汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化教學實驗建設(shè)

段鳳魁，郝吉明，王書肖，段 雷，張 磊，王 龍

（清華大學 環(huán)境學院，北京 100084）

機動車尾氣排放是我國大氣復(fù)合污染的重要來源之一，其成分復(fù)雜，既包括 NOx、CO、VOCs、CO2、SO2等氣態(tài)污染物，又包括PM2.5，甚至納米粒子在內(nèi)的顆粒態(tài)污染物［1－2］。其中，NOx是 PM2.5的主要前體物之一，其在氣候變化、酸雨的形成、霧霾的形成中都扮演著至關(guān)重要的角色。隨著我國機動車保有量的迅速增加，NOx在富氧條件下的排放控制也變得越來越緊迫［3］。

“大氣污染控制工程”是高校環(huán)境專業(yè)核心課程之一，通過該課程極大推動了我國高校環(huán)境專業(yè)實驗與實踐課程體系的建設(shè)，以及大氣污染控制工程專業(yè)人才的培養(yǎng)［4－5］。然而，很多高校在大氣實驗課程建設(shè)方面存在嚴重不足［6－8］。我校大氣污染控制工程課程起初是本科生限選課，于1999年被評為國家級精品課程。為了適應(yīng)學科發(fā)展，于2010年改為本科生必修課。大氣實驗是“大氣污染控制工程”的配套實驗課程。然而，與理論課程的建設(shè)相比，實驗課程的建設(shè)遠遠不足。多年來由于受場地及經(jīng)費所限，大氣污染控制工程實驗課程僅開設(shè)了旋風—布袋除塵實驗及脫硫?qū)嶒?。實驗?nèi)容單一，且設(shè)備老化嚴重，實驗效果不好。曾經(jīng)借助環(huán)境學院有關(guān)課題組的科研平臺，斷續(xù)開展了幾次汽車尾氣中CH4的凈化實驗，但由于時間沖突且設(shè)備無法為教學專用，實驗效果不理想。因此，在本科實驗教學中開設(shè)機動車污染排放與控制相關(guān)的實驗內(nèi)容，對于培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型和復(fù)合型人才，具有非常重要的意義。

1 實驗設(shè)計與技術(shù)原理

1.1 設(shè)計思路

針對上述大氣污染現(xiàn)狀及我校實驗教學現(xiàn)狀，為了完善環(huán)境學院實驗課程體系，使大氣實驗課程更好地與大氣理論課程內(nèi)容相銜接，并體現(xiàn)大氣科學發(fā)展前沿，我們提出基于“大氣污染控制工程”理論課程中的相關(guān)教學內(nèi)容，設(shè)計研制了“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化綜合教學實驗系統(tǒng)”，并以此開設(shè)新實驗項目。通過該系統(tǒng)，可望能夠顯著提高學生的科研興趣和科研能力，更好地適應(yīng)建設(shè)世界一流的環(huán)境科學與工程學科人才培養(yǎng)的需要。

1.2 技術(shù)原理

“汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化綜合教學實驗系統(tǒng)”由5部分組成：尾氣排放檢測系統(tǒng)、催化劑制備系統(tǒng)、溫度控制及反應(yīng)系統(tǒng)、氣體流量配氣系統(tǒng)、反應(yīng)測量系統(tǒng)（見圖1）。尾氣排放檢測是機動車排放控制中非常重要的一環(huán)［9－10］。機動車在怠速工況下，發(fā)動機氣缸內(nèi)通常處于不完全燃燒狀況，此時尾氣中CO和HC的排放相對較高，但NOx排放則很低。由于怠速工況時機動車沒有行駛負載，無需底盤測功機就可進行尾氣排放檢測，故雖然怠速法不能全部反映實際運行工況下的機動車排放，但仍是目前各國普遍采用的在用車排放檢測方法之一。本系統(tǒng)采用尾氣五氣分析儀測定家用汽油車怠速（轉(zhuǎn)速為0）與高怠速（例如0.5額定轉(zhuǎn)速）等不同工況下HC、NO、CO、CO2和O25種氣體的濃度，比較不同工況下的尾氣排放特征，并分析原因。根據(jù)上述不同工況下氣體濃度變化情況，尤其是關(guān)鍵尾氣成分的濃度水平，確定下一步催化轉(zhuǎn)化模擬實驗中配氣氣體的種類及各種氣體的配氣比例。

圖1 汽車尾氣排放檢測與催化轉(zhuǎn)化綜合教學實驗系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

