（光学工程专业论文）高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气主要有害气体的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 空气污染，特别是由于汽车尾气中有害污染物的大量排放所带来的大气污染问 题，随着汽车保有量的不断增加而日趋严重。包括机内净化措施和机外净化措施的 各种净化方法都得到了广泛的研究。近年来，使用高压脉冲电晕治理各种有害气体 在国内外都得到了广泛的重视，本文提出的利用高压脉冲电晕放电对发动机尾气进 行处理和净化的方法为治理发动机尾气中的有害气体提供了一种新的思路和方法。 本文通过汤生放电理论和流柱理论研究了高压脉冲电晕等离子体放电的机理， 研究了高压脉冲电晕对发动机尾气中主要有害物，包括烟尘、c o 、n o x 、s 0 2 等的 脱除与净化的机理。通过实验，研究了高压脉冲电晕在脉冲电压，脉冲频率等实验 条件下，高压脉冲电晕除尘效率的变化规律，实验记录了高压脉冲电晕对发动机尾 气中主要有害气体的净化反应的实时的数据与曲线，通过对实验曲线和数据的分 析，研究了高压脉冲电晕放电对发动机尾气中主要有害气体的净化脱除规律，研究 了脉冲电压、脉冲频率以及风速和初始浓度等实验条件对净化效果的影响。对n o 在脉冲电晕场中的反应做了进一步的研究，研究了其主要产物n 0 2 随电压、频率、 风速等实验条件的生成规律；同时对c o 、s o ：以及碳氢化合物在实验中的转变现 象作了合理的解释。 通过对高压脉冲电晕净化发动机尾气的实验及对实验数据的分析，得到如下主 要的结论： 1 高压脉冲电晕除尘的效果理想，能够达到9 0 以上的除尘效率； 2 高压脉冲电晕能够对n o 产生净化处理效果，n o 的净化率受到脉冲电压， 脉冲频率，风速和初始浓度的影响，在我们的实验条件下其净化率能够达到5 0 左 右： 3 n o 在脉冲电晕场中反应的主要产物为n 0 2 ： 4 脉冲电晕能够发动机尾气中未燃烧完全的燃料进行处理，降低碳氢化合物 向大气的排放量，反应产生了一定量的c o 和s o ：，但其反应的规律还有待进一步 的研究。 关键词：脉冲电晕，发动机尾气，净化 重庆火学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t a i rp o l l u t i o np r o b l e m ，e s p e c i a l l yt h ea t m o s p h e r ep o l l u t i o np r o b l e mc o n t r i b u t e dt o t h em a s se m i s s i o n sf r o mt h ev e h i c l e s ，i sm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h ec o n t i n u a l l y i n c r e a s i n gi na u t o m o b i l e s n u m b e r a l m o s ta l lk i n d so f m e t h o d sa p p l i e di n s i d eo ro u t s i d e t h ee n g i n e ，a r eb e e nw i d e l yr e s e a r c h e d r e c e n ty e a r s ，t h em e t h o dt h a tu s eh i g hv o l t a g e p u l s ec o r o n at op u f f f yp o i s o n o u sg a si sw i d e l ya r a c h e di m p o r t a n c ea l lo v e rt h ew o r l d t h em e t h o dp u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o nt or e m o v i n ga n dp u r i f y i n gt h ee x h a u s tg a s f r o mt h ee n g i n eu s i n gt h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ap r o v i d eu san e wm e t h o dt ot h e p r o b l e m t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h em e c h a n i s mo f t h eh i g hv o l t a g e p u l s ec o r o n ap l a s m a d i s c h a r g et h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no ft h et o w n s e n dt h e o r ya n d t h es t r e a m e rt h e o r y , a n d t h em e c h a n i s mo ft h eh j