CN108343489A - 一种柴油机尾气净化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柴油机尾气净化装置及方法，其包括NTP反应器、NTP反应器箱体和DPF装置；所述NTP反应器设置在所述NTP反应器箱体内，所述NTP反应器与所述NTP反应器箱体之间具有空隙，形成放电空腔；所述NTP反应器箱体前后两端分别通过连接法兰与排气管连接，且所述NTP反应器箱体与排气歧管之间具有距离；与所述NTP反应器箱体前端连接的所述排气管为NTP反应器箱体进气端；所述NTP反应器箱体后端经所述DPF装置与所述排气管连接，该排气管为出气端。本发明适用于柴油机尾气处理领域，能实现NOX与PM的协同处理。

Description

一种柴油机尾气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及一种柴油机尾气处理领域，特别是关于一种基于介质阻挡放电低温等离子体(Non-thermal Plasma,NTP)技术与柴油机微粒捕集(Diesel Particulate Filter,DPF)技术协同作用，处理柴油机运行过程中产生的碳氢化合物(Hydrocarbon，HC)、氮氧化物(Nitrogen Oxide,NOX)及颗粒物(Particulate Matter,PM)排放的柴油机尾气净化装置及方法。
背景技术
柴油机因其良好的经济性、动力性和可靠性，在农业生产领域得到广泛应用。随着人们环保意识增强，开始关注非道路柴油机(农业机械的主要动力来源)的排放问题。美国自2008年开始实施针对非道路柴油机的排放法规(Environmental Protection AgencyTier 4Emission Standards)；2014年欧洲开始执行针对非道路柴油机实施欧四排放标准；中国于2015年起开始实施“非道路移动机械柴油机排气污染排放限值”的第三阶段。
柴油机有害成分主要有常规气体排放，如NOX、HC等；非常规排放，如醛、酮、酯类、苯类等几十种化合物及PM排放。NOX排放是柴油机尾气排放有害成分中最多的，约占有害排放的50％；其次是PM，CO及HC。
CO是燃油不完全燃烧的产物。HC生成比较复杂，可能来自燃油不完全燃烧、换气和扫气过程燃烧室壁面的淬熄效应，也有可能是燃烧室缝隙效应以及曲轴箱排放和燃油系统的蒸发。NOX排放中NO占90％，NO2占10％。NOX来源有：大气中的氮转化或者燃料中的氮转化(柴油中氮的含量很低，一般不到0.2％)。一氧化氮(Nitric Oxide,NO)主要有火焰中“瞬发”形成和焰后区形成两种，“瞬发”形成的NO量很少，主要是焰后区形成。燃烧温度、氧气浓度及滞留时间是影响NO生成的主要因素。柴油机尾气排放中的PM主要是柴油及润滑油中的碳氢化合物不完全燃烧的产物。NOX生成条件为高温、富氧，而PM的生成条件是高温缺氧下的不完全燃烧，两者之间存在此消彼长的矛盾，因此同时降低NOX、PM排放成为柴油机排放控制的难点。
降低柴油机尾气排放减可以采取三方面措施：燃料处理技术、机内净化技术及尾气后处理装置。随着排放控制法规日趋严格，单纯依靠机内净化技术难以满足对CO、NOX、HC和PM等污染物的排放要求，必须采用尾气后处理装置，对CO、NOX、HC和PM等污染物进行处理。目前柴油机尾气排放的后处理装置主要包括：针对NOX排放的吸附催化还原技术、选择性催化还原技术、选择性非催化还原技术；针对PM排放的DPF，DPF的使用使柴油机排气背压增加，造成NO、NOX及NO2排放升高；柴油机催化氧化装置等，但是后处理技术难以实现NOX与PM的同时处理。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种介质阻挡放电NTP及DPF协同作用柴油机尾气净化装置及方法，其能实现NOX与PM的协同处理。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柴油机尾气净化装置，其特征在于：该装置包括NTP反应器、NTP反应器箱体和DPF装置；所述NTP反应器设置在所述NTP反应器箱体内，所述NTP反应器与所述NTP反应器箱体之间具有空隙，形成放电空腔；所述NTP反应器箱体前后两端分别通过连接法兰与排气管连接，且所述NTP反应器箱体与排气歧管之间具有距离；与所述NTP反应器箱体前端连接的所述排气管为NTP反应器箱体进气端；所述NTP反应器箱体后端经所述DPF装置与所述排气管连接，该排气管为出气端。
