一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法，屬于環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法。其特征是把氧等離子體O2+、O+、O2－、O－、O、O2－(a1Δg)、O3注入柴油機(jī)尾氣排放管道中，其中O2+與尾氣中水反應(yīng)生成羥基自由基OH，它與尾氣中NOx、SO2反應(yīng)生成硝酸、硫酸霧，在靜電場作用下形成資源物質(zhì)硝酸溶液；或用Ca(OH)2把硝酸無害化處理成Ca(NO3)2，與此同時(shí)消除尾氣中CO、HC、碳粒，等離子體消除柴油機(jī)尾氣中污染效率達(dá)到85%～99.8%。
【專利說明】一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)與工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]柴油機(jī)尾氣排放的污染物已經(jīng)危害人們賴以生存的環(huán)境，在柴油機(jī)尾氣中最難處理的兩種污染物，一是氣體污染物NOx、HC、CO、SO2等；二是固體碳煙顆粒(PM)。目前主要采用選擇性催化還原法(SCR)只能凈化柴油機(jī)尾氣中NOx，通常采用NH3作為還原劑，NOx在以貴重金屬、堿金屬氧化物或沸石等催化劑作用下被NH3還原成N2、H2O,反應(yīng)適宜溫度為285°C~400°C。柴油機(jī)尾氣中NOx通過氧化催化轉(zhuǎn)化器、SCR催化器、防逸氧化催化器、液NH3及其氣化反應(yīng)器等組成龐大復(fù)雜的NH3-SCR系統(tǒng)后，把尾氣NOx還原成N2、H2O, NH3-SCR法只解決了柴油機(jī)尾氣脫硝的目的。
[0003]采用顆粒物捕集器(DPF)捕集柴油機(jī)尾氣中碳粒，捕集器的壓力隨碳粒捕集而降低。當(dāng)捕集量超過一定體積時(shí)需再生，采用燃燒燃油或電加熱到550°C~600°C以上。將碳粒高溫氧化成CO2無害氣體，解決了捕集器阻塞問題。
[0004]現(xiàn)有NH3-SCR法和DPF法存在問題是需要貴重金屬、喊金屬等制成催化劑、還原劑NH3，運(yùn)行成本高； 需增添氧化催化轉(zhuǎn)化器、SCR催化轉(zhuǎn)化器、防逸氧化催化轉(zhuǎn)化器、液NH3I存罐及其氣體反應(yīng)器等復(fù)雜龐大的系統(tǒng)裝置。進(jìn)而造成一次性投資和運(yùn)行成本高，此法只解決NOx污染問題，并沒有解決柴油機(jī)尾氣中HC、CO、SO2等氣體污染問題；碳粒燃燒能耗高，操作繁瑣等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明克服了現(xiàn)有柴油機(jī)尾氣凈化的不足，提供了一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法。該方法是把具有高活性、高能量的氧等離子體注入柴油機(jī)尾氣外排管道中，等離子體中正離子O2+與尾氣中水分子反應(yīng)生成羥基自由基0H。由于羥基自由基具有高氧化電位(2.80￥)和高反應(yīng)速率常數(shù)(1.0父10_1(>3人)的特點(diǎn)，保證了羥基自由基能在柴油機(jī)尾氣外排管道中就能消除煙氣中N02、S02，并生成酸霧，經(jīng)電除酸霧器捕集成化工資源硝酸、硫酸溶液；或者再用Ca(OH)2處理成Ca (NO3) 2、CaSO4 ;同時(shí)又把HC處理成C02、H2O ;另一種具有較高氧化能力的三原子氧組成的臭氧O3又將柴油機(jī)尾氣中NO氧化成NO2,為消除NO提供必備條件；同時(shí)又把尾氣中CO氧化成C02、02 ；03又把碳粒氧化成CO2和O2，解決了顆粒捕集器隨碳粒捕集而壓力降低及其再生等問題。本發(fā)明只采用等離子體注入柴油機(jī)尾氣排放管道的凈化方法，同時(shí)解決了柴油機(jī)尾氣中NOx、SO2, CO、HC和碳粒五個(gè)污染物問題。實(shí)現(xiàn)了不用氧化催化劑、不用還原劑、不用添置多種復(fù)雜裝置、不產(chǎn)生任何污染的副產(chǎn)品、不對環(huán)境產(chǎn)生任何負(fù)面影響。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)所采用技術(shù)方案是:
[0007]第一步，制取等離子體
[0008]采用小型化窄間隙介質(zhì)阻擋強(qiáng)電場電離放電方法把O2制成濃度達(dá)到80mg/L~400mg/L 的 02+、O3> O+、O2 ―、O —、O、O2 — (a1 Δ g)、O(1D)等氧等離子體。在距離為 0.05mm ~
0.2mm的放電極板與接地極之間放電間隙中建立折合電場強(qiáng)度為300Td~500Td的電離放電電場，電子從電場中獲得平均能量達(dá)到7eV~9eV，電子具有能量是按麥克斯韋規(guī)律分布，其中大部分電子所具有的最有用能量O 12.5eV)將沉積在O2上，足以把O2離解、電離成高濃度等離子體，并在電場參數(shù)調(diào)控下分別定向生成02+、O3> O+、O2 一、O一、O、O2 — (a1 Ag)、O(1D),其中O+、O —、O、O2 — (a1 Ag)、O(1D)等也將進(jìn)一步參與等離子體化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)物也將是O2+、O3，由于O2 —具有能量很低，不具有參與等離子體化學(xué)反應(yīng)條件，最終只有O2+、O3等分子被注入煙道中參加柴油機(jī)尾氣凈化的等離子體化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生等離子體反應(yīng)模式如圖2中I強(qiáng)電離放電電場產(chǎn)生等離子體反應(yīng)模式所示，其等離子體反應(yīng)式:
[0009]e+02 — 02 +2θ
[0010]θ+02 — O +0+2θ[0011 ] θ+02 — O +0
[0012]e+02 — O2 (a1 Δ g) +e
[0013]e+02 — 0+0 (1D) +e
[0014]e+02 — 0+0+e
[0015]e+02 (a1 Δ g) — 0++0+2 e
[0016]e+02 (a1 Δ g) — 02++2e
[0017]0 (1D) +O2 — 0+02 (a1 Δ g)`[0018]02+0+ — 02 +0
[0019]202 (a1 Δ g) +O2 ^ 203
[0020]O2 (a1 Δ g) +0 — 03+e[0021 ] O2 (a1 Δ g) +0 — O2 +0
[0022]0+02 — O3
[0023]本發(fā)明采用介質(zhì)阻擋間隙為0.05mm~0.2mm的強(qiáng)電離放電方法構(gòu)建等離子體源7ο向柴油機(jī)尾氣排放管道提供等離子體的濃度達(dá)到80mg/L~400mg/L。
[0024]第二步，在柴油機(jī)尾氣排放管道中制取OH
[0025]將等離子體源產(chǎn)生的等離子體注入排氣管道中，注入等離子體濃度80mg/L~400mg/L。在柴油機(jī)尾氣排氣管道中的O2+與柴油機(jī)尾氣中水反應(yīng)生成水合離子O2+.H2O,O2+.H2O再與柴油機(jī)尾氣中水反應(yīng)生成羥基自由基OH ;而O3與NOx (NCHNO2)中的NO反應(yīng)生成NO2, O3與尾氣中CO反應(yīng)生成C02，OH與N02、SO2反應(yīng)生成酸霧，OH再與CH反應(yīng)生成CO2和H20。其等離子體反應(yīng)模式如圖2中2是在柴油機(jī)外排尾氣管道中的OH形成及消除污染物化學(xué)反應(yīng)模式所示，其等離子體反應(yīng)式:
[0026]03+N0 — N02+02
[0027]03+C0 — C02+02
[0028]02 +H20 — O2+.H2O
[0029]O2+.H2CHH2O — Η30++0Η+02
[0030]N02+0H — HNO3
[0031]S02+20H — H2SO4
[0032]羥基自由基OH濃度達(dá)到3mg/L~150mg/L，反應(yīng)速率常數(shù)為10—15cm3/s~10—1Gcm3/So
[0033]第三步，在柴油機(jī)排氣管道中實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)尾氣凈化