i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ar e m o v i n ga n dp u f f f y i n gt h em a i n p o i s o n o u sc o m p o n e n t si ne x h a u s tg a s ，i n c l u d i n gs o o t ，c a r b o nm o n o x i d e ( c o ) ，n i t r o g e n o x i d e ( n o x ) ，s u l f i u - o x i d e ( s 0 2 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，t h ed i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e s t h ec o n v e r s i o nr u l e so ft h ec l e a n i n gd u s ti nt h ep u l s ec o r o n a ，w i t ht h ec h a n g i n go ft h e e x p e r i m e n tc o n d i t i o n si n c l u d i n g t h e p u l s e v o l t a g e a n dt h e p u l s ef r e q u e n c y t h e e x p e r i m e n t sr e c o r dt h er e a lt i m ed a t aa n dt h ec u r v e si nt h er e a c t i o n st op u f f f yt h em a i n p o i s o n o u sc o m p o n e n t si nt h ee x h a u s tg a su s i n gt h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n a a n d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed a t aa n dc u r v e s ，t h er u l e so ft h er e m o v i n ga n dp u f f 助n gt h e p o i s o n o u sc o m p o n e n t si nt h eg a su s i n gt h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n aa n dt h ee x p e r i m e n t c o n d i t i o n s i m p a c to np u r i f y i n ge f f i c i e n c y , i n c l u d i n gt h ep u l s ev o l t a g e ，p u l s ef r e q u e n c y , w i n ds p e e da n dt h ep r e l i m i n a r yc o n c e n t r a t i o n ，a r ei n v e s t i g a t e d t h ed e e p e rr e s e a r c ho n t h er e a c t i o no ft h en oi nt h ef i e l do fp u l s ec o r o n a , a n dt h em a i np r o d u c t i o nn 0 2 ， c r e a t i o nr u l e sa c c o r d i n gt oe x p e r i m e n tc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt h ev o l t a g e ，f r e q u e n c y , w i n d s p e e da n ds oo na r em a d e a tt h es a m et i m e ，t h ec o n v e r s i o np h e n o m e n ao ft h ec o ，s 0 2 ， a n dt h eh y d r o x i d ei nt h ee x p e r i m e n t sa r e l o 百c a l l yi n t e r p r e t e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to ft h eh i g hv o l t a g ep u l s e c o r o n ad i s c h a r g ep u r i f y i n g e x h a u s tg a sa n dt h ea n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n to u t c o m e s ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： 