排气污染物中氮氧化合物的危害和治理.doc

汽车排气污染物中氮氧化合物(NOX)的危害和治理
2094021519 李杏梅 延边大学农机专业
摘要：
本文通过分析NOx的生成机理及对人类带来的危害，提出了治理汽油机氮氧化物排放的措施，并重点分析了机外净化技术中的催化反应器和三元催化反应器的工作原理，提出了绿色汽车的发展方向。
关键词：氮氧化物 净化技术 汽车尾气 催化反应

引言
随着科技的不断发展，汽车工业也成为当今世界最大的一个行业，汽车给人类带来了便捷、省力、省时、自由等优点的同时也带来更多不利的问题，如汽车排放的污染物，噪声，资源竞争，土地，交通拥挤等。特别是汽车尾气的污染，占总量的65%—85%已成为城市大气污染的主要来源。
汽车尾气排放的污染物主要包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx ）和碳氢化合物（CH）。据测算，一辆新的汽车排放数量约为CO—2.5mg/m3 ， NOx —CO—2.5mg/m3 ，CH—15mg/m3 ，低碳、环保观念逐渐深入人心，加之各国排放法规的制定，汽车尾气排放的治理与防治愈显得重要。
一、氮氧化物的形成机理及危害
发动机排放的氮氧化物主要是NO、 NOx ，其中95%是NO，氮氧化物一般是在高温、富氧、和充足的反应时间的条件下生成的。其链反应机理为：
氧的分解： O2 2O(高温)
NO的形成 O+N2 NO+N ( 高温)
N+O2 NO+O ( 高温)
NO2 的形成 2NO+O 2NO2 ( 高温)
NO2 一般是在空气中缓慢氧化生成的，有剧烈的毒性，其主要危害为：
1. 长期暴露在低浓度下，会使人发生萎缩性病变，引起呼吸机能障碍，当期刺激呼吸道时可引起喘息、支气管炎、肺气肿；
2. 在一定浓度下由于对光的吸收作用能使大气着色，从而明显的降低大气的可见度，影响地面和空中交通。
3. 氮氧化物除了直接对人体有害外，在强烈阳光照射下，还可同HC进行一系列复杂的光化学反应，产生臭氧和各种化合物，臭氧具有很强的氧化性和毒性，如果空气中臭氧的浓度在5x10^-5以上，人在1小时之内就会死亡，臭氧还会破坏植物的生长。
二、 汽车尾气 NOx 排放标准
随着汽车工业的发展，汽车的排气污染越来越严重的威胁着赖以生存的环境。为了保护全球环境，各国和各地区纷纷制订了各种保护环境的法规、措施，并把提高汽油机技术的目标由原来的追求经济性、可靠性向追求排放性发展，为此美国、欧盟、日本等发达国家先后制定了严格的汽车排放标准。目前普遍采用欧洲的汽车排放法规。如下表所示：
标准等级
实施日期 CO HC NOX HC+NOX PM
Euro 1†
1992年7月
2.72 (3.16)
-
-
0.97 (1.13)
-
Euro 2
1996年1月
2.2
-
-
0.5
-
Euro 3
2000年1月
2.3
0.2
0.15
-
-
Euro 4
2005年1月
1.0
0.1
0.08
-
-
Euro 5 （将来）
2009年9月
1.0
0.1
0.06
-
0.005**
Euro 6 （将来）
2014年9月
1.0
0.1
0.06
-
0.005**

三、发动机排放污染控制技术
（一）、汽油机的机内净化技术
汽油机的机内净化技术是以改进发动机燃烧过程为核心的技术，也叫排气前控制技术，他是在汽车设计与制造过程中充分将污染物的排放量控制在较低水平，如推迟点火时间，废气再循环等措施减少氮氧化物的排放量。机内控制技术是汽车污染控制的基础和主要手段，但是根据欧美世界汽车排放标准限制逐渐严格化，仅仅通过机内净化技术已经不能满足人类对汽车的要求。
（二） 、汽油机的机外净化技术
机外净化技术是随着排放法规的日益严格而产生的一种排气后控制技术。目前机外净化技术主要是在排气管中安装热反应器、催化反应器、三元催化反应器和二次空气配射装置等减少汽车排气中污染物的含量。
由于氮氧化物主要是在高温和富氧条件下产生的，因此机外控制技术一般是通过在排气系统中通过还原过程将其净化。主要方法如下：
催化反应器
催化反应器是利用催化剂将汽车尾气中的有害成分CO、HC和 NOx 通过化学反应转化成无害的CO2 、H2O 和N2的一种反应器。
1. 氧化、还原催化反应器
氧化催化反应主要是利用排气中残留的氧气和二次空气中的氧将CO、CH在催化剂作用下完全氧化。其化学反应式如下：
2HC+(5/2)O2 (催化剂) CO2+H2O
2CO+O2 (催化剂) 2CO2
还原催化反应器通过利用排气中的CO和CH作为还原剂，在催化剂作用下，将 NOx 还原为N2，其化学反应式为：
HC+NOX (催化剂) CO2+H2O+N2
CO+NOX (催化剂) CO2+N2
但目前，由于还原催化法技术上较困难，在汽车尾气净化法上采用的还不太多。一般情况下采用氧化、还原催化反应器净化汽车尾气。其流程图如下所示：

2. 三元催化反应器
三元催化器的工作原理是：
当高温的汽车尾气通过净化装置时，三元催化器中的净化剂将增强CO、HC和NOx三种气体的活性，促使其进行一定的氧化-还原化学反应，其中CO在高温下氧化成为无色、无毒的二氧化碳气体；HC化合物在高温下氧化成水(H20)和二氧化碳；NOx还原成氮气和氧气。三种有害气体变成无害气体，使汽车尾气得以净化。
三元催化器早期失效的原因
1． 温度过高 　
　常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250—350℃，正常工作温度一般在350—700℃。 　
2． 慢性中毒 　　
催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅来自于汽油，磷和锌来自于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成氧化物颗粒易被吸附在催化剂的表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去了催化作用，即所谓的“中毒”现象。 　　
3． 表面积碳 　　
当汽车长期工作于低温状态时，三元催化器无法启动，发动机排出的炭烟会附着在催化剂的表面，造成无法与CO和HC接触，长期下来，便使载体的孔隙堵塞，影响其转化效能。 　
（三）、燃料的改进与替代
随着能源危机以及人类环保意识的增强，绿色汽车如压缩天然气机动车、液化石油气车、醇类汽车、氢汽车、电动汽车等并将逐步取代传统汽车。不断开发新能源如太阳能、风能等可再生能源向高效、节能、低污染的方向发展。
参考文献：
【1】、苏玉玲、董超；污染防治实习 化学工业出版社；
【2】、冯健璋；汽车发动机原理与汽车理论 机械工业出版社
【3】、三元催化器 百度百科