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烟 气 污 染 治 理 负离子发生器对柴油机减废的作用 卫 罡 金宗哲 黄丽容 麦小波 北京交通大学机电学院, 北京 100044 摘要 在柴油机燃烧实验的基础上, 讨论了负离子发生器放出的负离子, 电子 e 和活性自由基等, 对减少有害废气 NOx、CO 等 的机理。 关键词 负离子发生器 减废 图1 负离子发生器工作与不工作状态 CO 、 NO 、 NO2排放量随功率变化 1 引言 柴油机排放出的有害废气主要是 CO、HC 化合 物、 NOx NO 和NO2 。人们用了很多办法来减少内燃 机有害废气的排放 ,如废气涡轮增压, 中冷技术及废 气再循环 [ 1] 、 喷射水 、 水蒸汽 、 烟气再循环、浓淡燃烧、 预混合燃烧、 催化燃烧、 纯氧燃烧、均匀充量压缩燃烧 HCCI 等方面 。纯氧燃烧不仅在理论上可使热力型 NO 的生成降低为零 ,而且能强化火焰辐射传热,提高 热效率。但是燃烧器里混入微量的氢或空气时,就会 产生高浓度的热力型 NO , 这是亟待解决的问题 [ 2] 。 HCCI ,是美国西南研究所 Southwest Research Institute, SWRI 发明的, 用电预加热空气的方法 , 大量减少柴 油机NOx的排放量, 但是增加了油耗 [ 3] 。 本实验在柴油机进气口加负离子发生器 ,使进入 气缸的空气中含有大量的离子, 电子 e 和自由基R OH , O - 2等 , 与 NOx, CO 和 HC 化合物发生分解, 氧化还原反应, 最后去除废气 。 2 实验 2. 1 实验设备与方法 试验在本校柴油机实验室进行 ,负离子发生器的 输出端接在ZS195柴油机的进气口 ,进行正常情况与 加负离子之后的内燃机的燃烧性能实验 ,以考核负离 子对内燃机减废的作用。 室温18. 8 ℃,相对湿度 40,内燃机型号 ZS195 柴油机 , 柴油 10 。电源 WD990 微机电源 可提供 12V 直流电源 ,废气测试仪器 气体检测仪 VRAE , 负离子发生器 接 12V 直流电 , 产生负离子数 额定 10 6 个 cm 3 。 负离子发生器工作与不工作状态时 ,分别测定随 功率变化的 CO、 NO 、 NO2的排放量,见图 1。 2. 2 实验结果 正常情况及使用离子发生器后的测试结果见附 表。实测中 Δt 取30 s。 3 讨论 3. 1 离子发生器附近电子的能量分布 由皮克 Peek 公式 [ 4] 计算起始电晕场强 E0 E03 10 6 fδ 0. 03 δ r0 式中 δ 相对密度, 按下式计算 δ T 0P TP0 ; T0 标准状态下绝对温度 T0273 K ; P0 标准状态下气体压力 1. 013 10 5 Pa; T 实际情况下气体绝对温度 K; P 实际情况下气体压力 Pa 。 电晕线表面粗糙度 f ≤ 1,实际计算取 f 0. 6。 39 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 附表 正常情况及使用负离子发生器后实验数据 油耗量 Δg g 转矩 Ttq Nm 排气温度 Tr ℃转速 n rmin- 1 CO NO2 NO 10-6 4. 7 4. 51. 72 1. 49158 161 2 005 2 000456 42733. 7 31. 7272 248 6. 3 5. 38. 45 5. 03194 172 2 008 2 000579 44943. 6 36 447 324 8. 3 7. 716. 16 14. 44241 217 2 004 2 002673 47045. 1 40 690 529 10. 7 9. 525. 56 22. 03280 262 2 003 2 004860 51145. 5 41 970 760 12. 2 11. 030. 78 28. 13323 331 2 002 1 997960 60038. 1 32 1 000 820 14. 6 13. 538. 74 36. 32394 367 1 999 1 9991 030 70024. 3 20 1 020 847 15. 4 18. 841. 80 50. 49454 486 2 000 2 0041 052 79516. 6 15 1 030 860 注 Δ g 、Ttq、Tr、n 由柴油机工作台上的仪器自动测出,NO2、NO 和CO 由便携式气体检测仪 VRAE 测出。 取 T 273 25298 K, P P0 1. 01310 5 Pa, r0 410 - 4 m E03 10 6 fδ 0. 03 δ r0 3 10 6 0. 6 0. 916 0. 03 0. 916 4 10 - 4 4. 240 8 10 6 V m 假设放电极附近很小范围内的电场为平均电场 E E0,由公式 [ 5] 计算得到 ε 3. 4910 -5eE 3. 49 10-5 4. 24 10 6 148 eV 由电子能量分布公式 [ 6] 计算出的能量分布为 f ε 2. 07 ε -3 2ε 1 2exp -1. 5ε ε 计算离子发生器产生的电子的能量分布 , 并将 ε 148 eV 代入 则 f ε 2. 07 148 -3 2 ε 1 2exp-1. 5ε 148 0. 001 15ε 1 2exp -1. 5ε 148 图2 电极附近 Δ范围内电子能量分布图 从图 2的电极附近 Δ范围内的电子能量分布图, 可以看到电子能量集中在 10～ 150 eV 之间, 由于这 个结论的前提是假设电极附近 Δ范围内的电场是匀 强电场 ,且场强大小为起始电晕场强 ,故电极附近 Δ 范围内的电子能量较高, 有电子风形成 。 