專利名稱：用于去除柴油機(jī)NO_x的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于去除柴油機(jī)NOxW介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器，特 別是一種用于寬反應(yīng)溫度窗口 NH3-SCR(氨氣-選擇性催化還原)去除柴油機(jī)NOx的介質(zhì)阻 擋放電耦合SCR催化劑整體反應(yīng)器，屬于柴油機(jī)尾氣排放污染物控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)排放產(chǎn)物中氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)存在先天的“trade-off”效應(yīng)， 單純采用機(jī)前、機(jī)內(nèi)措施都難以使柴油機(jī)排放達(dá)到日趨嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求，國際上普遍 認(rèn)為要使車用柴油機(jī)NOj^P PM排放同時(shí)達(dá)到歐IV及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，必須采用機(jī)內(nèi)、機(jī)外控 制相結(jié)合的方法。而NH3-SCR技術(shù)由于其NOx轉(zhuǎn)化效率高，催化劑抗硫中毒性能強(qiáng)且在同等 輸出功率前提下，可降低5% 7%的油耗等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為降低柴油機(jī)NOx排放最具發(fā)展前景 的技術(shù)之一。NH3-SCR技術(shù)所采用的釩類催化劑(如Ti02/W03/V205)在300°C 400°C反應(yīng)溫度 窗口發(fā)生如式(1)所示的標(biāo)準(zhǔn)SCR(Standard SCR)反應(yīng)，其有較高的NOx催化轉(zhuǎn)化活性，但 該催化劑低溫工況下(反應(yīng)溫度< 250°C )活性較低，導(dǎo)致NOx還原效率大幅度降低。4NH3+4N0+02 — 4N2+6H20(1)而柴油機(jī)在低溫冷啟動(dòng)或怠速階段時(shí)，排氣溫度比較低，NOx與NH3反應(yīng)的NOx還原 效率很低，因此在城市路況下，NOx排放很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。對此，現(xiàn)有的催化器類柴油機(jī) 尾氣凈化裝置均無法有效加以解決。因此，有效解決柴油車低溫冷啟動(dòng)和怠速時(shí)NOx排放 超標(biāo)問題，即拓寬NH3-SCR反應(yīng)溫度窗口是使柴油車真正成為清潔汽車的當(dāng)務(wù)之急。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加柴油機(jī)尾氣NOx中NO2比例可以在低溫工況下(反應(yīng)溫度 < 2500C )大大增加SCR對NOx的轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)NO和NO2的摩爾比接近1 1時(shí)，即可以實(shí) 現(xiàn)所謂的快速SCR(Fast SCR)反應(yīng)過程，其反應(yīng)如式(2)所示。2NH3+N0+N02 — 2N2+3H20(2)由于標(biāo)準(zhǔn)SCR所需的活化能為73. 5kJ/mol，而快速SCR反應(yīng)所需的活化能僅為 25. 2kJ/mol，故后者的反應(yīng)速率比前者大一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以快速SCR反應(yīng)可以使SCR反應(yīng)即 使在較低的溫度窗口范圍內(nèi)(100°C 250°C)仍具有較高的NOjJI化轉(zhuǎn)化效率。