2CoO3的催化反应器，在该技术中，DBD反应器主要用于去除尾气中的颗粒物，而催化剂为La0.8K0.2CoO的催化反应器则更侧重于去除氮氧化物，通过实验得出，二者结合的反应系统要明显好于单一系统的净化结果，这是由于等离子体辅助催化效果使得部分NO处于活性状态，改变了NO和颗粒物的化学吸附性能，因此二者的协同作用可提高颗粒物的燃烧效率和NOx的转化效率。