化工安全和环保课程论文

1、汽车尾气中氮氧化物的成因与影响因素摘 要：随着机动车保有量的激增，我国的机动车污染物排放总量持续攀升。事实上，汽车所产生的空气污染量比任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多.人类必须认识到环境保护的重要性，尽全力保护我们赖以生存的环境。我们分析一下汽车尾气中氮氧化物的生成机 理和影响因素关键词：汽车尾气 氮氧化物 危害生成机理 影响因素Formati on and in flue nee factors of n itroge n oxides in the tail gas ofautomobile作者英文名：Staper福州大学至诚学院化学工程与工艺Abstract: As the n

2、umber of vehicles in our eountry, vehicle emissions eontinued to rise. In fact, more the amount of air polluti on air pollutio n produced by the car produces more tha n any other sin gle human activity. Human beings must realize the importance of environmental protection, do our best to protect our

3、livi ng environment. We an alyze the formatio n mecha nism and in flue ncing factors of n itroge n oxides in automobile exhaust.Key words: Automobile tail gas NOx Harm Formati on mecha nism In flue ncing factors氮氧化物对人体和环境的危害氮氧化物是发动机有一定负荷时大量产生的一种褐色的、有臭味的废气，是多种氮氧化物的总称，如NO N02、N203 N205等。内燃机中的氦氧化物主要是 N

4、Ox约占95%;其次是N02,约占5%。 发动机废气刚一排出时，气缸内存在的 NO毒性较小，但NO很快会氧化成毒性较大的 N02等其他 氮氧化物，这些氮氧化物进入人的肺泡后能形成亚硝酸和硝酸，对肺组织产生强烈的刺激作用。亚硝酸盐能与人体内的血红蛋白结合，形成变性血红蛋白，可在一定程度上导致组织缺氧。NOx与HC在受到阳光中紫外线照射后会发生化学反应，形成有毒的光化学烟雾。当光化学烟雾中的光化学氧化剂达到一定浓度时，会对人的眼结膜有明显的刺激性，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉等器官也有刺激作用，可引起急性喘息症，使人呼吸困难、眼红喉痛、头脑昏沉，造成中毒。此外，光化学烟雾还具有损害植物、

5、降低大气能见度损坏橡胶制品等危害。氮氧化物的生成机理车用发动机排气中的氮氧化物NOx包含NO和N：其中大部分是 No,它们是N在燃烧高温下的产物。NO的生成主要与温度和过量空气系数有关。在稀混合气区NO的生成主要是温度起作用；在浓混合气I蔓主要是氧浓度起作用。在柴油机中NO可占到排气中总 NO的10%30%。目前对NO大致上认为NO在火焰区可以迅速转变成NOn在对流层，Nq的存在会促进近地层臭氧和光化学烟雾的产生。发动机燃烧过程中产生的主要是NO排到大气中后，经过漫长的时间几乎全部都会被氧化成N02。在燃烧过程中，产生 NO的路径主要有三种：热力型 NQ根据Zeldovich 机理，是由空气中

6、的氮经过高温氧化产生的；瞬发型 NO根据Fenimore机理，产生在火焰前锋，其中的氮来源于空气；燃料型NQ燃油中的氮元素被氧化生成的NQ 热力型No：热力型NO产生在火焰前锋后的燃烧区，最先由Zeldovich给出了解释，之后 Baulch等对其做了补充。补充的 Zeldovich机理包含以下三个基元反应：0+N2 =HNO+N N+02=HNO+O N+OH=HNO+H虽然Zeldovich 机理在所有解释热力型 NO生成机理中应用最为广泛，但在速率常数的确定上尚 未实现统一。以上三个反应均为可逆反应，NO浓度小于对应温度下的平衡浓度时，如发动机燃烧的扩散区域，正反应对转化率具有有决定性的

7、影响。反之，逆反应起决定性作用，这点很好地体 现在发动机作功冲程末期，此时的温度相对较低。反应（1.1）的正反应活化能很高，因为要破坏氮氮三键需要很高的能量，这也使得该反应只在高温时才能获得较高的速率，一般认为该步反应 为决速步。该反应对温度依赖性很大，可以认为NO的生成由动力学控制。燃烧室中的温度范围内，各反应速度较其能够进行的时间而言不够快，因此反应达不到化学平衡。如图1. 1，对Zeldovich机理分别按照反应热力学平衡控制和动力学控制计算出的NO浓度曲线，很好地验证了这一点。曲线前半段，按动力学控制假设计算出来的NO浓度明显小于按化学平衡控制，但在燃烧后期，后者又超过了前者，这是由于

8、温度下降导致反应速率迅速降低，使得产生的NO不能通过逆反应被消耗掉，这种现象称为反应“冻结”。瞬发型NO瞬发型N0产生在火焰前锋，与具有很多可能反应路径的CH基团联系密切，所以其生成机理比热力型NO复杂得多。Fenimore最先提出了瞬发型 NO的概念。CH基团与N2生成HCN氢氰酸）为速控步，之后经过若干快速反应生成NO.word文档可自由复制编辑作为CH基生成反应中的中间产物，乙炔 (C2H2)只在富燃条件下火焰前锋产生，使得瞬发型 NO这 一概念更加形象。瞬发型 NO生成反应的活化能较低，在 1000K时即可发生。HCN和CH的氧化反 应的主要决速步如下：HCN+O=NCO+H CN+0

