汽车尾气治理技术.pptx

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1、会计学1汽车尾气治理技术汽车尾气治理技术 当氮氧化物和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，其中包含有臭氧、醛类、硝酸脂类等多种复杂化合物。这种光化学烟雾对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道黏膜，引起眼睛红肿和喉炎。第1页/共28页理想的发动机燃烧与尾气排放理想的发动机燃烧与尾气排放n n燃烧的越好燃烧的越好COCO2 2的排放就越高的排放就越高发动机汽油 HC空气O2二氧化碳CO2水 H2O第2页/共28页实际的发动机的燃烧与尾实际的发动机的燃烧与尾气排放气排放发动机汽油 HC空气O2二氧化碳CO2水 H2O一氧化碳CO氮氧化合物NO碳氢化合物HC第3页/共28

2、页n n催化中的反应n n氧化、还原催化转化器n n氧化反应：CO+1/2O2 2CO2 2 CxHy+(x+y/4)O2 2 xCO2 2+y/2H2 2On n还原反应：NO+CO 1/2N2 2+CO2 2 2NO+4H2 2 N2 2+2H2 2O 4NO+4HC 2N2 2+2CO2 2+H2n n水蒸气重整反应：2HC+2H2 2O2CO+3H2 2n n水煤气变换反应：CO+H2 2O CO2 2+H2 2第4页/共28页催化剂的发展催化剂的发展n n1.氧化催化剂(两效0催化剂)和/三效0催化剂(TWC)Three Way Catalyst n n(1)氧化催化剂:n n 作为

3、第一代催化剂,国外是Pt、Pd氧化型催化剂。但此类的催化剂只能控制一氧化碳和碳氢化合物的排放量,因此称其为/两效0催化剂。从上个世纪80年代起，美国联邦政府提高了车辆NOX的排放标准,使此类催化剂不能达到标准而慢慢被淘汰。第5页/共28页n n(2)三效催化剂n n第一阶段n n由于对NOX的排放的标准提高了,所以应运而生了Pt、Rh催化剂,该催化剂可以同时净化一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物,故称为三效0催化剂.这是/三效0催化剂的研究的。但此催化剂需要大量的Pt、Rh等贵金属;价格昂贵又容易受铅中毒。因此不适合使用含铅汽油的汽车使用。第6页/共28页n n第二阶段第二阶段:n n 用用PdP

4、d来部分替代来部分替代 Pt Pt、Rh,Rh,以降低催化剂以降低催化剂的成本。制备以的成本。制备以PtPt、RhRh、PdPd为主体的为主体的/三效三效0 0催化剂。能同时净化催化剂。能同时净化COCO、HCHC和和NONO其优点是活其优点是活性高净化效果好寿命长性高净化效果好寿命长,但造价高但造价高,在国外广在国外广泛应用泛应用;n n第三阶段第三阶段:n n 全钯催化剂。其优点是同时净化全钯催化剂。其优点是同时净化COCO、HCHC和和NONOX X,成本低成本低,具有高温热稳定性和快速起燃特具有高温热稳定性和快速起燃特性。性。n n只有将空燃比精确地控制在理论空燃比附近只有将空燃比精确

5、地控制在理论空燃比附近很窄的窗口内（一般为很窄的窗口内（一般为14.70.2514.70.25），才能），才能使三种污染物同时得到净化。使三种污染物同时得到净化。第7页/共28页催化剂的种类催化剂的种类n n根据所使用的主催化组分不同,可把催化剂分为四类:n n贵金属型催化剂 n n非贵金属型催化剂 n n贵金属与稀土复合型催化剂n n纳米催化剂第8页/共28页贵金属型催化剂贵金属型催化剂n n Pt Pt是最早应用于汽车尾气净化的催化活是最早应用于汽车尾气净化的催化活性组分性组分,在三效催化剂中主要贡献是转化一氧在三效催化剂中主要贡献是转化一氧化碳和碳氢化合物。化碳和碳氢化合物。PtPt对一

6、氧化氮有一定的对一氧化氮有一定的还原能力还原能力,但当但当COCO浓度较高或有浓度较高或有S0S02 2存在时存在时,它它没有没有RhRh有效有效,当在还原性气氛中当在还原性气氛中,Pt,Pt对对NONO二的二的还原反应有良好的催化活性。还原反应有良好的催化活性。n n RhRh是三效催化剂中控制氮氧化物的主要是三效催化剂中控制氮氧化物的主要成分成分,这种高活性与其能有效地解离这种高活性与其能有效地解离NONO分子有分子有关关,此外此外,RhRh对一氧化碳以及碳氢化合物的氧对一氧化碳以及碳氢化合物的氧化反应也有重要的作用。研究发现化反应也有重要的作用。研究发现:RhRh对对NoNox x的的还

