侯躍龍

摘 要：汽車排放的尾氣已成為我國(guó)城市的主要污染源。三效催化轉(zhuǎn)換器是安裝于汽車尾氣后處理系統(tǒng)中的機(jī)外凈化裝置，通過(guò)負(fù)載在其載體孔道表面的貴金屬催化劑的催化作用，將尾氣中的CO、HC和NOx氧化和還原成無(wú)害的CO2、H2O和N2。本文以三效催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)展情況及研究的現(xiàn)實(shí)狀況為出發(fā)點(diǎn)展開(kāi)研究，通過(guò)明確三效催化轉(zhuǎn)化器的相關(guān)概念并分析三效催化轉(zhuǎn)化器的作用機(jī)理之后，提出了更好利用三效催化轉(zhuǎn)化器的具體措施。旨在研究三效催化轉(zhuǎn)化器的性能同時(shí)，更加合理的、有效的應(yīng)用好三效催化轉(zhuǎn)化器。

關(guān)鍵詞：三效催化轉(zhuǎn)換器；性能

自50年代以來(lái)，汽車工業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)繁榮。但汽車排出的CO，HC和NOx等有毒氣體，也給人類賴以生存的大氣帶來(lái)嚴(yán)重污染。為了保護(hù)環(huán)境，限制和治理汽車排氣污染成為十分緊迫的任務(wù)。當(dāng)用盡各種機(jī)內(nèi)凈化措施還是達(dá)不到凈化要求時(shí)，人們將目光轉(zhuǎn)向機(jī)外凈化，汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器應(yīng)運(yùn)而生。由于它能把三種有害物質(zhì)HC，CO和NOx轉(zhuǎn)化為無(wú)害的H2O，CO2和N2，稱之為三效催化轉(zhuǎn)化器或三元催化轉(zhuǎn)化器。現(xiàn)如今，隨著汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，三效催化器的研究也取得了較大的進(jìn)展。

1.三效催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1三效催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)展

在20世紀(jì)70年代以來(lái)，絕大多數(shù)汽車采用汽油機(jī)作為動(dòng)力，因此最先研究開(kāi)發(fā)的汽車凈化技術(shù)是汽油機(jī)的排氣凈化技術(shù)。汽油機(jī)的主要排放物為CO、HC與NOx，在排放控制初期法規(guī)主要限定CO和HC的排放限值，因此首先研制的是促進(jìn)CO和HC后期氧化的熱反應(yīng)器和氧化性催化轉(zhuǎn)化器OC（Oxidation Catalytic Converter）。隨著排放法規(guī)逐步加緊對(duì)NOx的控制，研究逐漸集中于能同時(shí)凈化CO、HC以及NOx的三效催化轉(zhuǎn)化器TWC。

1.2三效催化轉(zhuǎn)化器的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三效催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、與發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化匹配等開(kāi)展了廣泛的研究工作。隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，與計(jì)算流體力學(xué)，傳熱學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，大型商業(yè)軟件 CFD 仿真得以廣泛應(yīng)用，如 FLUENT，STAR-CD，ANSYS，奧地利 AVL 公司的 FIRE 等軟件。建立的三效催化轉(zhuǎn)換器的傳質(zhì)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)模型，通過(guò)仿真研究能得到很多由于實(shí)驗(yàn)條件的限制而使得實(shí)驗(yàn)無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合流體力學(xué)和多相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建?？缮钊肓私馄鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其工作特性的影響。

三效催化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)排氣的壓降有重要影響，排氣流經(jīng)三效催化轉(zhuǎn)換器的壓力損失占排氣系統(tǒng) 30-40%，不均勻的排氣流速會(huì)導(dǎo)致三效催化轉(zhuǎn)換器局部老化。改善排氣流動(dòng)性，優(yōu)化與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配可提高其經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究，帥石金等試驗(yàn)研究了擴(kuò)張管角、載體形狀和位置對(duì)流速的影響，及排氣均勻性對(duì)三效催化轉(zhuǎn)換器溫度場(chǎng)、起燃特性的影響；并對(duì)不同結(jié)構(gòu)擴(kuò)張管的雙載體催化轉(zhuǎn)換器的流場(chǎng)進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)數(shù)值模擬。上海交通大學(xué)陳曉玲等利用CFD 仿真研究了不同造型的載體前端結(jié)構(gòu)對(duì)流體分布的均勻性和壓力降的影響；

2.三效催化轉(zhuǎn)化器的構(gòu)造及作用機(jī)理

2.1三效催化轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造

三效催化轉(zhuǎn)換器由芯子和外殼兩部分構(gòu)成。外殼主要包括襯墊層和殼體，芯子是將多孔的陶瓷載體用浸漬法浸漬在某一比例的含有催化劑的鹽溶液中，通過(guò)干燥、焙燒、活化處理制成。而載體的材質(zhì)為膨脹系數(shù)較小的堇青石，其主要成分為 2MgO2.2Al2O3.5SiO2，載體的結(jié)構(gòu)多為整體式蜂窩狀，即載體內(nèi)部均勻分布方形細(xì)孔。為了提高相同體積下載體的微觀比表面的催化劑含量，通過(guò)浸漬法在蜂窩式孔道表面覆蓋 γ-Al2O3 活性層，從而增加了在多孔性的活性層上可提供吸附催化劑的比表面，催化劑含量變多。