[0034]反應(yīng)溫度控制在30°C?200°C，等離子體化學(xué)反應(yīng)速率為10-15cm3/s?IO-ltlCmVs ;反應(yīng)時(shí)間為50μ s?50ms，在排氣管道中NOx、SO2形成酸霧，含有酸霧尾氣進(jìn)入電除酸霧器中被捕集成硝酸、硫酸混合溶液，凈化后柴油機(jī)尾氣外排出去。電除酸霧器內(nèi)的電場強(qiáng)度控制在0.8kV/cm?30kV/cm。其等離子體化學(xué)反應(yīng)模式如圖2中2柴油機(jī)外排尾氣管道中OH形成及消除污染物化學(xué)反應(yīng)模式所示。其反應(yīng)式:N02+0H — HNO3, S02+20H — H2SO4,HC+OH+O3 — H2CHCO2+1/202。
[0035]本發(fā)明把等離子體注入柴油機(jī)尾氣排放管道中，O2+與柴油機(jī)尾氣中水反應(yīng)生成OH ；03又分別把柴油機(jī)尾氣中NO、CO分別氧化成N02、CO2, OH與N02、SO2反應(yīng)生成硝酸、硫酸霧，OH、O3又把HC氧化成H20、CO2，這些反應(yīng)屬于高級(jí)氧化技術(shù)首次應(yīng)用在凈化柴油機(jī)尾氣的新領(lǐng)域。由于其化學(xué)反應(yīng)速率快，比目前現(xiàn)有柴油機(jī)尾氣凈化方法高出3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，所以凈化柴油機(jī)尾氣的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間僅為50μ s?50ms，因而可以實(shí)現(xiàn)在柴油機(jī)尾氣排放管道中完成柴油機(jī)尾氣凈化全過程，其流程大幅度縮短。
[0036]本發(fā)明裝置數(shù)量少，大幅度降低設(shè)備投資和運(yùn)行成本，降低能耗；實(shí)現(xiàn)了不用外加氧化催化劑，不用NH3作為還原劑凈化柴油機(jī)尾氣；也相應(yīng)降低了運(yùn)行成本。本發(fā)明不產(chǎn)生其它污染物，解決了目前柴油機(jī)尾氣凈化存在環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境零污染，并達(dá)到了高級(jí)氧化技術(shù)原則的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038]圖1是本發(fā)明工藝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2是等離子體產(chǎn)生及消除柴油機(jī)尾氣污染物的化學(xué)反應(yīng)模型圖。
[0040]圖3是等離子體與NOx、SO2, HC、碳粒摩爾比η對消除率影響曲線圖。
[0041]圖4是反應(yīng)時(shí)間對柴油機(jī)尾氣消除率影響曲線圖。
[0042]圖中:1空氣；2柴油；3柴油機(jī)；4柴油機(jī)尾氣；5排氣管道；6等離子體；7等離子體源；8高頻高壓電源；9含有酸霧尾氣；10電除酸霧器；11放電極；12絕緣子；13高壓電纜；14直流高壓電源；15凈化后柴油機(jī)尾氣；16硝酸硫酸混合溶液；17閥體；18槽；19Ca(OH)2 ;20Ca(NO3)2 和 CaS04。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明采用窄間隙介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電方法構(gòu)建等離子體源7，由高頻高壓電源8向等離子體源提供高頻高壓，等離子體源中的放電間隙中形成折合電場強(qiáng)度達(dá)到300Td?500Td的強(qiáng)電離電場，O2經(jīng)強(qiáng)電離放電電場離解、電離后形成濃度達(dá)到80mg/L?400mg/L的等離子體6 (02+、02—、Oja1 Ag)、O3等)。本發(fā)明總體實(shí)施方案如圖1所示。