CN102434253B

CN102434253B - 一种汽车尾气三级处理装置及其分离方法

Info

Publication number: CN102434253B
Application number: CN201110294371.1A
Authority: CN
Inventors: 赵珊; 黄国和; 张晓东; 安春江; 魏佳; 姚尧; 李晟; 阳艾利
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN102434253A

Abstract

本发明公开了一种属于大气污染治理技术领域的汽车尾气三级处理装置及其分离方法。该处理装置由三元催化器、一级初处理装置、二级硫氧化物氮氧化物处理装置和三级二氧化碳处理装置构成，其中，一级初处理装置为初级分离器，初级分离器中填充活性炭颗粒，二级硫氧化物氮氧化物处理装置主要由光催化反应器构成，光催化反应器中填充二氧化钛，三级二氧化碳处理装置为二氧化碳分离器，二氧化碳分离器填充活性炭纤维，三元催化器、一级初处理装置、二级硫氧化物氮氧化物处理装置和三级二氧化碳处理装置依次串联。汽车尾气经过本装置后即可实现尾气分离处理，从源头上减少有害气体的排放。

Description

一种汽车尾气三级处理装置及其分离方法

技术领域

本发明属于大气污染治理技术领域，具体涉及一种汽车尾气三级分离装置及其分离方法。

背景技术

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，加剧城市环境恶化。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30～60％。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。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中主要的污染物有固体悬浮微粒、二氧化碳、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。尾气中的二氧化硫具有强烈的刺激气味，达到一定浓度时容易导致“酸雨”的发生，造成土壤和水源酸化，影响农作物和森林的生长。氮氧化物主要是指一氧化氮、二氧化氮，它们都是对人体有害的气体，特别是对呼吸系统有危害。近100年来，气候变暖已成为人类的一大祸患。冰川融化、水位上涨、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象等都对人类的生存带来了严峻的挑战。而二氧化碳则是地球变暖的罪魁祸首。全世界的汽车保有量以每年3000万辆的速度递增着，2010年全球汽车量已增到10亿辆。中国的汽车保有量已超过1000万辆，并以每年5％的基数上升。因此，汽车尾气的减排对遏止温室效应同样有着非常重大的意义。

为减少汽车尾气中有害气体的排放，主要经过以下三条途径。第一，也是最根本和最终的途径，改变汽车的动力。如开发电动汽车及代用燃料汽车。此途径使汽车根本不产生或只产生很少的污染气体。第二，改善现有的汽车动力装置和燃油质量。采用设计优良的发动机、改善燃烧室结构、采用新材料、提高燃油质量等都能使汽车排气污染减少，但是不能达到“零排放”。第三，也是目前广泛采用的适用于大量在用车和新车的净化技术，即机外净化技术，也就是在汽车的排气系统中安装各种净化装置，采用物理的、化学的方法减少排气中的污染物。此途径无法达到“零污染”，但相对于前两种方法，其成本低，且可实现减排的效果。

目前，硫氧化物的处理方法主要有：低浓度的二氧化硫多用碱吸收法处理，已采用过的及还在采用的碱性吸收剂有石灰浆液、石灰石浆液、氢氧化镁浆液、氨水、氢氧化钠等。氮氧化物的处理方法包括：氮氧化物废气处理的主要有吸收法、催化还原法、燃烧法、吸附法、膜法、电化学法、脉冲电晕法及生化法等。二氧化碳的回收和利用主要有以下方法：吸收法、吸附法、膜分离法、空气分离/烟气循环法等，但是这些方法去除汽车尾气中有害气体的效率都不高。

颗粒活性炭具有发达的孔隙结构，良好的吸附性能，机械强度高，易反复再生，造价低等特点；用于有毒气体的净化，废气处理，工业和生活用水的净化处理，溶剂回收等方面。纳米材料具有较大的化学活性和表面能，很容易与外来的原子结合，形成稳定的结构。作为吸附剂，纳米材料具有超强的吸附能力；pH适用范围宽；选择性高；且可以再生。近年来，颗粒活性碳在环境保护，化工，石油，天然气，食品和制药工业中得到广泛应用。对于汽车尾气中的各种气体，以活性炭颗粒作为吸附材料的理论和实验研究均有大量的报道。活性炭颗粒，其价格相对于碳纳米管低廉许多，但性价比较高；相对于化学吸收法，该方法不会引起二次污染，分离效果好，动力和能源费用少，设备占地面积少，操作简便且可实现再生，可对汽车尾气进行初步处理，有望在二氧化碳，硫氧化物、氮氧化物等有害气体的分离方面得到工业应用。