2.2三效催化轉(zhuǎn)換器的作用機(jī)理

三效催化轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)是氣-固多相催化反應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的各組分物質(zhì)流入催化轉(zhuǎn)換器，穿過(guò)蜂窩式載體上的各細(xì)小通道。在遠(yuǎn)離壁面的主氣流區(qū)，對(duì)于流入某一通道的氣體無(wú)論是層流流動(dòng)還是湍流流動(dòng)，由于粘性力的作用，在近壁面處都會(huì)存在邊界層。由催化轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造及催化劑分布特點(diǎn)決定，用于催化作用的貴金屬等催化劑分布在各個(gè)通道的活性材料的孔道內(nèi)。排氣中的有害組分因?yàn)榉肿訚舛忍荻鹊拇嬖冢瑲怏w通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)越過(guò)邊界層，到達(dá)壁面后，進(jìn)入活性層孔隙中催化劑的表面，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)。

三效催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)氣體的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可分為外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散兩種。外擴(kuò)散為反應(yīng)物分子在通道內(nèi)主氣流區(qū)和活性層外表面之間的濃度梯度引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。在近壁面處，活性層外表面的邊界層對(duì)氣體分子的外擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。當(dāng)反應(yīng)物分子穿過(guò)邊界層后，在活性層外表面與微孔內(nèi)表面的貴金屬催化劑上存在濃度梯度，分子在該濃度梯度的作用下到達(dá)貴金屬、Ce 等催化劑表面的過(guò)程，即為內(nèi)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。通過(guò)內(nèi)外擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，各組分吸附在催化劑表面發(fā)生催化化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)產(chǎn)物的分子在催化劑表面脫附，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物從活性層的內(nèi)孔向外表面內(nèi)擴(kuò)散，由活性層的外表面向混合氣的主氣流區(qū)外擴(kuò)散。擴(kuò)散過(guò)程均屬于傳質(zhì)過(guò)程，與載體上活性層的宏觀結(jié)構(gòu)和流體流型有關(guān)；在催化劑表面催化反應(yīng)過(guò)程，與催化劑的表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和反應(yīng)條件有關(guān)。

氣固多相反應(yīng)中，吸附可分為物理吸附與化學(xué)吸附。物理吸附是被吸附的流體分子與固體表面分子間的作用力為分子間吸引力，即所謂的范德華力，物理吸附是一種可逆過(guò)程。反應(yīng)物在物理吸附過(guò)程中，選擇性很弱，吸附覆蓋層可以是多分子層?；瘜W(xué)吸附是固體表面與被吸附物間的化學(xué)鍵力相互作用的結(jié)果，化學(xué)吸附需要一定的活化能，故又稱“活化吸附”。化學(xué)吸附的反應(yīng)物分子與固體催化劑之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移和重排，吸附物在催化劑表面屬單分子層覆蓋，反應(yīng)物吸附絡(luò)合物的反應(yīng)中間物與相鄰反應(yīng)物絡(luò)合物反應(yīng)生成產(chǎn)物。

3.更好利用三效催化轉(zhuǎn)換器的具體措施

3.1合理降低冷起動(dòng)排放

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程初始階段時(shí)，排氣溫度低于起燃溫度，三效催化轉(zhuǎn)化器不能正常運(yùn)行，此時(shí)催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)排氣幾乎沒(méi)有得到處理。而裝載了三效催化轉(zhuǎn)化器的年輛，其在冷起動(dòng)階段所排放的CO和HC占總排放量的60～80%。因此，研究催化轉(zhuǎn)化器的冷起動(dòng)段特性，提高冷起動(dòng)階段催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率， 降低冷起動(dòng)排放成為當(dāng)今低排放催化轉(zhuǎn)化器研究的一個(gè)重點(diǎn)。

3.2明確三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)催化劑的失活原因及影響因素

三效催化轉(zhuǎn)化器是一種被動(dòng)的控制排放措施，有一定的使用壽命。超過(guò)有效壽命的三效催化轉(zhuǎn)化器，其凈化尾氣的功能會(huì)成倍減弱甚至失效。由于催化劑失活是三效催化轉(zhuǎn)化器失效的主要原因，直接影響到催化轉(zhuǎn)化器的性能和壽命，且三效催化轉(zhuǎn)化器價(jià)格不菲，盡量延長(zhǎng)使用壽命可降低養(yǎng)車成本，因此研究三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)催化劑的失活原因及影響因素，以此為基礎(chǔ)來(lái)研制長(zhǎng)壽催化轉(zhuǎn)化器顯得極為重要。

4.結(jié)論

隨著世界汽車工業(yè)和交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，汽車排氣污染已成為當(dāng)今大氣污染的主要原因之一，引起世界各國(guó)的普巡重視。隨著汽車排放法規(guī)的提高，尾氣凈化處理越來(lái)越重要，三效催化轉(zhuǎn)化器是治理尾氣污染的主流技術(shù)，對(duì)它的研究和設(shè)計(jì)也顯得越來(lái)越重要。相信通過(guò)世界各國(guó)的努力，一定能研制出更加有效的尾氣凈化催化劑，為人類大氣環(huán)境的凈化發(fā)揮更大的作用。