粉煤灰小球協同低溫等離子體處理汽車尾氣
摘要: 針對汽車尾氣防治,自制了介質阻擋放電催化反應器,并以改性粉煤灰小球為催化劑對汽油機尾氣進行處理,研究了脈沖電壓、脈沖頻率、放電間隙及氣體流量qV 等對NO、HC 和CO 去除率η的影響。結果表明:NO、HC 和CO 的η隨脈沖電壓、脈沖頻率的增加而增加,隨qV 的增加而減小。當放電間隙G在215～315 mm 變化時,3 種污染物的η變化不大;但G增大到4 mm 時,污染物η明顯下降。當脈沖電壓為20 kV、脈沖頻率為15 kHz、G= 3 mm、qV = 0105 m3 / h ,并以改性粉煤灰小球為催化劑時,NO、HC 和CO 的η分別能達到8416 %、8717 %和5415 % ,比相同條件下不填充時分別增加了12.6 %、7.2 %和6.2 %。研究表明:改性粉煤灰小球作為催化劑,能顯著提高汽油機尾氣中污染物的η。研究為等離子體催化技術提供了一種新型催化劑。
關鍵詞: 低溫等離子體, 汽車尾氣, 介質阻擋放電, 催化劑, 改性粉煤灰小球, 去除率
0 引言
汽車排氣污染物的治理日益受到關注。低溫等離子體技術處理汽車尾氣具有處理效率高、運行成本低、不產生二次污染等優點,已成為等離子體學科的研究熱點。而低溫等離子體和催化劑協同作用技術處理有害氣體更具優勢,并能取得良好的污染物去除效果。文用介質阻擋放電等離子體和V2O5 2WO3 / TiO2 催化劑選擇性催化還原氮氧化物;文采用3 種不同的催化劑Al2 O3 、 Ba TiO3 及Al2O3 + Pb 協同低溫等離子體處理模擬煙氣,對其中NOx 的脫除進行了實驗研究;文采用自制介質阻擋放電催化反應器并以γ2Al2 O3 小球為催化劑,對實際汽油機尾氣中污染物脫除進行了實驗研究;文也分別采用低溫等離子與催化劑協同作用對汽車尾氣等進行處理研究。已有研究表明催化劑的加入能提高尾氣中污染物的去除率 η,但多采用Al2 O3 、Ba TiO3 、TiO2 、鋁硅酸鹽等作為催化劑。本文以工業固體廢棄物粉煤灰為原料自制改性粉煤灰小球,作為介質阻擋放電催化反應器的催化劑,對實際汽油機尾氣進行凈化處理,研究了各參數對尾氣中主要污染物去除的影響規律。
1 實驗系統與方法
1. 1 實驗系統
實驗系統見圖1 。實際汽油機尾氣由型號為HONDA EC2500L 的汽油發動機在正常定速運行條件下產生;介質阻擋放電催化反應器為同軸式放電管(自制設備) ,催化劑為自制改性粉煤灰小球,填充率為40 %;采用高壓脈沖電源供電,脈沖電壓峰值≤80 kV ,脈沖寬度≤500 ns ,脈沖前沿上升時間 ≤100 ns ,脈沖頻率≤100 kHz 。
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實驗時,汽油機尾氣通過調節閥調節,得到不同 qV 的工作氣體,然后進入介質阻擋放電反應器,在等離子體及催化劑的協同作用下進行反應。尾氣中氣體污染物濃度由KM9106 型綜合煙氣分析儀和 DEL TA 1600-L 型汽車尾氣分析儀分析。
1. 2 催化劑的制備
催化劑制備原料粉煤灰來自于鎮江某電廠,其主要礦物質量分數: w (SiO2 ) = 60120 % , w (Al2 O3 ) = 25.41 % ,w ( Fe2O3 ) = 2.87 %。制作工藝流程:粉煤灰與一定比例的助溶劑在約800 °C下煅燒115 h , 再加濃度為3 mol/ L 的氫氧化鈉溶液(粉煤灰和助溶劑與氫氧化鈉溶液的體積比為1 :8) 在100 °C下晶化5 h ,經過濾洗滌后在300 °C下活化1 h ,然后制成直徑為1.5 mm 的改性粉煤灰小球。
經檢測,改性粉煤灰小球的相對介電常數為 719 ,比表面積為101.3 m2 / g。
2 實驗結果與討論
污染物的η以凈化前后汽油機尾氣中污染物濃度的相對變化量計算。采用直接取樣法采集樣氣, 其η= ( c1 2c2 ) / c1 , c1 、c2 分別為凈化前、后污染物濃度。在研究脈沖電壓Up 、脈沖頻率f p 、中心電極與介質層間隙G及qV 對污染物去除效果的影響時,介質阻擋放電催化反應器采用石英玻璃作為絕緣介質。實驗均在常溫常壓下進行。
2. 1 脈沖電壓的影響
當f p = 15 kHz 、G = 3 mm、qV = 0105 m3 / h 時, NO、HC 和CO 的η隨放電電壓的變化趨勢見圖2 。由圖2 知,NO、HC 和CO 的η均隨脈沖電壓的增加而增加。當尾氣中污染物濃度一定時,電壓增加,電場強度亦增加,電子的平均動能變大,從而使裂解、電離等反應頻率提高,活性粒子數目增加,最終使污染物η上升。此外,該反應器去除NO 和HC 的效果明顯優于CO ,這可能因反應器中CO2 、顆粒物等在適當的條件下又生成了CO。
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2. 2 脈沖頻率的影響