1 t h er e s u l to f t h er e m o v i n gs o o tu s i n gh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ad i s c h a r g ei si d e a l ， a n da b o v e9 0 r e m o v i n gr a t ec a nb eo b t m n e d 2 t h eh i g hv o l t a g ep u l s ec o r o n ad i s c h a r g ec a nb r i n gf o r t ht h ep u f f f y i n gr e s u l t so n n o t h ep u r i f y i n gr a t ei sa f f e c t e db yp u l s ev o l t a g e ，p u l s ef r e q u e n c nw i n ds p e e da n dt h e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p r e l i m i n a r yc o n c e n t r a t i o no ft h eg a s ，a n du n d e ro u re x p e r i m e n tc o n d i t i o n sa b o u t5 0 p u r i 断n gr a t ec a nb eo b t a i n e d 3 t h em a i no u t c o m eo f t h en 0i nt h ef i e l do f p u l s ec o r o n ai sn 0 ， 4 t h 。p m s ec o r o n ac a nd e a lw i t ht h ef u e l i nt h ee x h a u s tg a s w h i c hd o e sn o t c o m p l e t e l yc o m b u s t ，l o w e rt h ev e n t i n ga m o u n t so ft h eh y d r o x i d e ，a n dt h er e a c t i o n o u t c o m e ss o m ea m o u n t so fc oa n ds 0 2 ，b u tt h eh a l e so ft h er e a c t i o nn e e dt ob e r e s e a r c h e df u r t h e r k e y w o r d s ：p u l s ec o r o n a , e x h a u s tg a s ，p u r i f y i n g 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 发动机尾气中各种有害气体的危害 1 1 1 发动机尾气中有害气体的成分 发动机排放的尾气中的有害气体成分主要包括：一氧化碳、氮氧化物( 主要指 n o 、n 0 2 ) 、碳氢化合物、硫化物( s 0 2 ) 以及碳烟。汽油机和柴油机排污情况见表1 1 所示 1 】o 从该表可以看出对于汽油机，c o 、h c 、n o 是排放的主要污染物，而碳烟是 柴油机的主要污染物。因此对于不同的发动机应该采用侧重不同污染物的治理方 式，以达到合理而经济的治理效果。 表1 1汽油机和柴油机的排污浓度 t a b l e1 ，1c o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n t se m i t t e df r o mg a s o l i n ee n g i n ea n dd i e s e l e n g i n e 排污成分汽油机柴油机 c oo 5 2 5 0 2 h c2 0 0 0 5 0 0 0 p p m 1 0 0 0 p p m n o x 0 2 5 0 5 0 0 2 s 0 2 0 0 0 8 0 0 2 碳烟0 0 0 5 0 0 5 9 m 3 o 2 5 9 m 3 1 1 2 一氧化碳人体和环境的危害 c o 是无色、无味、无臭的易燃有毒气体，c o 与血色素( h b ) 之间的亲和力 重庆大学硕士学位论文1 绪论 相当于氧的2 5 0 倍，容易结合成c o h b ，使血色素的输氧能力降低，同时使人体组 织中氧的离解能力下降，造成组织缺氧。c o 浓度不高时，抑制人的思考，使人反 应迟钝，引起睡意；浓度很高时会出现头疼、昏沉的症状，甚至致死。暴露在高浓 度c o 中会加剧心绞痛，增加冠心病患者发生运动性心痛的可能性，还会影响胎儿 的正常发育。 c o 是城市中数量最多、分布最广的污染物。大城市的交叉道口和交通繁忙的 道路上，常常出现高含量的一氧化碳污染。虽然c o 被认为是最重要的人为污染物， 但事实表明，全球大气中一氧化碳的浓度并没有随c o 的排放量的增加而增加，说 明自然界中存在巨大的c o 天然源。因此我们应当对局部c o 浓度的超标加以更大 的重视。 