低温等离子体发生器工作参数优化_图文(精)
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第29卷第14期农业工程学报V ol.29 No.14
60 2013年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul.
2013
低温等离子体发生器工作参数优化
施蕴曦,蔡忆昔※,李小华,陈亚运,丁道伟
(江苏大学汽车与交通工程学院,镇江 212013
摘要:低温等离子体(non-thermal plasma,NTP发生器放电产生的活性物质可有效去除柴油机颗粒捕集器(diesel particular filter,DPF中沉积的颗粒物(particulate
matter,PM,而发生器的工作参数直接影响活性物质的浓度,选取合适的工作参数有利于活性物质的产生。该文以空气为气源,考察了放电区表面温度、放电电压、放电频率、空气流量4个因素对NTP发生器产生活性物质浓度的影响。以O3质量浓度作为试验指标,进行了正交试验设计,并对试验结果进行单因素影响规律的分析、极差分析以及方差分析。研究表明:较低的放电区表面温度和放电频率有利于O3的生成,O3质量浓度随着空气流量的增大先升高后降低,随放电电压的变化没有明显的增减趋势;
放电区表面温度、空气流量为显著因素,放电电压和放电频率为不显著因素;各因素对试验结果影响的大小顺序为:空气流量>放电区表面温度>放电频率>放电电压;NTP反应器产生活性物质的较优组合是:放电区表面温度40℃、放电电压19
kV、放电频率7 kHz、空气流量5 L/min。研究结果对开发用于分解柴油机PM的NTP系统、优化NTP技术再生DPF的研究有重要的指导意义。
关键词:柴油机,排放控制,臭氧,低温等离子体,颗粒捕集器
doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.14.008
中图分类号:TK423 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013-14-0060-07
施蕴曦,蔡忆昔,李小华,等. 低温等离子体发生器工作参数优化[J]. 农业工程学报,2013,29(14:60-66.
Shi Yunxi, Cai Yixi, Li Xiaohua, et al. Optimization of working parameters for non-thermal plasma reactor[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the
CSAE, 2013, 29(14: 60-66. (in Chinese with English abstract
0 引 言
柴油机以其优越的燃油经济性和动力性,被广泛应用于工农业生产和交通运输等领域。为了满足未来更为严格的排放法规,如何有效降低柴油机颗粒物(particulate
matter,PM排放已经成为人们日益关注的问题[1]。柴油机颗粒捕集器(diesel
particular filter,DPF技术相对成熟,被认为是降低颗粒物排放最为有效的手段。但随着PM捕集量的增加,DPF压降增加,达到一定程度后会影响发动机的正常排放,故DPF的关键问题为捕集器的再生技术[2-3]。
DPF的再生技术主要包括热再生、催化再生、连续再生等几类,国内外学者对此作了相关研究。
收稿日期:2013-03-01 修订日期:2013-06-04
基金项目:国家自然科学基金项目(51176067;教育部博士点基金项目(20113227120016;江苏省自然科学基金项目(BK2010330;江苏省高校优势学科建设项目(苏政办发〔2011〕6号
作者简介:施蕴曦(1988-,女,江苏南通人,研究方向:发动机工作过程及排放控制。镇江江苏大学汽车与交通工程学院,212013。Email:shiyunxi880527@
※通信作者:蔡忆昔(1957-,男,江苏昆山人,教授,博士生导师,研究方向:发动机工作过程及排放控制。镇江江苏大学汽车与交通工程学院,212013。Email:qc001@ 杨德胜等[4]研究了热再生技术,该技术一般要求温度达到
600℃以上,故要求高功率的车载电源,且存在再生时加热不均等问题;王天友等[5]研究了催化再生技术,该技术要求燃油含硫量低于50 ppm,国内柴油的硫含量较高,短期内无法满足该技术的要求;Triana等[6]研究了连续再生技术,先利用催化剂将柴油机排气中的NO转化为NO2,再利用NO2的强氧化性氧化PM,该技术对燃油含硫量要求较高,存在催化剂中毒而无法实现再生的问题。传统的再生方法由于自身存在的缺点,使用均受到限制。因此,研发适合国情的高效DPF再生技术是中国未来柴油机排放控制领域面临的一个重要的挑战和机遇。
低温等离子体(non-thermal plasma,NTP技术是一种新型的工业去污手段,所产生的活性物质可使常规条件下很难实现的化学反应得以启动,具有使用范围广泛、转化效率高、耗能低、无二次污染等优势,有可能成为一种新型的柴油机后处理技术手段[7-10]。NTP再生DPF技术是近年来DPF再生方法研究的热点之一。Masaaki