眾所周知，含氧氣體放電誘導(dǎo)的低溫等離子體中含有0、O3等氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)， 研究發(fā)現(xiàn)，NO氧化成NO2是反應(yīng)必須經(jīng)歷的中間過程，低溫等離子體放電過程可以有效地將 NO氧化成NO2，在等離子體反應(yīng)器中，存在大量的離子、電子、自由基、活性原子、激發(fā)態(tài)原子 或其它活性基團(tuán)，這些高活性的基團(tuán)可以很好地被用來激發(fā)下一步的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)氣 體中含有較高濃度的活性基團(tuán)時(shí)，該反應(yīng)很容易被激發(fā)，采用等離子體輔助催化技術(shù)時(shí)，等 離子體反應(yīng)中產(chǎn)生的高活性基團(tuán)可以被催化反應(yīng)充分利用。介質(zhì)阻擋放電屬于低溫等離子 體放電的一種，其安全性好，結(jié)構(gòu)簡單，放電穩(wěn)定、均勻、漫散，并能有效降低放電所需的能 量。
已有技術(shù)中，公開號(hào)為CN101344026，名稱為低溫等離子體預(yù)氧化輔助NH3-SCR凈 化柴油機(jī)NOx的系統(tǒng)的發(fā)明專利是采用將SCR反應(yīng)器置于低溫等離子體反應(yīng)器下游的兩段 式方法，兩反應(yīng)器之間存在一定距離，因此，低溫等離子體放電過程中產(chǎn)生的活性基團(tuán)，特 別是一些短壽命關(guān)鍵活性物種，其在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前就已消亡，沒有充分發(fā)揮其在SCR反 應(yīng)器中的協(xié)同作用；另外，由于低溫等離子體反應(yīng)器與SCR反應(yīng)器串聯(lián)布置，SCR催化劑不 能由于等離子體的放電而得以改善。因此，低溫等離子體與SCR催化劑的協(xié)同效應(yīng)也將受 到限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，本發(fā)明提出一種用于去除柴油機(jī)NOxW介質(zhì)阻 擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器，即將SCR催化劑直接放入介質(zhì)阻擋放電區(qū)域內(nèi)，利用介質(zhì) 阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體凈化和SCR催化劑凈化之間的協(xié)同凈化功效，將等離子體和 催化劑同時(shí)作用于柴油機(jī)尾氣。在柴油機(jī)排氣低溫工況下(IOCTC 250°C)，采用介質(zhì)阻 擋放電(DBD)和SCR催化劑聯(lián)合使用，利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的大量高活性長壽命和短壽 命基團(tuán)對柴油機(jī)尾氣進(jìn)行改性以及放電對SCR催化劑的改性，從而提高SCR催化劑的低溫 活性，而SCR催化劑的存在有可能包含這些活性物種的復(fù)雜反應(yīng)過程呈現(xiàn)某種選擇性，從 而比單獨(dú)使用SCR顯示明顯的優(yōu)越性。為了節(jié)省能耗，在柴油機(jī)排氣溫度較高時(shí)(250°C 5500C )，自動(dòng)關(guān)閉等離子體放電電源，僅通過NH3-SCR單獨(dú)作用實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)NOx的選擇性催 化還原。該介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器可以避免使用貴金屬催化劑，同時(shí)也解決 了催化劑硫中毒問題。該系統(tǒng)適用于我國高硫份柴油，可以大幅度提高NH3-SCR在柴油機(jī) 低溫冷啟動(dòng)或怠速時(shí)NOx的轉(zhuǎn)化效率。
鑒于介質(zhì)阻擋放電與固體催化劑之間的協(xié)同功效相對于單純的等離子體法，可 以依靠催化作用實(shí)現(xiàn)較長的停留時(shí)間和化學(xué)反應(yīng)定向控制，提高NOx去除率；另一方面，可 以利用低溫等離子體激活催化反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度。等離子體可通過如下途徑激活催化反 應(yīng)第一，等離子體放電使反應(yīng)物分子獲得能量，有利于其在催化劑活性中心位上進(jìn)行化 學(xué)吸附，延長停留時(shí)間；第二，各種活性粒子直接作用于催化劑的活性中心位并參與催化反 應(yīng)；第三，等離子體活性粒子尤其是高能電子的作用有利于反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑表面脫附。