汪然

簡(jiǎn)介

目前，汽油車多采用三效催化劑，柴油車多采用氧化催化劑、顆粒過濾器、NO2選擇性催化還原、NO2存儲(chǔ)

還原和四效催化劑，將尾氣中的有害成分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O和N2。使用上述催化劑可以較好地凈化機(jī)動(dòng)車正常行駛狀態(tài)下的尾氣，但啟動(dòng)時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料剛?cè)紵?，尾氣凈化催化劑表面溫度低，不能充分發(fā)揮作用，使此階段尾氣中的有害成分不能很好轉(zhuǎn)化。在本項(xiàng)目中，通過優(yōu)化現(xiàn)有尾氣凈化催化劑組成，降低了催化劑的反應(yīng)溫度，結(jié)合探索到的極快速加熱方式，5秒鐘就能使尾氣凈化催化劑充分發(fā)揮作用，很好地解決了啟動(dòng)階段污染物排放問題。

研究目的和技術(shù)方案

如果對(duì)現(xiàn)有的催化劑進(jìn)行改進(jìn)，使其具有更低的反應(yīng)溫度，或者使尾氣凈化催化劑在發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)能快速達(dá)到反應(yīng)溫度，應(yīng)該可以更好地凈化啟動(dòng)階段的尾氣。因此本項(xiàng)目的研究目的是探索尾氣凈化催化劑在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用的方法。

本項(xiàng)目技術(shù)方案見圖1。

催化劑優(yōu)化

由于催化劑的起效溫度與其成分組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，為了降低起效溫度，本項(xiàng)目打算對(duì)機(jī)動(dòng)車現(xiàn)有尾氣凈化催化劑的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)過程中，主要優(yōu)化現(xiàn)有工業(yè)催化劑中Ce-Zr固溶體的Ce：zr原子比、活性組分Pd：Rh的重量比和載體的孔密度，希望降低尾氣凈化催化劑的起效溫度。

催化劑制備

按一定比例混合事先制備并經(jīng)預(yù)處理的鈀和銠的涂層漿料，待攪拌均勻后將預(yù)處理過的載體放入，完全浸沒載體5分鐘，取出載體放入負(fù)壓抽提裝置抽去多余的漿料，然后室溫下晾干，120℃干燥24小時(shí)，550℃焙燒3小時(shí)制得需要的催化劑。焙燒后的催化劑載體大約增重（810±20）毫克，這樣制得的催化劑涂層氧化物量大約為100克/升，貴金屬負(fù)載量大約為1.2克/升。

催化劑性能測(cè)評(píng)

制備的催化劑裝入圖2的測(cè)評(píng)裝置，熱電偶放在催化劑中心，用肥皂液檢查各管道連接處是否漏氣，然后通入CO、C3H2、NO、CO2、O2和N2（平衡氣）。常規(guī)測(cè)評(píng)時(shí)用加熱爐對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱，以5℃/分鐘的速度由室溫升至設(shè)定溫度；磁加熱和電加熱分別采用連接在感應(yīng)加熱器上的磁線圈和電極進(jìn)行快速升溫。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)停留20分鐘，在線取樣分析。NO、NO2由NOY分析儀讀出，其他氣體由色譜分析得到。

結(jié)果與分析

使用經(jīng)過活性組分優(yōu)化和載體孔密度優(yōu)化后的催化劑進(jìn)行了模擬啟動(dòng)階段的尾氣凈化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)過程中，只要尾氣凈化催化劑達(dá)到它的反應(yīng)溫度，就能將尾氣中的有害成分去除；在溫度未達(dá)到反應(yīng)溫度前，經(jīng)反應(yīng)器放空的有害成分，相當(dāng)于機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)初期尾氣凈化催化劑尚未發(fā)揮作用排入大氣的污染物。使用優(yōu)化后的催化劑（Ce：zr原子比為6：4，Pd：Rh重量比為8：2，孔密度為700孔/平方英寸），模擬汽車啟動(dòng)階段尾氣凈化反應(yīng)，350℃時(shí)尾氣中有害氣體幾乎完全轉(zhuǎn)化，效果好于目前400℃才具有較好凈化效果的催化劑。

快速加熱

思路的建立

優(yōu)化后的催化劑起效溫度仍然很高，機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)時(shí)不可避免地排放大量未經(jīng)凈化的尾氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要溫度達(dá)到反應(yīng)溫度，優(yōu)化后的催化劑就能將尾氣中有害成分去除。借助這種思路，我們希望探索到一種極快速的加熱方式，能在10秒甚至1秒內(nèi)將尾氣凈化催化劑加熱到反應(yīng)溫度，使正常行駛狀況下的尾氣凈化催化劑在啟動(dòng)時(shí)就能充分發(fā)揮作用。

日常生活中常用的快速加熱方式有電加熱、磁加熱和微波加熱。由于目前催化劑的載體越來越多使用金屬，所以探索快速加熱方式時(shí)，以金屬載體為研究對(duì)象。通過文獻(xiàn)檢索和請(qǐng)教加熱方面的專家，考慮使用高頻交流電產(chǎn)生的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)尾氣凈化催化劑極快速加熱，而且熱量直接作用于催化劑本身。

電加熱實(shí)驗(yàn)

由于磁加熱存在無法克服的缺陷，所以被迫使用高頻電流直接加熱尾氣凈化催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通入高頻電流后，載體上電流很容易分布不均，電流強(qiáng)度高的地方溫度高，電流強(qiáng)度低的地方溫度低，存在溫度分布不均勻且溫差大的問題。為解決這個(gè)問題，我們改進(jìn)了金屬載體的形狀。再次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，通過對(duì)催化劑載體形狀的改進(jìn)，使高頻電流在載體上均勻分布，能夠使整個(gè)催化劑載體1秒內(nèi)均勻升至設(shè)定溫度，而且控制電流強(qiáng)度可以得到不同的設(shè)定溫度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采用高頻電流對(duì)催化劑進(jìn)行加熱，3秒內(nèi)尾氣中大部分有害成分已經(jīng)轉(zhuǎn)化；5秒時(shí)尾氣中NO、C3H3僅剩0.9毫克/千克和0.56毫克/千克，CO完全轉(zhuǎn)化。20分鐘時(shí)取樣分析，各種氣體的剩余量幾乎重復(fù)了5秒時(shí)的結(jié)果。這說明，采用高頻電加熱，使用優(yōu)化的低溫起燃催化劑，通過催化劑形狀的改變，通氣狀況下5秒時(shí)就能使催化劑達(dá)到反應(yīng)溫度，尾氣中的NO、C3H2和CO能夠充分轉(zhuǎn)化。這個(gè)結(jié)果明顯好于現(xiàn)有20～30秒的啟動(dòng)技術(shù)，為機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)階段尾氣中污染物控制提供了很好的解決方法。

創(chuàng)新點(diǎn)

與現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)階段尾氣凈化技術(shù)相比，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：

◇利用現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車正常行駛狀況下的催化劑凈化啟動(dòng)階段的尾氣，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)階段的尾氣在同一個(gè)催化劑上凈化，無需增加新的設(shè)備單元。

◇催化劑起效快，凈化效果好。機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)5秒內(nèi)就能使尾氣凈化催化劑充分發(fā)揮作用，很好地凈化了機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)階段排出的尾氣，加熱時(shí)熱量直接作用于催化劑本身，減少了熱量散失。