7、原反应有很好的催化活性还原反应有很好的催化活性,当当RhRh含量为含量为0.030%0.030%0.043%0.043%时时,起燃温度不超过起燃温度不超过250250o oC,C,对对NONOX X的转化能力高。的转化能力高。n n 第9页/共28页n n PdPd如同如同PtPt一样用来转化一氧化碳和碳氢化一样用来转化一氧化碳和碳氢化合物合物,价格远低于价格远低于RhRh和和PtPt且资源丰富且资源丰富,耐热性耐热性好好,使用使用PdPd催化剂有利于降低成本催化剂有利于降低成本,提高催化提高催化剂的使用寿命。然而剂的使用寿命。然而,由于由于PdPd抗抗PbPb和和S S中毒能中毒能力比力比P

8、tPt和助差得多和助差得多,而且影响了三效催化剂的而且影响了三效催化剂的性能性能,所以在三效催化剂中含量特别低。所以在三效催化剂中含量特别低。n n 在在PtPt、PdPd、RhRh系列催化剂中系列催化剂中,PdPd比例的比例的增加有利于提高催化剂的活性增加有利于提高催化剂的活性,但但PtPt、PdPd比例比例相同时出现作用下降现象相同时出现作用下降现象;相同比例的相同比例的Pd/RhPd/Rh催化剂明显优于催化剂明显优于Pt/RhPt/Rh催化剂催化剂,且前者在系列且前者在系列催化剂中活性最高。催化剂中活性最高。第10页/共28页贵金属催化剂不足之处贵金属催化剂不足之处n n(1)(1)成本

9、高。贵金属是战略物资成本高。贵金属是战略物资,资源稀少资源稀少,价价格昂贵格昂贵,尤其是尤其是RhRh。n n(2)(2)高温性能不太理想。贵金属在高温下会发高温性能不太理想。贵金属在高温下会发生晶粒长大和烧结现象生晶粒长大和烧结现象,结果使催化剂活性结果使催化剂活性大大降低大大降低,甚至完全丧失。甚至完全丧失。n n(3)(3)易中毒。贵金属催化剂易受铅、硫、磷等易中毒。贵金属催化剂易受铅、硫、磷等腐蚀腐蚀,尤其是铅对贵金属催化剂的催化活性影尤其是铅对贵金属催化剂的催化活性影响很大响很大,因此因此,使用贵金属催化剂的一个前提使用贵金属催化剂的一个前提条件是使用无铅汽油。条件是使用无铅汽油。n

10、 n(4)(4)贵金属催化剂的催化活性受空燃比的影贵金属催化剂的催化活性受空燃比的影响大。贵金属催化剂必须和空气燃料喷射系响大。贵金属催化剂必须和空气燃料喷射系统一起配合使用统一起配合使用,增加了系统的复杂性增加了系统的复杂性,提高提高了成本了成本。第11页/共28页第12页/共28页非贵金属型催化剂非贵金属型催化剂n n 由于贵金属资源短缺,价格昂贵。人们在开发具有更高性能催化剂的同时,也将如何降低成本作为考虑的条件。为此非贵金属催化剂成为人们的研究热点。n n 将贵金属与钙钛矿型化合物结合起来可以对贵金属起到很好的稳定作用,可以防止贵金属高温烧结或高温蒸发,防止贵金属与载体反应。加入少量的

11、贵金属同样可以提高钙钛型氧化物的活性。第13页/共28页n n 20022002年日本公司在催化剂的设计和调制方年日本公司在催化剂的设计和调制方面运用了纳米技术面运用了纳米技术,开发了在特殊的钙钛矿型开发了在特殊的钙钛矿型晶体中让晶体中让PtPt、RhRh、PdPd以离子形式按原子级规以离子形式按原子级规则排列的技术。利用该技术则排列的技术。利用该技术,Pt,Pt、RhRh、PdPd在高在高温的氧化状态下温的氧化状态下 (过氧状态过氧状态),),作为金属离子作为金属离子进入钙钛矿型晶体中进入钙钛矿型晶体中:在还原状态下在还原状态下 (缺氧状缺氧状 ),),从晶体中出来成为金属微粒。这样反复进从