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括高壓高頻脈沖電源，電源控制 開關(guān)，高壓放電正極桿，聚四氟乙烯絕緣柱，溫度傳感器，不銹鋼芯棒高壓電極，SCR催化劑， 兩塊浮動(dòng)定心多孔板，剛玉管，不銹鋼網(wǎng)低壓電極，保溫套層，進(jìn)氣導(dǎo)氣罩，出氣導(dǎo)氣罩，進(jìn) 氣管，出氣管構(gòu)成；中間段加工成螺旋狀的不銹鋼芯棒高壓電極置于剛玉管的軸心處；不 銹鋼網(wǎng)低壓電極緊密纏繞在剛玉管外側(cè)；浮動(dòng)定心多孔板是中心開有圓孔的不銹鋼圓形 板，在浮動(dòng)定心多孔板外圓和中心圓孔之間的板上均勻開有相同大小的4個(gè)圓孔，4個(gè)圓孔 均與中心圓孔外切并與外圓內(nèi)切，兩塊浮動(dòng)定心多孔板分別置于剛玉管兩端內(nèi)并套在不銹 鋼芯棒高壓電極兩端，在剛玉管與不銹鋼芯棒高壓電極之間形成氣體放電間隙，SCR催化劑 填充于不銹鋼芯棒高壓電極與剛玉管之間的放電間隙內(nèi)；進(jìn)氣導(dǎo)氣罩與出氣導(dǎo)氣罩均為不 銹鋼薄板，整體反應(yīng)器進(jìn)氣管的一端通過進(jìn)氣導(dǎo)氣罩與剛玉管的一端連接，另一端與柴油 機(jī)排氣管相連；整體反應(yīng)器出氣管的一端通過出氣導(dǎo)氣罩與剛玉管另一端連接，另一端與 大氣相通；保溫套層包裹在整體反應(yīng)器外面以減少熱量損失；溫度傳感器15安裝在整體反應(yīng)器的后端，溫度傳感器15的信號(hào)輸出端通過電源控制開關(guān)2與高壓高頻脈沖電源1電連 接，高壓放電正極桿13嵌套在聚四氟乙烯絕緣柱14中，聚四氟乙烯絕緣柱14穿過保溫套 層5和進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4并固定在進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4上；高壓高頻脈沖電源1的輸出端與高壓放電 正極桿13的一端電連接，高壓放電正極桿13的另一端焊接在不銹鋼芯棒高壓電極8上。該 介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器是在SCR催化劑存在下同時(shí)發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，介質(zhì) 阻擋放電安全性好，結(jié)構(gòu)簡單，放電穩(wěn)定、均勻、漫散，并能有效降低放電所需的能量。
高壓高頻 脈沖電源作為介質(zhì)阻擋放電電源發(fā)出頻率、電壓均可調(diào)的交流脈沖電壓 施加于整體反應(yīng)器，以獲得合適的整體反應(yīng)器的輸入功率，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)尾氣的改性以及 對SCR催化劑的改性，通過溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動(dòng)開閉高壓高頻脈沖電源。高 壓高頻脈沖電源的功率為1KVA，重復(fù)可調(diào)頻率范圍為50Hz 30KHz，可調(diào)脈沖上升時(shí)間 為微秒級(jí)。具體實(shí)施時(shí)SCR催化劑可以是陶瓷蜂窩載體催化劑或是粒狀催化劑，陶瓷蜂窩載 體催化劑其蜂窩狀通孔的軸線必須與剛玉管的軸線平行，陶瓷蜂窩載體催化劑可通過膨脹 襯墊將其固定在剛玉管的內(nèi)部。SCR催化劑一般選用釩類催化劑，該催化劑在柴油機(jī)排氣溫 度為250°C 550°C能夠有效去除NOx。當(dāng)柴油機(jī)低溫冷啟動(dòng)或怠速時(shí)，處于100°C 250°C的柴油機(jī)尾氣通過該裝填有 SCR催化劑的介質(zhì)阻擋放電耦合NH3-SCR催化劑整體反應(yīng)器，溫度傳感器控制電源控制開關(guān) 自動(dòng)開啟高壓高頻脈沖電源，將50Hz 30KHz的交流高壓高頻脈沖電源施加于該整體反應(yīng) 器上，此時(shí)，SCR催化劑處于整體反應(yīng)器中不銹鋼芯棒高壓電極和不銹鋼網(wǎng)低壓電極之間介 質(zhì)阻擋放電形成的微放電電場之中，柴油機(jī)尾氣同時(shí)經(jīng)過SCR催化劑的活性位中心表面以 及高壓電極和低壓電極形成的微放電電場，利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生大量高濃度的自由基和 活性物種，如0基、O3基、OH基、HO2基(超氧化基團(tuán))、RO2基(過氧化基團(tuán))等，它們的化 學(xué)性質(zhì)非?