城市机动车污染控制.ppt

城市机动车污染控制 环境工程0902班全体男生 第一机动车对环境的影响 根据盖世网的消息 2011年8月16日 世界著名的美国汽车行业杂志Wardsauto公布 截至当日 全球处于使用状态的各种汽车 包括轿车 卡车以及公共汽车等的总保有量已突破10亿辆 根据Wardsauto的分析 美国是目前最大的汽车拥有国 其汽车注册量达2 4亿辆 中国次之 汽车拥有量为7800万辆 日本的汽车拥有量为7400万辆 Wardsauto统计显示 全球汽车平均拥有量为1 6 75 即每6 75个人拥有1辆汽车 在中国 这个比例为1 17 2 我国部分城市汽车保有量 越来越多的车辆 交通对城市空气污染的影响 世界部分城市机动车所产生的空气污染物的排放贡献率 单位 机动车排放主要污染物 主要为 CO NOx HC和颗粒物 以及少量的铅 硫 磷 汽油机 CO NOx和HC柴油机 NOx和颗粒物 黑烟 汽油机与柴油机排放量的对比 第二污染物的形成机理 1 一氧化碳的形成 CO CO是燃料中碳氢不完全燃烧的产物 决定CO排放的主要因素是空燃比 空气和燃料的混合程度 内壁的淬熄效应等 过剩空气系数 1时缺氧使C不能完全氧化成CO2 CO作为中间产物生成 1时理论上不应有CO产生 但由于混合不均匀造成局部燃烧不完全产生CO CO2和H2O高温吸热发生热裂解反应生成CO 2 HC化合物的形成 汽车排放的HC约有100 200种成分 包括芳香烃 烯烃 烷烃 和醛类 它们来在未燃的燃油和润滑油 不完全燃烧 1和混合不均匀 壁面油膜和积碳的吸附 这些油膜和积碳会吸附未然混合气和燃料蒸气 而在膨胀和排气过程时压力降低 部分HC脱附进入燃烧产物中 壁面淬熄效应 淬熄效应是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却 使活化分子的能量被吸收 燃烧链反应中断 在壁面形成厚约0 1 0 2mm左右的不燃烧或不完全燃烧的淬熄层 特别是启动和怠速时 燃烧室壁温较低 形成很厚的淬熄层 壁面淬熄效应产生的HC可占排气管排放HC的30 50 另外 燃烧室中各种狭窄的缝隙淬熄效应十分强烈 火焰无法传入其中燃烧 而在膨胀和排气过程中 缸内压力下降 缝隙中的未然混合气返回气缸 并随排气一起排出 3 NOx生成机理 燃料中的含氮化合物在燃烧过程中氧化生成NOx 即含氮化合物 O2 NOx 燃烧过程中空气中的N2在高温 2100 条件下氧化生成NOx 机理为链反应机制 O2 O O 极快 O N2 NO O 极快 N O2 NO O 极快 2NO O2 2NO2 慢 各种染料的含氮率 4 颗粒物及碳烟的生成机理 颗粒物的成分 直径大约在0 1 10 m范围内 柴油机微粒有三部分组成 干碳烟 可溶性有机物SOF和硫酸盐 生成机理碳烟是烃类燃料在高温缺氧条件下裂解而形成的 当燃油喷射到高温的空气中时 轻质烃很快汽化 而重质烃会以液态暂时存在 这些小的重质烃液滴在高温缺氧条件下 直接脱氢碳化 成为焦炭状的液相析出型碳粒 粒度一般比较大 而气化了的轻质烃 经过一系列复杂途径 产生气相析出型碳粒 粒度相对较小 重馏分的未燃烃 硫酸盐以及水分等在炭粒上吸附在碳粒上 形成颗粒物排放 第三机动车尾气净化技术 所谓汽车尾气净化就是采取种种有效措施 减少污染物的排放或使排放废气中CO HC NOx等污染物 分别被氧化或还原 生成无毒的CO2 H2O和N2 为了减少汽车尾气排放 采取的途径主要有两种 一是在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术 即机内净化 与尾气净化技术 即机外净化 二是利用绿色环保燃料来减少汽车尾气中有害物的排放 机外净化技术 三效催化技术 三效催化剂闭环控制系统是目前世界上最常用的排气净化系统 在这个系统中 汽油机排气中的三种主要污染物CO HC NQx能同时被高效率地净化 三效催化转化器主要有载体 涂层 活性物 衬垫和壳体等组成 载体多为堇青石蜂窝状陶瓷载体 主要活性材料是贵金属铂 Pt 和铑 Rh 三效催化转化器的工作过程分析 三效催化转化器的主要化学反应如下 1 CO和HC的氧化反应2 的还原反应 其他反应 从以上化学应式可以看出 