低温等离子体技术净化船舶柴油机尾气的化学反应动力学模拟

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摘要：

针对目前尚没有一种净化方法能同时去除船舶柴油机尾气中NOx，SO2和炭粒的现状，提出将低温等离子体技术应用于船舶柴油机尾气净化中.利用MATLAB，根据化学反应动力学原理建立关于低温等离子体技术净化NOx和SO2的微分方程组，对船舶尾气中NOx和SO2的净化效果进行模拟.在此基础上，进一步研究尾气中的SO2含量和O2含量对尾气处理效果的影响.理论研究结果说明此方法是可行的.利用低温等离子体技术净化船舶柴油机尾气具有较好的发展前景.

关键词：

低温等离子体； 化学反应动力学； 船舶柴油机； 尾气净化

中图分类号： U664.121； TK421.5

文献标志码： A

Chemical reaction kinetics simulation of marine diesel engine flue gas

cleaning by low temperature plasma technology

SUN Yongming， XIA Wenhu， ZHANG Qin

（Merchant Marine College， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）

Abstract：

Considering that there exist no cleaning methods that can remove NOx， SO2 and carbon particles together from marine diesel engine flue gas， it is proposed that the low temperature plasma technology is put forward for cleaning marine diesel engine flue gas. The differential equations of removing NOx and SO2 by the technology are established by MATLAB according to the chemical reaction kinetics. The effects of removing NOx and SO2 from marine diesel engine flue gas are simulated. On this basis， the influences of SO2 and O2 contents in flue gas on treatment effect are further studied. The theoretical research results show that the method is feasible. It has better development prospect to use the technology to clean marine diesel engine flue gas.

Key words：

low temperature plasma； chemical reaction kinetics； marine diesel engine； flue gas cleaning

收稿日期： 20140815

修回日期： 20141028

作者简介：

孙永明（1962—），男，浙江绍兴人，副教授，硕士，研究方向为船舶辅机工程，（Email）ymsun@shmtu.edu.cn

0引言

为降低航运成本，远洋船舶主机的燃料一般为劣质燃油.船舶使用的燃油的平均硫含量为2.7%.船舶主机的三大污染物，NOx，SO2及炭粒，对海洋环境造成极大的污染，其中NOx更是污染空气的主要物质之一.这一问题越来越引起国际海事组织（International Maritime Organization， IMO）和国际社会的重视.国际上对船舶柴油机尾气处理的研究也非常多，但是尚未有一种方法能同时去除尾气中的三大污染物并能实际应用于船上.等离子体技术应用于船舶尾气处理是一个新的研究方向，曾有学者提出等离子体放电是去除NOx的一种有效方法，但近年来研究多采用脉冲电晕放电和介质阻挡放电的方法，它们都通过某种方式将NOx还原为对环境友好的N2.

本文提出一种新的利用低温等离子体去除船舶柴油机尾气中污染物的方法，它产生的OH，O自由基和O（1D），O3等活性粒子与NOx和SO2以及炭粒发生氧化反应，再结合海水吸收，达到同时净化船舶柴油机尾气中NOx和SO2以及炭粒的目的.海水的天然碱度使海水能吸收HNO3和H2SO4.海水的pH值为7.3～8.6.海水中含有大量的CO32-和HCO-3，它们能维持海水的pH值保持稳定.因此，海水的抗pH值冲击能力非常强，这为海水吸收HNO3和H2SO4提供很大的方便.尾气中的HNO3和H2SO4被海水吸收后，H+与海水中的CO32-和HCO-3发生化学反应，产生CO2和H2O.海水吸收技术成熟可靠且工艺流程简单，但是海水作为吸收物质后又被排放回海洋，肯定会对海洋环境产生一定的影响.而已有的关于此影响的研究表明，该技术产生的对海水的水质和区域海洋生态环境的影响不明显.等离子体技术结合海水吸收的方法曾在陆上工厂烟囱的尾气净化中被提到过，但由于此方法受海水的获得是否便利的限制，没有人对其进行深入研究.在船上海水的获得是非常方便的，因此该方法在船舶柴油机尾气处理上具有优势.

关于等离子体氧化柴油机尾气中的颗粒物（炭粒）的大量文献说明：反应过程中OH和O自由基对PM的氧化起到重要作用.本文根据化学反应动力学原理，以MATLAB为研究工具模拟用低温等离子体技术净化船舶柴油机尾气中NOx和SO2的过程.通过对模拟结果的分析，并参考相关文献对低温等离子体氧化炭粒的研究，发现低温等离子体技术结合海水吸收的方法不仅能够实现船舶柴油机尾气的脱硫脱硝和炭粒去除，而且只消耗电能，不需要价格昂贵的催化剂，具有成本低的特点，这正是船舶所有人追求的.而且利用该方法净化船舶尾气所需的设备体积不大，不受船舶机舱空间狭小的限制.若能成功将此方法应用于船舶柴油机尾气处理，则在将来IMO对船舶尾气排放要求越来越高的大环境下，该方法具有广阔的使用前景.

3结论及展望

（1）利用低温等离子体技术净化船舶柴油机尾气中的NO，NO2和SO2，其去除速度都很快，能达到所需的净化效果.

（2）在反应过程中有NO生成，但当NO浓度稍高时，NO被反应掉的速度大于其生成速度，因而NO浓度最终维持在一较低水平；NO2浓度初始时会增加，但达到峰值后会迅速降低.

（3）使用含硫量较低的燃油时，NO2浓度的峰值明显降低，NO2浓度达到最低值所用的时间也明显减少.

（4）尾气中O2浓度降低会使NO，NO2和SO2的去除速度明显降低，净化所需时间明显增加.

国内外对低温等离子体处理船舶柴油机尾气的研究尚很少，还没有相关的试验研究.本文用化学反应动力学数值模拟的方法，对该方法净化船舶柴油机尾气中的NOx和SO2进行研究，理论研究结果说明此方法是可行的，但尚需实验来验证，有条件的机构可做相关实验研究.

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（编辑赵勉）

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