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一种发动机尾气处理方法和系统

2020-12-20 19:16:08

一种发动机尾气处理方法和系统

  技术领域

  本发明涉及机械领域,特别涉及一种发动机尾气处理方法和系统。

  背景技术

  现有的汽车尾气处理系统中多使用三元催化处理方法,但是该方法在发动机启动阶段,尾气温度不能达到蓄热催化体有效工作温度,发动机排放的污染物不能得到有效治理,特别是有机颗粒、有机挥发分子等污染物,既污染环境,又不利于交通参与人员的健康。所以需要一种新的发动机尾气处理方法和系统,以提供更为有效的发动机尾气处理方法。

  发明内容

  鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种发动机尾气处理方法和系统,用于解决现有技术中的问题。

  为实现上述目的及其他相关目的,本发明一方面提供一种发动机尾气处理方法,包括:

  将待处理流股与氧等离子体流股接触,以提供经受氧等离子体处理后的尾气流股。

  在本发明一些实施方式中,所述待处理流股为启动工况下的待处理流股。

  在本发明一些实施方式中,所述待处理流股为经受三元催化处理后的发动机尾气。

  在本发明一些实施方式中,经受氧等离子体处理后的尾气流股中,有机挥发性污染物(VOCS/THC)的含量为<8毫克/立方米,氮氧化合物(NOx)的含量为<20毫克/立方米,一氧化碳(CO)的含量为<100毫克/立方米。

  本发明另一方面提供一种发动机尾气处理系统,包括:

  氧等离子体发生装置,用于提供氧等离子体流股;

  氧化装置,用于将待处理流股与氧等离子体流股接触,以提供经受氧等离子体处理后的尾气流股。

  在本发明一些实施方式中,还包括三元催化装置,用于将待处理流股进行三元催化处理,以提供经受三元催化处理后的待处理流股。

  在本发明一些实施方式中,还包括消声装置,用于约束尾气并消耗尾气压力波动能量。

  本发明另一方面提供一种动力系统,包括所述的发动机尾气处理系统。

  在本发明一些实施方式中,还包括发动机,所述发动机尾气处理系统与发动机的尾气排放口相连接。

  附图说明

  图1显示为本发明发动机尾气处理系统结构示意图。

  具体实施方式

  本发明发明人经过大量实践研究,提供了一种发动机尾气处理方法,所述处理方法可以通过氧等离子体分解发动机尾气中的污染物,使发动机启动工况下排放达标,弥补发动机尾气高温氧化治理的不足,在此基础上完成了本发明。

  本发明第一方面提供一种发动机尾气处理方法,包括:

  将待处理流股与氧等离子体流股接触,以提供经受氧等离子体处理后的尾气流股。

  本发明所提供的发动机尾气处理方法中,所述发动机通常可以是能够把其它形式的能量转化为机械能的机器,且通常会产生含有包括但不限于颗粒物、氮氧化合物、有机挥发性污染物、一氧化碳等物质的尾气,例如,可以是将燃料的化学能转化为机械能,具体可以是包括但不限于柴油发动机、汽油发动机、燃气发动机、混合燃料发动机等,也可以是包括但不限于压燃燃料发动机、点燃式燃料发动机等。

  本发明所提供的发动机尾气处理方法中,所述待处理流股可以是启动工况下的待处理流股,例如,待处理流股的温度可以为0~800℃、0~10℃、10~20℃、20~30℃、30~50℃、50~100℃、100~200℃、200~300℃、300~500℃、或500~800℃,所述启动工况下的待处理流体温度通常低于非启动工况下的待处理流体的温度。由于现有技术中常用的三元催化处理技术往往需要在一定的温度条件(例如,350~650℃、350~400℃、400~450℃、450~500℃、500~550℃、550~600℃、600~650℃的温度条件下)下才具有良好的处理效果,而在启动工况下,发动机所排出的尾气温度往往大大低于发动机正常工作下所排出的尾气温度,所以尾气温度无法达到三元催化处理中所使用的催化剂的活性温度,所以三元催化处理技术对于启动工况下的发动机尾气处理往往效果不佳。而本发明所提供的尾气处理方法通过引入氧等离子体流股,即使在发动机的启动工况下,依然可以有效去除发动机尾气中的污染物。待处理流股中的污染物可以是包括但不限于颗粒物(PM)、氮氧化合物(NOx)、有机挥发性污染物(VOCs、THC等)、一氧化碳(CO)、燃油(例如,发动机所产生的漏油等)等中的一种或多种的组合,再例如,所述颗粒物具体可以是包括但不限于PM2.5、PM0.1~PM60、PM0.1~PM0.5、PM0.5~PM1、PM1~PM1.5、PM1.5~PM2.5、PM2.5~PM5、PM5~PM10、PM10~PM20、PM20~PM40、PM40~PM60的有机颗粒物以及无机颗粒物等,再例如,待处理流股中颗粒物的含量可以为0.05~20000mg/m3、0.05~0.1mg/m3、0.1~0.5mg/m3、0.5~1mg/m3、1~5mg/m3、5~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、500~1000mg/m3、1000~2000mg/m3、2000~3000mg/m3、3000~5000mg/m3、5000~10000mg/m3、10000~15000mg/m3、或15000~20000mg/m3,再例如,待处理流股中氮氧化合物的含量可以为2~4000mg/m3、2~5mg/m3、5~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、500~1000mg/m3、1000~2000mg/m3、2000~3000mg/m3、或3000~4000mg/m3,再例如,待处理流股中有机挥发性污染物的含量可以为0.8~1000mg/m3、0.8~1mg/m3、1~3mg/m3、3~5mg/m3、5~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、或500~1000mg/m3,再例如,待处理流股中一氧化碳的含量可以为2~1000mg/m3、2~3mg/m3、3~5mg/m3、5~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、或500~1000mg/m3。