；钴S并具有極強(qiáng)的氧化性能，極易將柴油機(jī)尾氣中的NO部分氧化為NO2,從而能 夠在同一裝置上利用SCR催化劑實(shí)現(xiàn)快速SCR反應(yīng)，大大降低了反應(yīng)所需活化能，同時(shí)，介 質(zhì)阻擋放電過程中產(chǎn)生的高能電子與柴油機(jī)尾氣中的HCs等反應(yīng)生成的一些醛類、脂類、 含氮有機(jī)化合物以及其它長壽命和短壽命的活性關(guān)鍵物種等將進(jìn)一步促進(jìn)在SCR催化劑 上NOx與NH3的反應(yīng)，從而使催化劑迅速起燃，大幅度提高了 SCR催化劑在低溫工況下NOx的 轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)置于介質(zhì)阻擋放電區(qū)域內(nèi)的SCR催化劑可能會(huì)產(chǎn)生新的活性位，增大催化 劑的活性比表面積、致使催化劑組分晶格缺陷，等離子體過程改變了 NO、NH3在催化劑表面 上的脫附性質(zhì)，影響催化劑表面的酸堿性，活化催化劑或再生催化劑活性位，激發(fā)態(tài)的粒子 與催化劑表面的粒子或基團(tuán)作用，改善催化劑表面性質(zhì)，放電過程使SCR催化劑微粒帶電， 催化劑表面的吸附和脫附行為亦有可能被增強(qiáng)；等離子體有利于脫除經(jīng)催化劑活性位活化 的吸附物種，促進(jìn)催化劑活性組分均勻分布，改善晶體結(jié)構(gòu)，降低對毒物的敏感程度。通過 等離子體對柴油機(jī)尾氣的改性和SCR催化劑的改性活化以及與SCR催化劑的共同作用實(shí)現(xiàn) 有效去除柴油機(jī)低溫工況下N0X。當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度高于250°C時(shí)，溫度傳感器控制電源控制開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉高壓高 頻脈沖電源以節(jié)約能耗，在整體反應(yīng)器上利用SCR催化劑單獨(dú)作用實(shí)現(xiàn)NH3-SCR高效率降 低NOx排放，從而利用介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了在100°C 550°C的寬溫 度窗口內(nèi)降低NOx，而且采用在低溫工況下DBD反應(yīng)器和SCR反應(yīng)器耦合使用，可以避免使用貴金屬催化劑，也有效解決了催化劑硫中毒問題。
在本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器中，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的大部分 能量用于產(chǎn)生高能電子而不是加熱氣體，通過高能電子與柴油機(jī)尾氣中氣體組分的碰撞產(chǎn) 生大量活性粒子進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)，在SCR催化劑內(nèi)進(jìn)行的氣體放電改變了氣體物種的 組分，包含電子、離子和其它長壽命和短壽命的活性物種，如碳?xì)浠衔锼槠蚱浜袡C(jī) 衍生物，NOx的電子激發(fā)態(tài)(氣相)和振動(dòng)激發(fā)態(tài)(氣相及催化劑表面)物種的氣流取代原 來的穩(wěn)定中性粒子流經(jīng)催化劑床層。這些氣相或表面相存在的活性物種的高反應(yīng)性能可能 是產(chǎn)生明顯的等離子體和SCR催化劑協(xié)同效應(yīng)的主要原因之一。另外，在介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器中，介質(zhì)阻擋放電過程可以改變置 于其放電區(qū)域內(nèi)SCR催化劑的性質(zhì)，即等離子體對催化劑的改性。