9、2=NCO+0 HCN+OH=HCN+H20瞬发型NO由于其生成反应的活化能较低而对温度的依赖性不高，但对燃油中CH与HCN的含量有很强的依赖性。在典型的发动机燃烧过程中，通过Fenimore机理产生的Nq(瞬发型NO)占Nq总量的510%，通过Zeldovich机理产生的Nq(热力型NO)占9095% 剐。燃料型NO在发动机燃烧中，燃料中的N元素被氧化生成 Nq这一路径所起的作用很小，因为内燃机燃料中含氮量极低。在煤燃烧中，这就是一种很重要的反应路径，因为即使是 含氮量最低的煤也含有约1 %的氮元素。对燃料型 NO的研究已经很成剿 61。经由N20产生的NO经由N20产生NO这一反应路径在如

10、下两种情况下才能发挥明显作用：稀燃条件CH的生成得到抑制，瞬发型NO生成量降低；温度较低时，热力型NO的生成得到抑制。N20的生成反应：N2+O+M=N20+M组分M在该反应中的作用是控制生成物为N20而非NQ在高压条件下，容易沿该反应路径进行。该反应对温度不敏感，降低温度对反应速率影响不大。在燃气轮机的稀燃预混合燃烧过程中，N20路径是产生NO的必经过程。在稀燃点燃式 (SI)发动机中，该反应路径也会发生。氮氧化物生成的影响因素(1) 喷油定时的影响柴油车机内气缸NO生成量数值大小大致与预混燃烧期内燃烧的混合气数量成正比。喷油提前角减小，使燃烧推迟，燃烧温度较低，生成的N0X较少。(2) 放

11、热规律的影响柴油机燃烧放热规律的两种模式：传统放热规律模式和低排放放热规律模式。传统模式在压缩上止点前即由于不可控预混合燃烧而出现一个很高的放熟率尖峰，接着是由于扩散燃烧造成的一个平缓的放热率尖峰。前者导致生成大量：而后者(缓慢拖拉的燃烧)导致柴油机热效率恶化，微粒排放增加。(3) 负荷与转速的影响。排放随负荷增大而显著增加，这是因为随负荷增大可燃混合气的平均空 燃比减小，使燃烧压力和温度提高所致。柴油机转速对排放的影响比负荷的影响小。非增压柴油 机，一般最大转矩转速下的 NOx体积分数大于标定转速下的值。(4) 混合气温度在高温下内燃机产生氮氧化物的速率加快，产生量急剧增加。(5) 混合气成

12、分混合气成分影响着燃烧时气体的温度和可利用的氧浓度通过对平衡状态下一氧化氮浓度的计算表明：NOx的浓度在混合气稀的区域内主要是温度起支配作用，而在混合气浓的区域内，主要是氧的浓度起决定作用(6) 滞留时间通过对非平衡状态下发动机中NOx浓度计算可知，滞留时间短，NO浓度低，滞留时间长，NOx浓度高(7) 高内燃机内压力 压力主要对理想混合气或浓混合气影响较大拉伏耶(Lavoie)等人研究了泽尔多维奇的反应机理后认为： NOx的反应机理除了按上述反应进行以外，氧的浓度对NO的生成率有很大影响。除此之外，氮与氧在高温区滞留的时间是影响NOx生成率的又一重要因素。综上所述，高温、富氧和氧与氮在高温下

13、滞留时间是决定柴油机燃烧过程中NOx生成率大小的三个重要因素。而由于柴油机燃烧过程中，氮的含量始终是充足的，因此不存在氮的浓度对 NOx生成率氧的浓度对 NOx的生成率有很大影响。除此之外，氮与氧在高温区滞留的时间是影响 NO%生成率的又一重要因素。综上所述，高温、富氧和氧与氮在高温下 滞留时间是决定柴油机燃烧过程中 Nox生成率大小的三个重要因素。而由于柴油机燃烧过程中， 氮的含量始终是充足的，因此不存在氮的浓度对NOx生成率的影响的影响。结语随着环保问题的日益突出，汽车发动机不仅要具有良好的经济性能，还应具有较好的低公害性能(良好的排放性与低噪声性能)氮氧化物成分随不同发动机型与运转条件均

14、有所变化，因此通过对燃烧系统的改进，达到控制燃烧，减少污染物的形成，是实现机内净化的重要途径由于混合气 形成与燃烧控制进行情况，对氮氧化物的生成有着直接联系，因此对混合气形成与燃烧影响大的 因素实行最佳的调节与控制，是机内净化的一种有效方法，其中包括对发动机混合气成分、点火 时间、进气温度随工况变化的最佳调节与控制。降低火焰温度，减少热力型NOx改变空气与燃气混合比例实现富氧和厌氧燃烧减小NOx产生。参考文献：1 美sTanky E Manahm 著环境化学.陈甫华等译天津：南开大学出版社，19932 钱耀义编.汽车发动机排气污染与控箭.北京：A展交通吐I版社，19873 李兴虎.汽车环境污染与控制M，北京：国防工业出版社，2011 .4 刘巽俊.内燃机的排放与控制M，北京：机械工业出版社.5 孙夕香，