汽车尾气处理方案

汽车尾气危害及处理方案【摘要】汽车作为现代化交通工具,在给人们的生产与生活带来方便的同时,它排放的尾气,给大气环境造成了严重污染,因此,我们必须加强和提高对保护环境的意识。根据尾气污染物的形成机理,提出研究净化废气中的主要有害成分CO、CH、NOx和SO2的方法。氧化还原催化剂是核心技术;以增氧,增加催化反应速度,增长催化反应时间,保证合适催化温度,采用合理结构等净化技术系统研究是技术研究的方向。【关键词】汽车尾气处理污染净化【正文】汽车作为现代化交通工具,在给人们的生产与生活带来方便的同时,它排放的尾气,给大气环境造成了严重污染。多项研究表明:城市机动车尾气污染已上升为主要的大气污染,而过去以二氧化硫为主煤烟型污染转变为以一氧化碳、氮氧化物为主的机动车尾气污染和二氧化硫为主的煤烟型污染并重的格局。在大城市,汽车排放中CO占63%,NOx占22%,CH（碳氢化合物）占73%。在发达国家,如美国大气污染物排放中CO的66%,NOx的43%,CH的31%、微粒的20%均属于汽车排放。汽车对大气的污染已成为城市大气污染的主要污染源。因此,必须采取有效措施,减少或者消除汽车尾气的污染及危害,这是本文与大家共同研究与探讨的一个重要课题。一、汽车尾气的有害成份与危害汽车排放的尾气,除燃烧产物CO2、水蒸气为无害成分外,其余均为有害成分。汽车发动机排放的尾气中的一部分毒性物质,是由于燃料不完全燃烧或燃气温度较低而导致的，如CO、CH和碳烟；另一部分有毒物质,是由于燃烧室内的高温、高压环境而产生的氮氧化合物NOx(NOx是NO和NO2的总称)；此外还有燃料及添加剂本身燃烧所产生的S02和铅化合物等物质。这些物质中，CO可与人体血液中的血红素结合,阻碍血液吸收氧气和输送氧气而中毒死亡，被称为汽车尾气第一排气公害。NOx是NO及NO2的总称,其中NO与血液中的血红素的结合能力比CO还强,容易使人们中毒而死亡，还能与O2反应产生NO2。而NO2是一种褐色有毒气体,有特殊刺激臭味,损害人的眼睛和肺部,是汽车尾气排放的第二公害。CH化合物在太阳光紫外线作用下,会与NO起光化反应生成臭氧、醛等烟雾状物质,刺激人们的喉、眼、鼻等粘膜。它还严重影响农作物的生长,迫使农业减产,同时还具有致癌作用,它是汽车尾气排放的第三公害。S02是产生酸雨的主要原因，铅化合物是导致土壤重金属污染的直接原因，而碳烟能粘附SO2等有毒物质,对人体呼吸道极为有害。一、汽车尾气的净化处理技术1.改变汽车使用的能源。1.1、选用恰当的润滑添加剂———机械摩擦改进剂。在机油中添加一定量（比例为3%~5%）石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯粉末等固体添加剂，加入到引擎的机油箱中，可节约发动机燃油5%左右。此外，采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善，汽缸压力增加，燃烧完全。尾气排放中，CO和碳氢含量随之下降，可减轻对大气环境的污染。1.2、使用无铅汽油，严禁使用有铅汽油。为了能够有效地提高汽车燃油的抗爆性，一般加入四乙基铅。它具有很高的挥发性，甚至在0摄氏度时就开始挥发，而挥发出的铅粉末，以蒸气及烟的形态存在于空气中，或以固体铅的形式存在于土壤中，最终通过食物链到达人体，影响人体的健康，侵蚀造血系统、神经系统以及肾脏等。实验证明，甲醛树丁醚同样具有良好的抗爆性，汽油中用甲醛树丁醚作渗合剂，不仅不含铅，还能降低汽车尾气排出的一氧化碳、氮氧化合物、碳氢化合物含量。1.3、掺入添加剂，改变燃料成分。向汽油中掺入15%以下的甲醇或乙醇燃料，能在一定程度上减少或者消除CO、NOx、CH的污染效果，提高燃料的利用率。若采用“甲醇燃料”，当醇类的比重占30%~40%时，汽车尾气排出的污染物可基本上消除。采用含10%水份的水—汽油燃料亦有一定的效果。将汽车燃料改为天然气，也能够有效降低尾气中污染物的比重。目前世界各国在天然气作燃料方面技术比较成熟，我国也有大量使用天然气的汽车。1.4、采用生物燃料等可再生能源。