當(dāng)催化劑暴露在等離子 體環(huán)境中時(shí)，等離子過程產(chǎn)生的高能粒子(電子、受激原子及離子、激發(fā)態(tài)粒子)會(huì)轟擊催 化劑表面的粒子或基團(tuán)，催化劑顆粒被極化，表面性質(zhì)得以改善，等離子體亦可能改變催化 劑載體的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)載體表面的酸性，使負(fù)載金屬生成新的亞穩(wěn)定物相，并且可能破壞催化 劑的晶體結(jié)構(gòu)，使有更多的空穴，從而導(dǎo)致高的催化活性，也可能在催化劑表面產(chǎn)生新的活 性位，等離子體過程改變了 N0、02以及NH3在催化劑表面上的吸附、脫附性質(zhì)，等離子體有利 于脫除經(jīng)催化劑活性位活化的吸附物種，可以在短時(shí)間內(nèi)脫附催化劑上的吸附物并引起催 化劑上吸附物發(fā)生表面反應(yīng)，這些結(jié)果對于催化劑的活性、選擇性以及使用壽命都是十分 有益的。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明充分發(fā)揮了介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體凈化和SCR催化劑凈化 之間的協(xié)同凈化效應(yīng)，通過將介質(zhì)阻擋放電與SCR催化劑兩者有機(jī)的耦合，即將SCR催化劑 置于介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，柴油機(jī)尾氣中NO污染物及放電反應(yīng)過程中的中間物種在 催化劑表面的吸附使其在反應(yīng)區(qū)有更長停留時(shí)間和更高的去除效率，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的 高能活性粒子可激活NO分子，降低催化反應(yīng)所需要的活化能，放電產(chǎn)生的高能電子作用可 能促進(jìn)催化劑表面上新的活性中心位的形成，促進(jìn)NO、O2以及NH3在催化劑活性位上的吸 附活化，使得催化還原反應(yīng)更易進(jìn)行，同時(shí)提高反應(yīng)的選擇性。在柴油機(jī)低溫冷啟動(dòng)或怠速 時(shí)，利用介質(zhì)阻擋放電改性柴油機(jī)尾氣以及對SCR催化劑的改性大幅度提高了柴油機(jī)排氣 低溫工況下(100°C 250°C )N0X的催化還原效率，從而達(dá)到利用介質(zhì)阻擋放電耦合SCR催 化劑實(shí)現(xiàn)了在100°C 550°C柴油機(jī)排溫的寬溫度窗口內(nèi)大幅度降低NOx的目的；2、本發(fā)明整體反應(yīng)器放電過程中產(chǎn)生的O3和其他過氧化基團(tuán)具有選擇氧化性能， 其對NO氧化速率比對SO2的氧化速率高得多，因此能抑制硫酸鹽的生成，減少硫酸銨等顆 粒物的生成，避免SCR催化劑被硫酸銨等顆粒物覆蓋而發(fā)生物理失效，因此對燃油品質(zhì)(含 硫量)要求低；3、本發(fā)明整體反應(yīng)器對柴油機(jī)NOx排放凈化成本低、時(shí)間短、效率高且安全可靠， 低溫等離子體電源能量消耗少，對柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響不大；4、本發(fā)明整體反應(yīng)器在常溫常壓下工作，無噪音，且理論上可以實(shí)現(xiàn)無限次放電， 該裝置的介質(zhì)阻擋放電區(qū)的范圍是可調(diào)的，并且SCR催化劑可方便拆卸便于靈活更換催化 劑；5、本發(fā)明整體反應(yīng)器裝置構(gòu)造簡單，制造方便，重量和體積較小，操作方便，使用壽命長，安裝時(shí)不需要對車輛進(jìn)行大的改裝，易于與不同車輛匹配。


圖1為本發(fā)明用于去除柴油機(jī)NOx的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中不銹鋼芯棒高壓電極、SCR催化劑、浮動(dòng)定心多孔板、剛玉管、不銹 鋼網(wǎng)低壓電極、保溫套層之間結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1高壓高頻脈沖電源，2電源控制開關(guān)，3進(jìn)氣管，4進(jìn)氣導(dǎo)氣罩，5保溫套層， 6剛玉管，7不銹鋼網(wǎng)低壓電極，8不銹鋼芯棒高壓電極，9SCR催化劑，10浮動(dòng)定心多孔板，11 出氣導(dǎo)氣罩，12出氣管，13高壓放電正極桿，14聚四氟乙烯絕緣柱，15溫度傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括高壓高頻脈沖電源1，電源控制開關(guān)2，進(jìn)氣管3，進(jìn) 