Okubo等[11-14]将NTP发生器产生的活性物质喷入到排气管中DPF 上游,通过监测DPF两端压差及对DPF的质量称量来判断DPF的再生效应,发现利用NTP技术在
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温度为200℃时即可实现DPF 再生。Grundmann J 等[15-16]开展了平行板式NTP 发生器分解柴油机PM 的试验,利用X 射线光电子谱(x-ray photoelectron
spectroscopy ,XPS 诊断技术探测PM 的氧化分解过程,指出当温度<160℃时,NO 2的氧化效果急剧减弱,温度>160℃时,NO 2及O 3对PM 均有较强的氧化效果。黄震[17]等开展了集成式NTP 催化反应技术有效去除柴油机PM 的试验工作,指出具有强氧化性的活性物质,如O 、O 3等,在215℃时即可有效氧化PM 中的SOF 和soot
成分,使之转化为CO 2和H 2O 。综合国内外研究工作可以看出,NTP 再生技术能够有效降低DPF 再生温度,且不存在催化剂中毒现象,有效地避免了传统再生所面临的问题。研究表明,NTP 发生器产生的活性物质对DPF 的再生起主要作用[18],故活性物质的高效产生,有利于促进DPF 的再生。而NTP 发生器的工作参数直接影响活性物质的产量,故选取合适的工作参数尤为重要。
本文以空气为气源,对自行设计的同轴圆柱型INTP 发生器进行试验,选取发生器放电电压、放电频率、放电区表面温度、空气流量4个因素,采用L 16(45正交试验优选NTP 发生器的工作参数,为NTP 技术再生DPF 的试验研究提供参考。
1 NTP 系统化学反应模型
空气经NTP 发生器放电击穿后产生大量的活性物质(粒子、电子、光子、亚稳态分子等,其化学反应模型如下所示[19-21]
32233
e O e O (A e O(PO(P
u +
+→+∑→
++ (1
32231e O e O (B e O(PO(D
u −+→+Σ→
++ (2
4422e N e N(SN(S,D+→++ (3
222N (A,BO N 2O +→+ (4 *233O O M O M O M ++→+→+ (5
222N (AO N O O +→+ (6
2N NO N O +→ (7
2N O NO O +→+ (8 32N O NO O +→+ (9 232N O O 2NO +→ (10 32NO O NO
+→ (11 2O O M O M ++→+ (12
32O O 2O +→ (13
*32O O 2O +→ (14
32e O O O e +→++ (15
放电过程中O 3的合成,通常认为经过2个步骤。第1步形成新生态的氧原子,如式(1、式(2和式(4所示。其中式(1、式(2为电子撞击分子的反应,形成基态粒子O(3P和激发态粒子O(1D,式(4为亚稳态N 2分子撞击O 2分子生成O 原子的反应。第2步则为这些氧原子自由基参与三体反应合成臭氧,如式(5所示,M 为参加反应的第3种物质。NO 2主要通过反应式(10和式(11生成,所需的NO 和N 2O 由反应式(6~式(9提供。当O 原子浓度过高时,发生式(12~式(14的反应,对O 3的生成起抑制作用。研究表明,高能电子促进O 3的生成,低能电子则参与O 3的分解反应[22]。实际所产生的O 3是NTP 反应器放电过程中O 3合成与分解过程共同作用的结果。
2 试验系统与方法
试验系统主要由NTP 发生器、空气供给系统、温度测控系统、电学参数测量系统和气体测量装置组成,如图1所示。
NTP 发生器为同轴圆柱结构,内电极为外径32 mm 的无缝不锈钢管;阻挡介质为内径36 mm 、壁厚 2 mm 的石英管;外电极为轴向长度为100 mm 的不锈钢网,紧贴于石英管外壁;放电气
隙为2 mm 。
空气供给系统由空气压缩机、稳压筒、传输管路、控制阀和转子式流量计组成,流量计用于监测气体流量。温度控制系统由水冷装置、风冷装置和温度测量装置组成。其中,水冷装置包括水泵、传输管路和控制阀,管路中通以冷却水;风冷装置为冷却风机;温度测量装置采用美国雷泰公司生产的MX4红外测温仪,用于监测NTP 发生器放电区表面温度,精度为±1℃,发光率为0.7。电学参数测量系统由低温等离子
电源、通电电路和美国泰克TDS3034B
数字示波器组成。其中,低温等离子电源采用南京苏曼电子有
限公司生产的CTP-2000K 智能电子冲击机,
工作电压为0~25 kV ,频率为7~20 kHz 连续可调;电路中分压电容C 1=47 pf ,C
2=47 nf ,传输电荷测
量电容C m =0.47 μf ;
TDS3034B 示波器的采样频率为50 MHz ,输出波形平均次数设定为250次,利用美国泰克TekP6139A 高压探头测取放电电压和放电频率。气体测量装置采用美国INUSA 公司生产的Mini-HiCon 高浓度臭氧分析仪,用于检测O 3的浓度,精度为0.1 mg/L 。
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