CN204082267U - 一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置及其方法，该装置包括一段尾气管，尾气管一端为进气口，另一端为排气口，尾气管内壁上下分别设有高压电极和接地电极，高压电极和接地电极上均覆盖有介质层，两个介质层之间形成放电腔，高压电极与接地电极均与高电压发生器连接。本实用新型采用双介质阻拦放电法产生低温等离子体，利用低温等离子体中的高能电子、离子、自由基和激发态分子等活性粒子与尾气中的多种污染物同时作用，使污染物分子在极短的时间内分解，产生无污染物质，不会造成二次污染，以达到降解污染物的目的。本实用新型产生的低温等离子体密度高于普通技术的1500倍，净化率超过90%，高于现行的国五标准和欧四标准。

Description

一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置

技术领域

本实用新型属于废气处理技术领域，具体涉及一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置。

背景技术

汽车尾气的主要有害成分是碳氢化合物(C_nH_m)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NO_x)。传统方法消除汽车尾气中这些有害成分的方案主要有两种：一种是改进发动机的燃烧方式以减少有害气体的排放；另一种是采用催化转化器将尾气中的有害气体净化。早期采用较多的是三效催化剂(英文名为Three-Way Catalyst)，简称TWC。这种催化剂的特性是用一种催化剂能同时净化汽车尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(C_nH_m)和氮氧化物(NO_x)，但为了发挥其催化性能，必须将空燃比经常控制在14.6±0.1附近，这种催化净化器具有较高的净化率，但需要有氧传感器、多点式燃料电子喷射、电子点火等闭路反馈系统相匹配。不过随着近些年来科技的发展以及各传媒的宣传，低温等离子体尾气处理技术已经越来越被人们所熟知。

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”，它呈现出高度激发的不稳定态。如果对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、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）。除了加热之外，还可以利用如加上强电磁场等方法使其解离。按粒子温度划分，可分为平衡态等离子和非平衡态等离子；当电子温度和离子温度相等时，等离子体在宏观上处于热力学平衡状态，因体系温度可达到上万度，故称为高温等离子体，恒星等离子体和热核聚变反应中的等离子体均属于这一类型；当电子温度远远大于离子温度，电子温度可达上万度，而离子和中性离子温度却可低至室温，因此，整个体系的表观温度还是很低，故又称为低温等离子体；一般气体放电所产生的等离子体属于这一类型。

等离子体内部产生富含极高化学活性的粒子，如电子、离子、自由基和激发态分子等。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。该技术节能环保，适用范围广，净化效率高，尤其适用于其它方法难以处理的多组分恶臭气体，如化工、医药等行业。同时该技术占地面积小，电子能量高，几乎可以和所有的恶臭气体分子作用，运行费用低，反应快、停止十分迅速，随用随开。

目前，低温等离子废气处理技术在工业上已广泛得到广泛应用，其中最具活力的当数非平衡态等离子体技术。非平衡态等离子通常采用辉光放电、电晕放电、沿面放电或介质阻挡放电产生。其特点是电子温度远远高于重粒子温度,一般离子和原子之类的重离子温度为300～500K,而电子温度却高达104K以上。这使得电子具有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离,同时反应体系又得以保持低温。但普通技术形成的等离子体能量和浓度达不到处理汽车尾气的目的和效果，要提高非平衡态等离子体对尾气中一氧化碳、氮氧化物、未燃碳氢化合物等有害气体的脱除率,就需要有能提供较高能量的放电电场,提高电场强度和电场中电子的能量成为解决问题的关键。

综上所述，如要将先进的低温等离子体废气处理技术应用在汽车尾气处理中，则至少需要克服三个难点。一是一次性投资稍高，尤其是当采用介质阻挡放电法时，其中的介质一般采用的都是金属材料，尤其如铂铑合金，价格昂贵，在普通汽车上根本无法实施。二是工作温度要求高，传统的低温等离子体废气处理技术采用的是热触媒，当工作温度要达到400℃时才会产生等离子体，而汽车刚发动往往就会产生尾气，这时工作温度远未达到要求，使得净化效果不佳。三是虽然目前市面上有少量利用等离子体技术的尾气处理装置，但所采用的方法为电晕放电法，产生的等离子密度不高，远远无法满足汽车尾气的净化要求。

实用新型内容

为了满足上述需求，解决现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种汽车尾气处理的装置,基于低温等离子体废气处理技术，净化效率高，成本相对较低。