氣導(dǎo)氣罩4，保溫套層5，剛玉管6，不銹鋼網(wǎng)低壓電極7，不銹鋼芯棒高壓電極8，SCR催化劑 9，兩塊浮動(dòng)定心多孔板10，出氣導(dǎo)氣罩11，出氣管12，高壓放電正極桿13，聚四氟乙烯絕緣 柱14，溫度傳感器15 ；采用Al2O3材質(zhì)的剛玉管6作為介電質(zhì)，其內(nèi)徑為20mm，外徑為25mm， 長度為276mm ；中間段加工成螺旋狀的不銹鋼芯棒高壓電極8置于剛玉管6的軸心處，不銹 鋼芯棒高壓電極8的等效直徑為6mm，長度為280mm ；不銹鋼網(wǎng)低壓電極7緊密纏繞在剛玉 管6外側(cè)，不銹鋼網(wǎng)低壓電極7的長度為IOmm 150mm，其長度決定整體反應(yīng)器的有效放電 區(qū)域長度；浮動(dòng)定心多孔板10是直徑為20mm，厚為8mm的不銹鋼圓形板，其中心開有直徑 為6mm的圓孔，在浮動(dòng)定心多孔板10外圓和中心圓孔之間的板上均勻開有相同大小的4個(gè) 圓孔，4個(gè)圓孔均與中心圓孔外切并與浮動(dòng)定心多孔板10外圓內(nèi)切，兩塊浮動(dòng)定心多孔板 10分別置于剛玉管6兩端內(nèi)并套在不銹鋼芯棒高壓電極8兩端，在剛玉管6與不銹鋼芯棒 高壓電極8之間形成7mm的氣體放電間隙，SCR催化劑9填充于不銹鋼芯棒高壓電極8與 剛玉管6之間的放電間隙內(nèi)；進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4與出氣導(dǎo)氣罩11均為不銹鋼薄板，整體反應(yīng)器 進(jìn)氣管3的一端通過進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4與剛玉管6的一端連接，另一端與柴油機(jī)排氣管相連；整 體反應(yīng)器出氣管12的一端通過出氣導(dǎo)氣罩11與剛玉管6的另一端連接，另一端與大氣相 通；保溫套層5包裹在整體反應(yīng)器外面以減少熱量損失；溫度傳感器15安裝在整體反應(yīng)器 的后端，溫度傳感器15的信號(hào)輸出端通過電源控制開關(guān)2與高壓高頻脈沖電源1電連接， 高壓放電正極桿13嵌套在聚四氟乙烯絕緣柱14中，聚四氟乙烯絕緣柱14穿過保溫套層5 和進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4并固定在進(jìn)氣導(dǎo)氣罩4上；高壓高頻脈沖電源1的輸出端與高壓放電正極 桿13的一端電連接，高壓放電正極桿13的另一端焊接在不銹鋼芯棒高壓電極8上。該介 質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器是在SCR催化劑存在下同時(shí)發(fā)生介質(zhì)阻擋放電，介質(zhì)阻 擋放電安全性好，結(jié)構(gòu)簡單，放電穩(wěn)定、均勻、漫散，并能有效降低放電所需的能量。高壓高頻脈沖電源1作為介質(zhì)阻擋放電電源發(fā)出頻率、電壓均可調(diào)的交流脈沖電 壓施加于整體式反應(yīng)器，以獲得合適的整體反應(yīng)器的輸入功率，實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)尾氣的改性 以及對SCR催化劑9的改性，通過溫度傳感器15控制電源控制開關(guān)2自動(dòng)開閉高壓高頻脈 沖電源1。高壓高頻脈沖電源1的功率為1KVA，重復(fù)可調(diào)頻率范圍為50Hz 30KHz，可調(diào)脈沖上升時(shí)間微秒級(jí)。具體實(shí)施時(shí)SCR催化劑9可以是陶瓷蜂窩載體催化劑或是粒狀催化劑，陶瓷蜂窩載體催化劑其蜂窩狀通孔的軸線必須與剛玉管6的軸線平行，陶瓷蜂窩載體催化劑可通過 膨脹襯墊將其固定在剛玉管6的內(nèi)部。SCR催化劑9 一般選用釩類催化劑，該催化劑在柴油 機(jī)排氣溫度為250°C 550°C能夠有效去除N0X。當(dāng)柴油機(jī)低溫冷啟動(dòng)或怠速時(shí)，處于100°C 250°C的柴油機(jī)尾氣通過該裝填有 SCR催化劑9的介質(zhì)阻擋放電耦合NH3-SCR催化劑的整體反應(yīng)器，溫度傳感器15控制電源 控制開關(guān)2自動(dòng)開啟高壓高頻脈沖電源1，將50Hz 30KHz的交流高壓高頻脈沖電源施加 于該整體反應(yīng)器上，此時(shí)，SCR催化劑9處于整體反應(yīng)器中不銹鋼芯棒高壓電極8和不銹鋼 網(wǎng)低壓電極7之間介質(zhì)阻擋放電形成的微放電電場之中，柴油機(jī)尾氣同時(shí)經(jīng)過SCR催化劑9 的活性位中心表面以及不銹鋼芯棒高壓電極8和不銹鋼網(wǎng)低壓電極7形成的微放電電場， 利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生大量高濃度的自由基和活性物種，如0基、O3基、OH基、HO2基(超 氧化基團(tuán))、R02基(過氧化基團(tuán))等，它們的化學(xué)性質(zhì)非?