三元催化技术

三元催化技术三元 催 化，是 指将 汽车 尾气 排出的 CO、HC 和 NOx 等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳 水 和 氮 气 的 催 化 。主 要 是 用 三 元 催 化 器 ， 三 元 催 化 器 的 载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管当 中。称它是载体，是因为它本身并不参加催化反应，而 是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属。是安装在 汽车排气系统中最重要的机外净化装置。三元催化器的工作原理是：当高温的汽车尾气通过 净 化 装 置时 ，三元 催 化器中 的 净化 剂 将 增强 CO、 碳 氢 化 合 物 和 NOx 三 种 气 体 的 活 性 ，促 使 其 进 行 一 定 的 氧 化 - 还 原 化 学 反 应 ，其 中 CO 在 高 温 下 氧 化 成 为 无 色 、无 毒 的 二 氧化碳气体；碳氢化合物在高温下氧化成水 (H20) 和二氧 化 碳 ； NOx 还 原 成 氮 气 和 氧 气 。 三 种 有 害 气 体 变 成 无 害 气体，使汽车尾气得以净化。前提是还有氧气可用，空 燃比要合理。由于中国的燃油品质普遍较差，燃油中含有硫、磷以 及所使用的抗爆剂MMT中含有锰，这些化学成分在燃烧 后随着废气的排出，会在氧传感器表面和三元催化器内 部形成化学络合物。另外，由于驾驶员的不良驾驶习惯, 或者长期行驶在拥堵路面，发动机经常处于不完全燃烧 状态，会在氧传感器和三元催化器内形成积炭。此外，国内很多地区使用乙醇汽油，这种汽油有很强的清洗作 用，会将燃烧室内的积垢清洗但不能分解燃烧，因此随 着废气的排放这些污垢也会沉积在氧传感器表面和三元 催化器内。正是由于诸多因素，使得汽车在行驶一段里 程后，除了会在进气门和燃烧室内产生积炭外，还会造 成氧传感器和三元催化器中毒失效、三元催化三 元 催 化 器 堵塞以 及 EGR 阀 被 沉 积 物阻 塞卡 滞等故 障 ， 造 成 发 动机 工作 不 正 常， 造 成 油 耗 增 加 、 动 力 下降 和 尾 气 超 标 等问 题。为了解决这一令汽车生产企业、维修企业、维修管理 部门以及环保部门头疼并难以解决的问题，有关科研单 位针对传统的发动机常规保养方法存在的缺陷，研究设 计开发了一套全新的发动机常规养护方法和技术一一发 动机全方位常规养护新技术。这项新技术内容是：在为客户进行定期保养时，除了 更换机油和三滤的保养项目外，加入了三元催化器的清 洗养护。它的技术特点是：将“汽车废气控制系统检查 维护项目”和传统的发动机定期保养方法有机结合起来, 弥补了传统发动机定期保养方法不能满足现代发动机保 养要求的缺陷，将被动地解决环保发动机出现排放控制 系统工作不正常问题变为主动地预防环保发动机出现排 放控制系统工作不正常问题。目前催化剂载体的种类目前，国内外研究较多的催化剂载体有：SiO2 , A1203、玻璃纤 维网（布）、空心陶瓷球、海砂、层状石墨、空心玻璃珠、石英玻 璃管（片）、普通（导电）玻璃片、有机玻璃、光导纤维、天然粘 土、泡沫塑料、树脂、木屑、膨胀珍珠岩、活性炭等。