以光催化技术处理环境污染物是近年来研究的热点。利用二氧化钛光催化进行脱硫脱销主要有以下优点。由于光催化反应过程中产生的高活性自由基能够将多数有机污染物彻底氧化矿化，并最终生成H₂O、CO₂等无机小分子，特别是对难以生物降解的有机物普遍具有很好的氧化分解作用；加上光催化反应还具有反应条件温和，反应设备简单，二次污染小，易于操作控制，催化材料易得，运行成本低，可望用太阳光为反应光源等优点，是一种非常有前途的污染治理技术，因而近年来受到广泛关注。二氧化钛作为一种高禁带宽度的半导体材料，具有高活性、高稳定性、无毒而且低成本的优点，因而成为最优良的光催化材料。光催化剂纳米二氧化钛还具有高催化活性、良好的化学稳定性和热稳定性、无二次污染、无刺激性、安全无毒等特点，是最具有开发前景的绿色环保催化剂之一，故把二氧化钛光催化剂应用于汽车尾气同时脱硫、脱硝极具开发前景。

多孔的碳材料对非极性气体具有较强的吸附能力。一般而言，吸附能力取决于多孔碳材的平均孔径。在微孔中，由于碳壁对二氧化碳吸引力很强，在整个孔中，二氧化碳的密度均很高。但随着孔径的增大，碳壁对远离的二氧化碳分子的吸引力快速衰减，因此仅在碳壁附近，二氧化碳的密度较高。当孔径很大时(如大孔，孔径＞100nm)，孔中大部分位置，二氧化碳的密度与本体中的二氧化碳的密度大致相当，从而导致吸附能力下降。常见的多孔碳材，如活性炭，活性炭纤维和碳纳米管，其平均孔径相距较大，活性炭具有大量的大孔，少量的中孔以及很少量的微孔，故吸附能力不强；碳纳米管则相反，大部分的孔均为微孔，故吸附能力很强。介于两者之间的活性炭纤维具有相当大量的微孔，但同时又有一定量的中孔和大孔，故吸附能力比远高于活性炭。活性炭纤维的灰份低，其主要元素是碳，碳原子在活性炭纤维中以类石墨微晶的乱层堆叠形式存在，三维空间有序性较差，经活化后生成的孔隙中，90％以上为微孔，构成了活性炭纤维的大量内表面。活性炭纤维具有较大的外表面积，而且大量微孔都开口在纤维表面，在吸附和解吸过程中，分子吸附的途径短，吸附质可以直接进入微孔，这为活性炭纤维的快速吸附，有效地利用微孔提供了条件。活性炭纤维孔隙结构另一个特点是孔径分布狭窄，孔径比较均匀，暴露在纤维表面的大部分是2nm左右的微孔。其比表面积较大，可吸附处理低浓度废气或具有高活性物质。活性炭纤维因具有发达的微孔结构，故对CO₂有很好的吸附能力，比活性炭大几倍至几十倍。其不仅吸附量大，且吸附速度快、脱附速度快、吸附层薄，对低浓度CO₂亦有很好的吸附能力。

发明内容

本发明是针对现有方法去除汽车尾气中有害气体的效率都不高的不足，提供一种汽车尾气三级处理装置及其分离方法。

一种汽车尾气三级处理装置，该处理装置由三元催化器、一级初处理装置、二级硫氧化物氮氧化物处理装置和三级二氧化碳处理装置构成，其中，一级初处理装置为初级分离器，初级分离器中填充活性炭颗粒，二级硫氧化物氮氧化物处理装置主要由光催化反应装置构成，光催化反应装置中填充二氧化钛，三级二氧化碳处理装置为二氧化碳分离器，二氧化碳分离器填充活性炭纤维，三元催化器、一级初处理装置、二级硫氧化物氮氧化物处理装置和三级二氧化碳处理装置依次串联。

二级硫氧化物氮氧化物处理装置的一种优化设计方案为：二级硫氧化物氮氧化物处理装置主要由风机、预过滤层、TiO₂光催化反应层、紫外灯、气氧混合室、制氧器和负离子发生器组成，处理前气体由风机引入二级硫氧化物氮氧化物处理装置的内部，依次经过预过滤层、TiO₂光催化反应层、气氧混合室后，处理后的气体经与气氧混合室相连的出气口排出，气氧混合室内设置有负离子发生器，制氧器通过导管与气氧混合室相连。

上述汽车尾气三级处理装置进行尾气分离的方法，该方法如下：

开动汽车，产生的汽车尾气先进入三元催化器经还原反应去除氧气；还原后的汽车尾气依次通过一级处理装置，对汽车尾气进行初步吸附；通过二级处理装置，吸收汽车尾气中的二氧化硫和氮氧化物；通过三级处理装置，吸附汽车尾气中的二氧化碳，从而实现尾气分离。

本发明的有益效果：本发明的汽车尾气三级处理装置，结构简单，采用廉价的活性炭纤维、二氧化钛和活性炭纤维作为填充材料，提高了对汽车尾气中硫氧化物、氮氧化物和二氧化碳的分离能力，降低了成本。本发明的方法从源头上减少有害气体的排放，缓解了汽车尾气对大气污染的影响。

