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《江苏大学》 2012年
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DNTP/INTP系统内部气流特性及转化柴油机有害排放研究

李小华  
【摘要】:如何控制柴油机的有害排放物一直是国内外学者研究的热点。低温等离子体技术(Non-thermal Plasma, NTP)是一种新型的工业去污手段,低温等离子体中的多种中间态高能粒子可使常规状况下很难实现的化学反应得以启动,具有使用范围广泛、转化效率高、耗能低、控制便捷等优势,有可能成为分解柴油机排气通道中的积碳、超精细PM及NOx等有害排放污染物的主要技术手段。本文提出了利用DNTP/INTP系统对柴油机的有害排放进行处理的方法,研究了DNTP/INTP系统内部气体流动、颗粒物沉积以及NTP对不同组分混合气的作用机理,通过台架试验研究了DNTP系统处理柴油机排气的规律,验证了INTP系统再生DPF的可行性,对高效处理柴油机有害排放有重要的现实意义。论文在以下几方面开展了系统的研究工作: (1)根据内电极结构特点,建立了气体进出口中心线相对偏转角度不同的DNTP系统内部流场数学模型,对其内部气体流动特性进行了计算。结果表明,当气体进出口中心线相对偏转角度为30。时,气流沿着内电极外表面螺旋前进,在反应区内的流动距离延长,增大了气体与反应区的接触面积;由反应区出气口流入总排气管的气流发生交叉,形成了“#”字形,四股交叉的气流相互间并不发生碰撞,总排气管内湍流动能均呈螺旋星形分布,湍流动能分布更为均匀,有利于气体流动,同时DNTP系统内的温度分布更为均匀,改善了气流在DNTP系统内的流动特性。 (2)建立了不同结构DNTP系统内部两相流模型,并对内电极结构、进气流速和微粒粒径等对微粒轨迹分布和微粒沉积的影响进行了研究。结果表明,微粒在反应区内的流速较为稳定,不易发生沉积;在内电极内腔、反应区进气口左侧的半封闭空间、反应区出气口右侧的半封闭空间内的微粒滞留时间较长、流速较低,易发生沉积,对反应器的工作稳定性产生影响;当气体进出口中心线相对偏转角度为30。时,DNTP系统内部的微粒沉积率较低;颗粒物粒径对其沉积率有较大影响,微粒的沉积率随着粒径增大而升高。 (3)对不同喷射角度的INTP系统内部活性物质轨迹线进行了分析,确定了活性物质的喷射角度,分析了喷射速度对活性物质与排气混合的流场分布特性;对利用INTP系统再生DPF进行了试验研究。结果表明,当喷射角为45。时,活性物质与排气在排气管中碰撞汇合,形成紊流,从而实现活性物质与排气快速均匀混合,有利于提高活性物质对NOx和PM的催化转化效率;提高活性物质喷射速度,可增强活性物质喷口处的涡流,系统内的湍流动能增强,有利于活性物质与排气的快速混合;通过控制INTP系统运行参数可实现DPF完全再生。 (4)利用气体配比系统配置不同组分的混合气,通过模拟试验,对比研究了采用气不同结构内电极的DNTP系统对混合气的作用规律;通过发射光谱诊断对不同混合气中N2和NO放电发射光谱进行试验研究,对比分析了电极结构、电学参数、气体组分等对NTP中活性物质处理NO的反应机理及影响规律,研究了DNTP中活性粒子的能级结构、运动状态以及粒子间相互作用规律等信息,实时监测放电空间中生命周期较短的激发态粒子和探究激发态粒子的核外电子跃迁参数、光辐射能量,探索了NTP反应过程中的微观机理。结果表明,①对于不同结构的发生器,放电功率均随着电压峰-峰值的增大而增大;相同电压峰-峰值时,放电功率随着气体体积流量的增大而降低;②对于N2/NO混合气,当气体进出口相对偏转角度为30。时,系统的放电功率较高;当电压峰-峰值达到17kV时,反应区内的放电更为均匀,NO的转化率即可达到97%,此时所需功率为21W,对应的NO-Y带发射光谱峰值为3815a.u,N2第二正带发射光谱强度峰值为8525a.u;当气体进出口相对偏转角度为0。、电压峰-峰值为17kV时,NO的转化率约为65%,对应的NO-γ带发射光谱峰值和N2第二正带发射光谱强度峰值分别为22770a.u和5904a.u;③对于N2/NO/C3H6混合气,采用不同结构的DNTP系统,放电功率均随着电压峰-峰值的升高而升高;当气体进出口中心线相对偏转角度为30。时,反应区内的放电更为均匀,放电功率上升更为迅速,当C3H6流量为600ml/min时,NOx的转化率最高;当气体进出口相对偏转角度为0°、C3H6流量为700ml/min时,NOx的转化率最高;对于两种结构的发生器,混合气在反应区内均会发生聚合反应,所生成的聚合物为黑褐色,主要组成元素为N、C、H、0,具有较强的吸附作用,同时可吸收气体放电时产生的发射光谱;④对于N2/NO/C3H6/O2混合气,当气体进出口中心线相对偏转角度为30。时,混合气中的C3H6可参与反应使NO转化为NO2;当C3H6浓度为1220×10-6、放电功率为16W时,即可转化75%的NO,但NOx的浓度较高;当C3H6浓度为200×10-6、放电功率为28W时,混合气中的NOx即可达到最低值;N2/NO/C3H6/O2混合中的O2的存在对NO(A2Σ+)和N2(cΠu)造成淬灭作用。 (5)开展了DNTP系统实时处理柴油机排气的台架试验研究,分析了经DNTP系统处理前后柴油机排气中CO、NO、NO2、碳烟的变化规律和反应机理;利用INTP系统进行了离线再生DPF的试验,研究了DPF再生过程中排气成分的变化规律和可能发生的化学反应,实现了对DPF的完全再生。结果表明,随着柴油机负荷增大,DNTP系统处理前后排气中的O2含量均呈现降趋势;柴油机负荷低于75%时,排气中的CO浓度随着负荷的增大而降低,经DNTP处理后的CO浓度较处理前高;当负荷高于75%时,CO浓度随着负荷的增大而升高;当负荷升高至100%时,经DNTP系统处理后排气中的CO较低;排气中NO的浓度随着负荷的增大而增大,经DNTP系统处理后排气中的NO浓度较处理前低;负荷较低时,经DNTP系统处理后的排气中N02浓度较处理前高,随着负荷增大,由DNTP系统生成的NO2与排气中的PM、HC、CO等发生氧化反应,导致NO2的含量迅速降低;通过控制合适的电学参数和环境条件,在INTP系统作用下可完全再生DPF。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TK421.5

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