1、青少年科技创新大赛创新发明获奖作品自备发电机组的尾气排放控制处理自备发电机组的尾气排放控制处理 一、作品简介1.背景目的自备发电机组系统有排防污染的要求，随着对生态环境要求的日益严格，今后国际上越来越多的地区会对自备发电机组系统尾气排放提出控制。因此开展自备发电机组系统尾气控制与净化措施的研究,具有重要的意义。通过吸附、过滤等简单的物理原理，减少自备发电机组尾气中烟度颗粒物的排放量，从而到达提高空气质量的目的，本文详细介绍了自备发电机组系统尾气烟度颗粒物综合处理系统的设计。中国工程院院士、北京大学环境科学与工程学院教授唐孝炎说，统计分析发现，颗粒物中，即直径小于或等于2.5微米的细颗粒物（PM
2、2.5）的危害是多重的。它不但会形成灰霾，降低能见度，还会威胁人体健康、生态环境，并通过远距离输送，造成区域性或全球性环境问题，甚至影响气候变化。由于PM2.5的组分复杂，含硫酸盐、硝酸盐、金属、黑碳、有机碳和矿物质等，毒理学研究表明这些组分的毒性机制和效应均有很大差异，PM2.5致病的机制非常复杂，目前很多影响和机制尚不清楚。研究发现，每年由于大气污染而早亡的人数约80万，其中最重要的原因就是颗粒物污染。如果PM2.5浓度能降低10微克/立方米，由肺病导致早亡的人数将减少6%，肺癌人数将减少8%。研究表明，PM2.5可影响人体的呼吸、心血管、免疫、生育、神经和遗传系统等，PM10可进入人的鼻
3、腔及气管，而PM2.5除了能进入肺部，还能进入肺泡甚至血液，引起肺部和全身炎症，增加动脉硬化、血脂升高的风险，导致心律不齐，血压升高等。基于上述材料分析采访和对自备发电机组尾气成分的深入研究，我们试图通过物理学方法来有效减少自备发电机组尾气颗粒物；主要设计思路为让自备发电机组尾气颗粒物通过高压电场电离，使颗粒物成为带电粒子，再让带电粒子通过强磁场，通过磁场对带电粒子的作用将其吸附在强磁场外的过滤网中，这个过程能够使自备发电机组系统尾气中的大部分颗粒物被吸附，减少对大气的排放。2.工具材料电线，电烙铁，焊锡，气溶胶，剪刀，铁丝网，铁皮，空气滤清器，磁铁，相关电子元器件，强磁铁, 自备发电机组尾气
4、处理液,蜂窝陶瓷等。3.制作过程2016年8月，我查阅相关资料并讨论研究，并询问奚老师的意见和建议。在此基础上做出自备发电机组尾气颗粒物控制装置系统模型，使其具备完善地“静电吸附固体颗粒物”、“对尾气中油污的吸收”、“ 对固体颗粒物的进一步吸收”等功能。将多次尝试，终获成功。 4.实施流程查阅资料设计方案采购材料加工合作制作模型征求老师意见改进模型修改完善模型5.科学性本模型科学地处理了含颗粒物的尾气，经过高压静电场时被电离，颗粒物与负离子结合带上负电后，在强磁场中偏转并被吸附在强磁场外的过滤网，运用蜂窝陶瓷有效地去除杂质和渣粒等。6.先进性模型的综合技术在国内未见有相同或类似的报道，因此，具
5、有新颖性和良好的市场应用价值。同时对于提高空气的质量帮助非常大，能进一步帮助我们提高生活的质量，避免一些疾病的发生。由1、壳体.2、进气口3、出气口4、绝缘条5、高压电网6、高压发生器7、两个高压电网之间设置有蜂窝陶瓷8、磁吸件9、空气滤清器等组成。7.实用性本模型安装简单、成本低，基本没有改变原有的自备发电机组尾气排放结构，即在原有的基础上加上该套装置就可以实现整个功能。8.创新点利用物理学方法进行颗粒物处理，除过滤网的处理工作外其他过程不会再对空气有二次污染。高压电场强度为（700V-800V），强磁场的强度为（0.4-0.8特斯拉），蜂窝陶瓷热容量J/kgk1000以上，使用温度1700
