姚小刚 刘颖 欧阳清检 刘建国 靳攀峰
摘要:指出了汽车尾气作为大气污染源之一,尾气排放控制备受关注,国家也日益出台越来越严格的排放限值标准。为了有效控制汽车尾气污染,保护贵金属自然资源,对自主研发的纳米催化剂产品和目前工艺产品以及装车实用结果进行了对比分析.试验结果说明:这种特殊纳米催化剂在催化性能和成本上都有很好的应用前景。
关键词:纳米催化剂;汽车尾气控制;国5标准;大气污染
中图分类号:0643
文献标识码:A
文章编号:1674-9944(2018)8-0121-03
1 引言
随着雾霾天气的日益甚嚣,节能环保已经迫在眉睫,汽车尾气作为大气环境污染主要来源之一备受关注[1,2],我国现已成为世界最大汽车产销国,年产约3000万辆[3],尾气治理成为一项很大的课题。
汽车尾气排放控制是世界各国环境保护措施的重要环节。汽车生产厂家在每辆新车上都必须安装一套催化转换器系统以满足国家汽车尾气排放限值标准。随着我国汽车行业的迅速发展,国家相关规定和要求也在日益严格,对汽车排放标准的要求,也逐步在向西方发达国家标准靠拢。目前我国已实施国5排放标准,国家环保部和国家质量监督总局在2016年12月23日联合发布了“轻型汽车污染物排放限值及测最方法(中国第六阶段)GB18352.6 - 2016”(简称国6标准),并将在2020年7月1日起实施。
在实现整车排放控制的系统中,尾气催化器是作为尾气处理环节巾的不可或缺的重要組件,可以将尾气巾的一氧化碳(C0)、碳氢(HC)和氮氧化物(N0X)转换成无害的二氧化碳(C02)、水(H20)和氮气(N2),转换效率可以高达95%~99%。多年来世界各大催化剂公司和研究人员一直致力于如何提高催化剂性能、降低成本的研究,课题集中在如何有效利用占成本绝大部分的贵金属、如何提升涂层材料特性(如比表面积)和抗高温老化的能力上。笔者在如何高效利用贵金属方面进行了前期研究[4],使用了一种纳米级的氧化钯制作技术并应用到了催化剂涂层的工艺中,通过TPR(温度程序升温还原)等实验室分析手段验证了该技术可以大幅提升催化剂活性的事实,同时也研究了一种高比表面积硅铝基涂层材料[5],这种材料具有替换现有行业主打材料的应用前景和潜力。本论文以该技术制作的纳米氧化钯为主要催化元素,结合目前成熟的涂层生产工艺,制作了催化剂载体样品并封装装车,进行了整车排放试验,达到了很好的预期效果。
2 新型涂覆材料的研究
现代的汽车尾气催化剂涂层材料具有高比表面积的特征,而最常用的材料为改性γ型氧化铝粉体[6-10],市场上比较好的改性氧化铝产品,其新鲜态比表面积可以达到200 m/2g,1000℃热老化后仍然可以达到120m2 /g以上。寻求更高比表面积材料一直是催化剂研究者不断努力的目标。本论文电致力研发这种材料,并通过努力在试验室制作了具有比现有工业氧化铝材料比表面积更高的硅铝基复合粉体材料。
2.1 高比表面积硅铝基材料的开发
通过对海泡石粉体材料、氧化铝材料、Zr0/海泡石、硅铝慕氧化物进行了一系列试验,发现新研制的硅铝基材料比现有涂层材料比表面积要高同时具有很好的抗高温稳定性。以水解一共沉淀法制备镉硅氧化物催化剂载体材料,通过正交试验研究了TEOS(正硅酸乙酯)水解时pH值、硝酸铝溶液浓度、表面活性剂PEGJ4000(聚乙二醇)添加量的影响,并优化工艺制备的硅铝氧化物催化剂载体材料,其比表面积可达300 m2/g以上,在1000℃焙烧老化后,其比表面积依旧可达200 m2/g以上,指标明显优于现有工业生产用原材料。目前正在继续深入试验,通过加入不同的抗老化元素(如稀土元素等),继续提升材料的抗高温烧结能力,同时也在考虑工艺化并降低制作成本。
