于明暉，巴興強*，周建，左成強，趙琪琤，張麗莉

(1.東北林業(yè)大學 交通學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站，哈爾濱 150000)

柴油車尾氣中NOX綜合控制技術

于明暉1，巴興強1*，周建1，左成強1，趙琪琤2，張麗莉1

(1.東北林業(yè)大學 交通學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測中心站，哈爾濱 150000)

車用柴油發(fā)動機具有良好的動力性、經濟性和耐久性，汽車柴油化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢，但其主要排放污染物NOX的危害也不可忽視，對車用柴油發(fā)動機NOX的排放控制，已成為當今業(yè)內研究的熱點問題。本文主要評述現已較為成熟的SCR技術的優(yōu)缺點，研究堿性燃燒技術對柴油車產生NOX的控制效果，并設計一套高效低成本的綜合處理NOX裝置。研究表明，堿性燃燒技術對NOX控制效果明顯，NOX生成量僅是正常燃燒的60%～70%。所設計的綜合裝置能處理正常燃燒時生成NOX的90%左右，且低能耗高效率，有待于研究推廣。

柴油車排放控制；NOX控制技術；堿性燃燒；SCR技術

0 引言

目前，全球車用動力“柴油化”的趨勢已日益明顯。但傳統(tǒng)柴油車用發(fā)動機仍存油耗大、污染大、噪聲大和體型大的問題。因而，降低柴油機尾氣排放中的污染物迫在眉睫。柴油車中CO和HC的排放量極少，主要污染物是NOX和PM[1]。國內雖研究并采取一些柴油車尾氣凈化處理技術，但效果不佳。本研究擬采用柴油車機內、機外綜合處理技術，以降低排氣中的NOX含量，使之達到國家排放標準。

1 SCR技術

為了滿足日益苛刻的排放法規(guī)，僅憑尚未完善的機內凈化技術而沒有發(fā)動機后處理技術的參與似乎不太可能，柴油機尾氣后處理研究圍繞著NOX和PM展開均已出現諸多的凈化措施，柴油車尾氣凈化技術主要包括氧化催化劑(DOC)、柴油機顆粒物過濾器(DPF)和凈化(De-NOX)催化劑(NH3-SCR、HC-SCR、NSR)。本文針對柴油車尾氣中的NOX選用技術相對成熟、處理相對充分的SCR技術(選擇性催化還原NOX技術，即為在含氧條件下使還原劑優(yōu)先與NOX發(fā)生化學反應而不直接與O2反應)作了詳細的闡述。

SCR技術目前廣泛利用V2O5/TiO2作催化劑，選擇的還原劑[8]主要分為NH3和HC兩大類，雖然用NH3作還原劑[9]是目前還原效率很高的一種減少NOX排放的方法，但該技術的缺點是對氨氣的流量都有較高的要求，并且氨氣的成本較高，由于氨氣的強刺激性與毒性，在使用過程中NH3的泄漏和未反應的NH3的排放又會造成二次污染，考慮到這些因素，經過篩選決定選用質量百分比為31.8%～33.2%尿素的水溶液作為催化還原劑，因為尿素的價格低廉、低毒、容易存放等特點，具備了可以廣泛應用的特點。同時，尿素可以與水發(fā)生反應分解生成氨氣和二氧化碳，為 SCR 催化系統(tǒng)提供了還原劑NH3。SCR技術主要的化學反應[2-3]：

NH3+NO2→N2+H2O NH3+NO2→N2+H2O

但由于尿素的凝點低，冬天不適于汽車的使用，因此限制了它的發(fā)展。

另一類方法是利用HC作還原劑，理論上有HC作還原劑恰好減少了尾氣中HC的含量，可以減少噴射還原劑裝置的成本，但依目前的技術仍沒找到合適的催化體系，選用的都是高成本的貴金屬，顯然喪失了裝置的經濟性且不易推廣使用。

