汽车尾气处理方案.docx

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Abstract As modern car transport, in the production and living for people bringconvenient while, it exhaust gas, to the atmospheric environment caused serious pollution, therefore, we must strengthen and improve the environmental protection consciousness according to exhaust the formation mechanism of the pollutants, and puts forward the main research waste gas purification harmful component CO, CH, NOx and SO2 method. redox catalyst is the core technology; to add oxygen increase the catalytic reaction speed, catalytic reaction time, ensure growth righttemperature a reasonable catalytic structure purification technology system study is the research direction of the technology.Key words: automobile tail; gas ;pollution; purification前言汽车虽然是21世纪最重要的交通工具，但他有许多弊端。 汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。可以说，汽车是一个流动的污染源。在世界各国，汽车污染早已不是新话题。20世纪40年代以来，光化学烟雾事件在美国洛杉矶、日本东京 汽车排气管排出内燃机废气等城市多次发生，造成不少人员伤亡和巨大的经济损失进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。有关专家统计，到21世纪初，汽车排放的尾气占了大气污染的3060%。随着机动车的增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由局部性转变成连续性和累积性，而各国城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。第一章尾气的有害成份、危害及防治1.1有害成份及危害1.1.1一氧化碳一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物，主要是在局部缺氧或低温条件下，由于烃不能完全燃烧而产生，混在内燃机废气中排出。当汽车负重过大、慢速行驶时或空挡运转时，燃料不能充分燃烧，废气中一氧化碳含量会明显增加。一氧化碳是一种化学反应能力低的无色无味的窒息性有毒气体，对空气的相对密度0.9670，它的溶解度很小。一氧化碳由呼吸道进入人体的血液后，会和血液里的红血蛋白Hb结合，形成碳氧血红蛋白，导致携氧能力下降，使人体出现反应，如听力会因为耳内的耳蜗神经细胞缺氧而受损害等。吸入过量的一氧化碳会使人发生气急、嘴唇发紫、呼吸困难甚至死亡。研究表明，人对一氧化碳的承受能力相当高，一个健康的人能短时间承受血液中含量为20%40%的一氧化碳的侵袭。虽然对人体无副作用的一氧化碳阈值尚未确定，但长期吸收一氧化碳对城市居民身体健康是一个潜在威胁。1.1.2氮氧化合物氮氧化合物是在内燃机气缸内大部分气体中生成的，氮氧化合物的排放量取决于燃烧温度、时间和空燃比等因素。从燃烧过程看，排放的氮氧化物95%以上可能是一氧化氮，其余的是二氧化氮。人受一氧化氮毒害的事例尚未发现，但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体，气味阈值约为空气质量的1.5倍，对人体影响甚大。由于其在水中溶解度低，不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部，引发支气管炎、肺水肿等疾病。在浓度为9.4mg/m2的空气中暴露10分钟，即可造成呼吸系统失调。对于氮氧化合物世界卫生组织环境健康评价组曾做出这样的结论：二氧化氮浓度0.94mg/m-3是短期暴露引起有害影响的最低水平，0.190.32mg/m-3最长1小时，一个月不能出现多于两次才能确保公共健康。1.1.3碳氢化合物汽车尾气的碳氢化合物来自三种排放源。对一般汽油发动机来说，约60%的碳氢化合物来自内燃机废气排放20%25%来自曲轴箱的泄漏，其余的15%20%来自燃料系统的蒸发。甲烷是窒息性气体，其嗅觉阈值是142.8mg，只有高浓度时才对人体健康造成危害。乙烯、丙烯和乙炔则主要是对植物造成伤害，使路边的树木不能正常生长。苯是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、粘膜出血等症状，也可引起血液变化，红血球减少，出现贫 汽车尾气污染血，还可导致白血病。其嗅觉阈值16.29mg，对人体健康有影响的阈值34.8mg。汽车尾气中还含有多环芳烃，虽然含量很低，但由于多环芳烃含有多种致癌物质（如苯丙芘）而引起人们的关注。