    为解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，包括一段设置在排气系统中排气歧管与消音器之间的尾气管，所述尾气管的一端为进气口，另一端为排气口，所述尾气管上内壁设置有高压电极，所述尾气管下内壁设置有接地电极，所述高压电极和所述接地电极上均覆盖有介质层，所述的两个介质层之间形成放电腔，所述放电腔的前半部分为预处理段，所述放电腔的后半部分为净化段，所述高压电极与所述接地电极分别通过高电压发生器与供电装置连接。

进一步的，所述介质层的材料为金属氧化物，包括铂铑合金氧化物。

进一步的，所述供电装置包括发电机和汽车电池中的一种或两种。

进一步的，所述尾气管的制作材料为防腐蚀材料，包括不锈钢等。

    本实用新型的运行流程包括以下步骤：

步骤1）汽车发动机启动，产生尾气，同时所述供电装置工作供电；

步骤2）所述高电压发生器将所述供电装置产生的低压电转换成高压电，为所述高压电极和所述接地电极提供30万伏或以上的高压电；

步骤3）所述高压电极和所述接地电极放电，在所述的两个介质层之间快速产生低温等离子体，所述低温等离子体迅速充满所述放电腔；

步骤4）尾气从所述尾气管的进气口进入所述放电腔的预处理段，所述预处理段将尾气中的污染物进行物理式的预处理，即通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开,并将其中的固态颗粒直接排出；

步骤5）经上述步骤预处理后的尾气从所述预处理段进入所述放电腔的净化段，尾气中的气态污染物与低温等离子体中的活性粒子发生反应，使污染物分子在极短时间内发生分解，最终转化为无害物质；

步骤6）经上述步骤净化后的尾气从所述尾气管的排气口排除，完成尾气处理过程。

低温等离子体去除汽车尾气中污染物的基本原理如下：

汽车尾气中含有150～200种不同的化合物，其主要有害成分为：未燃烧或燃烧不完全的CH、NO_x、CO、CO₂、SO₂、H₂S以及微量的醛、酚、过氧化物、有机酸和含铅、磷汽油所形成的铅、磷污染等。其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及颗粒物。有害气体扩散到空气中造成空气污染，主要有害成分是碳氢化合物(C_nH_m)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NO_x)。这三种物质对人体都有毒害，其中C_nH_m及NO_x在阳光及其他适宜条件下还会形成光化学烟雾，危害更大。

普通技术产生的等离子体能量和浓度达不到处理汽车尾气的目的和效果，而通过专有介质阻挡技术形成的低温等离子体，其浓度高于其它等离子体技术的几千倍，要提高非平衡等离子体对尾气中一气化碳、氮氧化物、未燃碳氢化合物等有害气体的脱除率,就需要有能提供较高能量的放电电场。

通过改进介质阻挡放电的方法和工艺,实现强电离放电，在放电极和接地极之间加上f为5kHz-20kHz，峰值V为8kV-20kV,放电能流密度I为211W/cm2左右,上升速率dv/dt大于15kV/μs的外加电压。由于放电是在金属电极与介质层之间产生的,电介质的存在导致持续时间为ns量级、通道直径为几十乃至上百μm的、时间与空间上随机分布的微小脉冲状放电(微放电),此阶段持续时间大约为2ns。放电间隙里形成≥400Td的强电场。电子从电场获得平均能量大于10eV。强电离放电所形成的非平衡态等离子体中含有的大量高能电子、离子、激发态粒子其平均能量高于一般气体分子分解、分解电离、分解附着等过程所需的激励能量。这些活性粒子和有害分子NO_x、CO、C_nH_m等相互碰撞使得气体分子键被打开生成一些单原子分子和固体微粒如C等同时产生大量OH^-、O^2-等自由基。由这些单原子、分子和自由基等组成的活性粒子（活性基团）所引起的化学反应最终将汽车尾气中的有害物质在极短时间内发生分解，变成无害物质排除，以达到降解污染物的目的。其反应机理如下：

电场 + 电子 → 高能电子；

                     受激原子

高能电子 + 污染物 → 受激分子 → 活性基团；

                     自由基

活性基团 + 氧气 → 生成物 + 热；

活性基团 + 活性基团 → 生成物 + 热。

本实用新型采用低温等离子体的直接氧化还原法，通过介质阻挡放电使得由发动机排出的尾气等离子化，由于等离子化后的尾气中含有足够的激发态的活性氧，极易与CO、C_nH_m发生反应；同时尾气中含有的C_nH_m和炭黑粒子又可以直接作为还原剂，在等离子区域与NO_x化合，生成无害的N2、CO₂和H₂O。其化学反应机理如下：

