段鳳魁，郝吉明，王書肖，段 雷，張 磊，王 龍

（清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084）

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是我國(guó)大氣復(fù)合污染的重要來(lái)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(guó)機(jī)動(dòng)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(lái)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(guò)該課程極大推動(dòng)了我國(guó)高校環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)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(shí)驗(yàn)課程建設(shè)方面存在嚴(yán)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(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程。為了適應(yīng)學(xué)科發(fā)展，于2010年改為本科生必修課。大氣實(shí)驗(yàn)是“大氣污染控制工程”的配套實(shí)驗(yàn)課程。然而，與理論課程的建設(shè)相比，實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。多年來(lái)由于受場(chǎng)地及經(jīng)費(fèi)所限，大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程僅開(kāi)設(shè)了旋風(fēng)—布袋除塵實(shí)驗(yàn)及脫硫?qū)嶒?yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，且設(shè)備老化嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)效果不好。曾經(jīng)借助環(huán)境學(xué)院有關(guān)課題組的科研平臺(tái)，斷續(xù)開(kāi)展了幾次汽車尾氣中CH4的凈化實(shí)驗(yàn)，但由于時(shí)間沖突且設(shè)備無(wú)法為教學(xué)專用，實(shí)驗(yàn)效果不理想。因此，在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)設(shè)機(jī)動(dòng)車污染排放與控制相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與技術(shù)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)上述大氣污染現(xiàn)狀及我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，為了完善環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)課程體系，使大氣實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)研制了“汽車尾氣排放檢測(cè)與催化轉(zhuǎn)化綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，并以此開(kāi)設(shè)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)該系統(tǒng)，可望能夠顯著提高學(xué)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(xué)與工程學(xué)科人才培養(yǎng)的需要。

1.2 技術(shù)原理

“汽車尾氣排放檢測(cè)與催化轉(zhuǎn)化綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”由5部分組成：尾氣排放檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。尾氣排放檢測(cè)是機(jī)動(dòng)車排放控制中非常重要的一環(huán)［9－10］。機(jī)動(dòng)車在怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)通常處于不完全燃燒狀況，此時(shí)尾氣中CO和HC的排放相對(duì)較高，但NOx排放則很低。由于怠速工況時(shí)機(jī)動(dòng)車沒(méi)有行駛負(fù)載，無(wú)需底盤測(cè)功機(jī)就可進(jìn)行尾氣排放檢測(cè)，故雖然怠速法不能全部反映實(shí)際運(yùn)行工況下的機(jī)動(dòng)車排放，但仍是目前各國(guó)普遍采用的在用車排放檢測(cè)方法之一。本系統(tǒng)采用尾氣五氣分析儀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(cè)與催化轉(zhuǎn)化綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

針對(duì)檢測(cè)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(guó)際上先進(jìn)的煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［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(shí)少量的NO2也被還原成N2。該方法比無(wú)選擇性的還原劑脫硝效果好。NH3－SCR的工作原理如下：

本實(shí)驗(yàn)中的溫控系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)系統(tǒng)均通過(guò)自主設(shè)計(jì)，并委托有資質(zhì)的公司進(jìn)行生產(chǎn)加工（見(jiàn)圖2）。根據(jù)上述反應(yīng)原理，通過(guò)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行檢測(cè)，最終計(jì)算催化轉(zhuǎn)化效率并探討影響因素。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的溫控、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)爐實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

自2010年，本科生應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢測(cè)及氮氧化物催化轉(zhuǎn)化效率測(cè)試。除規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，學(xué)生還可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。例如，機(jī)動(dòng)車排放測(cè)試主要是使學(xué)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(cè)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(duì)較高，但NO排放則較低；高怠速下燃燒溫度較高，CO含量相對(duì)較低，而NO含量較高?？梢?jiàn)NO是機(jī)動(dòng)車尾氣的重要成分。

此外，例如NO催化轉(zhuǎn)化測(cè)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(kāi)始測(cè)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(cè)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?jiàn)，在343oC時(shí)NO催化凈化效率最高，可達(dá)92%。

圖3 NO轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)機(jī)動(dòng)車污染這一典型大氣污染源，采用當(dāng)前國(guó)際上主流的SCR煙氣脫硝技術(shù)，結(jié)合我國(guó)當(dāng)前大氣污染現(xiàn)狀以及環(huán)境學(xué)院近年來(lái)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(shí)點(diǎn)與技術(shù)點(diǎn)，是將科研轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，以流動(dòng)源污染控制研究項(xiàng)目中的有關(guān)研究?jī)?nèi)容及過(guò)程為基礎(chǔ)，通過(guò)高度提煉與總結(jié)，設(shè)計(jì)成涵蓋排放檢測(cè)、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(jìn)行實(shí)際操作的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)思路上有創(chuàng)新。

（2）尾氣排放的測(cè)定采用真實(shí)機(jī)動(dòng)車進(jìn)行，且由學(xué)生來(lái)操控機(jī)動(dòng)車的不同轉(zhuǎn)速。在完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，學(xué)生還可進(jìn)一步設(shè)計(jì)不同工況進(jìn)行驗(yàn)證。教學(xué)實(shí)踐證明，該成果使實(shí)驗(yàn)教學(xué)變得不再枯燥，引起了本科生濃厚的實(shí)驗(yàn)與科研興趣，提高了本科生自主學(xué)習(xí)的興趣和科研能力。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在教學(xué)設(shè)備與教學(xué)方法上有一定特色。

（3）本實(shí)驗(yàn)中的溫控系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)及反應(yīng)系統(tǒng)均通過(guò)自主設(shè)計(jì)，并委托有資質(zhì)的公司進(jìn)行生產(chǎn)加工。學(xué)生可自行組成研究小組，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別考察升溫程序（升溫時(shí)間、升溫速度）、配氣比例、催化劑種類等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)催化轉(zhuǎn)化效率的影響，并探討原因，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，充分激發(fā)了學(xué)生的參與意識(shí)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)腦、動(dòng)手能力，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備、內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法上具有明顯的研究特色。

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