12、晶体中出来成为金属微粒。这样反复进行自我再生行自我再生,从而抑金属微粒的长大。与以前从而抑金属微粒的长大。与以前的三元催化剂相比的三元催化剂相比,可保持更优异的净化活性可保持更优异的净化活性和耐久性和耐久性,贵金属的消耗量可减少贵金属的消耗量可减少75%75%。第14页/共28页贵金属与稀土复合型催贵金属与稀土复合型催化剂化剂n n 其中最具代表性的为稀土含钯催化剂。单钯汽车尾气催化剂一般用稀土金属、碱土金属和过渡金属的氧化物作为助剂。稀土元素因其独特的次外层电子层结构和相应的催化活性而被广泛应用于/三效催化剂0中,以提高其热稳定性、储氧能力和抗中毒能力。第15页/共28页n n CeOCeO

13、2 2能减缓催化剂性能受空燃比影响的敏能减缓催化剂性能受空燃比影响的敏感性感性.CeO.CeO2 2属于变价氧化物属于变价氧化物(Ce(Ce4+4+/Ce/Ce3+3+),),具有极具有极好的储放氧功能好的储放氧功能,当燃料过剩时释放当燃料过剩时释放O O2 2帮助帮助COCO和和HCHC氧化氧化,当空气过剩时当空气过剩时CeOCeO2 2起还原作用起还原作用,与与NONOX X作用将作用将NONOX X从排放气体中除去从排放气体中除去,得到得到CeOCeO2 2,起起到了极好的调节空燃比作用。在到了极好的调节空燃比作用。在 CeOCeO2 2中加入中加入ZrOZrO 2 2所形成的固溶体与所

14、形成的固溶体与CeOCeO2 2相比相比,具有体相还具有体相还原温度低原温度低,储氧能力强储氧能力强,热稳定性好等优点热稳定性好等优点,CeO,CeO2 2一一ZrOZrO2 2固溶体逐渐成为新一代三效催化固溶体逐渐成为新一代三效催化剂的关键材料。剂的关键材料。第16页/共28页第17页/共28页第18页/共28页纳米结构催化剂纳米结构催化剂n n由纳米级活性组分制备的三效催化剂由于粒由纳米级活性组分制备的三效催化剂由于粒经小经小 分散均匀分散均匀,分散度高分散度高,表现出较高的净化表现出较高的净化效率与稳定的催化活性。效率与稳定的催化活性。n n纳米稀土汽车尾气净化催化剂是一种结合纳纳米稀土

15、汽车尾气净化催化剂是一种结合纳米材料高表面活性与稀土在催化剂中的催化米材料高表面活性与稀土在催化剂中的催化助剂的特点而制备的一种新型、高效的汽车助剂的特点而制备的一种新型、高效的汽车尾气净化催化剂尾气净化催化剂,这种催化剂集纳米材料与稀这种催化剂集纳米材料与稀土土 的优点于一体的优点于一体 ,更能够有效地对汽车尾气更能够有效地对汽车尾气起到很好起到很好 的净化效果的净化效果 。日本最近将钙钦矿。日本最近将钙钦矿结构和纳米技术应用于稀土贵金属催化剂中。结构和纳米技术应用于稀土贵金属催化剂中。第19页/共28页第20页/共28页净化催化剂载体的特点净化催化剂载体的特点n n(1)(1)足够的机械强

16、度足够的机械强度;n n(2)(2)足够的耐热性足够的耐热性;n n(3)(3)合适的孔隙结构或开孔率。合适的孔隙结构或开孔率。n n(4)(4)具备低的热容量和高的导热率。具备低的热容量和高的导热率。n n(5)(5)较大的比表面积。较大的比表面积。n n(6)(6)不含有使催化剂中毒的物质不含有使催化剂中毒的物质,且不能与催且不能与催化剂发生相互作用而影响催化剂的催化作用。化剂发生相互作用而影响催化剂的催化作用。n n(7)(7)适当的吸水率适当的吸水率 ,便宜的价格。便宜的价格。第21页/共28页汽车尾气净化催化剂载体的种类汽车尾气净化催化剂载体的种类n n颗粒型载体颗粒型载体 n n汽

