汽车尾气处理及净化技术 安全1502李生相 汽车尾气的主要成分及危害 对尾气的防治 汽车尾气净化器 主目录 汽车尾气的主要成分及危害 汽车尾气污染是由汽车排放的废气造成的环境污染 主要污染物为碳氢化合物 氮氧化合物 一氧化碳 二氧化硫 含铅化合物 苯并芘及固体颗粒物等 能引起光化学烟雾等 可以说 汽车是一个流动的污染源 在世界各国 汽车污染早已不是新话题 20世纪40年代以来 事件在美国洛杉矶 日本东京等城市多次发生 造成不少人员伤亡和巨大的经济损失 伦敦烟雾事件 洛杉矶光化学污染 主要成分 一氧化碳 氮氧化合物 醛 含铅化合物 碳氢化合物 一氧化碳 一氧化碳是烃燃料燃烧的中间产物 主要是在局部缺氧或低温条件下 由于烃不能完全燃烧而产生 混在内燃机废气中排出 当汽车负重过大 慢速行驶时或空挡运转时 燃料不能充分燃烧 废气中一氧化碳含量会明显增加 一氧化碳是一种化学反应能力低的无色无味的窒息性有毒气体 对空气的相对密度为0 9670 它的溶解度很小 一氧化碳由呼吸道进入人体的血液后 会和血液里的血红蛋白Hb结合 形成碳氧血红蛋白 导致携氧能力下降 使人体出现反应 如听力会因为耳内的耳蜗神经细胞缺氧而受损害等 吸入过量的一氧化碳会使人发生气急 嘴唇发紫 呼吸困难甚至死亡 研究证明 人对一氧化碳的承受能力相当高 一个健康的人能短时间承受血液中含量为20 40 的一氧化碳的侵袭 虽然对人体无副作用的一氧化碳阈值尚未确定 但长期吸收一氧化碳对城市居民身体健康是一个潜在威胁 氮氧化合物 氮氧化合物是在内燃机气缸内大部分气体中生成的 氮氧化合物的排放量取决于燃烧温度 时间和空燃比等因素 氮氧化合物的生成原因主要是高温富氧环境 比如燃烧室积碳等因素 从燃烧过程看 排放的氮氧化物95 以上可能是一氧化氮 其余的是二氧化氮 人受一氧化氮毒害的事例尚未发现 但二氧化氮是一种红棕色呼吸道刺激性气体 气味阈值约为空气质量的1 5倍 对人体影响甚大 由于其在水中溶解度低 不易为上呼吸道吸收而深入下呼吸道和肺部 引发支气管炎 肺水肿等疾病 在浓度为9 4mg m 的空气中暴露10分钟 即可造成呼吸系统失调 对于氮氧化合物世界卫生组织环境健康评价组曾做出这样的结论 二氧化氮浓度0 94mg m 3是短期暴露引起有害影响的最低水平 0 19 0 32mg m 3最长1小时 一个月出现不能多于两次才能确保公共健康 碳氢化合物 汽车尾气的碳氢化合物来自三种排放源 对一般汽油发动机来说 约60 的碳氢化合物来自内燃机废气排放20 25 来自曲轴箱 PCV系统 的泄漏 其余的15 20 来自燃料系统 碳罐 的蒸发 甲烷是窒息性气体 其嗅觉阈值是142 8mg 只有高浓度时才对人体健康造成危害 乙烯 丙烯和乙炔则主要是对植物造成伤害 使路边的树木不能正常生长 苯是无色类似汽油味的气体 可引起食欲不振 体重减轻 易倦 头晕 头痛 呕吐 失眠 粘膜出血等症状 也可引起血液变化 红血球减少 出现贫血 还可导致白血病 其嗅觉阈值16 29mg 对人体健康有影响的阈值34 8mg 汽车尾气中还含有多环芳烃 虽然含量很低 但由于多环芳烃含有多种致癌物质 如苯并芘 而引起人们的关注 HC和NOX在大气环境中受强烈太阳光紫外线照射后 产生一种复杂的光化学反应 生成一种新的污染物形成光化学烟雾 1952年12月伦敦发生的光化学烟雾4天中死亡人数较常年同期约多4000 45 岁以上的死亡最多 约为平时的3倍 1岁以下的约为平时的2倍 事件发生的一周中 因支气管炎 冠心病 肺结核和心脏衰弱者死亡分别为事件前一周同类死亡人数的9 3倍 2 4倍 5 5倍和2 8倍 醛 醛是烃类燃烧不完全产生 主要由内燃机废气排放 汽车尾气排放的醛类成分见下表 名称成分 汽车尾气排放的醛类以甲醛为主 占60 70 甲醛是有刺激性的气体 对眼睛有刺激性作用 也会刺激呼吸道 嗅觉阈值为0 06 1 2mg 高浓度时会引起咳嗽 胸痛 恶心和呕吐 乙醛属低毒性物质 