进一步，所述DPF装置与所述NTP反应器箱体后端和排气管之间均采用所述连接法兰进行连接。
进一步，所述NTP反应器为平板式介质阻挡反应器，其包括不锈钢固定板、玻纤固定板、高压电极、低压电极和放电间隙；所述不锈钢固定板两端分别设置有所述玻纤固定板，位于两所述玻纤固定板之间设置有若干所述高压电极和低压电极，所述高压电极和低压电极不与所述不锈钢固定板接触；且所述高压电极与所述低压电极交替间隔设置，位于所述高压电极与所述低压电极之间具有放电间隙。
进一步，每个所述高压电极和低压电极上都套设有阻挡介质，构成介质阻挡层。
进一步，所述阻挡介质为石英玻璃管。
进一步，在所述不锈钢固定板一端引出高压电源线和低压电源线，所述高压电源线和低压电源线与NTP电源模块连接；所述NTP电源模块上设置有接地电极。
进一步，所述NTP电源模块能将电源电压转化为9kV～20kV供给所述NTP反应器中的电极。
进一步，所述DPF装置内设置有DPF捕集材料，该DPF捕集材料同时能作为催化剂载体。
进一步，所述DPF捕集材料为泡沫陶瓷。
一种如上述装置的柴油机尾气净化方法，其特征在于包括以下步骤：1)柴油机启动，产生尾气排放，供电装置工作为NTP电源模块供电，由NTP电源模块将电压升高，为NTP反应器提供9kV～20kV高压；2)高压电极和低压电极放电，在NTP反应器的介质阻挡层之间产生NTP，产生的NTP充满NTP反应器箱体中的放电空腔；3)柴油机尾气进入NTP反应器箱体的放电空腔中，通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开，并使其中粒径较大的颗粒物沉降在NTP反应器箱体中，在NTP中的活性成分作用下被氧化；4)尾气中的污染物与NTP中的活性成分发生反应，使部分污染物分子在极短时间内发生分解，转化为水和二氧化碳无害物质，污染物中的NO被氧化为NO2，NO2可用于氧化DPF装置捕集到的PM；5)经上述步骤净化后的柴油机尾气进入DPF装置中，尾气中的颗粒物被DPF捕集材料捕集，停留在DPF装置中；NTP中的活性成分、尾气中NO2、NO被氧化后生成的NO2及尾气中的烃类化合物与捕集到的PM反应，使PM氧化分解，DPF得以再生；6)经处理后的尾气由排气管的出气端排出。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的NTP反应器采用平板式介质阻挡反应器放电产生NTP，利用NTP中的高能电子、离子、自由基和激发态分子等活性成分与柴油机尾气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。2、本发明采用平板式介质阻挡放电反应器，放电电压在9kV～20kV左右，可以使NTP反应器箱体内迅速充满NTP，使得本发明能够在柴油机点火的一瞬间就进入工作状态，极大提高了净化作用。3、本发明中高压电极和低压电极依次按“正-负-正-负”的形式间隔等间距排列并固定在玻纤固定板上，在每个高压电极和低压电极上都套接有石英玻璃管，构成介质阻挡层，NTP反应器的电极不接触废气，可对电极产生有效保护，无需后续耗材。高压施加在该电极上，能够短时间内产生大规模的低温等离子体。此结构设计风阻小，参数一致性好，可以多个模块并联工作，用来处理大流量的废气。4、本发明利用NTP将柴油机尾气中的NO氧化为NO2，NO2可氧化柴油机尾气中的PM、HC等。试验证明经过NTP处理后柴油机尾气排放中HC可降低65％；NO最高可降低91％，NOX最高降低65％，NO2排放最高增加58％；PM最高降低67％。