汽车排放问题的治理.doc

汽车尾气的危害与净化处理策略摘要：汽车尾气却是大气的主要污染源。我国城市大气污染中,汽车尾气排放所占比例已超过70%,因此,加强汽车排放治理刻不容缓。我国汽车石油消耗量约占全国石油消费的1/3以上,而且随着汽车保有量的增加,我国汽车污染物排放总量也日趋上升,汽车排放造成的大气污染严重影响了人们的生活和身心健康。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。关键词：汽车尾气；净化处理；技术正文：随着经济的高速发展，21世纪的今天，汽车是人类不可缺少的交通工具，其汽车保有量的增长速度也是如此之快。2011年8月16日，世界著名的美国汽车行业杂志Wardsauto公布，目前全球处于使用状态的各种汽车总保有量已突破10亿辆。根据Wardsauto的分析，自1970年以来，全球汽车数量几乎每隔15年翻一番。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统计的数据显示，去年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，其中在美国这个比例是1:1.3，在中国，比例为1:17.2。据WardsA公布的数据，去年新增汽车3600万辆，比前年增长3.6%，是10年来增长最快的一年。由于燃料不完全燃烧，汽车排放废气中含有大量的CO、CH、NOx和SO2等污染物。汽车尾气不仅给生态环境造成了严重的破坏，也给人类自身带来不可估量的危害。为例降低汽车尾气的不利影响，世界各国对尾气中氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳等有害气体的排放限制日趋严格。我国在2008年7月1日强制实施欧3排放标准，它要求HC（%）0.46CO(%)1.5Nox(%)3.5微粒(%)0.02现在欧美香港等发达地区已实施欧4排放标准。为了消除汽车尾气的危害，达到日益严格的排放标准，国内外科技工作者对汽车尾气治理进行了大量的研究。一汽车尾气的有害成份与危害1、一氧化碳(CO) 一氧化碳(CO)主要是燃料燃烧不完全的产物。一氧化碳(CO)是一种无色、无味但有剧烈毒性的气体。它不易与其他物质发生反应而成为大气中比较稳定的组成部分,能停留23年。当人们吸入过多的CO后,CO可与血液中的血红蛋白有较强的亲和力，会妨碍血红蛋白的输送氧气的能力。当空气中的一氧化碳浓度超过一定时量，人就会出现头痛、呕吐等中毒症状，浓度再大时，甚至可致人死亡。一氧化碳(CO)是汽车发动机排出有害成分中浓度最大的气体；它引起的公害称为汽车尾气排放的第一大公害。2、碳氢化合物(HC) HC的产生仍是燃烧过程不完全造成的。HC是一种混合物，成分非常复杂。当HC浓度较高时，会使人出现头晕、恶心等中毒症状。特别是HC化合物中的烯在大气上空,和二氧化氮(NO2)混合在一起，经强烈的日光照射后，起光化学反应产生高浓度臭氧、醛等烟雾状物质,对眼睛、呼吸器官(喉、眼、鼻等黏膜)及皮肤有强烈的刺激性，可能致癌。而且，它还使生态环境遭到破坏,严重影响农作物的生长,使农业减产,因此碳氢化合物(HC)它成为汽车尾气排放的第二公害。3、氮氧化合物(NOx) NOx是NO和NO2的总称,它是发动机在大负荷工作时，高温高压燃气中少量氮被氧化成NO、NO2等氮氧化物。其中NO与血液中的血红蛋白的结合能力比CO还强,容易使人们中毒而死亡。NO2是一种褐色有强烈毒性的的气体，刺激人的眼睛和呼吸道引起喘息、支气管炎及肺气肿等，同时NOx也是光化学烟雾的组成成分,成为汽车尾气排放的第三公害。 除上述三种主要污染物外，汽车尾气污染还有SO2、游离碳(黑烟)、四乙铅、臭味等物质，它们对人体呼吸系统、循环系统、神经系统都非常有害。二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采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量。用“植物柴油”, 按照比例掺入到普通柴油中, 可供柴油汽车之用。它可大大减少发动机工作时排放的硫化物、碳氢化合物、一氧化碳和烟尘。据美国的俄亥俄州某研究所用豆油与甲醇、烧碱混合，然后去除其中的甘油，从而可获得“大豆些油”。用“大豆柴油”，以的比例掺入到普通柴油中，可供柴油汽车之用。它可大大减少发动机工作时排放的硫化物、碳氢化合物、一氧化碳和烟尘。故誉作绿色染料。1.3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。1.4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。1.5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19 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。1.6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汽车发动机内部的调试（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。2.3使用车用选择性催化还原排气后处理系统2.3.1、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。2.4使用高压脉冲电晕放电技术净化汽车尾气。2.4.1、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。2.4.2、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。2.4.3、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。三催化剂在减少尾气上的应用3.1 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。3.2 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。3.3 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催化转换器中NOX被还原;在第一个催化剂后加入更多氧气,这样充足的氧气进入第二个催化转换器,在这里CO和CH被氧化处理。双反应床转化器远不是理想处理手段,因为低的空燃比大大影响了燃料的利用率,并且限制了发动机的使用范围。而且在低的空燃比造成的还原环境下可能是把NOX转换为NH3 ,而不是所期望的N2。这样在后续的氧化环境中,NH3又被转化为NOX ,降低了尾气处理能力。研究发现,将空燃比控制在合适的范围内,三种污染物都可以在一个催化反应器中有效地去除。这就需要电子控制系统对发动机中的气体反应环境进行实时控制。这项技术的基本思路是采用一种氧气含量传感器,传感器探测还原环境或者氧化环境并将信号传递给发动机电子控制系统。控制系统将信号反馈到燃料注射系统,从而决定加料的程度,这样可以将空燃比控制在合适的范围。此外,通过引入储氧材料也可以削弱空燃比在最佳点附近的摆动。最近的进展是在催化剂之后添加第二个氧含量探测器,下游的探测器对热老化和污染物不敏感,而且传感比上游探测器更加平衡的气体组成。这种情况下,即使是在汽车突然加速或减速时也可保持合适的空燃比。化学反应和电子控制设备的结合使用是一个很有前途的发展领域。随着机载计算机技术的发展,将会采用更加合适的空燃比以降低污染物的数量。3.4 冷启动后短时间内催化剂效率提升汽车尾气催化剂应用过程中的另外一个事实是:决定催化剂处理效果的关键是对冷启动后的很短时间内尾气处理的效果的好坏。早期人们开发了一些措施来改进对尾气、尤其是CH的利用。通过采用不锈钢来代替传统的管材料可以减少尾气热量的散失。尽管这样可以使催化剂很快达到最佳催化温度,但这也意味着催化剂必须承受更高的温度。现在广泛采用的减少冷启动期间尾气排放的措施是减缓汽车发动机的运作,这样可以使尾气带来更多的热量。例如,可以通过推迟点火时间来达到这样的效果:推迟了燃烧,并且可以使尾气得到更充分的处理