針對檢測到的尾氣中關(guān)鍵成分NO，采用選擇性催化還原法（selective catalytic reduction，SCR）這一國際上先進的煙氣脫硝技術(shù)進行實驗［11－13］。該方法主要采用氨（NH3）作為還原劑，將NO選擇性地還原成N2。NH3具有較高的選擇性，在一定溫度范圍內(nèi)，它主要與NO發(fā)生作用，而不被煙氣中的氧所氧化；同時少量的NO2也被還原成N2。該方法比無選擇性的還原劑脫硝效果好。NH3－SCR的工作原理如下：

本實驗中的溫控系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)系統(tǒng)均通過自主設(shè)計，并委托有資質(zhì)的公司進行生產(chǎn)加工（見圖2）。根據(jù)上述反應(yīng)原理，通過比較選擇平衡氣，最終確定配氣組成為 NO、O2、NH3、N2，其中 N2為平衡氣體。實驗氣體經(jīng)反應(yīng)爐催化還原之后，剩余的NO可用高精度煙氣分析儀進行檢測，最終計算催化轉(zhuǎn)化效率并探討影響因素。

圖2 實驗系統(tǒng)中的溫控、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)爐實物圖

2 實驗過程及結(jié)果

自2010年，本科生應(yīng)用該系統(tǒng)進行了機動車尾氣排放檢測及氮氧化物催化轉(zhuǎn)化效率測試。除規(guī)定的實驗內(nèi)容外，學生還可自行設(shè)計實驗進行驗證。例如，機動車排放測試主要是使學生探討怠速、高怠速（0.5額定轉(zhuǎn)速）2種工況下尾氣成分排放特征。測試結(jié)果表明，怠速及高怠速下尾氣主要成分為NO、CO、CO2、O2、HC化合物。怠速下尾氣中CO和HC的排放相對較高，但NO排放則較低；高怠速下燃燒溫度較高，CO含量相對較低，而NO含量較高?？梢奛O是機動車尾氣的重要成分。

此外，例如NO催化轉(zhuǎn)化測試部分，配氣量分別為 NO 30ml／min，NH330ml／min，O220ml／min，N2420ml／min，維持總氣量為500ml／min。按照預(yù)設(shè)程序，將催化劑從常溫按照5oC／min的溫度梯度升溫至200oC，在200oC穩(wěn)定10min后，將通氣閥從“旁通”轉(zhuǎn)換通向催化劑，從200oC開始測量NO濃度至450oC為止，升溫梯度為8.3oC／min，每隔2min在濃度分析儀上讀取一次數(shù)據(jù)，測量30min，并記錄催化劑溫度和處理后氣體NO濃度。催化曲線如圖3所示?？梢?，在343oC時NO催化凈化效率最高，可達92%。

圖3 NO轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

本綜合實驗系統(tǒng)針對機動車污染這一典型大氣污染源，采用當前國際上主流的SCR煙氣脫硝技術(shù)，結(jié)合我國當前大氣污染現(xiàn)狀以及環(huán)境學院近年來在大氣污染控制方面的研究成果，覆蓋了從污染源排放到控制在內(nèi)的核心知識點與技術(shù)點，是將科研轉(zhuǎn)化為實驗教學的典型案例。主要特色及創(chuàng)新性如下：

（1）本成果以研究型實驗為出發(fā)點，以流動源污染控制研究項目中的有關(guān)研究內(nèi)容及過程為基礎(chǔ)，通過高度提煉與總結(jié)，設(shè)計成涵蓋排放檢測、催化劑制備、大氣污染物控制關(guān)鍵技術(shù)在內(nèi)的、可為本科生進行實際操作的實驗系統(tǒng)與實驗項目，在設(shè)計思路上有創(chuàng)新。

（2）尾氣排放的測定采用真實機動車進行，且由學生來操控機動車的不同轉(zhuǎn)速。在完成規(guī)定實驗內(nèi)容后，學生還可進一步設(shè)計不同工況進行驗證。教學實踐證明，該成果使實驗教學變得不再枯燥，引起了本科生濃厚的實驗與科研興趣，提高了本科生自主學習的興趣和科研能力。與傳統(tǒng)實驗教學相比，在教學設(shè)備與教學方法上有一定特色。

（3）本實驗中的溫控系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)系統(tǒng)均通過自主設(shè)計，并委托有資質(zhì)的公司進行生產(chǎn)加工。學生可自行組成研究小組，自行設(shè)計實驗，分別考察升溫程序（升溫時間、升溫速度）、配氣比例、催化劑種類等關(guān)鍵參數(shù)對催化轉(zhuǎn)化效率的影響，并探討原因，進一步改進實驗，充分激發(fā)了學生的參與意識，鍛煉了學生的動腦、動手能力，在實驗設(shè)備、內(nèi)容及實驗方法上具有明顯的研究特色。

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