HC和NOX在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后，产生一种复杂的光化学反应，生成一种新的污染物形成光化学烟雾，1952年12月伦敦发生的光化学烟雾4天中死亡人数较常年同期约多4000，45岁以上的死亡最多，约为平时的3倍，1岁以下的约为平时的2倍。事件发生的一周中，因支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱者死亡分别为事件前一周同类死亡人数的9.3倍、2.4倍、5.5倍和2.8倍。1.1.4醛醛是烃类燃烧不完全产生，主要由内燃机废气排放，汽车尾气排放的醛类成分见表：汽车尾气排放的醛类以甲醛为主，占60%70%。甲醛是有刺激性的气体，对眼睛有刺激性作用，也会刺激呼吸道，嗅觉阈值为0.061.2 mg，高浓度时会引起咳嗽、胸痛、恶心和呕吐。乙醛属低毒性物质，高浓度时有麻醉作用。丙烯醛是一种辛辣刺激性气体，对眼睛和呼吸道有强烈刺激，可引起支气管细胞损害，嗅觉阈值为0.484.1 mg。1.1.5含铅化合物汽车尾气排放的含铅颗粒大部分来自内燃机的废气排放。四乙铅是作为抗爆剂加进汽油中的，一般汽油的含铅量在0.08%0.13%之间，四乙铅燃烧后生成氧化铅排出。铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统和肝、肾等器官。铅能抑制血红蛋白的合成代谢过程，还能直接作用于成熟的红细胞。经由呼吸系统进入人体的铅粒，颗粒较大者能吸附于呼吸道的粘液上，混于痰中而吐出；颗粒较小者，便沉积于肺的深部组织，它们几乎全被吸收。铅在人体内各器官中积累到一定程度，会对人的心脏、肺等造成损害，使人贫血，行为呆傻，智力下降，注意力不集中，严重的还可能导致不育症以及高血压。根据进入身体的方式，可以有高达60%的摄入总铅量永久留在人体内，成年人血液中混入0.8mg以上称为铅中毒。 含铅汽油经燃烧后，85%左右的铅排入大气中造成铅污染。铅氧化物不仅对人体有害，它还会吸附在汽车尾气催化净化器的催化剂表面上，对催化剂产生“毒害”，明显地缩短尾气催化净化装置的寿命，是汽车尾气催化净化装置要解决的难题之一。20世纪40年代以来，通过汽车燃烧排入大气中的铅已达数百万吨，成为一种公认的全球性污染。2.2防护措施欧盟的环保专家认为，要减少汽车污染对城市环境的危害，最有效的办法是调整城市交通政策，大幅减少私家车数量，优先发展公交，提倡自行车交通；同时，还应加速发展、普及环保型汽车，减少对石化燃料的依赖。 2.2.1控制汽车的数量在许多大中城市中，汽车的数量实际已经“超载”。政府可以用宏观调控的方法提高汽车的价格，适当减少汽车的购买量，促进小型制造汽车的企业的转产，把汽车的数量控制在生态平衡允许的范围内。同时要使公共汽车、地铁等公共交通工具迅速发展起来，向市民提倡骑自行车、乘坐公共汽车和地铁；公务员更要以身作则，尽量使用公共交通工具，少乘坐私家车，尽量降低汽车尾气排放量。 2.2.2严格把关，提高汽油质量 到21世纪初，世界大多数城市都已禁止使用含铅汽油。要提高汽车尾气污染物排放标准，严格把关，不能让未达到标准的汽油流入市场。 2.2.3采用新技术加快采用先进的汽车尾气处理技术，对不符合尾气排放标准的汽车进行淘汰或改造。2.2.4采用新燃料推广以天然气为燃料的燃气汽车，并对燃气汽车进行改造，解决其存在的发动机动了性能下降、储气瓶占用空间大等问题。 2.2.5变废为宝方案A：在气缸内的燃料和空气经过压缩，变成高温高压的气体，燃烧后能量仍很高。如果将这些能量利用起来，转化成发动机的动力，既节省了燃料，又减少了废气排放量。 方案B：汽车尾气中含有氮氧化物和硫氧化物，如果在尾气排放管上加装一个收集和转化装置，将其转化成工业原料硝酸和硫酸，虽然收集量可能不多，但积少成多，这就在减少对大气的污染的同时对资源进行了回收。 2.2.6加强宣传，提高人民环保意识 加强对环境保护重要性的宣传，提高人民环保意识，让群众自觉使用公共交通工具，不购买尾气排放量不达标的汽车，坚决不购买、制造含铅、低质汽油。第二章 汽车尾气的净化处理技术2.1改变汽车使用的能源2.1.1 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。2.1.2 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。2.1.3 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。2.1.4 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。2.1.5 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。2.2改变汽车燃烧系统结构2.2.1 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。2.2.2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。第三章 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。除了对汽车发动机和尾气排放系统的改进,人们通过改进催化剂的整体式布局,使点火行为得到了改善。通过开发新的薄壁和更大的比表面积的催化剂载体,使催化剂更快地达到使用温度并且有合适的面积使催化反应顺利进行。相应的,催化剂形式的改变也使得其点火性质得到改进,高含量的Pd催化剂正是这类催化剂的代表。目前解决冷启动问