附图说明

图1为汽车总体装置图；

图2为汽车各装置连接图；

图3为一级初处理装置、三级二氧化碳处理装置内部结构图；

图4为二级硫氧化物氮氧化物处理装置内部结构图；

图中标号：1三元催化器、2一级初处理装置、3二级硫氧化物氮氧化物处理装置、4三级二氧化碳处理装置、5混合器、6蜂窝状负载结构、7活性炭纤维或者活性炭颗粒(对于一级初处理装置是活性炭颗粒，对于三级二氧化碳处理装置是活性炭纤维)、8处理前气体、9风机、10预过滤层、11 TiO₂光催化反应层、12紫外灯、13气氧混合室、14制氧器、15导管、16负离子发生器、17处理后气体。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

如图1、2所示，一种汽车尾气三级处理装置，该装置由三元催化器1、一级初处理装置2、二级硫氧化物氮氧化物处理装置3和三级二氧化碳处理装置4构成。其中，一级初处理装置2为初级分离器，初级分离器为蜂窝状载体结构6，内填充活性炭颗粒7(如图3)，蜂窝状载体和活性炭颗粒形成吸附层，对汽车尾气进行粗处理。二级硫氧化物氮氧化物处理装置3主要由光催化反应器(包括TiO₂光催化反应层11和紫外灯12)构成，内有风机9、预过滤层10、TiO₂光催化反应层11、紫外灯12、气氧混合室13、制氧器14、负离子发生器16等结构，如图4所示，处理前气体8由风机9引入二级硫氧化物氮氧化物处理装置3的内部，依次经过预过滤层10、TiO₂光催化反应层11和气氧混合室13后，处理后的气体17经与气氧混合室13相连的出气口排出，气氧混合室13内设置有负离子发生器16，制氧器14通过导管15与气氧混合室13相连。预过滤层10的作用是除去气体中的杂质成分，TiO₂光催化反应层11内安装紫外灯12，填充二氧化钛，以吸收汽车尾气中的硫氧化物和氮氧化物。气氧混合室13、制氧器14和负离子发生器16用来提供光催化反应所需的气体环境。三级二氧化碳处理装置4为二氧化碳分离器，二氧化碳分离器为蜂窝状载体结构6，内填充活性炭纤维7，形成活性炭纤维吸附层，吸附汽车尾气中的二氧化碳。三元催化器1的设置位置与现有汽车排气系统中的位置相同，在三元催化器1后依次设置一级初处理装置2、二级硫氧化物氮氧化物处理装置3、三级二氧化碳处理装置4、混合器5。混合器5的作用是使经过处理后的气体在排入大气前能够充分的混合，达到一个缓冲的作用。

a、开动汽车，产生的汽车尾气先进入三元催化器1经还原反应去除氧气；

b、还原后的汽车尾气通过一级初处理装置2，对汽车尾气进行初步吸附；然后通过二级硫氧化物氮氧化物处理装置3，吸收汽车尾气中的二氧化硫和氮氧化物；再通过三级二氧化碳处理装置4，吸附汽车尾气中的二氧化碳；

c、经过步骤b处理的气体进入混合器5充分混合；

d、经混合器5的气体，经过消声器和排气尾管，排入大气。

Claims

1.一种汽车尾气三级处理装置，该装置包括三元催化器（1），其特征在于：该装置还包括一级初处理装置（2）、二级硫氧化物氮氧化物处理装置（3）和三级二氧化碳处理装置（4），其中，一级初处理装置（2）为初级分离器，初级分离器中填充活性炭颗粒，二级硫氧化物氮氧化物处理装置（3）主要由光催化反应器构成，光催化反应器中填充二氧化钛，三级二氧化碳处理装置（4）为二氧化碳分离器，二氧化碳分离器填充活性炭纤维，三元催化器（1）、一级初处理装置（2）、二级硫氧化物氮氧化物处理装置（3）、三级二氧化碳处理装置（4）依次串联；

所述二级硫氧化物氮氧化物处理装置（3）主要由风机（9）、预过滤层（10）、TiO₂光催化反应层（11）、紫外灯（12）、气氧混合室（13）、制氧器（14）和负离子发生器（16）组成，处理前气体（8）由风机（9）引入二级硫氧化物氮氧化物处理装置（3）的内部，依次经过预过滤层（10）、TiO₂光催化反应层（11）和气氧混合室（13）后，处理后的气体（17）经与气氧混合室（13）相连的出气口排出，气氧混合室（13）内设置有负离子发生器（16），制氧器（14）通过导管（15）与气氧混合室（13）相连。

2.根据权利要求1所述的三级处理装置，其特征在于：所述三级二氧化碳处理装置（4）与混合器（5）连通。