天然矿物类天然矿物类物质本身具有一定的吸附性和催化活性,且耐高温， 耐酸碱，常被用作催化剂的载体。目前已被用作TiO2载体的有硅 藻土、高岭土、天然浮石和膨胀珍珠岩等。刘勋等研究了几种不同 天然矿物（硅藻土、蛭石、高岭土、膨润土、硅灰石和海泡石）与 纳米TiO2的复合。结果表明，在6种天然矿物所制得的复合材料 中，以海泡石光催化降解效率最高，作用6h后，对甲基橙光降解 率达到98%。其次是硅藻土和硅灰石，分别达到87%和85% 。且光 催化降解效率与天然矿物吸附能力呈对应关系。陈爱平等以轻 质绝热保温建筑材料膨胀珍珠岩作载体，制得了能长时间漂浮于水 面的纳米TiO2负载型光催化剂，用于水面浮油的太阳光光催化降 解。周波等采用天然浮石为载体负载TiO2作光催化剂，利用高压 汞灯为光源对有机磷农药的光催化降解进行了研究。结果表明，浓 度为1.2X10 4 molL1的农药光照2h左右可完全被光催化氧化为PO4。吸附剂类这类载体为多孔性物质，比表面积较大，是使用最为广泛的一 类载体。用作负载TiO2的吸附剂类载体主要有活性炭、硅胶、多 孔分子筛等。吸附剂类载体可以获得较大的负载量，可以将有机物 吸附到TiO2粒子周围，增加界面浓度，从而加快反应速度。崔鹏 等将活性炭负载到TiO2膜作为光催化剂对甲基橙水溶液进行了光 催化降解试验。结果表明，与商品化的TiO2微粉光催化剂的降解 性能相比，其降解速率较高，由于TiO2/C光催化剂中活性炭良好 的吸附性能，使得光催化反应体系内产生了吸附一反应一分离的一 体化行为，提高了光催化速率。国外的V.M.GuNk等研究表明，在 不同负载量下，TiO2在硅胶表面均没有形成连续涂层；TiO2和SiO2 之间的作用力包括氢键、静电力和少量的Si OTi键，SiO2抑制了 TiO2从锐钛型向金红石型的相变。国内的郑光涛等采用溶胶一 凝胶法将改性后的高效TiO2光催化剂负载于球形硅胶上，得到了 具有混晶结构、大比表面积、高活性的纳米TiO2光催化剂。负载 后的催化剂在紫外区具有强的吸收，比表面积达到379.8mg1。郑珊等合成了 TiO2呈单层分散或双层分散状2态的多孔分子筛MCM 41。结果表明，负载后，MCM 41孔道表面的SiO2以化学键相连 生成Si OTi键。玻璃类玻璃价廉易得，具有良好的透光性，便于设计成各种形状，引 起了研究者的重视。用于TiO2光催化剂的载体有玻璃片、玻璃纤 维网（布）、空 心玻璃珠、玻璃螺旋管、玻璃筒、石英玻璃管（片）、 普通（导电）玻璃片、有机玻璃等。张新英等以空心玻璃微球为载 体，用溶胶一凝胶法制备负载型复合光催化剂，所得催化剂可以漂 浮在水面上，便于回收和重新利用。陶瓷类陶瓷也是一种多孔性物质，对TiO2颗粒具有良好的附着性，耐 酸碱性和耐高温性较好，也可用作催化剂载体。若在日常使用的陶 瓷上负载TiO2，可以制成具有良好自洁功能的陶瓷，起到净化环境 的作用。贺飞等采用溶胶一凝胶法，在自制的陶瓷釉体表面制得粒 径大小为40100nm的TiO2晶粒。它紧密结合，形成透明均一无 “彩虹效应”的TiO2光催化薄膜型自洁功能陶瓷,具有超级亲水 性和去污功能。有机类由于TiO2在阳光下能光催化氧化降解有机物，所以一般不用有 机材料做载体。