1 1 - 3 氮氧化物对人体和环境的危害 n o x 主要导致酸雨和光化学烟雾污染，在水系中的沉降会造成富营养化；n o ： 可以引起胸部绷紧，降低肺功能，哮喘病人和儿童最容易受害：使人体呼吸道对室 内尘埃过敏，破坏其自然净化机能，可能增加滤过性毒菌感染的可能性，降低人体 抵抗力。 1 1 4 碳氢化合物对人体和环境的危害 碳氢化合物为气态时即是挥发性有机物( v o c s ) ，如多环芳香烃、苯、烯烃等， 他们能导致生成有害的光化学烟雾。苯已经被证明为致癌物物质。固态的碳氢化合 物则为颗粒物。 1 1 5 硫化物对人体和环境的危害 s 0 2 对人体健康有重要影响，它能刺激人的呼吸系统，尤以有肺部慢性病和心 脏病的人最易受害，使呼吸道疾病增多。 s o ：是形成酸雨的主要成分，严重污染河流、湖泊等水系，殃及野生动植物的 生存安全，破坏生态系统的自然酸碱平衡，并严重腐蚀建筑物。 2 重庆火学硕士学位论文1 绪论 1 1 6 悬浮颗粒物对人体和环境的危害 悬浮颗粒物是汽车污染中产生气味和可见脏污的主要原因，由于其直径很小， 可以通过呼吸沉积到肺部，加重呼吸系统的疾病。同时，空气中的微粒物对环境的 危害主要有：遮挡阳光，使气温降低或形成冷凝核心，使云雾和雨水增多，影响气 候；使可见度降低，航空和汽车交通事故增多；颗粒物与s o ：、s 0 3 等的共同作用 对呼吸系统的危害特别大，应加以重视。 1 2 发动机排气的净化 发动机排气的净化的现有的技术和措施可以归结为两类：机内净化措施和技术 与机外净化的措施和技术。机内净化一般是通过改善可燃混合气的品质和燃烧状 况，减少有害气体的产生；机外净化是使用设置在发动机外部的附加装置使排出的 废气得到处理或净化，然后再排入大气。 1 2 1 机内：争化措施 一、改善可燃混合气品质 对于采用化油器的汽油机，当其处于冷起动或者车外温度很低的条件下时，由 于燃油雾化蒸发不充分，因此供给的燃油量较大，导致燃烧不完全，使得c o 、h c 等有害气体的生成量增加。通常采用进气温度自动调节式空气滤清器，以保证在外 界气温变化很大的情况下，使进气温度大致保持在4 0 摄氏度左右，以得到空燃比 较大的混合气体。 为促进燃油的雾化和混合气的均匀混合，有的发动机在化油器和和进气管之间 安装叶片式旋转器，在进气管中产生旋流，粉碎油粒。代价是在叶片高速旋转时， 增加了进气的阻力，使经济性有所损失。 当前国内外普遍采用废气再循环装置( e g r 装置) 以降低n o x 的排放量。其 基本的工作原理是：将5 2 0 的废气再次引入进气管，与新鲜空气一起进入燃烧 室，使最高燃烧温度降低，以减少n o x 的产生量。 由于各个困家排放法规的进一步严格，目前机内净化的最有效的措施是采用电 子控制的燃油喷射装置。它不仅可以增大发动机功率，降低油耗，同时也为排气净 重庆大学硕士学位论文l 绪论 化创造了有利的环境。 二、改善燃烧状况 改善燃烧状况主要从发动机的配气相位、点火时刻、燃烧方式以及燃烧室形状 等方面考虑。 混合气在汽缸内燃烧时，火焰前端到达燃烧室附近，由于其表面温度较低而淬 熄，引起h c 排放量的增加。通常采用减小燃烧室的面容比以减少由于淬熄作用产 生的h c 的排放。此外，降低压缩比也可以降低面容比，同时还可以减少n o x 的排 放。 配气相位对n o x ，h c 的排放量影响很大。特别是气门重叠时间，气门重叠时 间越长，排气状况良好，汽缸温度较低，n o x 的生成量减少，而h c 的相应的增加 量也不多；但是当气门重叠时间缩短，h c 将减少，而n o x 增加较多。 点火时刻延迟可以降低燃烧温度，减少n o x 的排放量，同时由于燃烧时间延 长，也使h c 的量减少，对排放有利。采用该方法的前提是必须安装进气预热装置， 否则发动机冷启动时对排放不利。但是点火延迟会引起功率下降和过热等问题，通 常采用双膜片真空式点火提前调节装置，在怠速和减速时减小点火提前角；中、高 速时加大点火提前角；发动机过热时，将点火提前角加到最大，使转速上升，加强 冷却效果。 对于柴油机，其燃烧室的型式对污染物的排放量有很大的影响。一般分隔式燃 烧室的排污量比直接喷射式燃烧室小得多。而分隔式燃烧室中，采用预燃室的发动 机的排污量也比采用涡流室的低。在柴油机的燃油和进气管中掺水，可以降低发动 机内的最高温度，明显降低n o x 的排放量。 目前各个国家都在研究层状燃烧方式。这种方式可以使发动机在过稀混合气下 工作，被认为是一种比较理想的净化方法。层状燃烧与直喷式柴油机相似，燃料在 燃烧室内形成浓度不同的混合气，并分层燃烧。这种燃烧方式气缸内的空燃比达到 3 0 5 0 ，实现了超稀薄燃烧，因而达到了降低油耗的目的。由于稀薄混合气的燃烧 热量较小，汽缸内的最高温度降低，抑制了n o x 的产生，使c o 氧化更加充分，同 时采用延迟点火使h c 的排放量减少。 三、使用低污染燃料 某些新的能源和代用燃料的油耗和污染程度比现有的燃料要低得多，有些国家 已经开始把液化石油气、醇燃料和氢气作为代用燃料，虽然还有一些技术问题有待 解决，但使用效果还是比较满意的。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 机外净化措施 一、废气再燃烧 废气再燃烧装置通常由三个部分组成：空气喷射装置、热反应器和催化反应器。 空气喷射装置通过空气泵将低压空气通过单向阀喷射到各个汽缸排气门的背面，与 高温空气接触混合，再进入热反应器，导致残留的c o 和h c 再次燃烧。 