有关专家指出，开发乙醇代替汽油，既节约能源，又可消化陈粮，使汽车排出的有害气体减少，是一项有利于保护环境和资源的新课题。如果按照1∶9的乙醇汽油配比，用20万吨乙醇，可配出约200万吨的乙醇汽油，200万吨的乙醇只消耗粮食70万吨。因此，发展、开发使用专用乙醇汽油既可缓解汽车尾气污染问题，又可缓解原油供应的紧张状况。随着太阳能电池的改进，太阳能转化效率不断提高，使用太阳能作动力已经成为现实。事实上，美国和欧洲都以开发出自己的太阳能汽车，相信太阳能作为动力将是今后研究的热门之一。1.5、使用电能作为动力，研制电动汽车。电能是清洁能源，汽车使用电能作为能源的瓶颈技术已经解决，蓄电池技术的发展将电动汽车的研制推向了高潮。目前已经有不少的电动汽车投入使用，它不产生任何尾气，完全解决了汽车因尾气产生的污染。电动汽车是未来汽车技术研发的主题。2.改变汽车燃烧系统结构。2.1、优化发动机内部系统设置，降低尾气污染物含量。（1）减少喷油提前角。减少喷油提前角，可降低发动机工作的最高温（1500摄氏度），使NOx的生成量减少。（2）改善喷油器的质量，控制燃烧条件（燃比、燃烧温度、燃烧时间），可使燃料燃烧完全，从而可减少CO、CH的煤烟。（3）调整喷油器的质量，可降低发动机的功率，使雾化的燃料有足够的氧气进行完全燃烧，从而也可以减少CO、CH和煤烟的生成。2.2、设计循环系统，进行尾气再利用。(1)正曲轴箱通气系统的设计:把从汽缸窜入曲轴箱的气体(主要是未燃体)再循环进入进气歧管,使其再次燃烧,改变了过去将其直接排入大气所造成的污染。(2)排气再循环设计:发动机排气口用控制阀与进气歧管相连接,使排出的气体经过再次循环,以降低氮氧化物的排放量。(3)蒸发排放控制系统的设计:将化油器浮子室中的汽油蒸发汽引入进气系统,而将油箱中的蒸发汽引入储存系统,可大大减少污染物的排放。3.使用车用选择性催化还原排气后处理系统3.1、车用选择性催化还原排气后处理系统工作原理车用选择性催化还原排气后处理(SCR)是通过尿素反应产生的氨再与汽车尾气进行反应的一种技术，是被认证为满足欧Ⅳ法规的综合排放控制系统。是一项控制柴油发动机排气中NOx的技术。系统使用尿素与水混合成32.5%的溶液。这种溶液公认的工业商品名称是AdBlue。其成分在DIN标准No.70070中有规定。固体或水溶液中的尿素（AdBlue）被分类为非危险品。AdBlue是一种透明液体，有淡淡的氨水气味。如果溅出，水分蒸发，形成结晶。该系统结构图如下，AdBlue存储在一个安装在底盘上的尿素罐中。尿素罐向安装在底盘上的定量给料单元(DU)供应溶液。DU由发动机控制模块(ECM)控制。DU使用来自车辆系统的压缩空气来产生AdBlue喷雾，通过非常精确的计量和泵送系统输送到发动机排气系统内的喷嘴处。喷入排气中的AdBlue数量由ECM控制，在任意转速和负载状况下都能与发动机的NOx输出相匹配。当与高温排气接触时，水迅速蒸发，尿素变成氨。氨与NOx在催化器内反应，这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的N2和H2O。该系统中能够有效地减少汽车尾气中的含量，降低由于NOx所引起的污染。但是SCR系统存在不少的不足之处，导致其普及率不高。（1）SCR系统安装复杂，设备成本较高，而且必须在汽车出厂前进行安装；（2）SCR系统需要消耗由尿素配成的AdBlue溶液，使得汽车使用成本大大上升，尿素的生产消耗也会引起二级污染；（3）SCR系统对于汽车尾气中的CO、CH、微粒等污染物没有效果，必须加装其它净化设备；（4）SCR系统对汽车智能要求较高，容易引起发动机无法点火。4.使用高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气。4.1、高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气的理论依据。高压脉冲电晕放电技术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。