(1)CO + O·→ CO₂；

(2)NO + O·→ NO₂； 

(3)2NO₂ + 2e3 → N₂ + 2O₂ + 2e；

(4)NO₂ + e3 → NO + O + e；

(5)NO₂ + e3 → N + O₂ + e；

(6)SO₂ + e3 → S + O₂ + e；

(7)C_nH_m + (2n+m/2)O·→ nCO₂ + (m/2)H₂O；

其中,e3为高能电子,e为碰撞后的低能电子。

从以上过程可以看出，在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，电子首先从电场获得能量，通过电离将能量转移到分子或原子中去，获得能量的分子或原子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团；之后这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。另外，高能电子也能被卤素和氧气等电子亲和力较强的物质俘获，成为负离子。这类负离子具有很好的化学活性，在化学反应中起着重要的作用。通过一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而使汽车尾气得以降解去除。

低温等离子体将汽车尾气中的污染物做如下分解：

1、预处理阶段：

预处理段将尾气中的污染物进行物理式的预处理，即通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开,如烟尘（PM2.5）通过电位、电流和颗粒抱团的方式形成颗粒排放物，直接从排气口吹出；

2、尾气气态污染物净化阶段：

H₂O → H⁺ + OH^-；

其中，OH^-通过双介质阻拦可防止其他污染物分解时臭氧的产生；

SO₂ → S + O₂；

CO → C + O₂； 

氮氧化物 → N₂ + O₂;

可挥发性烃类 → CO₂ + H₂O。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型采用双介质阻拦放电法产生低温等离子体，利用低温等离子体中的高能电子、离子、自由基和激发态分子等活性粒子与汽车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。通过本实用新型的方法产生的低温等离子体密度高于电晕放电法的1500倍，污染物分解超过90%，高于现行的国五标准和欧四标准。

2、本实用新型采用电触媒取代传统的热触媒。传统热触媒方式需要加热到400℃时，电极之间才会产生低温等离子体，而本实用新型采用高电压发生器对电极输送30万伏或以上的高压，放电腔内迅速充满低温等离子体，使得本实用新型能够在汽车发动机点火的一瞬间就进入工作状态，大大提高了净化作用。

3、本实用新型介质层的制作材料采用金属氧化物，取代传统的金属材料。传统的双介质阻拦放电法，其双介质层通常采用如铂铑合金，成本极高。而本实用新型采用了金属氧化物作为双介质层的材料，在产生低温等离子体效果相当的情况下，生产成本大大降低。

4、本实用新型由于采用专有双介质阻挡技术，电极本身不接触废气，有效对电极进行保护处理，无需后续耗材。

5、本实用新型由于采用低温等离子体技术，产生大量满足汽车尾气处理的OH^-，OH^-可防止其他污染物分解时臭氧的产生，经处理的气体不会形成二次污染。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施案例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施案例及其附图详细给出。

附图说明

 此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

 图1为本实用新型的整体结构示意图；

 图2为本实用新型一种实施例的结构示意图。

 图中标号说明：1、尾气管；2、高压电极；3、接地电极；4、介质层；501、净化段；502、预处理段；6、供电装置；601、发电机；602、汽车电池；7、高电压发生器。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

参见图1所示，一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，包括一段设置在排气系统中排气歧管与消音器之间的尾气管1，所述尾气管1的一端为进气口，另一端为排气口，所述尾气管1上内壁设置有高压电极2，所述尾气管1下内壁设置有接地电极3，所述高压电极2和所述接地电极3上均覆盖有介质层4，所述的两个介质层4之间形成放电腔，所述放电腔的前半部分为预处理段502，所述放电腔的后半部分为净化段501，所述高压电极2与所述接地电极3分别通过高电压发生器7与供电装置6连接。

实施例1

参见图2所示，一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，包括一段设置在排气系统中排气歧管与消音器之间的，并且由不锈钢制成的尾气管1，所述尾气管1的一端为进气口，另一端为排气口，所述尾气管1上内壁设置有高压电极2，所述尾气管1下内壁设置有接地电极3，所述高压电极2和所述接地电极3上均覆盖有介质层4，所述介质层4材料为铂铑合金氧化物，所述的两个介质层4之间形成放电腔，所述放电腔的前半部分为预处理段502，所述放电腔的后半部分为净化段501，双介质层的阻挡放电不直接与放电气体发生接触，避免了电极腐蚀，所述高压电极2和所述接地电极3均通过高电压发生器7连接到发电机601和汽车电池602上。