二、防止曲轴箱窜气和汽油蒸发 目前大多数封闭式曲轴箱采用强制通风装置( p v c 装置) 防止窜气。p v c 装置 可以将窜入曲轴箱内的h c 完全处理干净，得到了广泛的应用。 当外界气温升高时，汽油箱内产生的汽油蒸汽会油箱盖排入大气：化油器的浮 子室因受到发动机加热，也会产生汽油蒸汽。防止这部分的污染可以采用吸附法吸 附。 1 2 3 电喷与三元催化 机动车污染控制技术的进步是机动车污染控制的根本保证。国内外成功经验证 明，在汽油车上通过使用电子控制燃油喷射、点火系统和传感器，实现闭环控制发 动机工作，同时安装排气催化转化器( 即电喷或电控三元催化技术) 是大幅度降低 汽油车排放污染物的有效手段，也是耳前我国汽车污染控制技术路线和汽车污染控 制技术发展的重点，为我国汽车污染控制产品的开发和生产明确了方向 3 4 1 。 但是在我国这样的用车状况复杂的国家，由于大多数在用的汽车大量使用化油 器，工况复杂，排污严重，要在短时间内改变为以电喷发动机有一定的难度，同时 国外的催化剂和催化器厂商不愿意将他们的产品应用到化油器发动机上，催化转化 器还存在一些技术问题，如催化剂的高温失效、贵重金属价格昂贵等方面的问题1 5 】， 因此电喷与三元催化的应用在我国也不广泛。 同时电喷和三元催化技术仍然处于国外大公司和企业技术垄断的局面，为打破 这种垄断局面，国内的科学研究者仍然在积极地寻找各种可能的净化措施，从各种 方面改进发动机对污染物的排放净化能力，研究各种可能的净化处理方法。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 问题的提出 目前，世界各国每年向大气排放的污染物总量估计在6 亿吨以上，其中粉尘和 s 0 2 占4 0 ，c o 占3 0 ，n o x 占l o ，其它占2 0 。特别是在城市，机动车污 染问题日益严重，以北京为例，1 9 9 7 年北京市机动车数量为1 3 0 万辆，c o 排放量 1 1 5 9 万吨、n o x 排放量1 1 6 万吨、h c 排放量2 9 3 万吨。与日本东京近4 0 0 万辆 的机动车而c o 和n o x 的年排放量仅分别为1 0 万吨和5 万吨相比【6 】，我们还存在 很大的差距，其原因是多方面的：一方面由于我国的机动车辆运行速度低、运行工 况差、发动机经常处于富燃油工作状念，车辆的维护保养状况差；另一方面说明我 国的污染控制水平还相当落后。大多数机动车辆未对尾气进行净化，而已经配备了 净化装置的机动车辆的净化效果并不理想。随着我国汽车保有量的不断增加，交通 运输业的不断发展，机动车辆排放的废气将成为更大的大气污染排放源，所以我们 国家正在加紧制定更加严格的机动车排放法规，以更有效地控制机动车尾气的排 放。 但是，正如前面所诉，现有的各种发动机尾气净化和处理的方法有其固有的缺 点和局限，因此，寻找新的解决问题的方法和思路是摆在我们面前的有待解决的研 究课题。近年来，高压脉冲电晕放电技术的发展为我们在发动机尾气净化与处理方 面展现了一条全新的研究思路。 1 4 等离子体放电技术在空气净化方面的发展与现状 高压放电技术源于对自然界中雷电放电现象的研究，随着人们对高压电认识的 深入，开始了对其放电机理的研究和探索。在对雷电这种放电现象的研究中，人们 发现雷电能够使空气中的气体发生化学反应，使氮气这样的不活泼气体氧化从而使 雨水中的氮氧化物含量增加，是自然界中天然的氮肥。 最早将电技术应用于污染空气的净化是静电除尘器的发明。静电除尘器中将静 电压加大到电晕放电阶段时，不仅能够达到除尘的效果同时也可以除去部分有害气 体，但是他的净化效果不理想，能量利用率和效率也不高。 1 4 ，l 等离子体放电技术的发展与现状 重庆大学硕士学位论文1 绪论 人工气体放电很早就己经实现了，但是气体放电发展的过程却是经过很长时间 才被人们逐步认识的。莱顿( l e i d e n ) 瓶起电器等放电设备的发明，对于产生电火花 放电提供了很方便的工具。对气体放电现象的解释最早出现的比较完整的理论是 1 9 0 3 年汤生理论。汤生理论可以解释许多气体击穿现象，比如气压、极间距等对击 穿电压的影响，用电子附着理论解释负极性气体的高压击穿电压以及混合气体中的 潘宁效应等( 有时只能定性地说明) 。但是汤生理论有其不可克服的缺陷，它不能 解释击穿形成的时间延迟；也没有考虑电子雪崩引起的空间电荷效应。 1 9 4 0 年雷特等人建立的流柱理论与汤生理论相互补充，它将空问电荷的作用看 作是一种重要的作用。电子雪崩时正离子的浓度达到很高的值，使原来电场发生很 大的畸变，引起局部电子能量的加强，加剧了电离，这对放电的发展很重要。此时， 电火花的通道是曲折，分枝的。在不对称电极，不很高电压的情况下，它可以伸到 很长的距离，称为“流柱( s t r e a m e r ) ”。由流柱转为击穿电火花，称为“流柱击穿机 带1 ( s t r e a m e rb r e a k d o w nm e c h a n i s m ) ”7 1 。 高压脉冲放电技术是在高压静电放电的基础上发展起来的。商压脉冲放电与高 压静电放电相比能够获得更高的峰值电压，同时能够通过调节脉冲频率调节输入能 量的大小，在反应器中能够获得更多的活性粒子，在空间中形成更多的流柱。因此， 高压脉冲放电技术已经成为了科研工作者研究的热点。 