论文部分内容阅读
船舶柴油机废气污染物给人类生活环境和身体健康带来很大危害,随着人们对环境保护的重视,各项环保法规越来越严格,控制船舶废气污染物的排放也受到更多关注。本文对现有的船舶柴油机废气污染物控制技术进行了梳理,包括机前处理、机内净化以及后处理技术。满足IMO法规对SOx排放要求的技术主要包括低硫燃油和脱硫塔,满足IMO法规对NOx排放要求的主要是选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)。船舶脱硫技术已比较成熟,脱硝技术是目前研究的重点与难点。由于未来低硫燃油的价格浮动仍然较大,导致市场对脱硫塔的投资仍持观望态度,可同时适用于脱硫塔和低硫燃油技术的SCR脱硝技术将具有更广阔的应用前景。目前,船舶柴油机废气SCR脱硝主要采用钒基催化剂。但钒基催化剂价格较高、低温时脱硝效率低、耐硫性有待进一步提高,而且钒基催化剂的主要成分V2O5有剧毒,寿命到期废弃时会带来二次污染。鉴于此,本文提出一种低温等离子体(Non-thermal Plasma,NTP)辅助活性炭(Activated carbon,AC)催化脱除船舶废气中NOx的技术。目前所开展的研究工作主要包括以下几个方面:(1)基于一套发电柴油机台架,测试了加装DOC和商用钒基SCR的一台非增压柴油机在额定转速时6个工况点的排放特性,分析了 DOC对CO、NOx和PM的影响,以及不同功率和氨氮摩尔比时钒基SCR的脱硝率。结果表明,DOC能将NO转化为N02,但对NOx的总浓度几乎不产生影响。钒基SCR受温度和氨氮摩尔比的影响比较大,当温度高于250℃,氨氮摩尔比为1时,脱硝率几乎达到100%;当温度降低到约200℃时,钒基SCR的脱硝率下降为约70%。(2)搭建了柴油机模拟废气配气系统,采用煤质活性炭对柴油机模拟废气进行了不同条件下的脱硝性能试验。结果表明:进气为NO/N2时,AC对NO的脱除主要靠吸附作用,稳定脱硝率较低。进气为N02/N2时,AC对NO2的脱除性能极好,温度高于200℃且加入NH3时,NOx脱除率最高达到95%。有O2存在且温度低于100℃时,AC可将NO催化氧化为NO2,且温度越低,氧化率越高。当温度为300℃时,在NO+NH3、NO+O2+NH3和NO+NO2+NH3的条件下AC的稳定脱硝率分别为12.1%、31.6%和70.8%。但是,单独活性炭的脱硝率仍然较低。(3)考察了采用介质阻挡放电产生NTP法对柴油机模拟废气的脱硝特性,进行了不同气体成分和浓度条件下的实验研究,并提出了 NTP的脱硝机理。实验结果表明:在O2/N2条件下,随着O2浓度以及能量密度的增加,NO生成量逐渐增加。在NO/N2条件下,NTP对NO的脱除率接近100%。在NO/O2/N2条件下,随着NO浓度的增加,临界O2浓度升高;1%O2浓度时脱硝效率在90%以上,O2浓度高于10%时,NTP的脱硝率为负值;且随着能量密度的增加,生成的NOx浓度也更高。O2浓度对NTP的脱硝性能起决定性作用。H2O有助于NO的氧化脱除。在低能量密度时,同时加入NH3能够提高NTP脱硝性能;在高能量密度时,NH3会略微降低NTP的脱硝性能。CO2对NTP脱硝性能基本没有影响,但随着能量密度的增加,生成的CO浓度逐渐升高。在NO/O2/CO2/H2O/N2条件下,模拟真实柴油机废气中各组分浓度,随着能量密度的增加,脱硝率先增加后降低,加入NH3后NTP的脱硝率最高达到40.6%。(4)进一步,将NTP和AC相结合用于柴油机模拟废气中NOx的脱除。结果表明:在100～300℃范围内,将NTP和AC结合时,脱硝率随温度的升高先降低后增加,且在200℃左右脱硝率最低,这主要是由活性炭的吸附作用和催化作用二者的动态平衡所引起。当NTP、AC和NH3同时作用时,系统的脱硝率最高,且在1kJ/L能量密度下获得的脱硝率最高达到了 80%。随着NTP作用时间的增加,NTP+AC+NH3系统的脱硝率先降低后逐渐升高并最终趋于稳定,脱硝率最高达91.8%。表征结果显示,NTP可使AC的比表面积进一步增加,有助于脱硝率的提高,在300℃范围内,AC 比较稳定,可使NTP+AC+NH3系统长时间保持较高的脱硝率。(5)最后,将NTP和活性炭相结合用于柴油机真实废气污染物的脱除。结果表明,不加入NTP时,活性炭对PM的脱除主要是吸附和过滤作用,脱除率最高可达77%,但会使反应器压降随着运行时间的增加逐渐升高。CO可作为还原剂在活性炭的催化作用下参与脱硝反应,但随着温度的升高,活性炭可能发生一定的烧蚀,导致CO的脱除率为负值。在无尿素时活性炭的脱硝率最高为34.5%,喷入尿素后脱硝率进一步增加,最高可达到44.8%。加入NTP后,在0.5kJ/L时,NTP+AC+NH3系统的脱硝率最高达92.5%,与钒基SCR催化剂的脱硝率相当。本文的研究工作表明:低温等离子体辅助活性炭催化脱除船舶废气中NOx的技术,在本文实验条件下达到了与钒基SCR脱硝技术相当的脱硝效率。从脱硝性能来说,该技术可以作为钒基SCR的一种潜在替代技术,而且活性炭无毒、成本低,具有良好的应用前景和较大的经济及环保价值。本文为该项技术进入工业化应用奠定了一定的基础。