在催化反应过程中 废气中的C HC将NO还原成 等 CO HC被氧化成C 和 O等 但是当 浓度较低时 即富油燃烧a1 还原反应不能充分进行 因为氧气的氧化性较NO要强 先与作为还原剂的 HC反应 使得NO的转化率大大降低 因此 三效催化转化器对空燃比有一定的要求 只能在发动机非常接近于理论空燃比的狭窗范围内工作时才具有较高的净化效率 通常采用以 传感器为中心的空燃比反馈系统来精确控制发动机空燃比 三效催化转化器应用中的问题 1 冷启动性能差 因为在发动机冷启动阶段时的催化剂还未达到激活温度 因而不能有效净化尾气 2 转化效果受过量空气系数影响大 催化剂只有在很窄的窗口运行时才能够同时有效催化净化尾气 混合气过稀或过浓都不利于尾气的净化 低温等离子体技术 等离子体等离子体又叫做电浆 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质 它广泛存在于宇宙中 常被视为是除去固 液 气外 物质存在的第四态 是电子 离子 原子 分子 自由基等粒子组成的集合体 等离子体分为高温等离子体和低温等离子体 高温等离子体只有在温度足够高时发生的 低温等离子体是在常温下发生的等离子体 虽然电子的温度很高 其中低温等离子体主要是由气体放电产生的 放电气体的电子温度一般要高达数万开氏度 低温等离子体的高速电子通过碰撞作用将其在电场中获得的能量传递给周围的原子或分子 使其激发离解或产生活性基团 介质阻挡放电 也称为无声放电 1 复合高压电极 2 低温等离子放电气相区 3 石英介质 4 低压电极 5 进气口 6 排气口 7 催化腔 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 该低温等离子体发生器由复合高压电极 低温等离子放电气相区 石英介质 低压电极 进气口 排气口和催化腔组成 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 采用管状金属棒作为低压电极 由进气口进入低温等离子体发生器内的气体经过低温等离子放电气相区后可以从这些管子里排出 排气口上设置有安放催化剂的催化腔 该种结构在放电过程中会产生大量活性自由基团与柴油机有害排气进行化学反应 增强了去除柴油机有害气体排放的效果 低温等离子体处理废气机理 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 这些物质在排气中的基本反应过程如下 PM的氧化反应 C O CO2C OH CO2 H2OC HO2 CO2 H2OC O3 CO2NO的氧化反应 NO O NO2NO OH NO2 H2ONO HO2 CO2 OHNO O3 NO2HC的氧化反应 HC O CO2 H2OHC OH CO2 H2OHC HO2 CO2 H2OHC O3 CO2 H2O由以上反应过程可知 等离子体可以利用放电产生的自由基等强氧化物质氧化PM与碳氢化合物 而对于NOx 可以把其主要成分NO氧化为NO2 然后将NO2还原成对环境无污染的N2 微粒捕集器技术 DPF工作原理简图 柴油机排放的含有大量碳烟微粒的污染物通过排气管道进入DPF 捕集器内部为蜂窝状结构 其两端一边是敞开 一边是堵塞的通道壁 废气从敞开的一端进入 穿越多孔的蜂窝壁 然后从相邻的通道排出 大部分微粒由于体积过大而无法穿越壁孔 因而被吸附在通道壁上而不会排放到空气中 微粒捕集器的再生 当微粒在捕集器中堆积过多时 会使柴油机排气背压升高 导致柴油机性能恶化 因此 必须定期清除沉积在过滤材料上的微粒 即捕集器的再生 目前在柴油中加入添加剂使捕集器再生是研究的热点 添加剂一般为可溶性的金属或金属盐等 燃烧后的金属氧化物对微粒的燃烧起着催化和氧化作用 同时能够降低微粒的起燃温度 从而在较低的排气温度下不需外部能源 过滤体能自行再生 这种以燃油作为传递媒体的催化再生剂称为燃油催化剂 四展望 1 非贵金属三效催化技术的开发 降低贵金属用量 以降低催化剂的成本 2 将不同的净化过程有机结合起来 如等离子体 微波催化 三效催化净化 低温等离子体有效结合 3 采用廉价易得 活性高 寿命长 成本低的催化剂 并尽可能的应用纳米技术 将提高汽车尾气污染控制的综合水平 谢谢