  本发明所提供的发动机尾气处理方法中,所述待处理流股可以是经受三元催化处理后的发动机尾气,也可以是未经受三元催化处理后的发动机尾气。所述三元催化处理通常指将流股与催化剂接触,从而增强污染物(例如,CO、VOCs、THC和NOx等气体)的活性,促使其进行一定的氧化-还原化学反应,从而可以至少部分地去除污染物的处理方法,所使用的催化剂可以是包括但不限于金属铂催化剂、金属铑催化剂、金属钯催化剂等中的一种或多种的组合,污染物所发生的反应可以是例如,可以是将CO氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体,再例如,可以是将VOC氧化成水和二氧化碳,再例如,可以是将NOx还原成氮气和氧气,再例如,将一氧化氮氧化为二氧化氮的处理方法。所述三元催化反应可以在启动工况下进行,例如,所述三元催化处理可以在≤350℃、0~350℃、0~10℃、10~20℃、20~30℃、30~50℃、50~100℃、100~200℃、200~300℃、或300~350℃的温度条件下,也可以在非启动工况下进行,例如,所述三元催化处理可以在350℃~950℃、350℃~450℃、450℃~550℃、550℃~650℃、650℃~750℃、750℃~850℃、或850℃~950℃的温度条件下进行。经受三元催化处理后的待处理流股中,依然含有一定量的污染物。例如,在启动工况条件下,经受三元催化处理后的待处理流股中,污染物可以是包括但不限于颗粒物、氮氧化合物、有机挥发性污染物、一氧化碳等中的一种或多种的组合,再例如,所述颗粒物具体可以是包括但不限于PM2.5、PM0.1~PM60、PM0.1~PM0.5、PM0.5~PM1、PM1~PM1.5、PM1.5~PM2.5、PM2.5~PM5、PM5~PM10、PM10~PM20、PM20~PM40、PM40~PM60的有机颗粒物以及无机颗粒物等,再例如,待处理流股中颗粒物的含量可以为4~6000mg/m3、4~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、,再例如,待处理流股中氮氧化合物的含量可以为20~2000mg/m3,再例如,待处理流股中有机挥发份的含量可以为8~300mg/m3,再例如,待处理流股中一氧化碳的含量可以为100~2000mg/m3。再例如,在非启动工况条件下,经受三元催化处理后的待处理流股中,污染物可以是包括但不限于颗粒物、氮氧化合物、有机挥发性污染物、一氧化碳等中的一种或多种的组合,再例如,所述颗粒物具体可以是包括但不限于PM2.5、PM0.1~PM60、PM0.1~PM0.5、PM0.5~PM1、PM1~PM1.5、PM1.5~PM2.5、PM2.5~PM5、PM5~PM10、PM10~PM20、PM20~PM40、PM40~PM60的有机颗粒物以及无机颗粒物等,再例如,待处理流股中颗粒物的含量可以为4~400mg/m3、4~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、或300~400mg/m3,再例如,待处理流股中氮氧化合物的含量可以为20~2000mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~200mg/m3、200~300mg/m3、300~500mg/m3、500~1000mg/m3、1000~2000mg/m3,再例如,待处理流股中有机挥发份的含量可以为8~200mg/m3、8~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、50~100mg/m3、100~150mg/m3、或150~200mg/m3,再例如,待处理流股中一氧化碳的含量可以为2~100mg/m3、2~5mg/m3、5~10mg/m3、10~20mg/m3、20~30mg/m3、30~50mg/m3、或50~100mg/m3。

