探讨汽车尾气处理系统

[关键词] 汽车尾气 净化 三元催化 污染 

　　前言 

　　汽车虽然是21世纪最重要的交通工具，但他有许多弊端。 汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染。可以说，汽车是一个流动的污染源。在世界各国，汽车污染早已不是新话题。20世纪40年代以来，光化学烟雾事件在美国洛杉矶、日本东京 汽车排气管排出内燃机废气等城市多次发生，造成不少人员伤亡和巨大的经济损失 

　　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，使城市环境转向恶化。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。 

　　1.当前世界上主流的尾气后处理系统 

　　由于汽油机和柴油机尾气特征的不同，两者的尾气后处理技术有着很大的差别。 

　　1.1汽油机尾气后处理技术路线 

　　汽油机尾气排放特征:常规污染物为HC，CO，NOx，尾气温度有时超过1000℃以上，高空速（30,000－100,000h-1）, 高水蒸气（10％左右）浓度和SOx存在的极端条件下具有高活性和10万公里耐久性要求,且要求低贵金属。 

　　目前国际上普遍采用的满足欧Ⅳ及以上排放标准的汽油机尾气净化技术路线为密偶催化剂（CCC）+三元催化剂(TWC)。 

　　1）密偶催化剂（CCC）： 

　　靠近发动机、解决发动机冷启动时尾气排放。主要功能是降低冷启动时HC的排放量, 大部分HC是冷启动时排出的,这时催化剂未达到起燃温度不能进行反应和发动机启动时处于富油工况，氧化过程因贫氧而不完全。其关键是催化剂的低温活性、高温稳定性、抑制CO的转化和HC的高转化率。 

　　2）三元催化剂（TWC）： 

　　在密偶催化剂（CCC）后，一般安装在汽车底盘下部，低贵金属，高性能及高温抗老化性（10-16万Km耐久试验）。 

　　1.2柴油机尾气后处理技术路线 

　　柴油机尾气排放特征：排放污染物为CO、HC、NOx、PM四种；排放温度低（200-450℃），O2过量，高空速（30, 000-100, 000h-1）和SOx存在。 

　　由于HC和CO的含量较汽油机低，故柴油机尾气净化的重点在于NOx和PM这两种成分，二者是此消彼长的关系。目前满足欧Ⅳ排放标准的柴油机尾气净化技术路线有如下几种： 

　　1）EGR（废气再循环系统）+DOC（柴油催化氧化器） 

　　DOC功能为：氧化HC和CO；氧化PM中的可溶性有机物（SOF）；部分氧化PM中的碳颗粒(SOOT)，起燃温度很低。该系统通过滞后喷油配合EGR技术降低NOx。 

　　2）EGR+DOC+DPF（微粒捕集器） 

　　DPF为一般为壁流式微粒捕集器，有SiC和堇青石两种，SiC耐热震性能好，价格高，制备困难，堇青石价格较低，耐热震不如SiC。DPF能降低PM80%-95%，PM的净化效率是四种技术路线中最高的，但需另加再生装置，否则会使DPF堵塞。 

　　3）EGR+DOC+POC（颗粒催化氧化器） 

　　POC可以捕捉并氧化部分颗粒物，其结构是使废气通过一个多皱褶而不堵塞的通道，排气阻力小，可降低颗粒物中可挥发的有机成分，对颗粒物的转化效率可达到60%以上。POC与DOC配合使用，DOC为POC提供较高的再生温度（250°C-500°C），可实现连续被动再生 

　　4）SCR（选择性催化还原） 

　　该系统通过喷油提前达到机内净化PM的目的，然后利用尿素溶液对NOx进行机外催化净化，反应温度在200°C以上，复合氧化物低温SCR催化剂起燃温度能达到150°C以下。系统使用尿素与水混合成32.5% 的溶液。这种溶液公认的工业商品名称是AdBlue。其成分在DIN 标准No.70070 中有规定。固体或水溶液中的尿素（AdBlue）被分类为非危险品。AdBlue 是一种透明液体，有淡淡的氨水气味。如果溅出，水分蒸发，形成结晶。 