6、，供电电压为（5v），可直接使用自备发电机组起动电源作为供电电压源。1.壳体 2.进气口 3.出气口 4.绝缘条5.高压电网 6.高压发生器 7.两个高压电网之间设置有蜂窝陶瓷 8.磁吸件 9.吸油棉 10.空气滤清器 二、设计目的（一）起因2016年7月20日下午13：45，气温39摄氏度，恰遇停电，无法使用空调。于是我打开窗户通风，一打开窗户，就听到发电机隆隆声，看到天空中黑色的烟雾和粉尘、闻到浓重的刺鼻的气味，使人恶心难受。我想起七年级下册科学书中，关于空气的污染与防治这节内容，我思考怎样来解决自备发电机组烟雾呢？我又从网上查看到2013年1月9日以来，全国中东部地区陷入严重的雾霾和污染
7、天中。雾霾天气，造成城市里大面积低能见度的情况。在早上或夜间相对湿度较大的时候，形成的是雾；在白天气温上升、湿度下降的时候，逐渐转化成霾。这种现象既有气象原因，也有污染排放原因，自备发电机组排放污染物对环境影响日趋严重。而且自备发电机组尾气对人的危害相当大：成人体内部缺氧，危害中枢神精系统，轻者眩晕、恶心、虚脱；重者昏迷、呼吸变慢、意志丧失而死亡。由于自备发电机组尾气气量排放在天空，因此，儿童吸入的自备发电机组尾气量为成人的2倍。居住在自备发电机组的商业区、工厂区、交通干线附近的儿童，他们血液中铅的含量比远离干线的儿童高得多。自备发电机组尾气对我们儿童的危害是不可低估的，长期吸收以上气体，可发
8、生贫血、眼病、肾炎等。当血液中铅的浓度100毫升超过36微克时，约有二分之一的儿童智力会发生障碍。那我们来看看自备发电机组尾气颗粒物中含有的颗粒物的危害：（1）自备发电机组尾气污染物主要有一氧化碳、烃类化合物、硫氧化物和氮氧化物。此外，微粒物和铅氧化物也属于自备发电机组尾气污染物。（2）一氧化碳会影响神经功能和视力敏感性，对体弱多病者危害更大。（3）烃类化合物与氧化物混合，在阳光照射下，低空臭氧损害呼吸系统，影响农作物生长，形成光化学烟雾引发支气管炎、肺炎及其他肺部疾病。（4）氮氧化物也是产生酸雨的主要成分。（5）微粒物可长期悬浮在空气中。其中许多化合物是致癌物质，甚至是强致癌物质。（6）硫氧
9、化物是形成酸雨的主要物质之一HC化合物会对人体产生影响，(7)HC（碳氢化合物）产生光化学烟雾的重要成分，它与NOx在紫外线的照射下，会发生化学反应，形成光化学烟雾。当光化学烟雾种的光化学氧化剂超过一定浓度时，具有明显的刺激性。它能刺激眼结膜，引起流泪并导致红眼症，同时对鼻、咽、喉、器官积肥不均有刺激作用，能引起急性喘息症。光化学烟雾还具有损害植物、降低大气能见度、损坏橡胶制品等危害。（8）铅是一种有毒物质，能积蓄在人体中，损害神经、造血、和生殖系统。铅还会造成铂、钯、铑等贵重金属催化剂永久中毒，使尾气三效转化器失效。 自备发电机组尾气排放成雾霾天气原因之一 雾霾天气（二）萌发动机自备发电机组
10、尾气排放污染物对环境影响日趋严重的同时,我国一些地区酸雨、灰霾和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生,部分地区甚至出现了每年200多天的灰霾天气,这些问题的产生都与自备发电机组排放的氮氧化物、细颗粒物等污染物直接相关。为了保护我们共同的家园，我想设计一个自备发电机组尾气颗粒物排放控制系统，以降低自备发电机组使用带来的环境污染。通过某系统，尾气中的固体颗粒如固体悬浮颗粒、一氧化碳、二氧化碳、HC（碳氢化合物）、铅及硫氧化合物等将大大减少。所以我想设计一个装置，使尾气中的固体颗粒物被吸附在这个装置中，这样排出来的气体中的固体颗粒物就大大减少了。先设计一个产生象电子蚊拍一样高压的电路，连接电场，使