3. 2 减废的机理 负离子发生器做功后, 气体的成分比较复杂, 有 很多电子 e ,离子 A, 活性自由基R 和激发态的分子 B ＊等具有较高化学反应活性的粒子 , 与废气发生氧 化还原反应和分解反应 。反应的机理可分为两种方 式 一是活性自由基等氧化性强的粒子与有害废气成 分发生氧化还原反应除去 ; 二是离子或激发态分子与 有害气体分子碰撞 ,发生能量转移, 使气体分子处于 激发状态, 再被分解除去 [ 7] 。 第一种方式电子分解空气成分 [ 8] O2 e 5 eV ※ O - 2① O2e 5 eV ※ O O e② O2 e 12 eV ※ O 2 2e③ O2 e 12 eV ※ O O 2e④ H2O e OH H⑤ N2 e N N e⑥ 生成的活性自由基R O - 2, O, O 2, OH 与 CO,NOx和HC 化合物发生的氧化还原反应 [ 9] 。 O 2 NO※ NO O2⑦ e NO ※ N O⑧ 紧接着有NO O ※ NO2⑨ NO N ※ N2 O 10 N NO2※2NO 11 O NO2※ NO O2 12 NOx OH ※ HNO3 气体 13 反应⑦～ 12,涉及的是O - 2,O,O 2与 NOx反应 去除NOx的过程 。 CO R※ CO2 14 HC R※ CO2 H2O 气体 15 方程式 14 反应程度比较强烈,可大量的除去 CO; 方程式 15 反应程度不大。 第二种方式分解 NOx。 NO2 e 6. 17 eV N O※ N2 O2 16 下转第 48 页 40 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 表 2 复方的组成 组成 茶叶水 50 g L 聚乙二醇 0 . 15 mol L 尿素 0. 3 mol L 硫脲 0. 3mol L 复方Ⅰ111 复方Ⅱ111 注 表中数字表示每种溶液的体积数。添加聚乙二醇的目的是 通过聚乙二醇及其反应形成的膜来抑制甲醛的释放 表 3 经复方Ⅰ 、Ⅱ处理后的木条中提取出的 甲醛的吸光度与含量 次数 吸光度 1234平均值 甲醛含量 μ g 蒸馏水0. 2460. 2480. 2470. 2470. 247390. 1 复方Ⅰ0. 0580. 0550. 0550. 0580. 056109. 3 复方Ⅱ0. 0460. 0450. 0450. 0460. 04694. 6 从表 3 数据可知, 复方 Ⅰ可将甲醛的释放量从 390. 1 μ g降 低 到 109. 3 μ g , 甲醛 释 放 相 对减 少 约 72. 0; 复方Ⅱ也可以可将甲醛的释放量从390. 1 μ g 降低到94. 6 μ g , 甲醛释放相对减少约 75. 7。如果 通过提高复方中各物质的浓度 ,并调整复方中各物质 的量的比例, 经优化后, 降低甲醛释放量的效果会 更好 。 4 结论 1 实验表明 ,茶叶水可降低甲醛的释放量 ,实验 配制的复方 Ⅱ可将甲醛释放相对减少约 75. 7。 2 实验数据处理中发现菠萝皮水不能降低甲醛 的释放量。 3 要彻底消除室内甲醛的污染, 需从甲醛产生 的源头解决 ,建议可在人造木质板材原料中掺加茶叶 来降低甲醛的释放量 。 参考文献 1 阙忠芳, 袁陈敏. 甲醛与人体健康. 环境与健康杂志, 1993. 10 1 46. 2 张富韬, 方少明, 松全无. 活性炭对垃圾渗滤液中甲醛、苯酚和苯胺 吸附规律的研究. 安全与环境学报, 2003. 8. 3 中华人民共和国国家标准 GB T . 15516 -1995 , 空气质量, 甲醛的测 定, 乙酰丙酮分光光度法. 作者通讯处 王金权 510090 广州市东风东路 729 广东工业大 学环境科学与工程学院 电话 020 37628504 E -mail wjq203163. com 2004- 11-01 收稿 上接第 40页 NO e 6. 56 eV N O ※ N2 O2 17 COC OC O2 18 第二种方式对电子 e 的能量要求高 ,反应不如第 一种方式容易进行。 3. 3 减废效果 从图 1 中可以看到 , 打开负离子发生器后 ,NOx 和CO 的排放量与以前相比, 在一定范围内, 都有了 比较大程度的减少。 4 结论 1 在进气口加负离子发生器后, 可降低 NOx和 CO 的排放量 2 反应机理为电子、自由基等与 NOx和 CO 发 生氧化还原,分解反应被去除 。 参考文献 1 白敏丽, 李河. 内燃机臭氧助燃技术研究. 大连理工大学学报, 1997. 6 37 . 2 新井纪男. 燃烧生成物の生 と抑制技术. 日本 株式会社 テノシ ステム,1997 56～ 70. 3 Allen W and et al. Homogeneeus Charge Compression Ignition HCCIof Diesel Fuel . SAE P ,1992. 97 1676. 4 向晓东. 现代除尘理论与技术. 北京 冶金工业出版社. 5 孙亚兵. 电晕等离子体净化室内空气的机理及实验研究, 博士学位 论文. 中科院等离子本物理研究所, 1998. 47. 6 孙亚兵. 电晕等离子体净化室内空气的机理及实验研究, 博士学位 论文. 中科院等离子体物理研究所, 1998. 44. 7 张强等. 氮氧化物在等离子体中的分解与转化. 燃烧科学与技术, 2002. 8 陈杰. 低温等离子体化学及其应用. 北京 科学出版社, 2001. 253. 9 张强等. 氮氧化物在等离子体中的分解与转化. 燃烧科学与技术, 2002. 