本实施例的运行流程包括以下步骤：

步骤1）汽车发动机启动，产生尾气，同时所述发电机601和所述汽车电池602工作供电。

步骤2）所述高电压发生器7将所述发电机601和所述汽车电池602产生的低压电转换成高压电，为所述高压电极2和所述接地电极3提供30万伏或以上的高压电。

步骤3）所述高压电极2和所述接地电极3放电，在所述的两个由铂铑合金氧化物制成的介质层4之间快速产生低温等离子体（电浆），所述低温等离子体迅速充满所述放电腔。

步骤4）尾气从所述尾气管1的进气口进入所述放电腔的预处理段502，所述预处理段502将尾气中的污染物进行物理式的预处理，即通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开,并将其中的固态颗粒直接排出；

步骤5）经上述步骤预处理后的尾气从所述预处理段502进入所述放电腔的净化段501，利用低温等离子体中的高能电子、离子、自由基和激发态分子等活性粒子（活性基团）与尾气中的气态污染物作用，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。

低温等离子体去除污染物的基本原理如下：

电场 + 电子 → 高能电子；

                     受激原子

高能电子 + 污染物 → 受激分子 → 活性基团；

                     自由基

活性基团 + 氧气 → 生成物 + 热；

活性基团 + 活性基团 → 生成物 + 热。

本实用新型采用低温等离子体的直接氧化还原法，通过介质阻挡放电使得由发动机排出的尾气等离子化，由于等离子化后的尾气中含有足够的激发态的活性氧，极易与CO、C_nH_m发生反应；同时尾气中含有的C_nH_m和炭黑粒子又可以直接作为还原剂，在等离子区域与NO_x化合，生成无害的N2、CO₂和H₂O。其化学反应机理如下：

(1)CO + O·→ CO₂；

(2)NO + O·→ NO₂；

(3)2NO₂ + 2e3 → N₂ + 2O₂ + 2e；

(4)NO₂ + e3 → NO + O + e；

(5)NO₂ + e3 → N + O₂ + e；

(6)SO₂ + e3 → S + O₂ + e ；

(7)C_nH_m + (2n+m/2)O·→ nCO₂ + (m/2)H₂O；

其中,e3为高能电子,e为碰撞后的低能电子。

从以上过程可以看出，在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，电子首先从电场获得能量，通过电离将能量转移到分子或原子中去，获得能量的分子或原子被激发，同时有部分分子被电离，从而成为活性基团；之后这些活性基团与分子或原子、活性基团与活性基团之间相互碰撞后生成稳定产物和热。另外，高能电子也能被卤素和氧气等电子亲和力较强的物质俘获，成为负离子。这类负离子具有很好的化学活性，在化学反应中起着重要的作用。通过一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而使污染物得以降解去除。

汽车尾气的主要成分是：污染物、二氧化碳和水，污染物中包含有烟尘、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物以及可以挥发性烃类。低温等离子体将汽车尾气中的污染物做如下分解：

    1、预处理阶段：

预处理段将尾气中的污染物进行物理式的预处理，即通过离子化的过程，把尾气中的固态和气态成分有效分开,如烟尘（PM2.5）通过电位、电流和颗粒抱团的方式形成颗粒排放物，直接从排气口吹出；

2、尾气气态污染物净化阶段：

H₂O → H⁺ + OH^-；

其中，OH^-通过双介质阻拦可防止其他污染物分解时臭氧的产生；

SO₂ → S + O₂；

CO → C + O₂； 

氮氧化物 → N₂ + O₂;

可挥发性烃类 → CO₂ + H₂O。

步骤6）经上述步骤净化后的尾气从所述尾气管1的排气口排除，完成尾气处理过程，尾气净化率高达90%，高出现行的国五标准和欧四标准。

    以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，其特征在于：包括一段设置在排气系统中排气歧管与消音器之间的尾气管（1），所述尾气管（1）的一端为进气口，另一端为排气口，所述尾气管（1）上内壁设置有高压电极（2），所述尾气管（1）下内壁设置有接地电极（3），所述高压电极（2）和所述接地电极（3）上均覆盖有介质层（4），所述的两个介质层（4）之间形成放电腔，所述放电腔的前半部分为预处理段（502），所述放电腔的后半部分为净化段（501），所述高压电极（2）与所述接地电极（3）分别通过高电压发生器（7）与供电装置（6）连接。

2.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，其特征在于：所述介质层（4）的材料为金属氧化物，包括铂铑合金氧化物。

3.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，其特征在于：所述供电装置（6）包括发电机（601）和汽车电池（602）中的一种或两种。

4.根据权利要求1所述的基于低温等离子体的汽车尾气处理的装置，其特征在于：所述尾气管（1）的制作材料为防腐蚀材料，包括不锈钢。