5、柴油机尾气中的HC、NO2及NTP可以将DPF捕集材料捕集到的PM氧化，同时NTP中的活性成分可以降低PM的氧化温度。通过NTP与DPF协同作用可以实现HC最高降低82％；NO最高降低81％％，NOX降低50％以上，NO2最高降低76％，PM降低90％以上。6、本发明DPF的捕集材料可以作为催化剂载体，可选择氧化铝、氧化钛或氧化铈等氧化物作为催化剂，不使用贵金属作为催化剂，在节省成本的同时，还可以避免贵金属催化剂硫中毒。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中NTP反应器结构示意图；
图3是本发明中DPF装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种介质阻挡放电NTP及DPF协同作用的柴油机尾气净化装置，其包括NTP反应器、NTP反应器箱体1和DPF(柴油机微粒捕集)装置2；NTP反应器箱体1采用密封结构。NTP反应器设置在NTP反应器箱体1内，NTP反应器与NTP反应器箱体1之间具有空隙，形成放电空腔，并在NTP反应器箱体1一端设置有高压电源线接口和低压电源线接口。NTP反应器箱体1前后两端分别通过连接法兰3与排气管4连接，且NTP反应器箱体1与排气歧管之间具有距离，在本实施例中，两者之间的距离优选为1000mm。与NTP反应器箱体1前端连接的排气管4为NTP反应器箱体进气端5；NTP反应器箱体1后端经DPF装置2与排气管4连接，该排气管4为出气端6。DPF装置2与NTP反应器箱体1后端和排气管4之间均采用连接法兰3进行连接。使用时，通过NTP反应器放电过程中产生的活性物质使排气管4中尾气颗粒物的氧化温度降低，促进DPF再生及其他污染物的净化。
上述实施例中，位于NTP反应器箱体1前端还设置有进气温度测试点7和进气成分检测点8，用于检测进气温度及进气成分。位于NTP反应器箱体1后端还设置有出气温度测试点9和出气成分检测点10，用于检测从NTP反应器箱体1排出的气体温度及成分。
上述各实施例中，位于DPF装置2两端分别设置有压差计接口11，用于检测DPF捕集PM后DPF前后压力变化；位于DPF装置2中部设置有DPF反应温度检测接口12，用于检测DPF工作过程中的温度变化。
在一个优选的实施例中，如图2所示，NTP反应器为平板式介质阻挡反应器，其包括不锈钢固定板13、玻纤固定板14、高压电极15、低压电极16和放电间隙17。不锈钢固定板13两端分别设置有玻纤固定板14，位于两玻纤固定板14之间设置有若干高压电极15和低压电极16，高压电极15和低压电极16不与不锈钢固定板13接触；且高压电极15与低压电极16交替间隔设置，即依次按“正-负-正-负”的形式间隔等间距设置，位于高压电极15与低压电极16之间具有放电间隙17。其中，在每个高压电极15和低压电极16上都套设有阻挡介质，构成介质阻挡层，使得NTP反应器的电极不接触废气，可对电极产生有效保护，无需后续耗材。在本实施例中，阻挡介质为石英玻璃管。
上述实施例中，在不锈钢固定板13一端引出高压电源线18和低压电源线19，高压电源线18和低压电源线19分别经NTP反应器箱体1上的高压电源线接口和低压电源线接口与NTP电源模块20连接，NTP电源模块20可以将电源电压转化为9kV～20kV伏供给NTP反应器的电极。NTP电源模块20上设置有接地电极21。
在一个优选的实施例中，如图3所示，DPF装置2内设置有DPF捕集材料22。DPF捕集材料22为泡沫陶瓷，例如氧化铝、碳化硅和氧化锆等。该DPF捕集材料22同时可以作为催化剂载体，催化NTP与尾气排放中污染物的反应。
上述各实施例中，NTP反应器箱体1和DPF捕集材料22都采用防腐蚀、耐高温材料，包括不锈钢、玻璃纤维板或石英管等。