11、固体颗粒物通过电场时被电离，成为带电粒子。再设计一个电动自行车电机一样强磁场使带电离子在其中偏转，最后飞出磁场时被吸附在一个过滤网上，这个过滤网用纳米陶瓷镀膜工艺技术和溶胶镀膜技术进行微过滤、蜂窝陶瓷代替，它能吸附剩下部分微小的颗粒物。这样就能有效的除去自备发电机组尾气中的大部分固体颗粒物。三、制作过程第一步：2016年10月咨询老师，查阅资料并整理，为模型制作奠定理论基础，在此基础上进行改进和创新。 第二步：2016年11月根据模型的设计要求准备好材料。第三步：2017年1月制作模型。（一）外壳制作 1.取的一块铁皮，(用一个旧消声器也可)在固定的位置做若干脚（用于材料的固定）。将其做成无上
12、下底的圆柱体。在柱体底层面做一个活动“门”（用于除污材料的存取）；并在柱体上开一小窗，用于观察内部的构造。2.截取两块半径为的圆形铁皮，在其中一块上打一个半径为的圆孔；另一块上打两个同样的圆孔。3.用铁皮制作三个高，底面半径为的无上下底的小圆柱，分别将其固定在两铁皮上面的圆孔内。4.截取一块宽为7cm长为34cm长形铁皮加上半径为的圆形铁皮作成盖。（二）电路设计 我去象山新华书店、教育园区图书馆、家里电脑上网查阅资料，去工厂。利用所掌握的知识，结合市场上已有的除尘工具，设计了这个电路，使之能输出700多伏的高压电。当固体颗粒物在通过带有高压的铁丝网时，颗粒物将被电离成为带电离子。该带电离子经强
13、电磁场作用后，由于受到强大的电场力和磁力的共同作用，会发生偏转并最终吸附在空气滤清器上。高压电路图（三）内部结构功能完善 1.将纳米蜂窝陶瓷制成直径16cm把纸质空气滤清器的加工成半径为，高为的圆柱体；将吸油棉固定在半径为的铁丝环上；将二个铁丝网和蜂窝陶瓷固定在绝缘橡胶上面（铁丝网两两不接触）。 2.将高压电路的输出端接至铁丝网，左右两铁丝网接负极，中间接正极。 3.将两块铁片对称的固定在圆柱体内部，并连接在铁丝网上。 4.在两铁片交接的部位放上两个强磁铁，也吸附在圆柱体内部。 5.把制作完成的除污材料固定至1中圆柱体内。注意固定铁丝网的地方需加一层绝缘塑料，防止静电对人造成伤害。 6.给吸附
14、器的外面涂上耐高温防锈油。四、模型设计尾气颗粒物排放控制系统模型图 （一）使用方法将“自备发电机组尾气颗粒物排放控制器”装至自备发电机组排气口即可，在自备发电机组时只需打开电路的开关。也可将自备发电机组内的电源作为电路所需的电源，这样电路工作就取决自备发电机组发动与否。（二）性能介绍1.本模型做了非常好的绝缘处理，可靠性和安全性高。2.本模型材料易获取，原理简单，加工简便。3.本模型经久耐用，不需要经常更换除污材料，只需定期对空气滤清器进行清洗，而清洗的间隔时间较长。4.本模型适合于自备发电机组，效果较好。但对于大型自备发电机组之类的发电机组，模型的使用寿命则会缩短。5.本模型原理简单，各阶层
15、人士均可理解其中的原理。既能帮助人们认识身边的物理常识，也能培养大家对科学的兴趣。 （三）性能指标高压电场强度为（700V-800V），强磁场的强度为（0.4-0.8特斯拉），供电电压为（5v），可直接使用车内点烟器作为供电电压源。纳米陶瓷镀膜工艺技术和溶胶镀膜技术。进行微过滤、超过滤和纳过滤用的多孔超薄陶瓷和聚合陶瓷薄膜 陶瓷无机膜采用多孔陶瓷膜来分离腐蚀性极强的UF 6 同位素。陶瓷材料由于其高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特异性能可广泛应用于各种环保领域。 实物图 五、实验分析通过实验，这套自备发电机组尾气颗粒物排放控制处理系统能够成功的吸附自备发电机组尾气p颗粒物系统尾气中的固体颗粒，起
