三元催器制造.doc

汽车尾气净化技术——三元催化反应器 02环境科学 李鹏，计军平 一、三元催化概述 汽车发动机排放出的一氧化碳（CO）和碳氢化合物(HC)是没有安全燃烧的产物，当空气不足时就会产生；氮氧化合物（NOX）的生成与发动机的燃烧温度和氧含量有密切的关系，温度越高，含氧量越大，越易产生NOX。这三种有害气体成份经在催化剂内部和载体上的催化剂发生化学反应转换成为无害的水蒸气、二氧化碳和氮气。 上述过程称为“三元催化”。三元催化反应器对三种主要污染物的清除率可达到其总量的90%。 二、三元催化器的结构 催化器的结构：它由壳体、减震层、载体及催化剂四部分组成（见图 2）。其中，载体和催化剂合称净化剂。 1、壳体 壳体一般由不锈钢制成，以防因氧化皮脱落而造成催化剂的堵塞。 2、减震层 减震层一般由膨胀挚片和钢丝网两种，起到减震、缓解热应力、保温和密封的作用。 3、净化剂 净化剂由载体和催化剂组成。载体基本材料为陶瓷（MgO2， Al2O3，SiO2），见图 1。目的是提供承载催化剂涂层的惰性物理结构。为了在较小的体积内有较大的催化表面，载体表面制成为蜂窝状。催化剂指的是催化活性层份和水洗涂层的合层，它是整个催化器的核心部分，决定着催化器的性能和指标。催化剂用的是金属铂、铑、钯。将其中一种喷涂在载体上，就构成了净化剂。 图 2 三元催化转换器结构 三、三元催化反应器的工作原理 发动机尾气中主要的三种污染物为CO，HC，NOX。三元催化反应器的作用就是利用转化器上的重金属作催化剂，使CO、HC、NOX、O2 各气体间相互之间发生氧化与还原的化学反应，生成N2、CO2、H2O等无害气体。 1、反应的三个步骤： （1）外部物质交换阶段：从废气流到催化表面的物质交换。 该步骤与载体的目数（液压直径），催化反应器直径、气体流量（雷诺数）有关。 （2）微孔扩散阶段：废气扩散到催化剂的微孔中。 该步骤与催化器涂层厚度，微孔形状有关。 （3）氧化反应阶段：与贵金属作用发生的催化反应。 该步骤与废气浓度，废气温度有关。 影响催化反应器转化效率的参数见表 1。 表 1 影响催化反应器转化效率的参数 2、催化反应 氧化反应： 还原反应： 注意： （1）氧化的差异性 在氧化反应中，由于各种碳氢化合物有不同的氧化性质，导致氧化过程产生差异。各种气体在氧化过程中的性质如下： 烯烃和其他不饱和的炭氢化合物被优先氧化。 饱和的炭氢化合物很难被氧化。 甲烷是最难被氧化的炭氢化合物－典型氧化催化剂对甲烷的氧化率很低。 （2）空燃比 催化剂氧化排气中的HmCn 和CO，并把NOX 还原为N2，要求排气的空燃比被控制在理论空燃比附近，即过量空气系数λ＝1 具体效果见图 3。 图 3 空燃比与气体含量关系图 （3）温度 对污染物的有效转换工作温度需达到大约250℃（480~F），获得最大转化量和较长的运行寿命的理想工作温度为400℃-800℃（750~F-1500~F）。发动机产生故障，例如缺火，可导致转换器温度上升至1400℃（2500~F），这种温度可因底座材料的熔化而使转换器报废（见图 4）。 图 4 三元催化反应器的烧熔 四、三元催化反应器中贵金属的作用 1、同时进行氧化还原反应，必须有贵金属作为催化剂参与化学反应 （1）Pt、Pd：是很好的氧化催化剂。 氧分子被拉开而分离在金属表面（下图所示） 单个氧原子容易和CO 分子反应（下图所示）。 （2）Rh：是极好的NOX 的还原剂。 NO被拉开而分离在贵金属表面（下图所示）。 氮原子在表面移动结合形成氮气而释放（下图所示）。 氧原子留在表面需要一氧化碳来消除它们。 注意： O2 和NO 分子竞争相同的贵金属表面的O2； NO 分子占领贵金属表面的概率取决于NO 和O2 分子的相对数量以及催化剂表面是否对NO 和O2 有优先选择。 2、不同方案的催化剂配方的特点 （1）Pt/Rh 是一种传统的配比模式。其对燃油中的铅有最好的抵抗中毒的能力。 （2）Pd/ Rh 比较适合燃油较清洁的环境下，分成涂敷可避免合金的形成。 （3）Pt/ Pd / Rh 高含量Pt 与Pd 和Pt 的分离涂敷有高温稳定性和好的HC 活性。Rh 和Pt 加上金属氧化物改善RH 和NOX 反应的热稳定性。 （4）只有Pd 高温位置有卓越的去除包括NO 污染的整体性能。 五、三元催化器的失效 1、各种元素对三元催化转化器的影响 （1）铅、锰元素对三元催化转化器的影响 有铅汽油的铅化物含量比较高，铅化物在高温下会还原成金属铅，而金属铅容易沉淀在铂、铑等贵金属催化剂的表面。使催化剂无法与有害气体发生催化反应。 （2）磷、锌元素对三元催化转化器的影响 磷、锌元素与三元催化转化器活性材料反应或覆盖在催化转化器活性表面上，造成催化转化