综上所述，本发明的装置在使用时，启动柴油机、打开NTP电源模块20为NTP反应器供电。柴油机产生的烟气通过排气管4进入NTP反应器箱体1中，在排气通过NTP反应器的放电间隙17时与NTP中的活性成分(O、O2和O3等)反应，使其中的污染成分得到处理。经过NTP处理后的气体及NTP反应器放电产生的活性成分进入DPF装置2中。排气中的PM在经过DPF装置2中的DPF捕集材料22时被捕集，使PM进一步降低；NTP中的活性成分、排气中的烃类化合物及NO2与被DPF捕集材料22捕集到的PM反应使PM进一步降低。
基于上述装置，本发明还提供一种介质阻挡放电NTP及DPF协同作用的柴油机尾气净化方法，其包括以下步骤：
1)柴油机启动，产生尾气排放，供电装置工作为NTP电源模块20供电，由NTP电源模块20将电压升高，为NTP反应器提供9kV～20kV高压；
2)高压电极和低压电极16放电，在NTP反应器的介质阻挡层之间快速产生NTP，产生的NTP能够快速的充满NTP反应器箱体1中的放电空腔；
3)柴油机尾气进入NTP反应器箱体1的放电空腔中，通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开，并使其中粒径较大的颗粒物沉降在NTP反应器箱体1中，在NTP中的活性成分作用下被氧化；
4)尾气中的污染物与NTP中的活性成分发生反应，使部分污染物分子在极短时间内发生分解，转化为水和二氧化碳等无害物质，污染物中的NO被氧化为NO2，NO2可用于氧化DPF装置2捕集到的PM；
5)经上述步骤净化后的柴油机尾气进入DPF装置2中，尾气中的颗粒物被DPF捕集材料22捕集，停留在DPF装置2中；NTP中的活性成分、尾气中NO2、NO被氧化后生成的NO2及尾气中的烃类化合物可以与捕集到的PM反应，使PM氧化分解，DPF得以再生；如果DPF捕集材料22上分布有催化剂，还可以催化PM以及烃类化合物的氧化，从而完成尾气的处理过程。
6)经处理后的尾气由排气管4的出气端6排出。
上述步骤中，NTP去除柴油机尾气中污染物的基本原理如下：
等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，即电离了的“气体”，由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种状态称为等离子体(俗称电浆)。废气中的污染物质与这些具有较高能量的活性基团发生反应，最终转化为CO2和H2O等物质，从而达到净化废气的目的。
气态污染物：(1)高能电子通过碰撞将能量转移到污染物的分子或原子中，而获得能量的分子或原子被激发，同时部分分子会被电离为活性基团。(2)紫外光子的作用，活性基团从高能激发态向下跃迁时，会产生紫外光子，可以直接作用于害气体，从而使气体分子键断裂得以降解。(3)活性粒子作用，它可直接降解气态污染物，也可与空气、水蒸气和其他分子作用产生新的自由基和激发态物质，从而将有机物进一步降解为CO、CO2、H2O、低分子酸等，整个过程发生的反应包括：
CO+O*→CO2
CO+2OH*→CO2+H2O
3CO+O3→3CO2
HC+O*→CO2+H2O
HC+OH*→CO2+H2O
HC+O3→CO2+H2O
O+NO+M→NO2+M
NO+O3→NO2+O2
2NO+O2→2NO2
SO2+O+M→SO3+M
SO2+OH+M→HOSO2+M
低温等离子体去除颗粒物污染机理包括：(1)物理效应，在放电过程中产生大量电子和正负离子，在电场作用下，与颗粒物污染物发生非弹性碰撞，从而附着在颗粒物上形成荷电颗粒物，在电场作用下运动、被收集。(2)介质阻挡放电作用下生成活性气体(O、O2和O3等)与颗粒物发生氧化反应。(3)尾气中含有的HC与颗粒物可以作为还原剂，与NO2反应生成无害的N2、CO2、H2O等，发生的反应主要有：
HC+O→RO2,RO,OH
SOF+O3→CO(CO2)+O2+H2O
C+2O3→CO2+2O2
C+2O→CO2
DPF处理柴油机尾气的原理为：