16、到了明显的尾气处理效果，很大程度上减少了自备发电机组尾气颗粒物系统尾气对环境造成的污染。六、推广价值 （一）现有的自备发电机组尾气排放控制处理系统的处理方案 1.装置引入新鲜空气将定量废气与新鲜空气共同引入燃烧室参与燃烧反应；废气的引入增加了反应所需的热容量，同时由于废气造成氧气浓度起到稀释降低的作用，从而降低最高燃烧温度，从而抑制了NOx的产生。 2.装置引入选择性催化还原方法（SCR） 是目前最有效，也是实现Tier标准的唯一方法。其工作原理是在催化剂（V2O5、WO3、TiO2的复合物）的作用下，在一定温度下（大于300），以氨或尿素为还原剂选择性地与废气中的NOx反应，生成无害的氮气和
17、水，从而达到降低柴油机尾气中NOx含量的目的。 3.装置自主开发应用自备发电机组尾气颗粒物综合处理系统 4.装置使用柴油机尾气处理液。它是一种SCR技术，用来减少柴油车尾气中的氮氧化物污染的液体。 5.装置安装电子控制单元控制自备发动机组尾气排放中氮氧化合物NOX应用电子控制单元，氮氧化合物NOX传感器，尿素喷射单元，尿素箱及其相关管路等技术，并在排气管路中封装好的涂覆了选择性催化剂的载体。 6.装置精确控制尿素喷射量通过安装在涂覆了选择性催化还原剂的载体前的氮氧化合物NOX传感器测得排气中的氮氧化合物的浓度，并反馈给电子控制单元，计算出所需要的尿素喷射量，并通过尿素喷射单元进行喷射与现有的技
18、术相比，通过氮氧化合物NOX传感器反馈可以真实的反映在不同的车况下发动机的排放情况，进而精确控制尿素喷射量，而不是仅通过发动机标定的方式确定尿素喷射量，大大提高了控制精度，使柴油发动机尾气排放中氮氧化合物NOX得到更有效的降低。直时处理氮氧化物。解决前处理治本，后处理治标。 7.装置运用蜂窝陶瓷的特点：应用纳米陶瓷镀膜工艺技术和溶胶镀膜技术。进行微过滤、超过滤和纳过滤用的多孔超薄陶瓷和聚合陶瓷薄膜 陶瓷无机膜采用多孔陶瓷膜来分离腐蚀性极强的UF 6 同位素。陶瓷材料由于其高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特异性能可广泛应用于各种环保领域。 （二）本模型的优势 本模型安装简单、成本低，基本没有改变原
19、有的自备发电机组尾气排放结构，即在原有的基础上加上该套装置就可以实现整个功能。采用蜂窝陶瓷催化剂载体,对自备发电机组排烟脱硝物理学方法进行颗粒物处理，除过滤网的处理工作外其他过程不会再对空气有二次污染。高压电场强度为（700V-800V），强磁场的强度为（0.4-0.8特斯拉），供电电压为（5v），可直接使用船自备发电机组启动供电电压源。所以，该模型具有新颖性和良好的市场应用价值，对提高空气的质量帮助非常大，能进一步帮助我们提高生活的质量，避免一些疾病的发生。通过使用该自备发电机组尾气颗粒物系统，自备发电机组尾气排放量可减少36%左右。七、推广手段1.通过政府的宏观调控作用，制定相关规定，要求自备发电机组拥有者安装此类自备发电机组尾气颗粒物控制装置系统。2.在自备发电机组生产过程中，生产商安装自备发电机组尾气颗粒物控制装置这一系统。八、技术建议1.政府：能够在最大程度上减少自备发电机组尾气的排放量，对环境保护起到真正的推动作用。2.生产商：控制自备发电机组尾气颗粒物控制装置系统的生产成本，简化维修步骤。3. 自备发电机组主：在经济承受范围之内，便于定期清洗。九、成果展示实物模型