近年来，随着象变换管相机以及象增强器等技术手段和仪器设备的相继出现， 开始了对毫微秒范围内的放电现象的研究，同时，电子计算机的迅速发展促进了气 体放电的理论计算，使放电发展的图象更加清楚，大大促进了理论工作的发展。同 时对脉冲放电这种特殊的气体放电现象进行了更加深入的实验和理论研究【8 1 1 。 1 4 2 国外高压脉冲放电技术在空气净化方面的发展与现状 最早出现的用放电方法控制和治理空气污染的研究是人们发现用电子束照射 有害气体促使气体发生化学反应，从而减少有害气体的排放，但是这种方法净化效 率较低，能耗较大。国外最先开始了高压脉冲放电技术在工程实际中的应用，特别 是在烟气脱硫脱硝方面的应用，包括在以煤炭、石油为燃料的火力发电厂以及钢铁 企业的外排烟气去除其中有害气体的实际生产中得到运用。 从上个世纪八十年代开始，国外很多科研工作者就开始对脉冲电晕放电技术进 行各方面的研究。1 9 8 4 年，m i z u n o 等人首先用脉冲电晕放电对模拟烟气进行脱除 s 0 2 的实验，并与电子束法进行了比较；1 9 8 9 年，c l e m e n t s 等人用脉冲电晕进行了 同时除去s 0 2 、n o x 和飞灰的研究，实验表明s 0 2 的净化在飞灰的存在条件下被加 重庆大学硕士学位论文1 绪论 强了；1 9 9 0 年，d i n e l l i 等人开展了脉冲电晕同时脱除烟气中的s 0 2 和n o x 的工业 实验的研究；y a n k _ e p i n g 等人研究了双级电晕对n o x 和s 0 2 的脱除；s m a s u d a 和 h n a k a o 研究了正反脉冲电晕放电控制n o x ，实验结果表明氧气和水分在脉冲电晕 场中的作用明显，而正脉冲的净化效率比负脉冲电晕的净化效率高得多；1 9 9 3 年， d e n n i sj h e l f i i t c h 利用脉冲电晕放电对h 2 s 进行处理，效果明显，结果显示其主要 产物为硫；1 9 9 6 年，a ，k r u p a 等人进行了0 2 、n 2 和n 0 2 混合气体的脱除n 0 2 的研 究；1 9 9 7 年，s w a t a n a b e 等人做了静电除尘器并在其后加三元催化器净化内燃机尾 气的实验，但是由于很难将尾气的温度控制在合适的范围内，因此实验结果并不理 想；1 9 9 8 年，m d o r s 和j m i z e r a c z y k 等人进行了直流偏压迭加脉冲电晕放电通过 加湿的静电集尘器脱除n o x 的研究，实验结果表明通过直流偏压叠加脉冲通过合 理配置电极和能量输入可以获得有效的去除效率【1 。”】。 1 4 3 国内高压脉冲放电技术在空气净化方面的发展与现状 我国对高压脉冲放电技术及其在治理污染空气方面的研究开始于九十年代初 期，但发展很快。1 9 9 0 年、李劲等人利用自行研制的脉冲电源和s 0 2 与空气混合的 模拟烟气，研究了超窄脉冲电晕放电对s 0 2 的脱除：1 9 9 3 年，谭天恩等人开展了脉 冲电晕法治理有机废气的实验研究。而到九十年代中期我国才开始对发动机尾气的 污染物的治理展开研究。l9 9 3 年，白敏冬、白希尧等人做了低温常压等离子体分解 n o x 的实验；1 9 9 4 年，依成武、满书玲等人在高温常压下利用负基压上迭加高压 脉冲( 6 0 1 0 0 k v ) 产生的等离子体除去柴油机车尾气的颗粒物和分解有害气体成 分，净化功率上千瓦的大型柴油机排放尾气的治理，对n o x 和c o 有一定的分解作 用。只本在此项技术上已达到了实用阶段。九十年代后期，晏乃强、吴祖成等人开 展了脉冲电晕放电与催化技术结合治理有机废气甲苯的研究，他们将催化齐u 用化学 沉淀法附着在反应器内壁，使废气的净化率提高2 0 左右，但存在催化剂运行时间 短，与有害气体接触面积小等问题，限制了它在发动机尾气治理方面的进一步运用。 可以看出，国内在这方面的研究集中在n o 、n o x 、臭氧、$ 0 2 、甲苯、易挥发性有 机物( v o c ) 等有害气体的净化实验及理论研究，以及脱硫脱硝的理论和工业化实 验研究，同时也对脉冲放电的特性，包括电晕放电高能电子密度沿反应器的分布， 反应器与脉冲电源的匹配，电极材料和配置的影响，粒子荷电机理等。为了进一步 提高脉冲电晕等离子体净化各种有害气体的效率，近几年，国内外都开始研究通过 催化剂结合放电技术提高净化率，但催化荆与有害气体的接触面积受到脉冲反应器 结构( 通常采用线筒式结构) 的限制所以效果还不理想，限制了它在实际工程中的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 应用 1 9 - 4 5 】。 总之，脉冲电晕等离子体净化污染空气的技术在国内外研究内容主要集中在以 下几个方面：对反应机理的研究，化学动力学的分析，脉冲电晕放电特性的研究， 脉冲电源的研制，对不同有害气体的净化效果的实验研究，反应装置的几何特性， 电极材料、布置、半径和配置，脉冲峰值、电压波形、正负脉冲、放电功率以及气 体在反应装置的停留时间对净化效果的影响，以及实验环境条件，诸如温度、压力、 湿度、添加剂对净化效率的影响等方面。 1 5 本论文研究的目的和意义 如何减少和治理由于机动车辆的排放所造成的空气污染，是摆在我们面前的一 个急待解决的课题。