高浓度时有麻醉作用 丙烯醛是一种辛辣刺激性气体 对眼睛和呼吸道有强烈刺激 可引起支气管细胞损害 嗅觉阈值为0 48 4 1mg 含铅化合物 汽车尾气排放的含铅颗粒大部分来自内燃机的废气排放 四乙铅是作为抗爆剂加进汽油中的 一般汽油的含铅量在0 08 0 13 之间 四乙铅燃烧后生成氧化铅排出 铅主要作用于神经系统 造血系统 消化系统和肝 肾等器官 铅能抑制血红蛋白的合成代谢过程 还能直接作用于成熟的红细胞 经由呼吸系统进入人体的铅粒 颗粒较大者能吸附于呼吸道的粘液上 混于痰中而吐出 颗粒较小者 便沉积于肺的深部组织 它们几乎全被吸收 铅在人体内各器官中积累到一定程度 会对人的心脏 肺等造成损害 使人贫血 行为呆傻 智力下降 注意力不集中 严重的还可能导致不育症以及高血压 根据进入身体的方式 可以有高达60 的摄入总铅量永久留在人体内 成年人血液中混入0 8mg以上称为铅中毒 含铅汽油经燃烧后 85 左右的铅排入大气中造成铅污染 铅氧化物不仅对人体有害 它还会吸附在汽车尾气催化净化器的催化剂表面上 对催化剂产生 毒害 明显地缩短尾气催化净化装置的寿命 是汽车尾气催化净化装置要解决的难题之一 20世纪40年代以来 通过汽车燃烧排入大气中的铅已达数百万吨 成为一种公认的全球性污染 对尾气的防治 欧盟的环保专家认为 要减少汽车污染对城市环境的危害 最有效的办法是调整城市交通政策 大幅减少私家车数量 优先发展公交 提倡自行车交通 同时 还应加速发展 普及环保型汽车 减少对石化燃料的依赖 加强宣传 控制数量在许多大中城市中 汽车的数量实际已经 超载 政府可以用宏观调控的方法提高汽车的价格 适当减少汽车的购买量 促进小型制造汽车的企业的转产 把汽车的数量控制在生态平衡允许的范围内 同时要使公共汽车 地铁等公共交通工具迅速发展起来 向市民提倡骑自行车 乘坐公共汽车和地铁 公务员更要以身作则 尽量使用公共交通工具 少乘坐私家车 尽量降低汽车尾气排放量 提高质量到21世纪初 世界大多数城市都已禁止使用含铅汽油 要提高汽车尾气污染物排放标准 严格把关 不能让未达到标准的汽油流入市场 先进的汽车尾气处理技术 对不符合尾气排放标准的汽车进行淘汰或改造 定期清洗三元催化器 保持机动车尾气净化性能 推广以天然气为燃料的燃气汽车 并对燃气汽车进行改造 解决其存在的发动机动力性能下降 储气瓶占用空间大等问题 绿色技术 变废为宝 方案A 在气缸内的燃料和空气经过压缩 变成高温高压的气体 燃烧后能量仍很高 如果将这些能量利用起来 转化成发动机的动力 既节省了燃料 又减少了废气排放量 方案B 汽车尾气中含有氮氧化物和硫氧化物 如果在尾气排放管上加装一个收集和转化装置 将其转化成工业原料硝酸和硫酸 虽然收集量可能不多 但积少成多 这就在减少对大气的污染的同时对资源进行了回收 加强对环境保护重要性的宣传 提高人民环保意识 让群众自觉使用公共交通工具 不购买尾气排放量不达标的汽车 坚决不购买 制造含铅 低质汽油 加强宣传 05 汽车尾气净化技术 采取的途径主要有两种一是在不改变燃料种类的情况下采用清洁燃烧技术 机内净化 与尾气净化技术 机外净化 二是利用绿色环保燃料来减少汽车尾气中有害物的排放 目前国外已运用的机内净化方法主要有延迟点火法 废气再循环装置 ECR 控制燃烧装置 CSS 清洁空气装置 CAP以及低温等离子体技术 机内净化只能减少有害气体的生成量 不能除去已生成的有害气体 因此净化效率不高 采用无铅汽油 以代替有铅汽油 可减少汽油尾气毒性物质的排放量 掺入添加剂 改变燃料成分 提升燃油品质等 比如添加千分之五左右的燃油伴侣 汽油中掺入15 以下的甲醇燃料 或者采用含10 水份的水 汽油燃料 都能在一定程度上减少或者消除CO NOx HC和铅尘的污染效果 若采用 甲醇燃料 即采用甲醇和其它醇类同汽油混合所制成的燃料 当甲醇占比例30 40 汽车尾气排出的污染物可基本上消除 选用恰当的润滑添加剂 机械摩擦改进剂 