首先把等離子體6注入柴油機(jī)3排氣管道5中，等離子體6將碳煙顆粒氧化成CO2和H2O ;同時(shí)在排氣管道5中把含NOx、SO2, HC和碳粒的柴油機(jī)尾氣4中NO氧化成NO2, O3又把CO氧化C02、O2 ;等離子體6中O2+與柴油機(jī)尾氣4中的水反應(yīng)生成0H，它與尾氣中N02、SO2反應(yīng)生成硫酸、硝酸霧；含有酸霧氣體9進(jìn)入電除酸霧器10，由直流高壓電源14輸出高電壓經(jīng)高壓電纜13、絕緣子12施加到電除酸霧器10中放電極11上，放電極11與電除酸霧器10外殼形成高壓靜電場；硝酸、硫酸霧在靜電場中經(jīng)荷電凝并增粗后，在庫侖力作用下被捕集到電除酸霧器10壁上，液體硝酸、硫酸顆粒順著電除酸霧器10壁流下形成硝酸、硫酸混合溶液16，再經(jīng)閥體17排放到槽18中作為化工資源硝酸、硫酸回收，或與Ca(OH)219反應(yīng)生成無害的 Ca(NO3)JP CaS0420。
[0044]本發(fā)明實(shí)施結(jié)果如圖3、4所示。從圖4的等離子體與NOx、SO2, HC和碳粒摩爾比η對消除率影響曲線可知，當(dāng)?shù)入x子體與NOx、SO2> HC和碳粒摩爾比η分別為1.6、4、1.6、4時(shí)，NOx、SO2, HC及碳粒消除率分別達(dá)到97%、85%、96%、98%。從圖4的反應(yīng)時(shí)間對柴油機(jī)尾氣污染物消除率影響曲線可知，當(dāng)柴油機(jī)尾氣中NOx、S02、HC及碳粒脫除反應(yīng)時(shí)間> 0.5ms時(shí)，NOx、SO2, HC及碳粒消除率分別達(dá)到96%、85%、97%、98%。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法，其特征包括以下步驟: 第一步，將濃度為80mg/L?400mg/L含有02+、03的等離子體注入柴油機(jī)尾氣排放管道中，在管道中消除柴油機(jī)尾氣中N0x、S02、C0、HC和碳粒； 第二步，在柴油機(jī)尾氣排氣管道5中的O2+與柴油機(jī)尾氣中水反應(yīng)生成水合離子O2+.H2O, O2+.H2O再與柴油機(jī)尾氣中水反應(yīng)生成羥基自由基OH ;而O3與NOx (NCHNO2)中的NO反應(yīng)生成NO2, O3與尾氣中CO反應(yīng)生成C02，OH與N02、SO2反應(yīng)生成酸霧，OH再與CH反應(yīng)生成CO2和H2O ;羥基自由基OH濃度達(dá)到3mg/L?150mg/L，反應(yīng)速率常數(shù)為l(T15cm3/s?10 10cm3/s ； 第三步，在柴油機(jī)排氣管道中，反應(yīng)溫度控制在30°C?200°C，等離子體化學(xué)反應(yīng)速率為lCT15cm3/s?lCrlclcm3/s ;反應(yīng)時(shí)間為50 μ s?50ms,在排氣管道中N0x、S02形成酸霧，含有酸霧尾氣進(jìn)入電除酸霧器中被捕集成硝酸硫酸混合溶液，凈化后柴油機(jī)尾氣外排；電除酸霧器內(nèi)的電場強(qiáng)度控制在0.8kV/cm?30kV/cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法，其特征在于制備等離子體源的電離放電電場折合電場強(qiáng)度為300Td?500Td，電子具有平均能量達(dá)到7eV?9eV。
3.用于權(quán)利要求1或2所述的一種等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法，其特征在于，制備高濃度等離子體的等離子體源是采用窄間隙介質(zhì)阻擋放電方法，放電間隙為0.05_?0.2mmο
4.用于權(quán)利要求3所述等離子體凈化柴油機(jī)尾氣方法的消除柴油機(jī)(3)尾氣污染物的裝置，其特征在于，消除柴油機(jī)(3)尾氣污染物的裝置包括排氣管道(5)、高頻高壓電源(8)、等離子體源(7)、電除酸霧器(10)，電除酸霧器中又包括放電極(11)、直流高壓電源(14)、高壓電纜(13)、絕緣子(12)。
【文檔編號(hào)】B01D53/92GK103768942SQ201410059174
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】白敏菂 申請人:大連海事大學(xué)