脈沖頻率f p 是影響放電的主要因素之一。若頻率低,則易在2 極間形成粗的絲狀放電;若頻率處于某一頻段內,使得離子在兩極間震蕩,來不及在半個周期內到達極板,而遷移率高的電子仍能撞擊到極板上,則可產生均勻的輝光放電;若頻率更高,電子和離子都不能到達極板,則在兩極間可形成由擴散作用控制的放電。
實驗在Up = 16 kV、G= 3 mm、qV = 0.05 m3 / h 、 f p = 10～40 kHz 時獲得大氣壓下的均勻輝光放電。污染物η與f p 間的關系曲線見圖3 。圖3 表明:隨頻率的提高污染物的η增加,主要因f p 的提高增加了反應區的高能電子濃度。但與Up 相比, f p 的增加對NO、HC 去除效果的影響不太大,故不能僅依靠增加f p 來提高尾氣中污染物的η。
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2. 3 中心電極與介質層間隙的影響
在相同輸入電壓下,反應器的G 對反應器的放電過程和放電功率有一定的影響, 但同時也會影響汽油機尾氣在反應器內的停留時間。故從理論上分析G對尾氣中污染物的η會有影響。
實驗條件:Up = 16 kV、f p = 15 kHz、qV = 0.05 m3 / h ,G對污染物η的影響見圖4 。由圖4 可見, G 在2.5～4 mm 變化時,G增大,η呈下降趨勢。但G 在2.5 、3 和3.5 mm 變化時,3 種污染物的η變化不大,G越小,放電功率越大(有利于污染物的去除) , 但同時尾氣在反應器內的停留時間越短(不利于污染物的去除) ;而G 越大,放電功率越小(不利于污染物的去除) ,尾氣在反應器內的停留時間越長(有利于污染物的去除) ,G變化所引起的放電功率變化與尾氣在反應器內停留時間變化對污染物η的影響大體相當。而當G= 4 mm 時,3 種污染物的η下降趨勢明顯,表明放電功率減小對污染物η的影響占據了主導地位。
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2. 4 qV 的影響
Up = 16 kV , f p = 15 kHz 、G= 3 mm 時污染物η 與qV 關系曲線見圖5 。圖5 表明,NO、HC 和CO 3 種污染物的η均隨qV 的增大而降低。主要因隨qV 增大,催化劑單位表面上污染物負荷增加;另外, qV 越大,尾氣在反應器內停留時間越短,去除NO、HC 和CO 的反應發生得越少,污染物η也就越低。
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2. 5 改性粉煤灰小球的催化效果及機理分析
為探討改性粉煤灰小球在處理汽油機尾氣中所起的作用,分別采用不填充催化劑、填充γ2A12O3 小球和填充改性粉煤灰小球3 種介質阻擋放電反應器,并在相同條件下對汽油機尾氣進行處理。 Up = 20 kV、f p = 15 kHz、G = 3 mm、qV = 0105 m3 / h 下實驗結果見圖6 。
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與不填充催化劑相比,填充γ2A12 O3 小球后, NO、HC 和CO 的η分別增加了1512 %、714 %和 718 %;而填充改性粉煤灰小球后,NO、HC 和CO 的η分別能達到8416 %、8717 %和5415 %,比不填充時分別增加1216 %、712 %和612 %。故在介質阻擋放電反應器中填充改性粉煤灰小球也能顯著提高汽油機尾氣中NO、HC 和CO 的η。
改性粉煤灰中含有大量活性氧化物SiO2 和Al2 O3 ,少量Fe2 O3 、CaO、MgO 等化合物,還含有不同數量的微小氣泡和微小活性通道,故粉煤灰表面呈多孔結構,其孔隙率能達到60 %～70 % ,比表面積較大。此外,粉煤灰表面上的原子力多呈未飽和狀態,使其具有較高的比表面能和較好的表面活性。電極施加高電壓改性粉煤灰小球顆粒被極化,從而在每個小球周圍產生強電場,與不填充催化劑相比產生更多的高能電子及O、OH、HO2 等自由活性粒子;同時因改性粉煤灰的比表面積較大,造成污染物質、自由基等活性物種的局部富集,提高了能量的有效利用率,故提高了NO、HC 和CO 的η。
3 結論
a) 以改性粉煤灰小球為催化劑的介質阻擋放電反應器處理實際汽油機尾氣時,NO、HC 和CO 的η 均隨Up 的增加而增加;該反應器去除NO 和HC 的效果明顯優于CO。
b) 提高頻率有助于增加污染物η,但f p 對NO 和CO 的去除效果影響不大。
c) G = 215 、3 和315 mm 間變化時,3 種污染物的η變化不大;但當G 達到4 mm 時,3 種污染物η 的下降趨勢明顯。
d) qV 越大,污染物η越低。
e) 改性粉煤灰小球作為催化劑填充于介質阻擋放電反應器中,能顯著提高汽油機尾氣中污染物的η。改性粉煤灰小球的使用,為汽車尾氣治理提供了一條新途徑。
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