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尾氣催化凈化基礎化學研究助柴油車改善

發布:admin 瀏覽:1451次
長期以來,柴油車在人們腦海里留下的都是冒著滾滾黑煙、噪音震天的“黑大粗”形象。盡管和汽油車相比,柴油車更省油,但考慮到環保問題,目前在我國燒柴油的轎車還非常少,SUV也屈指可數。柴油車自身存在的問題和政策上的限制讓柴油車成為汽車產業發展中的弱勢群體。


在能源日趨緊張的今天,如何解決柴油動力車存在的“黑大粗”問題日益受到關注。在國家自然科學基金的持續資助下,中國石油大學教授趙震課題組正著手解決柴油車尾氣催化凈化過程中的重要基礎化學問題,并在這一領域取得不錯的成績。


沒有發揮出的優勢
柴油的能量熱效率比汽油車高出15%,所以柴油發動機比汽油發動機平均省油30%,和汽油車相比,柴油車最大的優點是更省油。同時,柴油機的壓燃式點火方式,讓它在低轉速時就得到更大動力,非常適合市區道路和負重條件下行駛。


柴油的自燃溫度高,為了達到柴油的自燃溫度,柴油發動機需要比汽油發動機更高的壓縮比,因此,柴油發動機的“勁”一般會比汽油發動機的大。也正是因為“勁”大,所以要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度,所以柴油機比較笨重,振動噪聲大。柴油車冬季冷車時啟動困難,它的噴油泵與噴油嘴制造精度要求高,所以生產成本較高,同類型、同配置的柴油車要比汽油車價格高出不少。目前,新技術的出現在這方面已有了較大的改進,一些柴油轎車和SUV已經采用了較為先進的噴油系統,這樣會在噪聲控制方面和汽油車更為接近,因此車主不要過于擔心柴油車的噪聲。


中國環境新聞工作者協會秘書長楊明森認為,從排放的五個主要化學物質來看,柴油車二氧化碳排放比汽油車少40%,一氧化碳、二氧化硫、碳氫化合物的排放比汽油機少10%,但在啟動和怠速時,顆粒排放物高于汽油機,然而顆粒物的超標排放正是造成環境污染的大敵,也是環保部門長期擔心柴油轎車不能達到現行環保標準的最主要因素。


國際上提高柴油環保標準的努力一直沒有停止過,歐洲國家從1989年開始就越來越多地采用技術有效解決可能面臨的環保問題,例如采用尾氣處理器。同時,為了不斷滿足越來越嚴格的排放法規,高壓共軌噴射系統、廢氣再循環系統、增壓中冷技術、微粒捕集器、催化凈化裝置應運而生。雖然柴油機的排氣后處理技術比汽油機困難,但是國外在微顆粒過濾及其再生技術與氮氧化物催化還原技術方面,已取得了很大的進步,但柴油車尾氣排放所引起的環境問題仍未完全解決。


何日縛住“黑龍”


“柴油車的排放問題就世界范圍來說現在依然沒有很好地解決。這里面涉及很多基礎科學問題。比如燃料的問題、機械方面的問題和后處理的問題?!閉哉鶿?,“我們目前正在進行一個柴油車尾氣排放催化凈化的科學基金重點項目。2007年準備申請立項時,環境催化是科學基金重點資助的一個大方向,我們選擇了其中柴油車的問題?!?br />

影響柴油車尾氣排放的因素有三個:燃料問題、燃燒過程和后處理。燃料中氮的含量、芳烴的含量都會影響后面的排放。如果燃料含硫量大,就會把后面的催化劑活性物質覆蓋,很難做到尾氣排放達標。同時,因為空氣中有氧和氮,所以發動機工作時,燃料燃燒中不可避免地會產生氧化氮。


“所以燃料再潔凈、后處理過程也是必不可少的?!閉哉鶿?,“汽油車尾氣要解決一氧化碳、氧化氮、烴類問題。柴油車除了要解決這些問題外,還有碳黑的問題。柴油車后面冒的黑煙,就是碳顆粒物。我們現在做的四效催化凈化技術,就是要除掉前面三種,同時少排放顆粒物。改善燃燒條件?!?br />

汽車尾氣凈化有很多方法,如吸附凈化、催化凈化法等。但目前催化凈化還是主要的凈化技術,柴油車尾氣的后處理過程就采用催化凈化法。比如,將有毒的一氧化氮、氮氧化物變成無毒的氮氣。將有毒的一氧化碳氣體轉化為無毒的二氧化碳,將烴類充分燃燒變成二氧化碳和水等。


據介紹,在柴油車尾氣的顆粒物中,有碳、烴類、硅酸鹽等,但主要是碳。目前對付顆粒物的主要手段是過濾,但過濾到一定程度后就會堵塞過濾器,影響發動機的工作。所以就要在堵塞前將這些過濾物清除掉,而清除的辦法就是將碳燒掉。在柴油車尾氣的溫度條件下將顆粒燃燒掉并不是件容易的事,因為一般柴油車尾氣的溫度在450K至675K之間。而碳黑顆粒的熱氧化溫度高達825K至875K。


其本質是一個基礎化學問題


順著這一思路,該課題組首先要設計出一種活性較強的催化劑,即需要氧化活性強的成分。


“這實際上是一個化學的基礎問題,它的本質是一個氧化還原的化學反應。我們需要一種催化活性高的催化劑來降低碳黑顆粒的氧化溫度。這需要設計好的催化劑,提高催化劑的效率,這就帶出很多的基礎科學問題,其中還有很多工作要做?!閉哉鶿?,“另外還有一個問題是顆粒物和催化劑都是固體物質,固體物質和固體物質通常很難反應,怎樣解決它的接觸問題也是我們設計催化劑時要考慮的?!?br />

實驗室研究碳黑顆粒和催化劑的接觸有兩種,一種是緊密接觸,另一種是松散接觸。催化劑在松散接觸時的活性會低于緊密接觸時的活性。但松散接觸更接近柴油車排氣的實際條件。


針對這一問題,該課題組在國家自然科學基金和“863”計劃的資助下,也找到了一些解決辦法。比如,用提高催化劑粒子的流動性來增加反應接觸等。


研究人員先用催化劑將尾氣中的一氧化氮轉化為二氧化氮,二氧化氮是氣體,氣體分子很容易和顆粒物接觸。用它來氧化尾氣中的顆粒物——碳黑效果就好多了。


該課題組還在納米催化劑方面取得不錯的成績。納米催化劑顆粒小,表面大,容易和顆粒物接觸。同時納米催化劑自由能高,活動性強。
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