DNTP-INTP系統(tǒng)內(nèi)部氣流特性及轉(zhuǎn)化柴油機有害排放研究.pdf

1、如何控制柴油機的有害排放物一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。低溫等離子體技術(shù)(Non-thermal Plasma，NTP)是一種新型的工業(yè)去污手段，低溫等離子體中的多種中間態(tài)高能粒子可使常規(guī)狀況下很難實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)得以啟動，具有使用范圍廣泛、轉(zhuǎn)化效率高、耗能低、控制便捷等優(yōu)勢，有可能成為分解柴油機排氣通道中的積碳、超精細PM及NOx等有害排放污染物的主要技術(shù)手段。本文提出了利用DNTP/INTP系統(tǒng)對柴油機的有害排放進行處理的方法，研究了D

2、NTP/INTP系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動、顆粒物沉積以及NTP對不同組分混合氣的作用機理，通過臺架試驗研究了DNTP系統(tǒng)處理柴油機排氣的規(guī)律，驗證了INTP系統(tǒng)再生DPF的可行性，對高效處理柴油機有害排放有重要的現(xiàn)實意義。論文在以下幾方面開展了系統(tǒng)的研究工作：
　　 (1)根據(jù)內(nèi)電極結(jié)構(gòu)特點，建立了氣體進出口中心線相對偏轉(zhuǎn)角度不同的DNTP系統(tǒng)內(nèi)部流場數(shù)學(xué)模型，對其內(nèi)部氣體流動特性進行了計算。結(jié)果表明，當(dāng)氣體進出口中心線相對偏轉(zhuǎn)角度為3

3、0°時，氣流沿著內(nèi)電極外表面螺旋前進，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流動距離延長，增大了氣體與反應(yīng)區(qū)的接觸面積；由反應(yīng)區(qū)出氣口流入總排氣管的氣流發(fā)生交叉，形成了“?！弊中?，四股交叉的氣流相互間并不發(fā)生碰撞，總排氣管內(nèi)湍流動能均呈螺旋星形分布，湍流動能分布更為均勻，有利于氣體流動，同時DNTP系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布更為均勻，改善了氣流在DNTP系統(tǒng)內(nèi)的流動特性。
　　 (2)建立了不同結(jié)構(gòu)DNTP系統(tǒng)內(nèi)部兩相流模型，并對內(nèi)電極結(jié)構(gòu)、進氣流速和微粒粒徑等對

4、微粒軌跡分布和微粒沉積的影響進行了研究。結(jié)果表明，微粒在反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流速較為穩(wěn)定，不易發(fā)生沉積；在內(nèi)電極內(nèi)腔、反應(yīng)區(qū)進氣口左側(cè)的半封閉空間、反應(yīng)區(qū)出氣口右側(cè)的半封閉空間內(nèi)的微粒滯留時間較長、流速較低，易發(fā)生沉積，對反應(yīng)器的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生影響；當(dāng)氣體進出口中心線相對偏轉(zhuǎn)角度為30°時，DNTP系統(tǒng)內(nèi)部的微粒沉積率較低；顆粒物粒徑對其沉積率有較大影響，微粒的沉積率隨著粒徑增大而升高。
　　 (3)對不同噴射角度的INTP系統(tǒng)內(nèi)部活性物

5、質(zhì)軌跡線進行了分析，確定了活性物質(zhì)的噴射角度，分析了噴射速度對活性物質(zhì)與排氣混合的流場分布特性；對利用INTP系統(tǒng)再生DPF進行了試驗研究。結(jié)果表明，當(dāng)噴射角為45°時，活性物質(zhì)與排氣在排氣管中碰撞匯合，形成紊流，從而實現(xiàn)活性物質(zhì)與排氣快速均勻混合，有利于提高活性物質(zhì)對NOx和PM的催化轉(zhuǎn)化效率；提高活性物質(zhì)噴射速度，可增強活性物質(zhì)噴口處的渦流，系統(tǒng)內(nèi)的湍流動能增強，有利于活性物質(zhì)與排氣的快速混合；通過控制INTP系統(tǒng)運行參數(shù)可實現(xiàn)DP

