汽车尾气排放检测与催化转化教学实验建设

吴农乐

【摘要】  我国近几年来很多地区都开始出现雾霾现象，空气中可吸入颗粒物含量严重超标，空气污染问题已经十分严重，研究表明，有一半的空气污染源来自汽车尾气。因此，人们开始重视汽车尾气排放的检测与催化转化，在高校中设置了大气污染控制工程的课程，并在教学过程中进行检测和转化实验，以培养专业的人才。本文主要研究有关汽车尾气排放检测与催化转化教学实验的建设。

【关键词】  汽车尾气 排放检测 催化转化 教学实验建设

【中图分类号】  G712                 【文献标识码】  A   【文章编号】  1992-7711（2019）13-176-01

随着人们生活质量的逐渐提高，越来越多人选择购买私家车，不但使道路更加拥堵，而且由于排放的汽车尾气中含有大量的氮氧化合物，还造成了空气质量严重恶化。因而国家开始重点培养大气污染控制工程方面的人才，通过学习先进的烟气脱硝技术，对汽车尾气进行催化转化实验，培养学生动手操作能力以及创新精神，培养出高素质的治理大气污染的人才。

一、实验设计与技术原理

（一）实验设计思路

我国目前高校开设的大气实验课程还不够成熟，实验内容枯燥单一，加之投入的实验经费有限，导致实验设备老化现象严重，并不能满足教学的需求。结合高校的实验教学现状以及我国目前大气污染的治理情况，设计出一种“汽车尾气排放检测与催化转化实验系统”，将学生所学的大气污染控制的理论知识，应用到实验当中去，基于该系统进行新的实验项目，激发学生对科学研究的兴趣，培养高素质的环境科学人才。

（二）实验技术原理

“汽车尾气排放检测与催化转化教学实验系统”如图1所示，主要包括五部分分支系统：催化剂制备系统、温控及催化反应系统、尾气排放检测系统、配气系统、反应检测系统。在汽车排放控制实验中，汽车尾气排放检测是其中的关键环节。当汽车的发动机处于空挡运转时，节气门开度很小，进入气缸的可燃混合气较少，同时受到气缸内残存废气的稀释，使得混合气的燃烧不充分。这时汽车排放的尾气中一氧化碳和碳氢化合物的含量较高，氮氧化合物的含量较少。虽然怠速法测量汽车尾气排放不能将实际的行车工况全部反映出来，但是由于在怠速工况下，汽车的发动机处于无负荷运转，尾气排放检测方式相对简单，所以普遍应用在各国的尾气排放检测当中。

“汽车尾气排放检测与催化转化教学实验系统”在实验过程中采用尾气分析仪检测汽车处在不同怠速工况下的气体浓度，包括碳氢化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳以及氧气等，使汽车处在不同的工况下，检测气体浓度，记录尾气排放特征，分析出现这种情况的原因。记录尾气中不同气体浓度的变化，重点观察污染大气的气体浓度变化，进而确定催化转化实验中的配气比例以及气体的种类情况。

对于实验中检测到的污染大气的主要气体氮氧化合物，使用SCR（选择性催化还原法）进行实验，SCR技术是通过催化剂的催化作用，在尾气中喷入还原剂NH3，将汽车尾气中的氮氧化合物转化为水和惰性气体氮气。NH3具有一定的选择性，在适宜的温度条件下，能够不被尾气中的氧化物氧化，只与氮氧化合物反应，是一种高端的烟气脱硝技术。NH3-SCR的实验原理如图2所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

在“汽车尾气排放检测与催化转化教学实验系统”中涉及到的温度控制及反应系统、配气系统等都是通过专业的公司加工生产的，根据SCR的实验原理，通过比较最终选择氮氧化合物、氨、氧气、氮气作为进入配气系统的气体，经过催化转化反应之后，检测尾气中剩余的氮氧化合物浓度，进而计算转化的效率，分析影响催化转化的因素。

二、实验过程及结果

在進行汽车尾气排放检测与催化转化教学实验时，除了让学生动手进行规定的实验内容以外，教师还可以让学生自主设计实验。例如，检测不同怠速工况下，汽车尾气排放中所含的气体浓度，验证汽车尾气中的重要气体成分是哪一种，主要可以验证高怠速和怠速工况。通过实验表明，两种怠速工况下尾气排放中主要包含的都是氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氧气，并且高怠速下气缸内气体燃烧温度较高，一氧化碳含量较低，氮氧化合物含量较高;怠速工况下氮氧化合物含量较低，一氧化碳、碳氢化合物的含量较高。由此可以得出结论，氮氧化合物是汽车尾气排放中的重要气体成分，也是大气污染中的重要成分。

另外，例如在进行氮氧化合物转化的实验时，要注意气体的配气量，氮气是平衡气体，所以氮气的含量是最多的，保持在420ml/min，其次是氮氧化合物和氨的含量，保持在30ml/min，最后是氧气的含量，保持在20ml/min。实验过程中，将催化剂的温度从5度升到200度，然后开始检测氮氧化合物的浓度，当温度升高到450度停止，每隔2分钟读取一次氮氧化合物的浓度，并记录在实验报告中，同时记录此时的催化剂温度，30分钟后停止。

结束语

随着小轿车数量的逐渐增多，汽车尾气排放对空气的污染也越来越严重，国家逐渐重视保护大气环境，在高校开设了大气污染控制工程的课程，其中汽车尾气排放检测与催化转化的实验课程，有助于将复杂的科学研究转化为典型的教学案例，让学生学习到先进的控制大气污染的技术。同时还有利于学生更好的理解掌握汽车尾气排放的污染气体与不同工况的关系，激发学生对科学研究的热情，培养学生的动手操作能力和创造能力，进而培养出符合国家需要的高素质创新型科技人才。

[ 参  考  文  献 ]

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