8 6 . 作者通讯处 卫罡 100044 北京交通大学机电学院 22 楼 244 房间 2004- 10-25 收稿 48 环 境 工 程 2005年 8 月第23 卷第4 期 Keywords artificial marsh system, municipal sewage and ecological treating system APPLICATION OF ANAEROBIC PROCESS OF TWO-STAGE UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE BED IN PHARMACEUTICAL WASTEWATERPang Yan et al 25 Abstract It is very difficult for a normal process to treat an antibiotic pharmaceuticalwastewater with CODCrof 39 000 mg L and sulphate concentration of about 6 500 mg L. Two -stage anaerobic process is suggested and used for a pharmaceutical factory in Shangdong Province. Excellent effect and economic benefit have been obtained. Keywords pharmaceuticalwastewater, two -stage anaerobic process and biodesulphuration REGULATION OF INFLUENCE FACTORS FOR A O PROCESS IN TREATING AIRLINE FECAL SEWAGEZhang Zhiguang et al 27 Abstract In addition to treatment of routine domestic sewage from airport zone, Capital Airport Sewage Treatment Plant still treats airline fecal sewage. There was a loading shock on the sewage treatment system in the first half year of 2004 due to many causes. It is introduced how to regulate the process and restore a normal operation of the sewage treatment system on condition of a loading shock. Keywords airline fecal sewage, activated sludge and regulation RESEARCH ON SIMULTANEOUS NITRIFICATION AND DENITRIFICATION IN SBR SYSTEM Zhang Long et al 29 Abstract A single stage SBR system fed with a synthetic municipal wastewater containing organics and ammonia was investigated. By the additionof glucose as carbon source and ammonium sulfate as nitrogen source, the influences of varieties of C N and DO concentration on simultaneous nitrification and denitrification SNDwere also investigated. The results showed that when the influent concentrations of CODCrand NH3-N were 244～ 550 mg L, 45. 4～ 52. 2 mg L, DO1. 0-3. 0 mg L and CODCr NH3-N 5～ 10 respectively , the removal rates of CODCrand NH3-N reached 87. 1～ 91. 0, 75. 1～ 94. 7 respectively. Considering the research results, one typical cycle of SND was analyzed simultaneously. Keywords biological nitrogen removal, simultaneous nitrification and denitrification and SBR system THE EFFECT OF OZONIZATION ON DISSOLVED ORGANIC MATTER IN SECONDARY EFFLUENT AND ANALYSIS OF REACTION KINETICSWang Lei et al 33 Abstract A study on ozonization of secondary effluent was conducted with different retention