特别是在一些特殊的交通地点，如车流巨大的交通路口和道路 两旁林立的高楼所形成的街谷，长度达到公里级的长大隧道等地点容易因塞车而形 成空气中发动机尾气，特别是c o 和n o x 的浓度过高，从而对驾乘人员造成身体上 的伤害，影响驾驶员的视力和注意力，导致交通事故的发生等意外事件。 脉冲电晕等离子体技术由于其反应器结构简单，与通风管道和排气管结构相 似，就目前研究成果而言该技术对各种污染气体包括脱除空气中的悬浮颗粒物都有 良好的净化能力，因此在上述特殊地点拥有广阔的应用前景。 利用高压脉冲电晕放电技术对发动机尾气中的有害气体进行净化与处理，国内 外还没有进行比较深入的研究和探索的先例，本论文在此方面进行初步的理论和实 验研究、探索和创新可为今后高压脉冲电晕放电技术在治理发动机尾气和其他类似 的有害污染空气的研究工作具有借鉴的价值。 本文研究的目的在于通过高压脉冲电晕放电净化发动机尾气的实验，研究脉冲 电晕等离子体净化污染空气的技术在发动机尾气净化方面的反应机理及其对主要 的有害成分的净化效果；研究各种技术参数对净化效率的影响规律，为该项技术在 处理发动机尾气中有害气体方面的应用做基础性的实验研究。 1 6 本论文研究的主要内容 本论文主要通过实验研究高压脉冲电晕等离子体对发动机尾气中主要有害气 体的反应机理，各种实验参数的相关关系，其主要内容包括两部分： 1 、高压脉冲电晕等离子体放电技术的原理及其脱除发动机尾气中主要有害气 重庆大学硕士学位论文1 绪论 体的脱除和反应机理的研究。分析探讨了高压脉冲放电在圆筒形反应器中电场和电 子的浓度分布规律，以及放电流柱理论：分析探讨了发动机尾气中主要有害气体和 产物：c o 、n o 、n 0 2 、s 0 2 、h c 以及碳烟的脱除和反应机理。 2 、高压脉冲电晕等离子体放电脱除发动机尾气污染物中上述成分的实验研究 及其结果分析。对主要的实验参数：脉冲峰值电压、脉冲频率、风速以及初始浓度 等的影响进行实验研究，并分析主要有害气体n o 、n 0 2 、c o 、s 0 2 以及粉尘，在 上述技术参数下的变化规律。 重庆大学硕士学位论文2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 2 1 高压脉冲放电基本理论 2 1 1 气体放电各阶段 气体放电的形式多种多样，气体、回路、气压等对放电都会产生影响。图2 i 是充n e 气的放电管的电流一电压曲线。开始电流脉冲大约l o 。6 a ，电流i 随电压v 的升高而升高，一直升高到饱和电流，这 时阴极发出的所有电子与气体中的电子都 被吸引到阳极，电流不再随电压而升高。 但当电压继续升高，达到汤生放电阶段， 电流又迅速上升。原因是电子在电场中加 速，与气体分子产生碰撞电离，产生新的 自由电子，使自由电子的数目迅速增加。 当电压继续上升，将引起电流以超指 数函数的形式增长，间隙上电压突然下降， 这个阶段是自持放电。 减少电路中的电阻以增强放电电流 时，间隙电压会稍稍下降，这个阶段是辉 光放电阶段。若再提高电流，间隙电压回 升，这是反常辉光阶段。如果继续加强电 流，转为电弧放电，此时电压降得很低【4 q 。 2 1 2 汤生放电理论 r 图2 1 气体放电个阶段 f i 9 2 1t h es t a g e so f t h eg a s e o u s c o n d u c t i o n 上个世纪初，汤生建立了气体击穿理论，至今一直被公认为气体导电的基本基 础理论之一。 一、汤生电离系数 重庆人学硕士学位论文2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 为描述气体放电中的电离现象，汤生提出了三种电离过程，并引入三个对应的 电离系数： l 、体积电离系数a ：表示一个电子在沿阴极到阳极的方向上运动时，每经过 一厘米与气体粒子碰撞所形成的自由电子数目： 2 、正离子电离系数b ：表示一个正离子在电场方向上每经过一厘米路程所产生 的电子数目； 3 、正离子轰击表面的二次电子发射系数y ：表示轰击阴极表面的每一个正离子 使阴极发射的电子数目。 二、电子雪崩 假设两电极是平板形，如图2 2 所示，当电极上加上一定的电压时，空间有均 匀电场分布。初始电子由阴极表面发射，在电场作用下向阳极运动，在其路程中不 断与气体粒子碰撞。当电场强度足够大，电子速度加到足够大的时候，它在运行路 程上的碰撞将引起电离。若一次碰撞电离多出一个电子，当这两个电子继续向阳极 运动时若能发生第二次电离，那么这两个电子就变成了四个，如此发展下去，电子 的数目不断猛增，这种现象称为电子雪崩。 ? ? 一 ，一 图2 2 电子雪崩示意图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ee l e c t r o na v a l a n c h e 汤生放电理论认为，由于电子雪崩的倍增作用，初始电流i 。在经过距离阴极x 处 的时候增加到i ： i = j o e “= j o e ( 2 1 ) 式中：町表示一个电子经过1 伏电位差所产生的电子数目； v _ 一表示电位差。 理论分析表明，非自持放电电流密度公式可以表示为： 一。南 ( 2 2 ) 7 叫。f 而 q “ 式中：d 电极间距； 初始电流密度。 重庆大学硕士学位论文2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 由式( 2 1 ) 可知，当等号右边分母为零，为无穷大，既如果初始电流为零， 放电电流也不为零，说明此时放电可以自持了。