[发明专利]低温等离子体协同两相催化装置及有害排放气体处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及柴油机有害排放气体净化处理技术领域。

背景技术

目前，用于柴油机排放后处理领域的低温等离子体发生器结构由等离子体电源、等效电容、高压电极、介质层和低压电极组成。将高压电极接等离子体变频交流电源，低压电极接地，介质材料置于两电极之间，这样两电极间隙内沿介质表面会出现均匀、稳定的介质阻挡放电现象。介质阻挡放电方法处理柴油机有害排放需要较高的电离度、气相区内有足够的能量密度、气体组分在等离子体气相区内有较长的滞留时间，介质材料稳定工作和装置本身抗震效果好等要求。该技术在废气处理领域日益得到广泛研究，中国专利CN200410014135提供一种处理挥发性有机物(VOCs)的低温等离子体技术，适用于挥发性有机物(VOCs)处理的低温等离子体技术。其技术由进气口、等离子体反应器、脉冲电源和出气口组成。给脉冲电源通电，挥发性有机物(VOCs)从进气口进入高频高压气体放电等离子体发生器，在其中与活性粒子发生氧化、降解反应而得到处理，从出气口排出。但是该技术不适于处理柴油机的主要有害排放气体NO_x以及颗粒物。中国专利CN 03236574提供一种新型的常压射频冷等离子体发生器，其结构包括喷枪、射频电源、供气源。该装置可以在大气压下产生低温、大面积、由射频低电压击穿电离的，稳定放电的冷等离子体束流，在清洗、杀菌、消毒等领域的得到了广泛应用。但是该装置产生的射频等离子体流为开放式，适合处理物体上的孔、槽和凹陷部位，且能量密度比较低，不适于处理大流量的柴油机排放气体组分。中国专利CN 200510095093提供一种吸附-低温等离子体同步脱硫脱硝装置。该装置由烟气脱硫脱硝反应器、风机、浓硫酸池、纤维除雾器顺序串联所组成；其中，烟气脱硫脱硝反应器由两个相同的吸附－低温等离子体反应器并联连接构成。通过两个低温等离子体反应器交替使用，可以有效处理烟气中的二氧化硫和氮氧化物。但是该装置适用于处理流速较慢的工业烟气，而且结构比较复杂，成本较高，不适于处理高流速多组分的柴油机废气。中国专利CN 200810235539提供一种蜂窝状介质阻挡放电低温等离子体发生器装置，该装置结构包括壳体，复合高压电极、石英介质、蜂窝状排列的低压电极和催化腔，以及壳体外侧的进气口，位于催化腔底部的排气口。该技术可以保证低温等离子体发生器在柴油机排气台架试验研究工作中安全可靠运行，抗震性能较好，但是气体组分在等离子体气相反应区内的滞留时间比较短，化学反应不是很充分。

低温等离子体系中含有大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基体等活性物种。在气相化学反应过程中，这些活性基体可以和CO、HC、NO_x和PM等污染物发生化学反应，将之转化为无害或者低害的气体。目前设计的低温等离子体发生器多适用于工业脱硫脱销，空气净化，以及静态模拟气体净化试验。在实际应用中如何同时降低柴油机排气中的PM和NO_x以及有效延长气体组分在等离子体气相反应区内的滞留时间，提高废气的转化效率，从而将该技术成功应用于柴油机后处理净化领域，还需要进一步的研究。

发明内容

本发明提供一种低温等离子体协同“两相”催化装置，适用于全流式柴油机台架试验，能够同时转化柴油机排气中的NO_x和PM，能量利用率高，转化效率显著，并且放电稳定。

本发明所采用的技术方案是：在等离子体发生器前后分别连接一个催化装置，前者为氧化相催化装置，后者为还原相催化装置。在放电区，采用三根或三根以上等离子体发生器并联工作的结构，用支架彼此隔开一定的距离，防止发生器电极之间的互相影响，支架的材料为绝缘且耐高温的聚四氟乙烯。催化装置与等离子体发生器之间用硅胶管连接，避免发动机的振动对发生器造成损害。该种结构在放电过程中会产生大量活性自由基团与柴油机有害排气进行化学反应，不仅可以促进化学反应，还可以使通常条件下难以产生的化学反应得以迅速发生，增强了去除柴油机有害排放的有效性。三根或三根以上等离子体发生器并联工作的结构适用于全流式台架试验，可以根据不同型号的发动机进行调整，更具有实用意义。此外，这种结构提高了排气组分在等离子体气相反应区内的滞留时间，能量利用率高，增强了有害气体组分的转化效率。试验表明该装置可以有效提高柴油机颗粒排放转化效率达60％以上，辅助还原型催化剂后NO_x转化效率达82.5％左右，且对应于柴油机增加的燃油消耗率在5％以内。