  本发明所提供的发动机尾气处理方法中,所述氧等离子体处理通常指利用氧等离子体流股与待处理流体接触,从而通过氧等离子体与待处理流股中的污染物进行反应,以去除污染物的处理方法。例如,氧等离子体可以与待处理流股中的有机挥发性污染物反应,生成二氧化碳和水,再例如,一氧化氮氧化为二氧化氮,一氧化碳氧化为二氧化碳。通过利用氧等离子体的氧化性,可以充分氧化分解发动机尾气中的污染物,例如,经受氧等离子体处理后的尾气流股中,有机挥发污染物的去除比例可以达到99.9%以上、99%以上、98%以上、97%以上、95%以上、93%以上、或90%以上,硝的去除比例可以达到99%以上、98%以上、97%以上、95%以上、93%以上、或90%以上;再例如,经受氧等离子体处理后的尾气流股中,有机挥发污染物的含量可以为≤0.001毫克/立方米、≤0.005毫克/立方米、≤0.01毫克/立方米、≤0.05毫克/立方米、≤0.1毫克/立方米、≤0.5毫克/立方米、或≤1毫克/立方米,硝的含量可以为≤0.1毫克/立方米、≤0.5毫克/立方米、≤1毫克/立方米、≤3毫克/立方米、或≤5毫克/立方米。通过氧等离子体对待处理流股进行处理的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的,例如,可以通过(氧气型)等离子体发生器等提供氧等离子体(流股),再例如,可以将氧等离子体流股与待处理流股引入可供气体混合的反应装置,使氧等离子体流股与待处理流股充分接触,再例如,氧等离子体流股中的氧等离子体可以和水的氢结合形成氢氧根离子,再例如,待处理流股中的大分子有机分子分解以后可以生成水,从而可以使反应体系中的水的含量达到60~80wt%、60~65wt%、65~70wt%、70~75wt%、或75~80wt%,再例如,经受氧等离子体处理后的尾气流股还可以经受冷却处理,所述冷却处理通常指通过热交换以降低待处理物温度的处理方法,由于经受氧等离子体处理后的尾气流股含有大量的水,经过冷却处理后,至少部分的水可以降温形成液体,以液体形式被排放(例如,凝露排放),再例如,氧等离子体流股相对于待处理流股中的污染物的量通常是基本等量或过量的,待处理流股中污染物(例如,有机分子、一氧化氮、一氧化碳、有机颗粒等中的一种或多种的组合)与氧等离子体流股中的氧的摩尔比可以为1:1.15~1.5、1:1.15~1.2、1:1.2~1.25、1:1.25~1.3、1:1.3~1.35、1:1.35~1.4、1:1.4~1.45、或1:1.45~1.5。经受氧等离子体处理后的尾气流股中污染物的含量大幅降低,可以达到国六B排放限值要求。

  本发明第二方面提供一种发动机尾气处理系统,包括:

  氧等离子体发生装置,用于提供氧等离子体流股;

  氧化装置,用于将待处理流股与氧等离子体流股接触,以提供经受氧等离子体处理后的尾气流股。

  本发明所提供的发动机尾气处理系统中,可以包括氧等离子体发生装置,所述氧等离子体发生装置可以用于提供氧等离子体流股。所述氧等离子体发生装置可以是本领域各种能够提供氧等离子体(流股)的装置,例如,可以是包括但不限于电弧等离子体发生器、工频电弧等离子体发生器、高频感应等离子体发生器、低气压等离子体发生器、紫外线等离子体发生器等中的一种或多种的组合;再例如,氧等离子体流股中,待处理流股须含水分子,且能达到凝露排放。所述氧等离子体发生装置可以仅在启动工况下提供氧等离子体(流股),而在发动机排气温度达到理想的工作温度时,所述氧等离子体发生装置则可以处于关闭状态,使用既有发动机尾气预热热解有机挥发污染物。