；钴S并具有極強(qiáng)的氧化性能，極 易將柴油機(jī)尾氣中的NO部分氧化為NO2,從而能夠在同一裝置上利用SCR催化劑9實(shí)現(xiàn)快 速SCR反應(yīng)，大大降低了反應(yīng)所需活化能，同時(shí)，介質(zhì)阻擋放電過程中產(chǎn)生的高能電子與柴 油機(jī)尾氣中的HCs等反應(yīng)生成的一些醛類、脂類、含氮有機(jī)化合物以及其它長壽命和短壽 命的關(guān)鍵活性物種等將進(jìn)一步促進(jìn)在SCR催化劑9上NOx與NH3的反應(yīng)，從而使催化劑迅 速起燃，大幅度提高了 SCR催化劑9在低溫工況下NOx的轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)置于介質(zhì)阻擋放電 區(qū)域內(nèi)的SCR催化劑9可能會(huì)產(chǎn)生新的活性位，增大催化劑的比表面積、致使催化劑組分晶 格缺陷，等離子體過程改變了 NO、NH3在催化劑表面上的脫附性質(zhì)、影響催化劑表面的酸堿 性、活化催化劑或再生催化劑活性位，激發(fā)態(tài)的粒子與催化劑表面的粒子或基團(tuán)作用，改善 催化劑表面性質(zhì)，放電過程使SCR催化劑微粒帶電，催化劑表面的吸附和脫附行為亦有可 能被增強(qiáng)；等離子體有利于脫除經(jīng)催化劑活性位活化的吸附物種，促進(jìn)催化劑活性組分均 勻分布，改善晶體結(jié)構(gòu)，降低對毒物的敏感程度。通過等離子體對柴油機(jī)尾氣改性和SCR催 化劑9的改性活化以及與SCR催化劑9的共同作用實(shí)現(xiàn)有效去除柴油機(jī)低溫工況下N0X。當(dāng)柴油機(jī)排氣溫度高于250°C時(shí)，溫度傳感器15控制電源控制開關(guān)2自動(dòng)關(guān)閉高 壓高頻脈沖電源1以節(jié)約能耗，在整體反應(yīng)器上利用SCR催化劑9單獨(dú)作用實(shí)現(xiàn)NH3-SCR高 效率降低NOx排放，從而利用介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了在10(TC 550°C 的寬溫度窗口內(nèi)降低NOx，而且采用在低溫工況下DBD反應(yīng)器和SCR反應(yīng)器耦合使用，可以 避免使用貴金屬催化劑，也有效解決了催化劑硫中毒問題。
權(quán)利要求
一種用于去除柴油機(jī)NOx的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器，包括高壓高頻脈沖電源(1)、電源控制開關(guān)(2)、進(jìn)氣管(3)、進(jìn)氣導(dǎo)氣罩(4)、保溫套層(5)、剛玉管(6)、不銹鋼網(wǎng)低壓電極(7)、不銹鋼芯棒高壓電極(8)、SCR催化劑(9)、兩塊浮動(dòng)定心多孔板(10)、出氣導(dǎo)氣罩(11)、出氣管(12)、高壓放電正極桿(13)、聚四氟乙烯絕緣柱(14)、溫度傳感器(15)；其特征在于中間段加工成螺旋狀的不銹鋼芯棒高壓電極(8)置于剛玉管(6)的軸心處；不銹鋼網(wǎng)低壓電極(7)緊密纏繞在剛玉管(6)外側(cè)，浮動(dòng)定心多孔板(10)是中心開有圓孔的不銹鋼圓形板，在浮動(dòng)定心多孔板(10)外圓和中心圓孔之間的板上均勻開有相同大小的4個(gè)圓孔，4個(gè)圓孔均與中心圓孔外切并與浮動(dòng)定心多孔板(10)外圓內(nèi)切，兩塊浮動(dòng)定心多孔板(10)分別置于剛玉管(6)兩端內(nèi)并套在不銹鋼芯棒高壓電極(8)兩端，SCR催化劑(9)填充于不銹鋼芯棒高壓電極(8)與剛玉管(6)之間的放電間隙內(nèi)；進(jìn)氣導(dǎo)氣罩(4)與出氣導(dǎo)氣罩(11)均為不銹鋼薄板，整體反應(yīng)器進(jìn)氣管(3)的一端通過進(jìn)氣導(dǎo)氣罩(4)與剛玉管(6)的一端連接，另一端與柴油機(jī)排氣管相連；整體反應(yīng)器出氣管(12)的一端通過出氣導(dǎo)氣罩(11)與剛玉管(6)的另一