而某些高分子聚合物，如饱和的碳链聚合物或氟聚 合物，有较强的抗氧化能力，所以也可以用于负载型TiO2的研究。 但由于OH-,02-的强氧化性，这些高分子聚合物载体只能在短 期内使用。目前，用于负载Ti02的高分子聚合物载体有：聚乙烯 吡咯烷酮、聚乙烯、聚丙烯、ABS，NAfiON薄膜等。刘平等研究认 为，Ti02粒子的形成与长大均限制在NAfiON的微小孔笼中，粒子 形成过程所需的物质传递也仅能通过小通道进行；在该实验的合成 条件下，Ti02晶体大小仅取决于NAfiON孔笼直径。此外，在载体选择时，必须对效率、催化活性、催化剂负载的 牢固性、使用寿命、价格等作综合考虑。倒焰窑所谓倒焰窑，是一种间歇式的窑炉！其名称是由火焰流动情况而获得。燃烧所产生的 火焰都从燃烧室的喷火口上行至窑顶，由于窑顶是密封的，火焰不能继续上行，在走投无路 的情况下，就被烟囱的抽力拉向下行，经过匣钵柱的间隙，自窑底吸火孔进支烟道，主烟道， 最后由烟囱排出。因为热气体重度轻，总是浮在上面，所以人们习惯把火焰从下到上称为 顺”。而把由上向下流动的火焰称为倒这就是倒焰窑称呼的由来！简介窑的早在1932年，紫砂艺人张兰舟、张良金兄弟俩在川埠潜洛建成了第一座倒焰窑。用 制陶瓷、耐火材料及砖、瓦。优点对制品的加热比较充分，均匀！火焰从喷火口出来在上行至窑顶的过程中，通过对流、 辐射把热量传给烧制品，当火焰到达顶部时，又对顶部制品进行加热，然后折向下行，在下 行时又对流、辐射对制品进行一次全面充分的加热！使窑内营造成一个四面八方温度很均匀 的一个氛围！另一个优点是适应性很强，因为是间歇式的，所以可以根据不同的制品来调节 烧成温度！这是其它窑所不具备的！缺点一、由于装窑、出窑均在窑内操作，故劳动强度大！二、热量损耗大，火焰自窑顶下行后，即经烟道，烟囱排出，排出温度要很高，不然 下部产品烧不熟！此外是间歇式的，余热利用困难！窑体本身积蓄的热损失也很大，造成了 能源上的浪费，烧制的成本上升！也正是这原因才逐步被隧道窑所代替！3特点煤系高岭土煅烧用倒焰窑也是参照陶瓷工业的工艺而来的，它同梭式窑、钟罩窑为一 类，三者煅烧原理基本上相同，结构上略有差异，同为间歇式煅烧窑。 结构特征倒焰窑结构由三个主要部分组成，窑体、燃烧设备和通风设备、窑顶和窑门，物料煅 烧的场所在窑体内部。倒焰窑的窑体结构有园形和矩形两种，各有做优缺点。例如园形窑比 矩形窑温度更均匀，相同容积时园形窑比矩形窑有较少的窑墙侧面积及砌筑砖体积，向外散 热和积聚热量较小，在宽度一定时矩形窑可有较大的容积。燃烧设备由燃烧室（火箱）、档火墙及喷火口组成。燃烧室是燃料燃烧之处，其大小可 根据每小时最大燃料消耗量来计算确定，如果烧油，可在加煤口安装油烧咀，烧煤时，可不 设燃烧室。挡火墙的作用是使火焰具有一定的方向和流速合理地送入窑内，防止一部分煤灰 入室沾污高岭土。其高低严重影响窑内上下温差。喷火口挡火墙与火箱上面的窑墙之间长方 形截面空间比，喷火口截面积大，将影响火焰喷出速度，一般为炉栅水平面的1/41/5。通风设备由窑底吸火孔、支烟道、主烟道和烟囱组成。主要作用是使火焰或热烟在窑 内区均匀分布向下流，热烟排放等。 工作原理及过程倒焰窑间歇工作过程，将高岭土物料放入匣钵中并码放于窑内，封好窑门，进行加热 升温。将煤加进燃烧室2的炉栅上，一次空气有灰坑不穿过炉栅，经过煤层与煤燃烧。