2.2 新材料检测结果
表1为新材料的测试结果。在1000℃高温老化后还能达到200m2/g的比表面积,如果能够克服工艺化难题和控制好生产成本,该新型材料有可能在催化剂领域带来巨大的经济效益。
3 纳米催化剂与传统催化剂的比较
为国内某车型国5配套的催化剂参数见表2。技术方案I采用传统催化剂生产技术,技术方案II采用纳米氧化钯技术和工艺,方案II中采用的贵金属钯的量比方案I减少15%。制作成完整的催化剂载体并封装后装车进行国5标准的排放试验进行对比。
3.1 技术方案I
第一套技术方案以目前配套的国4催化剂为基础进行升级·目标是达到国5标准。仍采用孔密度为600目、尺寸93.0×101.6(mm)的堇青石陶瓷载体,载体体积为0.69L。
为了改善冷启动碳氢排放和充分利用催化处理前碳氢和一氧化碳的氮氧化物还原剂作用,采用了内层分段涂覆、外层2/3分段涂覆(zone coating、double layercoating)技术,两层三段的配方根据催化和储氧特性进行设计。前段充分利用含铑表层、应用CO、HC的还原剂作用加强NOx还原和HC、CO氧化,后段作用针对冷启动下的HC和CO氧化,在辅助以不同储氧能力材料的前后段与内外层分布细化,达到最优的尾气控制效果。
3.2 技术方案Ⅱ
采用和技术方案I同样载体。该方案不采用传统的贵金属盐溶液,使用笔者的发明专利:纳米贵金属氧化物制作技术,避免涂层烧结过程中形成较大贵金属氧化物颗粒和烧结中晶格成长变大的缺点,力图提高贵金属颗粒分布率和比表面积。该方案其他参数与技术方案I相同,贵金属使用量降低了15%。
采用纳米氧化钯制作的样品进行装车并按国5标准进行的整车试验结果如表3所示,新技术虽然使用更少的贵金属,但整车排放和传统方法制作的样品性能相当,在加浓的情况下性能更优,碳氢(THC)、一氧化碳(CO)、非甲烷碳氢(NMHC)等主要依靠纳米钯的氧化作用控制的排放指标均低于现有配方技术,验证了试验室的TPR活性试验结果。只是氮氧化物在没有标定的情况下略高于原机,通过标定是可以达到更优结果的。试验结果也完全满足国5的国家排放要求。图1为整车试验数据和现场图片。试验在武汉菱电汽车电控系统股份有限公司的整车排放试验室进行。
4 纳米催化剂用于在用车试验
图2、图3为湖南省吉安特技术有限公司为在用车市场生产的四款催化剂通用包中的一款图纸和实物照片,其中纳米技术产品已应用于其中的两款,整体成本可降低12%~15%。
4.1 在用车催化剂通用包的实用测试
图4和表4所示为应用纳米催化剂的在用车通用包转换器装车现场试验照片和转换率数据。目前已行驶了3万km,初步显示耐久性能良好。笔者将继续跟踪产品的耐久和实用性能。
5 结论
本论文将纳米催化剂制作成实用的三元催化转换器,通过与目前批量生产的传统催化转换器在实际装车试验中的对比,得出纳米催化剂在使用较少贵金属的情况下,催化性能与传统催化剂相当,满足国5的排放限值要求,具有很好的使用前景和成本竞争力。当纳米催化剂替代传统催化剂运用于在用车市场时,在满足排放要求的同时,整体成本降低12%~15%。试验证明此纳米催化剂的成功研制,不仅可以降低成本、保護贵金属自然资源,同时能更加有效的降低汽车尾气中碳氢(THC)、一氧化碳(C0)、非甲烷碳氢( NMHC,)等废气的排放,减少大气污染。
参考文献:
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