在机油中添加一定量 比例为3 5 石墨 二硫化钼 聚四氟乙烯粉末等固体添加剂 或采用纳米技术的润滑油添加剂 如铜爵机油伴侣等 加入到引擎的机油箱中 可节约发动机燃油5 左右 此外 采用上述固体润滑剂可使汽车发动机汽缸密封性能大大改善 汽缸压力增加 燃烧完全 尾气排放中 CO和碳氢含量随之下降 可减轻对大气环境的污染 采用绿色燃料同样可减少汽车尾气有毒气体排放量 据美国的俄亥俄州某研究所用豆油与甲醇 烧碱混合 然后去除其中的甘油 从而可获得 大豆柴油 用 大豆柴油 以3 7的比例掺入到普通柴油中 可供柴油汽车之用 它可大大减少发动机工作时排放的硫化物 碳氢化合物 一氧化碳和烟尘 故誉作绿色燃料 燃油替代 采用多种燃料作为汽车燃料来源 随着科学技术的发展和计算机的广泛应用 确保环境保护法规的实施和节能措施 汽车中可广泛使用新的配方汽油 电力 压缩的天然气体 太阳能以及生态燃料的蓄电池等等 然而在这种汽车上装上电脑 不断在行驶中早先调拨组合 以使汽车发挥最佳性能 采用计算机控制点火系统 以便对发动机的不同工况作出快速反应 可取得最佳燃料经济性和发动机动力性能 可减少尾气对大气的污染 节约能源 有利环境 大力推广车用乙醇汽油 根据有关专家指出 开发乙醇代替汽油 即节约能源 又可消化陈粮 使汽车排出的有害汽体减少 是一项有利于保护环境和资源的新课题 即汽车尾气由原有毒气体 变成为无毒气体 再排放到大气中 从而可减少对大气环境的污染 1 采用催化剂 1 三元催化剂三元催化剂必须对浓度在百万分之几到百分之几内变化的CO NOx HC起净化作用 同时还要经受短时间内从很低的温度升高到一般排气温度 400 500C 的冷热交换冲击 因此要求三元催化剂的工作范围广 热稳定性高 三元催化净化发生的主要化学反应如下 尾气净化 Rh对N2形成具有很好的活性和选择性 是三元催化剂的主要成分 Pt Pd是除去CO和HC的有效金属 通常一个净化器用Pt0 9 2 3g Rh0 18 0 3g Pd的用量各个厂家差别较大 空燃比对三元催化剂净化特性的影响如图所示 同时净化CO HC NOx最佳空燃比A F 14 6 当A F 14 6即氧气过剩的情况下 CO HC的净化率较高 当A F 14 6即富油情况下 NOx的净化率较高 为了同时保持三种污染物的净化率 要求A F 14 6 0 1 三元催化剂的组成贵金属 三元催化剂中最重要的活性组分是Pt Rh Pd 由于Pd对Pb P S中毒特别敏感 在还原气氛下易烧结并与Rh生成合金使Rh的活性降低等原因 通常由Pt Pd构成催化剂 Rh作为添加剂可以提高Pt的耐高温性能和使用寿命 稀土氧化物 稀土资源丰富 价格低廉 抗中毒能力强 国内对稀土为主的复合金属氧化物进行了较多研究 主要是ABO3型稀土复合金属氧化物 单组分的稀土氧化物对NOx的还原性能不好 低温活性差 易烧结 寿命短 一般使用复合型的稀土氧化物作为活性组分 随着各种复合活性组分的加入和制备技术的改进 已使稀土催化剂的性能大为改善 普通金属氧化物 普通金属氧化物如CuO MgO TiO2 ZrO2 NeO2 Cr2O3因资源丰富曾一度引起人们的重视 但作为主催化剂使用 其热稳定性差 活性低 起燃温度高 使用寿命短很不理想 1991年国外发表了Cu Cr作为三元催化剂的研究报告 除了抗S性能差之外 其它功能与贵金属催化剂已不相上下 涂层和助剂 涂层通常采用 Al2O3其比表面积大 表面吸附能力强 加入稀土元素 碱金属 碱土金属均可有效抑制Al2O3的烧结和相变的发生 CeO2 LaO3等稀土氧化物可显著提高贵金属催化剂的活性 载体 最早采用的载体是球状活性 Al2O3随着对净化器使用寿命和净化率要求的提高 汽车尾气净化广泛使用的是整体型载体 根据基体材料 可分为陶瓷和金属2种 陶瓷载体大多采用堇青石 2Al2O3 2MgO 5SiO2 经挤压和烧结后 具有许多薄壁平行直通道 其比表面积大 耐热性能