通常认为，高压脉冲放电是由高压电场中电子雪崩产生的流柱在电场中的运动现象，流柱理论是被广泛接受的一种理论。该理论认为，在流柱头部包含大量由电场加速的高能电子，它们碰撞气体分子而使得气体分子化学键断裂，从而达到减少反应气体中有害成分的目的。高频率的脉冲电压能够在不发生火花和弧光放电的前提下，达到更高的脉冲峰值电压，同时，在时间上产生更多的流柱，从而提供更多的高能电子。这些高能量的电子高速碰撞气体分子，打开气体分子的化学键，产生大量的活性粒子，使气体中的气体成分发生改变。4.2、高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气的技术实现。在汽车尾气排放管后加装一个正电晕裂变反应器，就能将高压脉冲电晕放电技术用于尾气处理。所谓“正电晕裂变”是指电晕净化器中的尾气分子突然得到“爆炸式”的巨大能量时成为活化分子，发生频繁碰撞，在纳秒级的有效碰撞瞬间，将动能转化为分子内部势能，使其化学键破坏，将CO、HC、NOX和SO2等分解成单质固体微粒子S、C和单原子气体分子O2、N2以及H2O的电离过程。汽车尾气电晕净化器安装位置如图1所示。4.3、净化汽车尾气的技术难点正电晕裂变需要的超高压窄脉冲激活。所谓“超高压窄脉冲”是指脉冲幅值为几百千伏，半幅值脉宽为几百纳秒，频率为几百赫的脉冲。它由于脉冲陡并且峰值很高，能使净化器空间电场强度发生突然的巨大变化，从而使汽车尾气分子突然获得裂变的巨大能量，在纳秒间成为活化分子。目前为了产生超高压窄脉冲，广泛使用的手段有两种：一是在直流电压上叠加脉冲；二是用特殊造型的脉冲变压器及其关联装置直接生成脉冲。不管使用那种手段，都必须保证脉冲本身内耗应足够小，同时保证使脉冲电压峰值尽量高，以降低能耗。尽管如此，正电晕裂变仍然需要消耗大量的电能，并且现有的的超高压窄脉冲发生器发生器体积较大。高压脉冲电晕放电技术在汽车上的应用仍然需要进一步的研究，但是该技术在长、大隧道空气净化方面拥有经济有效的应用前景。5.汽车催化剂技术在减少汽车尾气上的应用。5.1、早期发展。人们很早就知道,一些材料,尤其是贵金属元素或某种非贵金属化合物,在温度足够高的气流和多余的氧气存在的条件下,可以产生适当的活性。于是有人考虑把这种性质应用于汽车发动机下游的催化剂,将不完全燃烧的CH、CO等氧化。由于对催化剂的毒性,铅被从汽车燃料中脱除出来。为了消除由于铅的脱除带来的不良影响,采用了改进的内燃机工艺,汽车燃料的辛烷值也没有因此减小。具有适当活性,可用于催化剂的金属太少,仅限于贵金属元素,金属冶炼代价很大。后来的废汽车上的催化转化器循环利用技术又使这一问题得以解决。压缩环境、高气流率和低反作用压力的综合因素使汽车催化剂采用整体式,这和许多工业和石化废气催化剂的集成结构有很大不同。整体结构是多孔的陶瓷晶体,这些小孔的壁上有比表面很大的涂层,涂层中分布着贵金属固体颗粒,废气从小孔中通过。目前,整体式催化剂广泛应用于汽车尾气催化剂,而且,这种技术已经应用于处理工业废气的工业催化剂。5.2、催化剂用贵金属的选择。选择用贵金属作为汽车尾气催化剂的原因主要有:(1)由于催化剂容量很小,而废气的流量很大,这需要催化剂能在很短时间将污染物转化,只有贵金属能有如此高的活性;(2)只有贵金属对废气中残留的硫氧化物有足够的抗毒性;(3)贵金属最不易在高温下与Al,Ce,Zr等反应而失活。因此,最初的催化剂采用Pt和Rh的不同比例混合;后来,Pd被应用于三效催化剂中用于增强催化剂对氮氧化物的还原作用。现在,三效催化剂中各金属的使用配比如Pt/Rh,Pt/Pd/Rh和Pd/Rh贵金属催化剂都有商业上的价值。5.3、现代催化技术——化学反应和电子控制设备的结合。80年代初期,美国出台了NOX排放标准,对汽车尾气的排放做了更加严格的限制,这就要求有一种除了能够处理CO和CH之外还能处理NOX的新型催化剂。随着三效催化剂的发展,化学反应和电子控制设备越来越受到重视。CO和CH的处理是在氧化条件下进行,而NOX的处理则是在富余燃料的还原条件下进行的。一开始,这个矛盾是通过采用双反应床转化器来解决的。首先在还原条件下的第一个