得到放电自持条件： 7 ( e “一1 ) = 1 一( 2 3 ) 该式的物理意义如下：如果从阴极发射一个初始电子，在电子雪崩作用下，产 生( e “一1 ) 个新的电子，同时产生同样的正离子。这些正离子在轰击阴极时，在阴 极产生二次电子。只有从阴极上发射r ( e “一1 ) = 1 个新电子来代替已在阳极上消失 的那个原始电子，放电才能自持。 三、帕邢( p a s c h e n ) 定律 自持放电条件可以改写为： 耐：1 n ( 1 + 三) y 将式( 2 - 1 ) 代入上式，考虑到e = d ，有 卟堙c 2 ( p d ) _ ，( 翮 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 这就是帕邢定律，它具有重要的使用价值： 1 、常数c 。、c 。对某种气体保持恒定，对同种气体混入其它杂质气体，其值也 不同。这种现象称为潘宁效应( p e n n i n ge f f e c t ) 。 2 、着火电压u f 随y 的增加而下降，这种现象称为y 效应。 2 1 3 流柱理论 汤生放电理论是建立在稳定放电基础上的，不能用来解释火花放电现象这种不 稳定放电现象。m e e k 和l o o b 于1 9 4 0 年提出了流柱理论( 也称流光理论) 来解释火 花放电现象。目前，这种理论不仅可以解释火花放电现象，还可以解释电晕放电以 及高压电器的空气击穿问题。流柱理论涉及复杂的数学推导，这里只做定性说明。 火花放电最初是在云雾室中开始研究的，实验发现，在气体击穿形成过程中空 间带电粒子的产生除了电子雪崩外，还有其它形式的电离过程，使空间电离度大大 增强，并伴随很强的光辐射，这就是流柱。由阳极向阴极扩展的流柱称正流柱，由 阴极向阳极扩展的流柱称为负流柱。 重庆大学硕士学位论文2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 图2 3 负流柱形成的示意图 f i 9 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en e g a t i v es t r e a m e r sf o r m i n g i 从阴极开始的主流柱i i 、v 、为光电子形成的流柱 图2 3 描述了负流柱的形成过程：从阴极发射出的初始电子形成主电子雪崩i ； 在电子雪崩过程中形成的激发态原子辐射出大量光子，波纹线表示光子的辐射路 线，在空间使气体原子电离而产生光电子，由光电子形成大量的次级电子雪崩i i 、 i i i 、i v 等。当雪崩j 、i i 、i 、汇合时便形成流柱，即当大量次级电子相互汇合 时就形成迅速向阳极扩展的负流柱。 若放电空间初始电子出现在任意点，如阳极附近，则在阳极空间首先形成主电 子雪崩，同时辐射出大量光电子，当主电子雪崩头部的电子接触阳极时由于离子运 动速度较慢，在它还束不及离开原来的空间时，阳极前就积累了大量正离子电荷， 导致空间电场畸变，使靠近阴极空间的电场增强。在它的作用下，光电子产生次电 子流柱向阳极方向扩展由于次电子雪崩的汇入，流柱迅速扩展到阴极，这种流柱称 正流柱。由此可见，在流柱形成的过程中，光电离有决定性的作用，而光电离可以 产生在任意地点，次级电子雪崩的形成位置也是随机的，因此流柱的扩展路径是曲 折分叉的。 若电子碰撞电离系数为a ，电子在电场方向走x 距离时，因碰撞电离而产生e “ 个电子，在强电场高气压下，a 系数足够大，很短时间内就产生大量的带电粒子。 而电离过程中电子与正离子是同时产生的，由于电子的漂移速度远大于离子的漂移 速度( 高出两个数量级) ，所以在极短时间内，电子雪崩产生的电子很快就跑到前 面，而正离子相对于电子就是固定不动的，这样形成不均匀的空间电荷分布。电子 雪崩的头部集中的电子云，引起电场的最大的畸变，而后面是离子空间电荷，离子 的分布也不均匀。此时电子雪崩转变为流柱。 2 1 4 电晕放电 产生电晕放电的条件是：气体压力较高， 不均匀，并有几千伏以上的电压加到电极上。 4 一般在一个大气压以上，电场分布很 因此，细的尖端与平面、点与点、金 重庆大学硕士学位论文2 高压脉冲电晕等离子体净化发动机尾气的机理研究 属丝与同轴圆筒、两条平行导线之间以及同轴电缆内部都会形成不均匀电场，都有 可能形成电晕。 电晕是一种自持放电，在具有强电场的电极表面附近有强烈的激发和电离，并 伴随明显的亮光，此处称电晕层。在电晕层外，电场强度较低，不足以引起电离， 呈现暗区，称为电晕外区。产生电晕的电压称为起晕电压，如果再继续加压，电流 和亮度都会增加，直到过度到火花放电或辉光放电，由放电条件决定。直流电晕分 为以下三种： l 、负电晕：电晕层发生在负极； 2 、双极电晕：若两电极的曲率半径都很小，两者都有极强的电场，在正负极上 都会发生电晕，称为双极电晕； 3 、正电晕：若曲率半径小的电极做阳极，在其上施加高压就会产生正电晕。 理论表明：同轴电极系统的电晕伏安特性曲线由下式表示： i ：一2 x a v - v o ) ( 2 6 ) r 2 l n ! _ 式中：i 放电电流；v 电极电压；k 。电子迁移率； v r 一起晕电压； r 、r l 外圆筒和内圆筒的半径。 在同轴放电系统中，空气温度为2 5 0 c 、一个标准大气压下，电晕起始电场强度 为： f - g