端連接，另一端與大氣相通；保溫套層(5)包裹在整體反應(yīng)器外面；溫度傳感器(15)安裝在整體式反應(yīng)器的后端，溫度傳感器(15)的信號(hào)輸出端通過電源控制開關(guān)(2)與高壓高頻脈沖電源(1)電連接，高壓放電正極桿(13)嵌套在聚四氟乙烯絕緣柱(14)中，聚四氟乙烯絕緣柱(14)穿過保溫套層(5)和進(jìn)氣導(dǎo)氣罩(4)并固定在進(jìn)氣導(dǎo)氣罩(4)上；高壓高頻脈沖電源(1)的輸出端與高壓放電正極桿(13)的一端電連接，高壓放電正極桿(13)的另一端焊接在不銹鋼芯棒高壓電極(8)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于去除柴油機(jī)N0X的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng) 器，其特征是所述的高壓高頻脈沖電源(1)的功率為1KVA，重復(fù)可調(diào)頻率范圍為50Hz 30KHz，可調(diào)脈沖上升時(shí)間為微秒級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于去除柴油機(jī)N0X的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng) 器，其特征是所述的SCR催化劑(9)為陶瓷蜂窩載體催化劑或粒狀催化劑，其中陶瓷蜂窩載 體催化劑通孔的軸線與剛玉管(6)的軸線同向，SCR催化劑(9) 一般選用釩類催化劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于去除柴油機(jī)N0X的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng) 器，其特征是所述的浮動(dòng)定心多孔板(10)是直徑為20mm，厚為8mm的不銹鋼圓形板，其中心 圓孔的直徑為6mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于去除柴油機(jī)N0X的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng) 器，其特征是所述的不銹鋼芯棒高壓電極(8)的等效直徑為6mm，長度為280mm;剛玉管(6) 采用A1203作為材質(zhì)，其內(nèi)徑為20mm，外徑為25mm，長度為276mm ；不銹鋼網(wǎng)低壓電極(7)長 度為 10mm 150mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于去除柴油機(jī)N0X的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng) 器，其特征是所述的剛玉管(6)與不銹鋼芯棒高壓電極(8)之間的氣體放電間隙為7mm。
全文摘要
用于去除柴汕機(jī)NOx的介質(zhì)阻擋放電耦合催化劑整體反應(yīng)器，屬于柴汕機(jī)尾氣排氣污染物控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用裝填SCR催化劑的整體反應(yīng)器，即該整體反應(yīng)器是在SCR催化劑存在下同時(shí)發(fā)生介質(zhì)阻擋放電。本發(fā)明是利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體凈化與SCR催化劑凈化之間的協(xié)同凈化效應(yīng)，對包含有NO、O2、H2O、SO2、碳?xì)浠衔?HCs)的柴汕機(jī)尾氣進(jìn)行改性以及對置于放電區(qū)域內(nèi)SCR催化劑的改性，大幅度提高了SCR催化劑的低溫反應(yīng)活性，拓寬了SCR催化劑的溫度窗口，實(shí)現(xiàn)了在100℃～550℃的寬溫度反應(yīng)窗口內(nèi)有效降低NOx，同時(shí)該整體反應(yīng)器也有效解決了催化劑硫中毒問題，適用于我國高硫份柴汕，可以大幅度提高NH3-SCR在柴汕機(jī)低溫冷啟動(dòng)或怠速時(shí)NOx的轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)F01N3/28GK101832168SQ201010142589
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者林赫, 管斌, 黃震 申請人:上海交通大學(xué)