17、车尾气催化净化器载体最早的形式。它是汽车尾气催化净化器载体最早的形式。它是由直径为由直径为34mm34mm的活性氧化铝小球堆积而成。的活性氧化铝小球堆积而成。贵金属催化剂活性物质沉积在比表面积为贵金属催化剂活性物质沉积在比表面积为(70 350cm(70 350cm2 2/g)/g)的氧化铝上。氧化铝的作用的氧化铝上。氧化铝的作用是稀释、支撑和分散催化剂。是稀释、支撑和分散催化剂。这种载体具有比表面积大,机械强度高,制造简单,价格低廉,装填容易与活性组分的亲和力好等优点。因此目前已被其他催化剂载体所取代。如蜂窝型载体。薄壁堇青石质蜂窝陶瓷载体薄壁堇青石质蜂窝陶瓷载体 第22页/共28页蜂窝状载

18、体蜂窝状载体蜂窝状载体蜂窝状载体n n蜂窝状载体取代了颗粒蜂窝状载体取代了颗粒型载体是因为其气体阻型载体是因为其气体阻力小力小,只有球状的只有球状的 1 1/20,/20,气氛流畅均匀气氛流畅均匀,机机械强度高械强度高,热稳定性好热稳定性好,催化活性涂层薄且比表催化活性涂层薄且比表面积大。目前此种载体面积大。目前此种载体已得到广泛地应用。有已得到广泛地应用。有图为陶瓷蜂窝状载体。图为陶瓷蜂窝状载体。第23页/共28页n n金属蜂窝状载体金属蜂窝状载体n n金属载体几何比表面积、开孔金属载体几何比表面积、开孔率均比陶瓷载体高。这有利于率均比陶瓷载体高。这有利于催化剂活性物质的吸附催化剂活性物质的

19、吸附,并减并减少排气阻力少排气阻力;此外此外,金属载体热金属载体热传导系数、热膨胀系数也高于传导系数、热膨胀系数也高于陶瓷材料。可以与催化净化器陶瓷材料。可以与催化净化器的壳体实现很好的热膨胀匹配的壳体实现很好的热膨胀匹配;而且它的热容量比陶瓷载体而且它的热容量比陶瓷载体低低,可以缩短达到催化反应的可以缩短达到催化反应的温度的时间温度的时间;机械强度高机械强度高,可避可避免因催化剂破碎而引起的二次免因催化剂破碎而引起的二次污染。目前被认可的可用作汽污染。目前被认可的可用作汽车尾气净化器的金属载体材料车尾气净化器的金属载体材料主要是主要是:Fe-Cr-Al,Ni-Cr,Fe-:Fe-Cr-Al,

20、Ni-Cr,Fe-Mo-WMo-W等三类合金。等三类合金。金属蜂窝状载体的俯视图第24页/共28页n n 目前还有许多急需解决的问题:载体材料的抗高温氧化性不佳;成型工艺过于复杂;载体与催化剂的活性表面层结合牢固性较差;成本居高(约陶瓷载体的两倍)等。第25页/共28页SiCSiCSiCSiC泡沫陶瓷载体泡沫陶瓷载体泡沫陶瓷载体泡沫陶瓷载体n nSiC泡沫陶瓷具有三维连通网状结构,可以作为催化剂载体,在制备过程中参杂其他成分,可以调节 SiC泡沫陶瓷的导电性能,使其能够用于通电加热,提高尾气温度。第26页/共28页结语结语n n从我国的国情看从我国的国情看,普遍使用净化效果好的普遍使用净化效果好的PtPt、RhRh贵金属催化剂装备汽车贵金属催化剂装备汽车,在经济上和资源供在经济上和资源供应上都不现实应上都不现实,面对我国铂族资源稀缺而稀土面对我国铂族资源稀缺而稀土储量丰富的现状储量丰富的现状,研制开发不使用和少使用贵研制开发不使用和少使用贵金属并含稀土的催化剂已成为我国汽车尾气金属并含稀土的催化剂已成为我国汽车尾气净化催化剂发展方向。将钙钦矿结构及纳米净化催化剂发展方向。将钙钦矿结构及纳米技术引入汽车尾气净化催化剂技术引入汽车尾气净化催化剂,很有可能成为很有可能成为贫燃条件下控制汽车尾气污染排放的关键技贫燃条件下控制汽车尾气污染排放的关键技术之一。术之一。第27页/共28页