6、F完全再生。
　　 (4)利用氣體配比系統(tǒng)配置不同組分的混合氣，通過模擬試驗，對比研究了采用氣不同結(jié)構(gòu)內(nèi)電極的DNTP系統(tǒng)對混合氣的作用規(guī)律；通過發(fā)射光譜診斷對不同混合氣中N2和NO放電發(fā)射光譜進行試驗研究，對比分析了電極結(jié)構(gòu)、電學(xué)參數(shù)、氣體組分等對NTP中活性物質(zhì)處理NO的反應(yīng)機理及影響規(guī)律，研究了DNTP中活性粒子的能級結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)以及粒子間相互作用規(guī)律等信息，實時監(jiān)測放電空間中生命周期較短的激發(fā)態(tài)粒子和探究激發(fā)態(tài)粒子的核

7、外電子躍遷參數(shù)、光輻射能量，探索了NTP反應(yīng)過程中的微觀機理。結(jié)果表明，①對于不同結(jié)構(gòu)的發(fā)生器，放電功率均隨著電壓峰.峰值的增大而增大；相同電壓峰-峰值時，放電功率隨著氣體體積流量的增大而降低；②對于N2/NO混合氣，當(dāng)氣體進出口相對偏轉(zhuǎn)角度為30°時，系統(tǒng)的放電功率較高；當(dāng)電壓峰.峰值達到17kV時，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的放電更為均勻，NO的轉(zhuǎn)化率即可達到97％，此時所需功率為21W，對應(yīng)的NO-γ帶發(fā)射光譜峰值為3815a.u，N2第二正帶發(fā)射

8、光譜強度峰值為8525a.u；當(dāng)氣體進出口相對偏轉(zhuǎn)角度為0°、電壓峰-峰值為17kV時，NO的轉(zhuǎn)化率約為65％，對應(yīng)的NO-γ帶發(fā)射光譜峰值和N2第二正帶發(fā)射光譜強度峰值分別為22770a.u和5904a.u；③對于N2/NO/C3H6混合氣，采用不同結(jié)構(gòu)的DNTP系統(tǒng)，放電功率均隨著電壓峰-峰值的升高而升高；當(dāng)氣體進出口中心線相對偏轉(zhuǎn)角度為30°時，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的放電更為均勻，放電功率上升更為迅速，當(dāng)C3H6流量為600ml/min時，N

9、Ox的轉(zhuǎn)化率最高；當(dāng)氣體進出口相對偏轉(zhuǎn)角度為0°、C3H6流量為700ml/min時，NOx的轉(zhuǎn)化率最高；對于兩種結(jié)構(gòu)的發(fā)生器，混合氣在反應(yīng)區(qū)內(nèi)均會發(fā)生聚合反應(yīng)，所生成的聚合物為黑褐色，主要組成元素為N、C、H、O，具有較強的吸附作用，同時可吸收氣體放電時產(chǎn)生的發(fā)射光譜；④對于N2/NO/C3H6/O2混合氣，當(dāng)氣體進出口中心線相對偏轉(zhuǎn)角度為30°時，混合氣中的C3H6可參與反應(yīng)使NO轉(zhuǎn)化為NO2；當(dāng)C3H6濃度為1220×10-6、放

10、電功率為16W時，即可轉(zhuǎn)化75％的NO，但NOx的濃度較高；當(dāng)C3H6濃度為200×10-6、放電功率為28W時，混合氣中的NOx即可達到最低值；N2/NO/C3H6/O2混合中的O2的存在對NO(A2∑+)和N2(C3∏u)造成淬滅作用。
　　 (5)開展了DNTP系統(tǒng)實時處理柴油機排氣的臺架試驗研究，分析了經(jīng)DNTP系統(tǒng)處理前后柴油機排氣中CO、NO、NO2、碳煙的變化規(guī)律和反應(yīng)機理；利用INTP系統(tǒng)進行了離線再生DPF的試

11、驗，研究了DPF再生過程中排氣成分的變化規(guī)律和可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)了對DPF的完全再生。結(jié)果表明，隨著柴油機負荷增大，DNTP系統(tǒng)處理前后排氣中的O2含量均呈現(xiàn)降趨勢；柴油機負荷低于75％時，排氣中的CO濃度隨著負荷的增大而降低，經(jīng)DNTP處理后的CO濃度較處理前高；當(dāng)負荷高于75％時，CO濃度隨著負荷的增大而升高；當(dāng)負荷升高至100％時，經(jīng)DNTP系統(tǒng)處理后排氣中的CO較低；排氣中NO的濃度隨著負荷的增大而增大，經(jīng)DNTP系統(tǒng)處理