CN103016106B - 过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过滤复合等离子体催化处理柴油发动机PM的反应器，包括碳烟微粒捕集器，所述碳烟微粒捕集器上设置有进气口和空腔，所述进气口与空腔相连通；所述碳烟微粒捕集器上还设置有碳烟微粒处理装置，所述碳烟微粒处理装置包括阴极装置和阳极装置；所述空腔内设置阴极装置；相对应于阴极装置，在碳烟微粒捕集器外设置阳极装置。

Description

过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法。

背景技术

柴油发动机燃烧效率高，功率大，使用寿命长，广泛应用于车辆、机械、船舶及各种动力装置，但是其尾气中含有碳烟微粒(PM)、烃类(HC)、CO和氮氧化物(NOx)等污染物。因为尾气中O₂含量较高，柴油发动机HC和CO的排放量较少，一般只有汽油发动机的1/10；NOx排放量与汽油发动机大致处于同一数量级；而碳烟颗粒的排放量约为汽油发动机的30～50倍。由于碳烟颗粒大小只有亚微米级，几乎可以全部被吸入人体内，对人体健康伤害极大，所以对其进行治理成为柴油发动机尾气净化的重中之重。

2012年，世界卫生组织专家发表声明，认定柴油发动机尾气与石棉和砒霜等物质一样，具有高度致癌性。总部设在法国的世卫组织下属机构国际癌症研究机构(IARC)重新划分了柴油废气的类别，将其从原先所属的很可能具有致癌作用的2A类致癌物，划入具有明确致癌作用的一类致癌物。

降低柴油发动机排放污染通常采用机内处理和机外处理的方法，尽管多年来人们在柴油发动机结构上进行了大量的改进，但是仍然无法满足日益严格的柴油发发动机尾气排放标准，因此机外处理(亦称为后处理)日益受到研究者的重视。柴油发动机属于稀燃发动机，其尾气含氧量高，含有的微粒较多，容易导致催化剂活性降低，因此广泛应用于汽油发动机的三效催化法并不适用于柴油发动机的尾气净化。目前，为了减少柴油发动机排放的碳烟颗粒，较多的采用捕集的方法。碳烟颗粒的捕集主要有静电吸附法、过滤捕集法和离心分离法。研究表明，微粒过滤器(又称微粒捕集器)是最有价值的收集方式。它主要是通过扩散、沉积和撞击机理来过滤捕集柴油发动机尾气中的微粒。但是，积存在过滤器上的微粒，在合适的温度和氧化气氛中一旦开始氧化燃烧，温度可高达2000℃以上，很容易将捕集器的陶瓷载体烧熔。另外，如果捕集器捕集的颗粒不定期清除，就会发生滤芯堵塞以致柴油发动机背压急速上升的现象，影响柴油机的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种简单高效的过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法，包括过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的反应器；该反应器包括以聚四氟乙烯纤维制成的过滤布袋构成的碳烟微粒捕集器，所述过滤布袋内设置有空腔，所述过滤布袋上设置有进气口，所述进气口与空腔相连通；所述过滤布袋上还设置有包括阴极装置和阳极装置的碳烟微粒处理装置，所述阴极装置包括不锈钢管和不锈钢细针；所述不锈钢管固定在空腔正中，所述不锈钢细针均匀分布在不锈钢管上；所述阳极装置为不锈钢薄板，不锈钢薄板紧贴过滤布袋；所述不锈钢管的直径为2～3mm，不锈钢细针的长度为3～5mm，不锈钢细针的末端直径小于0.5mm；所述不锈钢细针的末端与不锈钢薄板之间的距离为2～5mm；所述进气口设置有尾气冷却装置；所述过滤布袋上负载催化剂；所述催化剂为TiO₂、MnO₂、Al₂O₃或AgO；所述不锈钢薄板上均匀设置排气孔；所述过滤布袋的直径为10～20mm；所述不锈钢管上上不锈钢细针上下层之间的间距为5～10mm；所述柴油发动机尾气首先经过进气口处的尾气冷却装置降温至260℃以下；降温后的柴油发动机尾气进入过滤布袋，过滤布袋中柴油发动机尾气的过滤速度控制在0.5m/min以下；降温后的柴油发动机尾气进入过滤布袋的同时，向不锈钢管输入5～10kV的高压直流电，不锈钢细针与不锈钢薄板之间开始电晕放电；在电晕放电产生的氧化性自由基和过滤布袋上负载的催化剂协同作用下，捕集的碳烟微粒最终转化成包括CO₂和H₂O的无害物质。

