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    隨著各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展,我國大城市中汽車逐年增加,汽車排氣對大氣的污染問題，已引起有關(guān)方面重視。

    汽車排氣中主要含有烴類、CO和NOx有害物質(zhì),這些物質(zhì)是污染城市空氣的重要成份。

    解決汽車排氣對大氣的污染問題,可從兩方面進(jìn)行工作。一方面是改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)和燃燒,使燃料在最有利的條件下燃燒,減少有害物質(zhì)的排放;另一方面是用催化劑將排氣中的有害物質(zhì)除去。

    本節(jié)敘述汽車尾氣凈化催化劑必須具有的性能、排氣凈化轉(zhuǎn)化器和催化劑。

    以上各節(jié)敘述了來自各種固定發(fā)生源的有害物質(zhì)凈化催化劑。已經(jīng)可以看到,對這些催化劑的性能要求,比一般工業(yè)用催化劑的要求要嚴(yán)格的多。然而,用于移動發(fā)生源的汽車尾氣凈化催化劑,又比上述各節(jié)敘述的催化劑,要求更加苛刻。所以這樣,是由于汽車內(nèi)燃機(jī)的特殊工作條件和工作狀況引起的。這些苛刻條件要求催化劑具有下列性能:

    1.催化劑的性能必須適于在內(nèi)燃機(jī)旁安裝的各種條件。這和用于固定發(fā)生源的催化劑不同,在那里,除催化劑的一般要求外,通常沒有其他的要求。

    2.催化劑的性能必須適應(yīng)于經(jīng)常的、大幅度的氣體流量、組成和溫度的變化。而不像固定發(fā)生源那樣,這些參數(shù)通常可以控制在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)變化。

    3.催化劑必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,以防由于反應(yīng)器隨汽車行駛的振動和僵化劑忽冷忽熱而破醉,致使僵化劑的活性降低和堵塞管路。而不像用于一般固定發(fā)生源的固定床那樣,通常都是固定不動的。

    4.催化劑必須同時(shí)具有在高逼(800~-1000C)和在低溫(150~200℃C)的足夠話性,而不像用于固定發(fā)生源的催化劑那釋,通常不必要求僵化劑的話性適應(yīng)很寬的溫度范圍。

    5.催化劑的話性要高,用量買少。因而反應(yīng)器的體積小,重量輕,可以安裝在合適的地方。

    6.催化劑必須具有合適的孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu),以使尾氣疏過時(shí)的阻力最小。

    7.希望催化劑在除去尾氣中的烴類和一氧化碳時(shí),也能除去氧化氮。

    上述條件有不少是互相制約的,要同時(shí)滿足這些條件,就需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)工作。直到目前為止,在脫除烴類和CO的同時(shí),將NO還原為氮和氛,還在試驗(yàn)研究中。

    當(dāng)凈化催化劑選定以后,凈化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要問題。為了使凈化轉(zhuǎn)化器適應(yīng)催化劑性能的要求,并且結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,價(jià)格便宜,因而它有各種不同的設(shè)計(jì)。

    汽車排氣的三類有害物質(zhì)中,碳?xì)浠衔锖鸵谎趸細(xì)怏w可用完全燃燒的方法除去,氧化氮?jiǎng)t用還原方法除去。因此,如果要凈化這三種氣體,就需要用兩段轉(zhuǎn)化的方法。由于排氣中含有還原性氣體、碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?所以首先進(jìn)行還原反應(yīng),然后再進(jìn)行完全燃燒反應(yīng)。就是說,需要采用兩段串聯(lián)的流程。

    當(dāng)僅消除排氣中的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸紩r(shí),在原理上可采用第四章中敘述的固定床反應(yīng)器的形式,詳細(xì)結(jié)構(gòu),有各式各樣的設(shè)計(jì)。圖11-10為一段轉(zhuǎn)化器的示意圖。引入二次空氣的目的,是為了使燃饒反應(yīng)進(jìn)行完全。當(dāng)消除排氣中的三類有害物質(zhì)時(shí),可采用兩段串聯(lián)的流程。轉(zhuǎn)化器的裝配如圖11-11所斤示。由發(fā)動機(jī)排出的氣體送至轉(zhuǎn)化器4,在催化劑存在下,排氣中的NOx被其自身含有的CO還原。為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化器4中的溫度,由自動調(diào)節(jié)閥2供應(yīng)冷空氣。從轉(zhuǎn)化器4出來的氣體送至轉(zhuǎn)化器5,由空氣系3供給足夠的空氣,以便進(jìn)行催化完全燃燒反應(yīng)。為了減少氧化氯的生成,可將一部分凈化后的氣體循環(huán)。