經研究者的大量實驗，在不同的測試工況下SCR體系的NOX凈化效率可達85%～90%。SCR技術雖有較高的催化效率，但是卻只能對已經生成的NOX進行處理，對于控制NOX產生的作用很小[4-5]。目前SCR技術在國內的發(fā)電廠、船舶等大型柴油機上投入使用，在國外也只有將此技術應用于重型柴油車和高檔商用車。受其成本高，使用護理費高，在低負荷，廢氣溫度較低時，催化效率下降致使處理不充分等缺點限制了其單一使用的發(fā)展。而且SCR裝置的使用需要實現閉環(huán)控制，而閉環(huán)控制NOX傳感器的精度和可靠性要求較高，但目前NOX傳感器精度較低也限制了SCR裝置在柴油車上的推廣[6]，實際中對NOX的處理效率并未達到實驗中的程度。

2 堿性燃燒

在過去20年中，人們針對柴油機采用了一系列機內處理技術，一定程度上降低了污染物的排放，如高壓噴射、增壓中冷和廢氣再循環(huán)，但在改善機內燃燒環(huán)境方面，涉獵甚少，筆者對此做了一些比較深入的研究。

2.1 堿性燃燒技術及原理

堿性燃燒技術從廣義上講，是指人為地改變發(fā)動機傳統(tǒng)燃燒環(huán)境，使發(fā)動機缸內燃燒是在堿性環(huán)境下進行，旨在發(fā)動機缸內燃燒更充分，排放污染物更少[7-8]。雖然堿性燃燒(技術)是一種新型的清潔燃燒方法，但是該技術尚未成熟，應用領域較窄，目前主要應用于大型鍋爐燃燒，發(fā)電設備。本研究將此種燃燒方法應用于車輛排放污染控制領域，即在發(fā)動機的進氣通道前端利用特定伺服器，將某種特定濃度的堿性化合物溶液，霧化成具有一定摩爾比的堿性空氣氣溶膠，讓這種堿性空氣溶膠與車輛發(fā)動機進氣管中的空氣均勻混合而進入汽缸內燃燒。堿性燃燒屬于催化燃燒，可以加快燃燒的速度和促使燃燒更充分，提高發(fā)動機的動力性。本研究通過實驗探究堿性燃燒技術對NOX的處理效果[9-11]，并分析此技術的發(fā)展前景。

2.2 堿性燃燒的實驗方案

探究堿性燃燒對柴油機尾氣中NOX含量的影響，擬定如下實驗方案，從相應的實驗數據分析得到一些初步的結論。

實驗車輛采用小型柴油機動車、清潔燃燒伺服器、德圖煙氣測試儀、自動煙塵氣測試儀作為實驗設備[12]。裝置實物如圖1所示。

圖1 車用柴油發(fā)動機尾氣排放測試Fig.1 The test of exhaust emissions of vehicle diesel engine

實驗時，將實驗用柴油機動車停在實驗場地，啟動發(fā)動機并保持怠速狀態(tài)20 min，然后在發(fā)動機怠速的狀態(tài)下，分別進行普通空氣燃燒，加入堿性A液燃燒和加入B液燃燒。測定各種性質的空氣對發(fā)動機尾氣排放的影響，并做對比，具體步驟如下：①預熱伺服器10 min，②在不加任何助劑的情況下怠速運轉10 min，③開啟堿性燃燒氣體發(fā)生裝置，采用堿性溶液A，并使發(fā)動機怠速運轉10 min，④開啟堿性燃燒氣體發(fā)生裝置，采用堿性溶液B，并使發(fā)動機怠速運轉10 min。不同溶液添加前時隔5 min然后開始測量，每組溶液實驗測5次，每次時隔3 min，并做詳細記錄。

通過實驗，得出NO、O2、煙溫排放數據見表1和表2，并繪制成圖2。

表1 怠速工況下，不同空氣介質對排放O2影響

表2 怠速工況下，不同空氣介質對排放煙溫影響

圖2 怠速工況下，不同空氣介質對排放NO的影響Fig.2 Influence of different air medium on NO emission under idle speed condition

由圖2可知，利用堿性燃燒技術，在一定程度上能改變柴油發(fā)動機尾氣中氮氧化物的排放量，其中堿性B溶液對NOX處理效果最明顯，減少量能達到正常燃燒的40%～45%。同時根據表1和表2的數據可知，O2和煙溫在堿性溶液添加前后波動較小，可初步斷定堿性燃燒技術在不改變其他燃燒條件下，能有效的降低NOX的排放量。

