柴油车颗粒物与NOX生成机理及净化技术

孟 雄

(重庆交通大学 重庆 400074)



柴油车颗粒物与NOX生成机理及净化技术

孟 雄

(重庆交通大学 重庆 400074)

柴油车降低排放的主要目标是颗粒物和NOX，而柴油车颗粒物与NOx排放之间存在Trade-off关系，所以要想将尾气中颗粒物的排放控制很低的同时，将NOx的排放也控制的很好是一件相对困难的事情。本文在分析柴油车尾气中颗粒物与NOx的生成机理的基础上，研究了两者之间的Trade-off关系，并对柴油车颗粒物与NOx的净化技术进行探讨。

柴油车；颗粒物；NOx；生成机理；净化技术

柴油车有更高的热效率值和更加强劲的动力性，因而被广泛运用到商用车领域，与此同时也给环境带来了污染问题，其尾气中所含有的NOX不仅对人类的身体有直接危害,而且在大气中生成硝酸，形成酸雨、也是光化学烟雾的主要成分。尾气中的颗粒物对人体有危害，例如对呼吸系统有危害，引发哮喘病、具有不同程度致癌作用等。因此减少柴油车尾气中PM与NOX的排放、降低对坏境和对人体的危害具有十分重要的意义。

一、颗粒物与NOx的生成机理

柴油车颗粒物颗粒物的主要成分是碳、有机物质和硫酸盐。它的主要通过燃油或润滑油首先经过裂解、脱氢、碳化，然后聚合、吸附，最终形成颗粒物。它的生成条件是高温缺氧。按是否可溶分类，它可分为可溶性有机物(SOF)和非可溶性性有机物(NSOF)。SOF主要是燃料和窜入气缸中的润滑油不完全燃烧剩余的重馏分THC，NSOF得主要成分是碳烟，占NSDF的50%左右。按照颗粒物直径分类，可分为可吸入颗粒物PM10(直径小于100微米)和细颗粒物PM2.5(直径小于2.5微米)。图1表示典型柴油机PM排放的粒径分布。

柴油车NOX的主要成分是NO，另外有少量的NO2，NO的生成途径有三种，即热力型(主要来源)、快速型和燃料型。热力型生成机理：在高温条件下，氧分子O2裂解成氧原子O，再通过一系列的化学反应生成NO,同时该反应需要在的偏稀混合气体中进行；快速型生成机理：首先由碳氢化合物在燃烧中裂解出CH和CH2与N2，再与N2反应生成HCN、NH和N等中间产物。HCN和NH经过进一步反应生成NO。燃料型生成机理：燃料中的氮化合物在高温条件下首先生成HCN、CN、NH2和NH等中间产物，然后通过与激发NO相似的途径生成NO。图2表示NOx生成量与温度的关系。

图1 柴油机PM排放的粒径分布

图2 NOx生成量与温度的关系

二、颗粒物与NOx的Trade-off关系

柴油车尾气中颗粒物的生成条件是空燃比小于0.6、温度1500K，在1600k-1700k之间达到最大值，即高温缺氧的环境中。而NOx在温度大于1600k时大量生成，在空燃比等于1.1时到到峰值，即高温富养的环境中。所以在对二者进行控制时，存在着权衡关系。

三、PM及NOx的处理技术

柴油机的氧化催化剂(DOC)：柴油机氧化催化技术是指用Pt或Pd做活性成分。显著降低PM中的SOF，使得PM的质量降低。氧化催化技术能够使得PM总去除率达到25%-50%，而且净化效率可以达到30%-80%[1],并降低柴油机尾气的臭味，但温度控制不当，易使催化剂中毒，导致催化能力下降，尾气颗粒物排放量增加[2]。所以DOC一般适用于硫含量较低的柴油。

微粒捕集器：微粒捕集器也被称为柴油机微粒过滤(DPF)，通过物理方法对尾气中的微粒进行捕集，其评价指标主要有过滤效率，流通阻力，使用寿命，DPF体积，其过滤材料有陶瓷蜂窝载体(堇青石，Mg2Al4Si5O18)，陶瓷纤维编织物(如Al2O3-B2O3-SiO2)和金属纤维编织物(如Cr-Ni不锈钢)，此外，近些年来还出现一些新的滤芯材料，如碳化纤维和沸石等，过滤材料和再生技术是PM排放控制的关键。

NOx的处理技术：根据生成NOx的条件是高温，富氧和反应时间，除了机内净化中所采取的种种措施，NOx的后处理方法主要有直接催化分解，选择性非催化还原(SNCR),选择性催化还原(SCR)，吸附催化还原系统(LNT)以及等离子技术等[3]。目前业界广泛研究的方案是SCR选择性催化还原，这种方案是使用氨水，尿素溶液等作为还原剂，与NOx在催化剂作用下进行催化还原反应，NOx被还原为氨气和水。

四、结论

柴油车的尾气净化技术的发展重点是围绕控制PM和NOx的含量，控制PM一般将DOC和POC联合应用，以及研究开发更加高效率和再生性好的DPF。而针对NOx的控制，主要是在SCR催化剂体系的上的研究。总之随着人们环保意识的不断提高和各国针对柴油车尾气排放标准的日趋严格，经过各界研究者的不断努力，必然能使柴油车的尾气排放得到有效的控制。

[1]高新文，王忠俊.DOC+POC在直列泵柴油机上的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.5.

[2]黄志勇.柴油机尾气净化处理的研究进展[J].广东化工，2011,38(8):86-87.

[3]王建，郭军武.船用柴油机尾气中NOx和PM的综合处理技术研究[J].内燃机与动力装置，2014,31(3)：48-50.

孟雄(1992-)，男，硕士研究生，重庆交通大学，研究方向：交通运输工程。