燃烧 产物自挡火墙壁7和窑墙壁8所围成的喷火口 10喷至窑顶，再自窑顶经过窑内高岭土匣钵 倒流至窑底，由吸火孔4、支烟道5与主烟道6向烟囱排出。火焰经高岭土匣钵时，其热 量以对流传热方式给匣钵。在低温阶段，主要靠窑内燃烧产物以对流传热方式传热给匣钵，再 以辐射方式传给高岭土，高温阶段,主要靠辐射方式传热给匣钵，再以辐射方式传热至高岭土， 而使高岭土进行升温煅烧由于火焰在窑内是自窑顶倒流向窑低，根据垂直方向气流法则，窑 内温度分布会自动达到均匀，为此倒焰窑煅烧高岭土质量比较稳定。 锻烧影响因素及操作控制倒焰窑升温过程中速度和曲线及气氛主要是通过各阶段的加热时间间隔及煤层薄厚来 实现控制的。在200度以下底温阶段要缓慢升温,200-800度稍快些，后半段往往有一定保温 时间，使窑内温度差减小，这和高岭土煅烧温度相吻合,800度以上稍慢些,900-1050度稍快些, 升至高岭土最终煅烧温度时，再保温一段时间，使其烧透，中温段以前为氧化气氛，控制煤层薄 些,加煤间隔长些，高温段后期为还原气氛，控制加煤层厚些,加煤间隔短些，每次加煤量要大. 设备特点容体可大可小，适应于不同规模的生产和试验，生产中灵活性大，可随煅烧规模及工艺变 换烧成制度窑内上下温度分布均匀，可以煅烧出质量稳定的产品,缺点是产量低，单位制品热 耗量高，劳动条件差，强度大.倒焰窑火焰性质的控制煤烧倒焰窑内还原焰的特征是维持窑内正压操作，投煤次数较多，间隔短，做到不断 火，不断焰；而氧化焰的特征是维持负压操作，窑内火焰明澈清晰，一般添煤时间间隔较长， 初期窑内浓烟滚滚，过后渐淡而后火净，即火焰的性质为还原弱还原-氧化。因此保持窑内 火焰的一定性质往往以存焰与火净的时间比例予以控制。对于氧化焰操作要求火净的时间远 多于存焰时间，保持氧化焰时煤层不宜太厚，每次加煤量要少，加煤间隔较长，要有稍多的 过剩空气。欲提高窑内温度，必须采用氧化焰烧法。为了满足某些制品对质量较高的要求， 一般在10001180C，当釉料尚未熔融前须控制还原焰，即维持窑内不断火与不断焰，为此 必须在更换还原焰时将闸板下降，以减弱窑内通风。加煤操作除采用小块煤外，应按照“勤 加少添原则，并保持燃烧室内火势不发白，煤层不发黑的状态，即可避免窑内温度急升所 引起的釉面过早玻化、坯体还原不充分的现象。常见的火焰为弱还原焰或氧化焰。控制弱 还原焰的方法是采用大块煤烧窑，煤层可厚些，每次加煤量大，加煤间隔较还原阶段长，同 时减弱窑内的通风，但应维持窑内不断火。在还原焰操作时，应使窑内保持较小的正压，这 样可以避免冷空气大量涌入。压力控制对隧道窑尤其重要。在氧化气氛下烧成时，隧窑的 零压点在烧成带与冷却带之间；在还原气氛下烧成时，隧道窑的零压点则在烧成带与预热带 :之间。如果零压位置控制不当，窑内气氛变化，易使产品产生缺陷。!焰窑的节能降耗倒焰窑相比隧道窑推板窑等，热能利用率偏低。新建倒焰窑大都利用先进的保温耐火 材料，增大保温层降低炉窑的蓄热和散热损失。改进燃烧方式，充分利用炉窑余热，从早期 的设有燃烧室的燃煤倒烟窑改为天燃气或者煤制气倒烟窑,1倒焰窑的冷却采用机械强制冷 却方式，将停窑后的炉窑余热转化给准备或者正在升温的炉窑，窑炉烟道设置换热装置，尽 最大限度将烟道余热转换为热能进行二次利用2，