3 柴油車尾氣NOX的綜合控制裝置

國內外的研究專家普遍認為只有將燃油改進，機內凈化與后處理技術有機整合在一起，才能使柴油機尾氣排放滿足未來的標準。本文鑒于堿性燃燒和SCR技術對于NOX生成量的處理具有互補的作用，擬開發(fā)出一種利用兩種技術同時處理柴油車尾氣的裝置，如圖3所示。

本系統(tǒng)的技術特點是將堿性燃燒裝置(機內處理系統(tǒng))和SCR裝置(機外處理系統(tǒng))通過一個NOX檢測傳感器連到一起，后者是對前者的進一步處理，且互不干擾，并且所需要的NOX檢測傳感器不需要太高的精度，現有的技術容易實現。

圖3 柴油車尾氣NOX綜合控制裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of comprehensive processing device for diesel exhaust NOX control

并做相應的實驗，根據所測實驗數據作拆線圖如圖4所示。

圖4 怠速工況下，正常燃燒與使用NOX綜合控制裝置對排放NO的影響Fig.4 The effect of normal combustion and the use of NOX comprehensive control device on NO emissions under idle speed condition

數據折線圖可以看出在使用NOX綜合控制裝置時對排放NO的生成量起到了明顯的控制處理作用，以使NOX的生成量僅為普通正常燃燒時的10%左右，且穩(wěn)定高效。

裝置的實用性：因堿性燃燒的成本較低，如果NOX檢測器檢測的機內堿性燃燒結果能達到國家的規(guī)定的標準，便無須開啟SCR裝置，降低SCR的使用成本。

裝置的推廣可行性：堿性燃燒技術較容易實現并且原料容易獲取，裝置簡便，便于在小型車，運輸車上使用。SCR技術較為成熟只是國內沒有將此技術應用于車領域上。NOX檢測傳感器雖在開發(fā)研究中，但目前的低精度檢測器完全可以滿足該裝置的需求。NOX排放量的增加必然會受到人們的關注，采用的方式也必將是低成本高效的方式。該裝置符合這領域的發(fā)展趨勢，會實現一定的應用推廣。

4 結束語

我國柴油車尾氣NOX污染日益嚴重，已經是大氣污染中最突出、最緊迫的問題之一。目前，全球車用動力已呈現明顯的“柴油化”趨勢。通常情況下，發(fā)動機在高的燃燒效率下工作，有利于產生低的PM和高的NOX。因此，若能通過機內脫硝燃燒技術附加后處理技術有效去除柴油發(fā)動機尾氣中的NOX，則可以同時達到“節(jié)能”和“減排”的目的。通過對SCR技術的評述，了解到此技術是相對完善且轉化效率較高，但也存在眾多例如成本高、原料泄漏造成二次污染等弊端[15-17]。

而堿性燃燒技術是一種改變機內燃燒環(huán)境的新思路，本文研究表明此技術對柴油機中NOX的生成量控制明顯，生成量僅是正常燃燒時的60%～70%，并且通過表1和表2可初步推測此技術對機內燃燒無負面影響。通過比對和分析設想可以改變堿性溶液的配比和改進實驗裝置對柴油車尾氣中的NOX作進一步的處理以達到更好的效果。與此同時堿性燃燒是一種清潔燃燒，所用原料無毒環(huán)保，不必考慮原料泄漏二次污染的問題，但由于其燃燒條件影響因素較多，裝置技術尚不成熟，對NOX處理也不穩(wěn)定，不能準確的達到目前的環(huán)境排放標準，因此結合二者的優(yōu)缺點自主設計出一套機內(堿性燃燒)，機外(SCR技術)共同處理的高效率低成本的NOX處理系統(tǒng)，試驗證實該裝置節(jié)能高效且處理NOX生成量徹底明顯，處理率是正常情況下生成的NOX的90%左右。更有待于學者開發(fā)研究并設計推廣。

[1]張立花.柴油機排氣污染物的形成與控制[J].農業(yè)化研究，2004，9(6)：269-270.

[2]Sridharan N，Lee G F.Phosphorus studies in lower green bay，Lake Michigan[J].Journal Water Pollution Control Federation，1974，46(4)：684-696.

[3]Yoshihara Y，Nakanishi Y.Application of a new selection on catalytic NO reduction system to diesel exhaust[J].Transactions of JSME Series B，2003，46(1)：131-136.