本发明的过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法将过滤技术(过滤布袋)、等离子体技术(不锈钢管、不锈钢细针和不锈钢薄板)以及催化技术(金属氧化物催化剂)组合在一起，发挥三者的协同作用，高效去除柴油发动机的碳烟微粒；并且通过过滤技术(过滤布袋)、等离子体技术(不锈钢管、不锈钢细针和不锈钢薄板)以及催化技术(金属氧化物催化剂)的三重保障，彻底地将碳烟微粒转化成CO₂和H₂O，同时可将NO还原成N₂，实现柴油发动机尾气的无害化处理。本发明的袋式过滤复合低温等离子体催化处理柴油改善空气质量。

本发明采用袋式过滤复合低温等离子体催化的方法，发挥过滤捕集、等离子体氧化以及催化氧化的协同作用，为柴油发动机尾气净化提供新的技术途径。这项技术可以将低于300℃尾气中的NO氧化成NO₂，然后NO₂和氧化性自由基(O和OH等)高效去除沉积在微粒捕集器上的碳烟微粒，实现微粒捕集器的就地清洁，很好的克服了传统微粒捕集器的不足。等离子体催化反应过程如下所示：NO+O＝NO₂、C+O＝CO、C+OH＝CO+1/2H₂、C+NO₂＝CO+NO和C+NO＝CO+1/2N₂。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法中过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒反应器的主要结构示意图；

图2是图1的仰视结构示意图。

具体实施方式

实施例1、图1～图2给出了一种过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法，主要包括碳烟微粒捕集器和碳烟微粒处理装置，碳烟微粒处理装置包括阳极装置和阴极装置。

碳烟微粒捕集器为过滤布袋1，过滤布袋1上设有进气口，进气口与空腔(即过滤布袋1内置的空腔)相互贯穿连通(通过进气口向空腔内排入需要处理的柴油发动机尾气或者其他的含有碳烟微粒的废气)；为了提高布袋的耐高温性，过滤布袋1采用的材料为聚四氟乙烯纤维。同时为了增加对柴油发动机碳烟微粒的处理效率，在过滤布袋1上负载催化剂TiO₂，催化剂TiO₂可以通过如下的方式附着在过滤布袋1上：

1、将钛酸丁酯和无水乙醇按体积比15:1混合，得到溶液A(为方便以下的文中描述，将钛酸丁酯和无水乙醇按体积比15:1混合得到的溶液简述为溶液A)；

2、将步骤1得到的溶液A缓慢滴入一定浓度的稀硝酸溶液中，并剧烈搅拌；

3、将步骤2得到的混合溶液继续搅拌4～5个小时；

4、将步骤3所得的混合溶液于室温下静置陈化一定时间，即可得到透明或者淡黄色TiO₂溶胶；

5、将聚四氟乙烯纤维浸泡在步骤4制备的TiO₂溶胶中2-4个小时；

6、经过步骤5的浸泡后，聚四氟乙烯纤维获得适当而均匀的带液率；

7、将步骤6所得的聚四氟乙烯纤维进行预烘和烘焙处理，在聚四氟乙烯纤维表面形成一层均匀的TiO₂凝胶薄膜。

以上所述的7个步骤均为现有的公知技术。

通过以上步骤将催化剂TiO₂附着在聚四氟乙烯纤维滤料上，再将四氟乙烯纤维编织成过滤布袋1(通过此种方法，聚四氟乙烯纤维表面的TiO₂凝胶薄膜表面平整均匀，且孔隙分布均匀，可以保证过滤后气体能顺利通过过滤布袋1)。

阴极装置包括不锈钢管3和若干不锈钢细针31，不锈钢细针31按照一定的排列方式(排列方式如下文所描述)焊接在不锈钢钢管上，不锈钢管3的直径为2～3mm，不锈钢细针31的长度在3～5mm之间，不锈钢细针31的末端直径小于0.5mm；在空腔正中固定不锈钢管3(为了保证最佳的处理效果，不锈钢管3固定在空腔上方的内侧壁，即不锈钢管3为从上至下对着进气口固定，需要处理的柴油发动机尾气从进气口进入空腔)，不锈钢管3的一端贯穿过滤布袋1(方便与高压电源的负高压相连接)；不锈钢管3上均匀固定不锈钢细针31(如图1和图2结合后所示，不锈钢管3上，在同一水平面均匀分布四根不锈钢细针31)。为了避免不锈钢细针31之间产生放电干扰，上下不锈钢细针31之间的距离为5-10mm。阳极装置为厚度不超过1mm的不锈钢薄板2，不锈钢薄板2接地；不锈钢薄板2固定在过滤布袋1的外侧壁上，通过不锈钢薄板2作为支撑架，就可以将过滤布袋1支撑成圆柱形；在不锈钢薄板2上均匀的开有排气孔21，排气孔21的孔径为2～3mm，孔间距为4-6mm。由于在相关领域高压电使用的限制，放电间距不宜过大，所以将过滤布袋1的直径限定为10～20mm之间，不锈钢细针31的末端与不锈钢薄板2的间距维持在2～5mm。

