柴油车尾气催化净化基础化学问题研究取得进展

2010-9-13 10:13 来源: 科学时报
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  长期以来,柴油车在人们脑海里留下的都是冒着滚滚黑烟、噪音震天的“黑大粗”形象。尽管和汽油车相比,柴油车更省油,但考虑到环保问题,目前在我国烧柴油的轿车还非常少,SUV也屈指可数。柴油车自身存在的问题和政策上的限制让柴油车成为汽车产业发展中的弱势群体。

  在能源日趋紧张的今天,如何解决柴油动力车存在的“黑大粗”问题日益受到关注。在国家自然科学基金的持续资助下,中国石油大学教授赵震课题组正着手解决柴油车尾气催化净化过程中的重要基础化学问题,并在这一领域取得不错的成绩。

没有发挥出的优势

  柴油的能量热效率比汽油车高出15%,所以柴油发动机比汽油发动机平均省油30%,和汽油车相比,柴油车最大的优点是更省油。同时,柴油机的压燃式点火方式,让它在低转速时就得到更大动力,非常适合市区道路和负重条件下行驶。

  柴油的自燃温度高,为了达到柴油的自燃温度,柴油发动机需要比汽油发动机更高的压缩比,因此,柴油发动机的“劲”一般会比汽油发动机的大。也正是因为“劲”大,所以要求各有关零件具有较高的结构强度和刚度,所以柴油机比较笨重,振动噪声大。柴油车冬季冷车时启动困难,它的喷油泵与喷油嘴制造精度要求高,所以生产成本较高,同类型、同配置的柴油车要比汽油车价格高出不少。目前,新技术的出现在这方面已有了较大的改进,一些柴油轿车和SUV已经采用了较为先进的喷油系统,这样会在噪声控制方面和汽油车更为接近,因此车主不要过于担心柴油车的噪声。

  中国环境新闻工作者协会秘书长杨明森认为,从排放的五个主要化学物质来看,柴油车二氧化碳排放比汽油车少40%,一氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物的排放比汽油机少10%,但在启动和怠速时,颗粒排放物高于汽油机,然而颗粒物的超标排放正是造成环境污染的大敌,也是环保部门长期担心柴油轿车不能达到现行环保标准的最主要因素。

  国际上提高柴油环保标准的努力一直没有停止过,欧洲国家从1989年开始就越来越多地采用技术有效解决可能面临的环保问题,例如采用尾气处理器。同时,为了不断满足越来越严格的排放法规,高压共轨喷射系统、废气再循环系统、增压中冷技术、微粒捕集器、催化净化装置应运而生。虽然柴油机的排气后处理技术比汽油机困难,但是国外在微颗粒过滤及其再生技术与氮氧化物催化还原技术方面,已取得了很大的进步,但柴油车尾气排放所引起的环境问题仍未完全解决。

何日缚住“黑龙”

  “柴油车的排放问题就世界范围来说现在依然没有很好地解决。这里面涉及很多基础科学问题。比如燃料的问题、机械方面的问题和后处理的问题。”赵震说,“我们目前正在进行一个柴油车尾气排放催化净化的科学基金重点项目。2007年准备申请立项时,环境催化是科学基金重点资助的一个大方向,我们选择了其中柴油车的问题。”

  影响柴油车尾气排放的因素有三个:燃料问题、燃烧过程和后处理。燃料中氮的含量、芳烃的含量都会影响后面的排放。如果燃料含硫量大,就会把后面的催化剂活性物质覆盖,很难做到尾气排放达标。同时,因为空气中有氧和氮,所以发动机工作时,燃料燃烧中不可避免地会产生氧化氮。

  “所以燃料再洁净、后处理过程也是必不可少的。”赵震说,“汽油车尾气要解决一氧化碳、氧化氮、烃类问题。柴油车除了要解决这些问题外,还有碳黑的问题。柴油车后面冒的黑烟,就是碳颗粒物。我们现在做的四效催化净化技术,就是要除掉前面三种,同时少排放颗粒物。改善燃烧条件。”

  汽车尾气净化有很多方法,如吸附净化、催化净化法等。但目前催化净化还是主要的净化技术,柴油车尾气的后处理过程就采用催化净化法。比如,将有毒的一氧化氮、氮氧化物变成无毒的氮气。将有毒的一氧化碳气体转化为无毒的二氧化碳,将烃类充分燃烧变成二氧化碳和水等。

  据介绍,在柴油车尾气的颗粒物中,有碳、烃类、硅酸盐等,但主要是碳。目前对付颗粒物的主要手段是过滤,但过滤到一定程度后就会堵塞过滤器,影响发动机的工作。所以就要在堵塞前将这些过滤物清除掉,而清除的办法就是将碳烧掉。在柴油车尾气的温度条件下将颗粒燃烧掉并不是件容易的事,因为一般柴油车尾气的温度在450K至675K之间。而碳黑颗粒的热氧化温度高达825K至875K。

其本质是一个基础化学问题

  顺着这一思路,该课题组首先要设计出一种活性较强的催化剂,即需要氧化活性强的成分。

  “这实际上是一个化学的基础问题,它的本质是一个氧化还原的化学反应。我们需要一种催化活性高的催化剂来降低碳黑颗粒的氧化温度。这需要设计好的催化剂,提高催化剂的效率,这就带出很多的基础科学问题,其中还有很多工作要做。”赵震说,“另外还有一个问题是颗粒物和催化剂都是固体物质,固体物质和固体物质通常很难反应,怎样解决它的接触问题也是我们设计催化剂时要考虑的。”

  实验室研究碳黑颗粒和催化剂的接触有两种,一种是紧密接触,另一种是松散接触。催化剂在松散接触时的活性会低于紧密接触时的活性。但松散接触更接近柴油车排气的实际条件。

  针对这一问题,该课题组在国家自然科学基金和“863”计划的资助下,也找到了一些解决办法。比如,用提高催化剂粒子的流动性来增加反应接触等。

  研究人员先用催化剂将尾气中的一氧化氮转化为二氧化氮,二氧化氮是气体,气体分子很容易和颗粒物接触。用它来氧化尾气中的颗粒物——碳黑效果就好多了。

  该课题组还在纳米催化剂方面取得不错的成绩。纳米催化剂颗粒小,表面大,容易和颗粒物接触。同时纳米催化剂自由能高,活动性强。