[4]Nakanishi Y，Yoshihara Y，Nishiwaki K.Non-catalytic reduction of NO in diesel exhaust with the addition of methylamine[J].Jsae Review，2000，21(4)：561-566.

[5]J?gi I，Bichevin V，Laan M，et al.No conversion by dielectric barrier discharge and TiO2，catalyst：effect of oxygen[J].Plasma Chemistry & Plasma Processing，2009，29(3)：205-215.

[6]Teraoka Y，Nakano K，Kagawa S，et al.Simultaneous removal of nitrogen oxides and diesel soot particulates catalyzed by perovskite-type oxides[J].Applied Catalysis B Environmental，1995，5(3)：181-185.

[7]巴興強.堿性空氣介質參與缸內燃燒對農用車發(fā)動機排放的影響[J].安徽農業(yè)科學，2014，12(18)：6068-6070.

[8]白昕，畢紅巖，孫曉光，等.清潔燃燒——堿性燃燒技術的探討與研究[A].北京：中國環(huán)境科學學會.中國環(huán)境科學學會學術年會論文集[C].中國環(huán)境出版社，2013(2)：705-708.

[9]田海影，劉盛強，劉魯寧，等.降低柴油機尾氣中NOX排放的最新發(fā)展技術[J].山東建筑大學學報，2010，25(6)：316-320.

[10]張紅濤，武小兵.柴油機排氣污染物控制思路與相關措施[J].車用發(fā)動機，2002(1)：37-40.

[11]趙琪琤.堿性燃燒應用實例研究[A].中國環(huán)境科學學會.中國環(huán)境科學學會學術年會論文集[C].中國環(huán)境出版社，2013(2)：726-729.

[12]張勇，張春玲，劉魯寧，等.柴油機尾氣處理裝置(DPF)的試驗研究[J].山東建筑大學學報，2009，24(1)：26-30.

[13]Jin X，Wang S，Yan P，et al.Phosphorus fractions and the effect of pH on the phosphorus release of the sediments from different trophic areas in Taihu Lake，China[J].Environmental Pollution，2006，139(2)：288-295.

[14]Lai D Y F，Lam K C.Phosphorus retention and release by sediments in the eutrophic Mai Po Marshes，Hong Kong[J].Marine Pollution Bulletin，2008，57(6-12)：349-356.

[15]賀泓，翁端，資新運.柴油車尾氣排放污染控制技術綜述[J].環(huán)境科學，2007，28(6)：1169-1177.

[16]張健，李廣忠，張文彥，等.柴油車尾氣凈化技術評述[J].稀有金屬材料與工程，2009，38(S3)：316-320.

[17]馮卓.柴油機的排氣污染及其治理[J].城市公共交通，2000，23(2)：20-21.

Control Technology for NOXin Diesel Exhaust

Yu minghui1，Ba Xingqiang1*，Zhou Jian1，Zuo Chengqiang1，Zhao Qicheng2，Zhang Lili1

(1.College of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin，150040；2.Harbin Environmental Monitoring Station，Harbin，150000)

The diesel engine of vehicle has good functions of propulsion，economy and durability.The car using diesel engine has become the trend of automobile industry development，but the harm of the main emission of NOXcannot be neglected.The emission control of the diesel engine currently has become a research hot topic.The advantages and disadvantages of SCR technology were discussed in this paper.The controlling effect of alkaline combustion on NOXproduction of diesel engine was also analyzed.Besides，a high efficiency and economy device were designed to dispose NOX.The results showed that the basic alkaline combustion technology had obvious effect on NOXcontrol and the amount of emission of NOXis only 60%-70% of the normal combustion.The designed integrated device can dispose the 90% of the generated NOXwhich was of low energy consumption and high efficiency and was worth to be studied and promoted.

control of diesel vehicle emission；control technology of NOX；alkaline combustion；technology of SCR

2016-07-08

哈爾濱市創(chuàng)投創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2015RQQXJ074)；黑龍江省自然科學基金(E2016001)

于明暉，本科生。研究方向：交通工程。

*通信作者：巴興強，博士，副教授。研究方向：交通污染與控制。E-mail：bxq1218@163.com。

于明暉，巴興強，周建，等.柴油車尾氣中NOX綜合控制技術[J].森林工程，2017，33(1)：70-73.

X 701

A

1001-005X(2017)01-0070-04