基于TWC的一种新型尾气净化装置研究

基于TWC的一种新型尾气净化装置研究

曲皇屹栾亨宣杨涵

山东科技大学山东泰安271019

摘要：本文通过化学催化方法和物理静电吸附相结合的方法来有效减少汽车尾气中的污染物。主要设计思路为让汽车尾气先通过三元催化装置，然后通过高压电场电离，使颗粒物成为带电粒子。再让带电粒子通过强磁场，通过磁场对带电粒子的作用将其吸附在强磁场外的过滤网中，有效减少了有害气体的排放。然后通过油雾过滤器和尾气滤清器进一步净化尾气。最后，再利用微粒静电聚合技术，使粉尘颗粒聚集变大，采用该装置有效提高了对汽车尾气PM2.5的净化效率。该项研究具有通用性和良好的市场应用价值，可使汽车尾气排放量大幅减少，减轻当前环境压力，对推动生态文明建设具有重要意义。

关键词：TWC；尾气净化；静电吸附；微粒静电聚合吸附

1研究背景及意义

随着社会生产力的快速发展,环境污染问题越来越受到国家的关注。而汽车尾气的排放则是影响环境的一个突出因素[1]。自20世纪80年代初以来，三效催化剂(TWC)一直是解决汽油汽车排放污染物的关键技术。TWC是从20世纪70年代中期起由最初安装在汽油车辆上的氧化催化剂演变而来的，它具有较好降低氮氧化物的能力，同时也增加了CO和HCS的氧化能力，结合控制发动机空燃比，使操作尽可能接近化学计量比，TWC在将排放的CO、未燃烧的碳氢化合物和氮氧化物转化为一氧化碳方面取得了很好的效果[2,3]。

在国外，对汽车尾气的处理主要有三方面：机前处理、机内处理和机后处理处理。机前处理主要是提高燃油质量，使用环保的无铅汽油；机内处理是通过废气再循处理方法，即在汽车排气管上安装尾气净化装置，通过净化器进行过滤和催化燃烧使尾气中的固体颗粒和有害气体充分燃烧和转化为无害气体排出。

机内和机后处理有机结合是解决尾气污染的有效途径，但是根据我国现有汽车尾气处理技术通用性差的现状，内控制处理措施难以取得较好的效果，因此机外净化能有效控制汽车尾气排放污染，其研究主要集中在催化净化上，而催化又是达到净化效果的关键因素之一。因此，设计实用高效的汽车尾气净化催化装置是减少汽车尾气污染物排放的重要措施。

2设计方案

尾气的产生过程：空气经空气滤清器、流量计进入涡轮增压器，高压空气经通道经进气门流入发动机燃烧室，电路控制单元控制汽油喷嘴喷出汽油的流量，汽油与空气在燃烧室发生燃烧反应并产生尾气。

根据调查得知尾气中含有NOx、HC、CO、固体颗粒物以及未完全燃烧的汽油。汽车尾气进入尾气净化装置，途经以下装置：一、三元催化器，利用催化剂除去NOx、CO等有害气体。二、静电吸附装置，经由高压电路在铁丝网中产生高压，从而使直径大于10um的固体颗粒物发生电离而吸附在铁丝网表面，通过磁场使带电粒子在吸附作用下进入过滤网。三、油雾过滤器，油雾过滤网选用材质为吸油棉，来吸收尾气当中的油雾，其目的是为了延长尾气滤清器的寿命。四、尾气滤清器，对尾气进行二次净化。对尾气中仍残留的直径大于10um的固体颗粒物进行过滤，使得尾气对大气质量的影响进一步的减小。五、PM2.5静电聚合吸附器，静电除尘对于10μm以上的颗粒能达到99.9%的除尘效率，但是对PM2.5的除尘效率并不高。通过静电聚合吸附除去PM2.5，进一步净化尾气。

3工作原理及性能分析

本方案设计的汽车尾气净化装置由四部分构成:一是三元催化器进行化学的氧化、还原反应，二是利用静电吸附装置进行物理除杂，三是油雾过滤器，四是通过尾气滤清器利用PM2.5微粒静电聚和静电吸附作用使尾气中还残留的固体大颗粒沉降，再次对尾气进行净化。

3.1三元催化装置

尾气净化器的核心部分便是三元催化剂，其基本工作原理是将排放尾气中残留的氧气和排气温度，在催化剂表面发生氧化、还原反应，使有害物质转变成无毒害物质。它具有高活性、高热稳定性和良好的物理性能[8]，能够同时去除汽车尾气中的NOx、HC、CO等染物，是较为理想的汽车尾气催化剂。NO被还原为N2是三效催化器(TWC)高效运行的主要反应[9]。对CO和HC通常采用催化氧化法除去，对NOx通过催化还原、催化裂解、催化选择性还原等方法除去。一般在工业中使用的催化剂都是在稳定状态下进行的，但三效催化剂却是一个特例，它还与发动机的工作模式和汽车的速度等诸多因素有关，在发动机处于工作状态时，三种污染物一般不可能同时被除去。

3.2静电除杂

含大量固体颗粒物的尾气经过高压静电场被电离，使固体颗粒物与带负电的离子相结合带上负电，从而趋向阳极表面放电沉积下来，再通过磁场使带电粒子吸附在强磁场外的过滤网中。

3.3油雾过滤及空气滤清

由于汽油的不完全燃烧，致使尾气中含有少量的油雾，因此需要用油棉来进行油雾过滤。再利用空气滤清器，对尾气中还残留的固体颗粒物再次过滤，使得尾气对大气质量的影响进一步的减小。

3.4微粒静电聚合吸附

该结构分为两级，第一级为PM2.5微粒静电聚合，首先尾气进入双极荷电区使PM2.5颗粒荷带有不同电荷，然后经过扰流装置，使带两种电荷的PM2.5颗粒充分混合后凝聚变大。第二级为静电吸附，变大后的颗粒进入第二级的荷电区再荷电，最后吸附在集尘板上，从而实现了去除汽车尾气中PM2.5颗粒和净化空气的目的。

4应用前景

4.1应用前景

汽车尾气中含有的污染物有大量固体颗粒物、碳氮氧化物等，这些物质对人体多处器官都有严重损害，且会产生光化学烟雾，严重影响人们的生活质量。本模尤其型适合小型的私家车，是一个具有很大实用性的环保装置。具有成本低、安装简便的优点，且基本没有改变原有的汽车尾气排放结构，即在原有的结构的基础上加上该装置就即可实现净化功能。对于改善空气质量，有效避免呼吸疾病的发生，进一步提高人们生活质量有较大帮助。因此，该装置具有良好的市场应用价值。

参考文献

[1]甘星星.浅谈汽车尾气排放问题及节能减排的方法[J].内燃机与配件,2018(01):254-255.

[2]M.Shelef,R.W.McCabeTwenty-fiveyearsafterintroductionofautomotivecatalysts:whatnext?Catal.Today,62(2000),pp.35-50

[3]SimmanceK,ThompsettD,WangW,etal.Evaluationofperovskitecatalystspreparedbyflamespraypyrolysisforthree-waycatalystactivityundersimulatedgasolineexhaustfeeds[J].CatalysisToday,2017.

[4]王文鹏.刍议光化学烟雾的危害及防治[J].山东工业术,2018(05):237-238.

[5]张松.通用小型汽油机尾气后处理的相关研究[J].内燃机与配件,2017(05):117.