    汽車排氣中各種烴類和一氧化碳可用催化完全燃燒變?yōu)闊o害的二氧化碳和水的方法除去,而氧化氨只能用催化還原或分解為氮和氧的方法除去。因此,在排氣中存在著未反應(yīng)的氧的情況下,這三類有害物質(zhì)的去除,屬于兩種類型的反應(yīng)。所以可用兩種催化劑分別在不同的反應(yīng)條件下進(jìn)行處理,當(dāng)然,如果能找到合適的催化劑,一次處理則更好。

1.烴類和一氧化碳完全氧化催化劑

    這類催化劑與經(jīng)類凈化催化劑相似。即貴金屬和非貴金屬氧化物或其尖品石類催化劑。作為例子,對于甲烷氧化活性順序如下:

Pd>Pt>Co3O4>PdO>Cr2O3>Mn2O3>CuO>CuO2>Fe2O3>V2O5>NiO>Mo2O3>TiO2

    對于其他碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉耐耆趸磻?yīng),也存在著大體類似的順序。

    圖11-12為無鉛汽油完全氧化時(shí)某些催化劑的活性比較,其中鈀催化劑的活性最高。其余的Pt-Al2O3,MnO2-Co3O4、MnO2-Fe3O4和尖晶石CuCr2O4的活性也很好。

    實(shí)際使用的催化劑,通常都是多組份的。美國Cyanamid公司制造的,牌號為Aero-Ban的催化劑,組成和物性如表11-11所示。

    上述催化劑曾進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí),用六種不同發(fā)動機(jī)燃料(其中只有一種不含烷基鋁),十輛不同汽車,各行駛1200英里。

    從十輛東的試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。結(jié)果表明,排氣中經(jīng)類含量從開始時(shí)的118ppm到行本終了為358ppm, CO從0.5%增加到1.3%,并且燃料中含鉛量愈高,催化劑由手中毒而活性下降也越快。這種催化劑也不能脫除氧化劑。

    貴金屬中鉑是常用的伽化活性組份。例如,美國福特汽車公司使用的牌號為PTX的催化劑,據(jù)報(bào)導(dǎo)為0.15%Pt-A1203。將催化劑載在韓窩狀結(jié)構(gòu)的陶密質(zhì)基體上。

    PTX催化劑如浸漬一定量的銅時(shí),可以大幅度降低反應(yīng)溫度,同時(shí)降低CO的氧化活性,見圖11-13,但卻增強(qiáng)了乙烯氧化反應(yīng)的抗琉能力。

    用貴金屬包復(fù)的陶瓷制的蜂窩狀載體有許多優(yōu)點(diǎn):結(jié)實(shí)、耐振,強(qiáng)度大,耐熱性好和氣流阻力小,有實(shí)際應(yīng)用的趨勢。但這種載體也有明顯的缺點(diǎn),即比表面小(約0.1米/克), 制成的催化劑活性低。如用高比表面物質(zhì),例如氧化鋁,在陶瓷表面上包復(fù)一層,然后用浸潰法將活性物質(zhì)載于氧化鋁的表面上(當(dāng)然包括內(nèi)表面),會大大提高催化劑的活性。

2.氧化氮還原催化劑

    汽車排氣中的NOx除用催化劑還原為N2和CO2或H2O外,不宜于用其他方法脫去。由于排氣中共存著NOx烴類和co,故可利用氣體本身含有還原性氣體CO來還原NOx。

    前述的有載體的貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑和合金備化劑都是有效的。

銷一銠蜂窩式載體催化劑低溫活性高,耐熱性好。也有人建議用釘或依催化劑。這種催化劑中含釘或銥為0.01%,余為Al2O3。

    金屬氧化物催化劑多由氧化銅、氧化鐵、三氧化二鉻、三氧化二錳等兩種以上的氧化物載于載體上制成。鉛對Cu-A12O3催化劑起促進(jìn)作用，增加選擇性。

    銅合金催化劑近來引起人們注意。這類催化劑統(tǒng)稱為蒙乃爾合金催化劑。據(jù)報(bào)道當(dāng)Cu-Ni比表面約為0.03米/克,平均孔徑約為20u,空速為150000時(shí),在溫度高于700℃時(shí),可除去90%以上的與水蒸汽共存的NO,。但這類催化劑在使用中有增加壓力降和生成氨的問題。

    有載體的Cu-Ni催化劑,可在很寬的溫度范圍內(nèi),有效的脫除NO,而不生成氨。

    日本宮部等提出的Cu-Ni系催化劑,在600℃可凈化排氣中N0x98%,同時(shí)能凈化相當(dāng)量的CO和烴類。也可用于加鉛汽油。

    目前研制以鈷的氧化物為主的多組份催化劑,同時(shí)除去排氣中的烴類、CO和NOx,是一個(gè)重要方向。

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