汪然

簡介

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

還原和四效催化劑，將尾氣中的有害成分轉變?yōu)镃O2、H2O和N2。使用上述催化劑可以較好地凈化機動車正常行駛狀態(tài)下的尾氣，但啟動時由于發(fā)動機燃料剛燃燒，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化。在本項目中，通過優(yōu)化現有尾氣凈化催化劑組成，降低了催化劑的反應溫度，結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，很好地解決了啟動階段污染物排放問題。

研究目的和技術方案

如果對現有的催化劑進行改進，使其具有更低的反應溫度，或者使尾氣凈化催化劑在發(fā)動機剛啟動時能快速達到反應溫度，應該可以更好地凈化啟動階段的尾氣。因此本項目的研究目的是探索尾氣凈化催化劑在極短時間內發(fā)揮作用的方法。

本項目技術方案見圖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構密切相關，為了降低起效溫度，本項目打算對機動車現有尾氣凈化催化劑的組成和結構進行優(yōu)化。實驗過程中，主要優(yōu)化現有工業(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預處理的鈀和銠的涂層漿料，待攪拌均勻后將預處理過的載體放入，完全浸沒載體5分鐘，取出載體放入負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，550℃焙燒3小時制得需要的催化劑。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，貴金屬負載量大約為1.2克/升。

催化劑性能測評

制備的催化劑裝入圖2的測評裝置，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)測評時用加熱爐對反應器進行加熱，以5℃/分鐘的速度由室溫升至設定溫度；磁加熱和電加熱分別采用連接在感應加熱器上的磁線圈和電極進行快速升溫。當溫度達到設定溫度時停留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。

結果與分析

使用經過活性組分優(yōu)化和載體孔密度優(yōu)化后的催化劑進行了模擬啟動階段的尾氣凈化反應。實驗結果顯示，機動車啟動過程中，只要尾氣凈化催化劑達到它的反應溫度，就能將尾氣中的有害成分去除；在溫度未達到反應溫度前，經反應器放空的有害成分，相當于機動車啟動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），模擬汽車啟動階段尾氣凈化反應，350℃時尾氣中有害氣體幾乎完全轉化，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，機動車啟動時不可避免地排放大量未經凈化的尾氣。實驗結果表明，只要溫度達到反應溫度，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秒內將尾氣凈化催化劑加熱到反應溫度，使正常行駛狀況下的尾氣凈化催化劑在啟動時就能充分發(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，以金屬載體為研究對象。通過文獻檢索和請教加熱方面的專家，考慮使用高頻交流電產生的交變電場和磁場實現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。

電加熱實驗

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。實驗結果顯示，通入高頻電流后，載體上電流很容易分布不均，電流強度高的地方溫度高，電流強度低的地方溫度低，存在溫度分布不均勻且溫差大的問題。為解決這個問題，我們改進了金屬載體的形狀。再次實驗的結果顯示，通過對催化劑載體形狀的改進，使高頻電流在載體上均勻分布，能夠使整個催化劑載體1秒內均勻升至設定溫度，而且控制電流強度可以得到不同的設定溫度。

實驗數據顯示，采用高頻電流對催化劑進行加熱，3秒內尾氣中大部分有害成分已經轉化；5秒時尾氣中NO、C3H3僅剩0.9毫克/千克和0.56毫克/千克，CO完全轉化。20分鐘時取樣分析，各種氣體的剩余量幾乎重復了5秒時的結果。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秒時就能使催化劑達到反應溫度，尾氣中的NO、C3H2和CO能夠充分轉化。這個結果明顯好于現有20～30秒的啟動技術，為機動車啟動階段尾氣中污染物控制提供了很好的解決方法。

創(chuàng)新點

與現有機動車啟動階段尾氣凈化技術相比，本研究的創(chuàng)新點主要有：

◇利用現有機動車正常行駛狀況下的催化劑凈化啟動階段的尾氣，實現了兩個階段的尾氣在同一個催化劑上凈化，無需增加新的設備單元。

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