time, and the organics presented different molecular size distribution characteristics, which provided a theoretical basis for choosing the right process of ozone combination. The results showed that ozonization raised the biodegradability of organics, which could be divided into three phases, each of which was the first order reaction, then the dynamic equation of ozonization of secondary effluent could be obtained, which provided theoretical proof for choosing the appropriate ozone retention time, and realizing high efficiency and low energy consumption treatment of municipal wastewater. Keywords ozonization, secondary effluent, ozone reaction kinetics and sewage recycling RESEARCH ON PRETREATMENT OF REFINERY ORGANIC ALKALI WASTEWATER WITH HIGH CONCENTRATIONZhang Dongmei et al 36 Abstract It is compared that the degradation of refinery organic alkali wastewater with high concentration by UV O3, UV H2O2and UV TiO2 H2O2systems. The results show that three s all have good degradation effect. On condition of the experiment, UV TiO2 H2O2process has an obvious effect of oil removal. In the UV O3system ultraviolet light makes the degradation rates of CODCr, oil and phenol in the watewater increase by 24, 31 and 28 respectively , and particularly let the average of BOD CODCrraise by 0. 45. Thus the biodegradability of the wastewater is improved effectively. Keywords pretreatment and refinery alkali wastewater EFFECT OF NEGATIVE IONS GENERATOR ON REDUCING EXHAUST GAS FROM INTERNAL COMBUSTION ENGINEWei Gang et al 39 Abstract In this paper, based on the combustionexperiment on a diesel engine, the mechanisms of reducing harmful exhuast gas NOX, CO etc from the engine by negative ions, electrons and active free radicals released from the negative ion generator were discussed. Keywords negative ion generator and reduction of exhaust gas EXPERIMENTAL STUDY ON PURIFICATION OF PH3BY LOAD ACTIVATED CARBON Ning Ping et al 41 Abstract Activated carbon adsorption is usedto purify PH3. It is examined the effect of oxygen, liquid of dipping, and reaction temperature on the adsorption efficiency. Under the condtion of 1. 5 of oxygen volume, 5hydrochloric acid dipping and reaction temperature 70℃, 90 of PH3has been removed when the concentration of PH3is 1 100 mg m3at inlet, and the mechanism anlysis is conducted. 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23,No. 4, Aug . , 2005