  本发明所提供的发动机尾气处理系统中,还可以包括氧化装置,所述氧化装置用于将待处理流股(经受三元催化处理后的待处理流股和/或未经受三元催化处理后的待处理流股)与氧等离子体流股接触,以提供经受氧等离子体处理后的尾气流股。所述氧化装置可以与氧等离子体发生装置流体连通,从而可以将氧等离子体发生装置所提供的氧等离子体流股引入氧化装置,待处理流股也可以被引入氧化装置中,从而可以将待处理流股与氧等离子体流股接触。经受氧等离子体处理后的尾气流股可以被引出氧化装置,以进一步进行后续处理或直接作为尾气排放。所述氧化装置通常可以是能够使两股或多股流体(例如,气体和/或液体)充分混合的反应装置,例如,可以是包括但不限于管段、容器、腔体以及消音器、缓冲器、凝露器等;再例如,氧化装置中待处理流股中污染物(例如,有机分子、一氧化氮、一氧化碳、有机颗粒等中的一种或多种的组合)与氧等离子体流股中的氧的摩尔比可以为1:1.15~1.5、1:1.15~1.2、1:1.2~1.25、1:1.25~1.3、1:1.3~1.35、1:1.35~1.4、1:1.4~1.45、或1:1.45~1.5。

  本发明所提供的发动机尾气处理系统中,还可以包括三元催化装置,所述三元催化装置用于将待处理流股进行三元催化处理,以提供经受三元催化处理后的待处理流股。待处理流股可以被引入三元催化装置,以经受三元催化处理,经受三元催化处理后的待处理流股可以被引出三元催化装置。所述三元催化装置可以与氧化装置流体连通,从而可以将经受三元催化处理后的待处理流股引入氧化装置。所述三元催化装置通常包括可以增强污染物(例如,CO、VOC和NOx等气体)的活性的催化剂,具体可以是包括但不限于金属铂催化剂、金属铑催化剂、金属钯催化剂等中的一种或多种的组合。

  本发明所提供的发动机尾气处理系统中,还可以包括消声装置,所述消声装置用于约束尾气并消耗尾气压力波动能量,还可以消除压力震动产生声波。所述消声装置通常可以位于氧化装置和三元催化装置的连通管道上。所述消声装置通常可以是各种适用于发动机尾气处理的消声器,例如,可以是包括但不限于管段、容器、腔体以及消音器、缓冲器、凝露器等中的一种或多种的组合

  本发明第三方面提供一种动力系统,包括如本发明第二方面所提供的发动机尾气处理系统。

  本发明所提供的动力系统中,还可以包括发动机,更具体可以是包括但不限于柴油发动机、汽油发动机、燃气发动机等,所述发动机尾气处理系统通常可以与发动机相配合,例如,发动机尾气处理系统可以与发动机的尾气排放口相连接,从而对发动机尾气进行处理。

  本发明所提供的发动机尾气处理系统通常可以被用于发动机的尾气处理,通过增加氧等离子体发生装置,产生大量强氧化剂,可以有效降低启动工况条件下的发动机尾气中有害物质的含量,弥补发动机尾气高温氧化治理工艺的不足,减少发动机污染物排放,处理所得的气体中,VOC等物质可以被基本去除,从而进一步减少尾气中有害物质的排放量,具有良好的产业化前景。

  以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

  在进一步描述本发明具体实施方式之前,应理解,本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案。除非另外定义,本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外,根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载,还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

  实施例1

  对1.8升点燃型汽油发动机的尾气进行处理,尾气中主要污染物含量如下:颗粒物pm>180毫克/立方米;氮氧化合物NOX>270毫克/立方米;一氧化碳CO>220毫克/立方米;有机挥发污染物(启动工矿或怠速工矿)VOCs>240毫克/立方米

  尾气处理过程中,所使用的三元催化处理装置为蓄热稀土催化剂,氧气型等离子体发生装置为陶瓷阻挡放电氧等离子体发生器,消声器为不锈钢折返消音器,反应装置为混流管段。

  在启动工况下,将流量为240立方米/小时的汽车尾气引入三元催化处理装置中,处理后所得流股中主要污染物的含量为颗粒物pm>80毫克/立方米;氮氧化合物NOX>260毫克/立方米;一氧化碳CO>210毫克/立方米;有机挥发污染物(启动工矿或怠速工矿)VOCs>230毫克/立方米,尾气温度为<70℃。

  进一步将三元催化处理后的尾气引入反应装置,引入量为240立方米/小时,同时将氧等离子体流股引入反应装置,引入量为1000毫克/立方米,氧等离子体的参数为AC5kv/800W。

  经处理以后,引出的气体中,主要污染物的含量为颗粒物pm<5毫克/立方米;氮氧化合物NOX<0.1毫克/立方米;一氧化碳CO<110毫克/立方米;有机挥发污染物(启动工矿或怠速工矿)VOCs<0.001毫克/立方米。

  可见,即使在启动工况下,通过本发明所提供的处理方法,可以有效治理治理尾气中污染物的含量,尤其是氮氧化合物、有机挥发分子等污染物。

  综上所述,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

  上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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