过滤布袋1是聚四氟乙烯纤维做为材料制成的，而聚四氟乙烯具有良好的热稳定性、化学稳定性、绝缘性、润滑性以及抗水性等特性，而在耐高温和耐腐蚀方面，也具有较高的素质，能够在260℃下长期使用；而柴油发动机的尾气温度通常在300～450℃，所以本发明的过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒反应器的进气口处设置冷却装置，可以保证进入过滤布袋1的尾气温度不超过300℃。而且较低的尾气温度能够提高氧化性自由基的寿命，从而改善微粒的氧化效果。冷却装置为现有技术，可以通过市购的方式获得。

由于在电晕放电过程中，能够产生紫外光，所以本发明所使用的光催化剂TiO2能够很好的适应尾气的处理过程，发挥协同作用。

具体使用的时候，进行如下的步骤：

1、不锈钢管3接负高压(5～10kV的高压直流电)，作为电晕放电的阴极；

2、不锈钢薄板2接地，作为电晕放电的阳极；

3、在进气口上设冷却装置，再将冷却装置固定连接到柴油发动机的排气管上；

柴油发动机的尾气经过冷却装置排入过滤布袋1的空腔(滤布袋1中，柴油发动机尾气的过滤速度由尾气流量/布袋表面积控制在0.5m/min以下)，在空腔中，碳烟微粒沉积在空腔的内侧面。负高压连接不锈钢管3，而不锈钢薄板2接地，不锈钢细针31与不锈钢薄板2之间产生电晕放电，而电晕放电能够产生氧化性自由基(如O/OH/O3等)。此时，尾气中的NO首先被氧化成NO2。随后，在NO2、氧化性自由基以及光催化剂TiO2的作用下，沉积在空腔内侧面的碳烟微粒被逐步氧化去除，同时NO2被还原成N2。当碳烟颗粒的沉积速度和氧化速度达到平衡时，反应器就能长期运行而不至于堵塞。净化后的尾气通过排气孔21排出。

本发明的过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法中，将过滤技术(过滤布袋1)、等离子体技术(不锈钢管3、不锈钢细针31和不锈钢薄板2)以及光催化技术(催化剂TiO2)组合在一起，发挥三者的协同作用，能稳定的将柴油发动机尾气中的混合气体(含有碳烟微粒、碳氢化合物和NO)转化为N2、CO2和H2O，不会对环境产生二次污染。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的方法，该方法使用过滤复合等离子体催化处理柴油发动机碳烟颗粒的反应器；其特征是：该反应器包括以聚四氟乙烯纤维制成的过滤布袋(1)构成的碳烟微粒捕集器，所述过滤布袋(1)内设置有空腔，所述过滤布袋(1)上设置有进气口，所述进气口与空腔相连通；所述过滤布袋(1)上还设置有包括阴极装置和阳极装置的碳烟微粒处理装置，所述阴极装置包括不锈钢管(3)和不锈钢细针(31)；所述不锈钢管(3)固定在空腔正中，所述不锈钢细针(31)均匀分布在不锈钢管上(3)；所述阳极装置为不锈钢薄板(2)，不锈钢薄板(2)紧贴过滤布袋；所述不锈钢管(3)的直径为2～3mm，不锈钢细针(31)的长度为3～5mm，不锈钢细针(31)的末端直径小于0.5mm；所述不锈钢细针(31)的末端与不锈钢薄板(2)之间的距离为2～5mm；所述进气口设置有尾气冷却装置；所述过滤布袋(1)上负载催化剂；所述催化剂为TiO₂、MnO₂、Al₂O₃或AgO；所述不锈钢薄板(2)上均匀设置排气孔(21)；所述过滤布袋(1)的直径为10～20mm；所述不锈钢管上(3)上不锈钢细针(31)上下层之间的间距为5～10mm；

所述柴油发动机尾气首先经过进气口处的尾气冷却装置降温至260℃以下；降温后的柴油发动机尾气进入过滤布袋(1)，过滤布袋(1)中由尾气流量/布袋表面积构成的柴油发动机尾气的过滤速度控制在0.5m/min以下；降温后的柴油发动机尾气进入过滤布袋(1)的同时，向不锈钢管(3)输入5～10kV的高压直流电，不锈钢细针(31)与不锈钢薄板(2)之间开始电晕放电；在电晕放电产生的氧化性自由基和过滤布袋(1)上负载的催化剂协同作用下，捕集的碳烟微粒最终转化成包括CO₂和H₂O的无害物质。