柴油机尾气通过时PM经过扩散、截流、惯性碰撞、重力沉降等过程被过滤体捕集。DPF过滤材料的要求有：过滤效率高、排气阻力低、机械强度高和抗振动性能强，耐高温、热冲击性及耐腐蚀性强。DPF使用一段时间后需要借助外界能量提高捕集器内的温度，使PM着火燃烧；或使用催化剂降低PM的着火温度，使PM能在正常的柴油机排气温度下着火燃烧。本发明通NTP反应器放电过程中产生的活性物质使颗粒物的氧化温度降低，促进DPF再生。当DPF捕集材料上附着有催化剂时可以催化DPF再生及其他污染物的净化。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种柴油机尾气净化装置，其特征在于：该装置包括NTP反应器、NTP反应器箱体和DPF装置；所述NTP反应器设置在所述NTP反应器箱体内，所述NTP反应器与所述NTP反应器箱体之间具有空隙，形成放电空腔；所述NTP反应器箱体前后两端分别通过连接法兰与排气管连接，且所述NTP反应器箱体与排气歧管之间具有距离；与所述NTP反应器箱体前端连接的所述排气管为NTP反应器箱体进气端；所述NTP反应器箱体后端经所述DPF装置与所述排气管连接，该排气管为出气端。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述DPF装置与所述NTP反应器箱体后端和排气管之间均采用所述连接法兰进行连接。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述NTP反应器为平板式介质阻挡反应器，其包括不锈钢固定板、玻纤固定板、高压电极、低压电极和放电间隙；所述不锈钢固定板两端分别设置有所述玻纤固定板，位于两所述玻纤固定板之间设置有若干所述高压电极和低压电极，所述高压电极和低压电极不与所述不锈钢固定板接触；且所述高压电极与所述低压电极交替间隔设置，位于所述高压电极与所述低压电极之间具有放电间隙。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于：每个所述高压电极和低压电极上都套设有阻挡介质，构成介质阻挡层。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于：所述阻挡介质为石英玻璃管。
6.如权利要求3所述装置，其特征在于：在所述不锈钢固定板一端引出高压电源线和低压电源线，所述高压电源线和低压电源线与NTP电源模块连接；所述NTP电源模块上设置有接地电极。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于：所述NTP电源模块能将电源电压转化为9kV～20kV供给所述NTP反应器中的电极。
8.如权利要求1至7任一项所述装置，其特征在于：所述DPF装置内设置有DPF捕集材料，该DPF捕集材料同时能作为催化剂载体。
9.如权利要求8所述装置，其特征在于：所述DPF捕集材料为泡沫陶瓷。
10.一种如权利要求8所述装置的柴油机尾气净化方法，其特征在于包括以下步骤：
1)柴油机启动，产生尾气排放，供电装置工作为NTP电源模块供电，由NTP电源模块将电压升高，为NTP反应器提供9kV～20kV高压；
2)高压电极和低压电极放电，在NTP反应器的介质阻挡层之间产生NTP，产生的NTP充满NTP反应器箱体中的放电空腔；
3)柴油机尾气进入NTP反应器箱体的放电空腔中，通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开，并使其中粒径较大的颗粒物沉降在NTP反应器箱体中，在NTP中的活性成分作用下被氧化；
4)尾气中的污染物与NTP中的活性成分发生反应，使部分污染物分子在极短时间内发生分解，转化为水和二氧化碳无害物质，污染物中的NO被氧化为NO2，NO2可用于氧化DPF装置捕集到的PM；
5)经上述步骤净化后的柴油机尾气进入DPF装置中，尾气中的颗粒物被DPF捕集材料捕集，停留在DPF装置中；NTP中的活性成分、尾气中NO2、NO被氧化后生成的NO2及尾气中的烃类化合物与捕集到的PM反应，使PM氧化分解，DPF得以再生；
6)经处理后的尾气由排气管的出气端排出。
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