　　该系统结构图如下，AdBlue 存储在一个安装在底盘上的尿素罐中。尿素罐向安装在底盘上的定量给料单元(DU) 供应溶液。DU 由发动机控制模块(ECM) 控制。DU使用来自车辆系统的压缩空气来产生AdBlue喷雾，通过非常精确的计量和泵送系统输送到发动机排气系统内的喷嘴处。喷入排气中的AdBlue 数量由ECM 控制，在任意转速和负载状况下都能与发动机的NOx 输出相匹配。当与高温排气接触时，水迅速蒸发，尿素变成氨。氨与NOx 在催化器内反应，这一过程的结果就是从排气管中排放出无害的N2 和H2O。  

　　 该系统中能够最有效地减少汽车尾气中的含量，降低由于NOx所引起的污染。但是SCR系统存在不少的不足之处，导致其普及率不高。 

　　(1)SCR系统安装复杂，设备成本较高，而且必须在汽车出厂前进行安装； 

　　(2)SCR系统需要消耗由尿素配成的AdBlue溶液，使得汽车使用成本大大 上升，尿素的生产消耗也会引起二级污染； 

　　(3)SCR系统对于汽车尾气中的CO、CH、微粒等污染物没有效果、必须加 装其它净化设备； 

　　(4)SCR系统对汽车智能要求较高，容易引起发动机无法点火。 

　　2.三元催化转化器转化效率的影响因素 

　　2.1温度的影响 

　　每一种催化剂都有其活性温度的上限和下限，温度过高可加快催化剂表面结晶长大，表面积减小，使其活性下降，严重者会产生裂变，使催化剂丧失活性；温度过低，催化活性则不能发挥。发动机的排气温度直接影响着催化转化器内的反应温度。 

　　2.2空速的影响 

　　空速(即空间速度，SV，Space Velocity)为每小时流过催化剂的排气体积流量(换算到标准状态)与催化剂容积之比，其单位为h-1。空速的大小实际上表示了反应气体在催化剂中的停留时间t（单位一般为s）。对于同样的催化剂，在一定条件下，发动机转速大则空速增大，停留时间短，转化率低；相反，发动机转速小则空速降低，停留时间长，其转化率可提高。 

　　2.3排放浓度的影响 

　　排放浓度是指催化转化器入口处污染物的浓度。对汽油机来说，CO和HC的排放浓度在低转速、低负荷时高，在高转速、高负荷时则较低。在某一确定的工况下，催化转化器进口处排放浓度高时转化效率相对较低，进口处排放浓度低时则转化效率相对较高。 

　　2.4空燃比的影响 

　　当TWC工作在空燃比为理论空燃比附近时，才能同时使CO, HC氧化和NOx还原的转化效率都较高。为了保证空燃比的精确控制，发动机一般采用由氧传感器作为回馈组件的空燃比回馈(死循环)电控系统。 

　　2.5燃油和润滑油的品质 

　　汽油中含的铅和润滑油及其添加剂中含的硫、锌、磷等元素易与催化剂活性材料发生反应使其发生相变或覆盖在催化剂活性表面造成催化转化器中毒失效。有实验表明：仅一箱含铅汽油就会使一个新装TWC完全失效。故使用中应选用无铅汽油或含硫、锌、磷低的润滑油。 

　　参考文献 

　　[1] 邱运仁.张启修[期刊论文] -现代化工2001(3). 

　　[2] 稀土基汽车尾气催化剂的研究Ⅱ:稀土助剂对催化活性的影响 - 精细化工 - 2002, 19(12). 

　　[3] 汽车尾气微型净化装置的设计 孟令启 2004 湖南科技大学. 

　　[4] 游小城 湖南科技大学学报：自然科学版 2004 第3期. 

　　[5] 申时忠，杨文毅《臭氧――催化剂法汽车尾气净化器及其净化工艺》1993.4.14.