等离子体催化氧化双燃料发动机逃逸甲烷的研究

作     者：张荣沛 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周松

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：等离子体 催化氧化 双燃料发动机 甲烷逃逸 

摘      要：船舶发动机带来的排放污染问题越来越受到世界各国的重视,双燃料发动机技术以其良好的排放性逐渐得到原来越多的应用,但双燃料发动机的HC排放,尤其是采用天然气低压喷射的双燃料发动机的甲烷排放较多。甲烷是一种热势很高的温室气体,我国环保部对双燃料发动机的甲烷排放限值做出了明确规定,国际海事组织IMO也提出了国际海运温室气体减排初步战略,但目前国际上关于船用低压双燃料发动机逃逸甲烷的问题还没有较好的解决办法。本文以船用低压双燃料发动机逃逸甲烷为研究对象,基于自行搭建的等离子协同催化剂脱除甲烷的实验平台展开相关实验研究,以低温等离子体协同催化技术为基础,设计了圆筒型介质阻挡放电反应装置,同时引入贵金属催化剂,对双燃料发动机逃逸甲烷进行氧化脱除,对单独等离子体及等离子体协同催化剂处理甲烷的脱除效率和反应产物选择性的影响因素进行了研究探讨,并对等离子体电源能耗效率、能量密度以及脱除甲烷的反应机理进行分析,以期为处理船舶双燃料发动机逃逸甲烷的技术研究提供参考。首先,对单独低温等离子体处理甲烷的反应过程进行研究,发现增大电源输入功率、升高反应温度以及降低反应气体流量均有助于CH4分子的深度氧化,能够提高CH4的脱除效率、降低反应产物中CO的选择性并提高CO2的选择性。电源频率的提高增加了放电重复率,并改变了等离子体反应器内部功率,随等离子体电源频率的增高,CH4脱除效率、CO选择性均呈现出先增加后减小的变化规律。等离子体电源的最适宜频率随着等离子体电源输入电压的变化而改变。等离子体放电的一部分能量以热能形式散失,提高反应器的反应温度、电源输入功率均有助于提高等离子体电源效率。电源输入功率的变化、反应气体流量的变化都会改变能量密度,能量密度的增加能够提高CH4脱除效率。其次,对等离子体与催化剂协同处理甲烷的反应过程进行了研究,得到了不同反应器的CH4脱除效率顺序为:等离子体+Pt/Al2O3反应器等离子体+Pd/Al2O3反应器单独等离子体反应器。提高催化剂贵金属含量、增加催化剂的用量能够促进CH4的脱除效果,增大CH4初始浓度会降低CH4脱除效率,O2初始浓度的升高会导致CH4脱除效率略有降低。随着反应时间的持续延长,CH4脱除效率缓慢增加,CO选择性缓慢降低,催化剂的布置能够提高反应初始阶段的CH4脱除效率,使整体反应时间内的CH4脱除效率更趋于稳定。最后,分析了等离子体催化氧化过程的反应机理,等离子体催化氧化反应可分为两个过程:CH4分子首先在高能电子的碰撞下断裂C-H键,生成多种自由基,随后各种自由基直接会发生转移及化合过程。催化剂的添加能够控制自由基反应的方向,使得反应产物具有较高的选择性。本文所得到的研究结果可以为处理船舶低压双燃料发动机逃逸甲烷提供参考,实验装置也可应用于处理稀燃天然气发动机逃逸甲烷,为进一步降低发动机排放打下基础。