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汽车尾气催化净化过程综述（东南大学 南京 211189）摘要：本文从汽车尾气催化净化过程简介、催化剂的选择与评价、催化剂的制备方法、催化净化原理和机理、催化净化动力学和催化净化装置的选择和设计六个方面来说明汽车尾气催化净化的过程，其中包含了最新的汽车尾气催化动力学进展。关键词：汽车尾气；催化剂；催化机理；催化动力学A review about catalytic purification of automobile exhaustChuanxian Xin 112232（Southeast university, Nanjing, 211189）Abstract: This paper is a summarize about the catalytic purification of automobile exhaust, which contains six aspects, as follows, the brief description about the catalytic purification process of automobile exhaust, the selection and evaluation of catalyst, the preparation methods of catalyst, catalytic cleaning principle and mechanism, the election and design of catalytic purification equipments. It also includes the latest catalytic kinetic progress. Keywords: automobile exhaust, catalyst, catalytic mechanism, catalytic kinetic随着汽车业的发展，由汽车排出的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和固体微粒对大气造成越来越严重的污染。研究表明1：大城市中40%以上的NOx、80%以上的CO和70%以上的HC来自于汽车尾气污染。由这些污染物产生的酸雨和光化学烟雾对人类赖以生存的环境造成巨大危害。因此，汽车尾气的净化已受到全球范围内的高度重视，而采用催化净化技术进行汽车排气后处理是目前减少汽车排放污染的主要措施，这种措施能将汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物转化为二氧化碳、水和氮气，将其对环境的影响降到最低。最近的研究表明2：不仅汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物会对人类的健康造成威胁，尾气中的颗粒物（PM）也是对人类健康产生危害的另一大因素。因此，有效控制颗粒物的排放，特别是PM2.5的排放，这对汽车尾气后处理技术提出了更高的要求。综上所述，汽车尾气催化净化过程对人类的健康有重大的意义，也是各国争相研究的领域之一，我国在汽车尾气催化净化方面起步较晚，催化净化技术与发达国家相比还有一定的差距。因此，研究汽车尾气催化净化技术对我国来讲尤为重要。一、汽车尾气催化净化过程简介1.1汽车尾气中气体成分的催化净化过程简介汽车尾气的催化净化技术的研究始于20世纪50年代，汽车尾气的催化净化是利用化学催化剂，将有害成分CO、HC和NOx进行化学反应，将它们转化为无害的CO2、H2O和N2。要求这种催化净化处理方法能在广泛的温度范围内将排气中的有害排放物降至最低，在一些排放法规要求较严的国家生产的车辆上均安装了含有这种催化净化技术的装置。1.1.1汽车尾气催化净化机理简介汽车尾气催化净化方法从机理上可以分为以下三种3：（1）催化氧化法通过一段氧化型催化剂床，利用排气中残留的或另外供给二次空气中的氧气，使尾气中的CO、HC完全氧化生成CO2、H2O，此法不能除去NOx。其反应过程如下：（2）催化还原法通过一段还原型催化剂床，利用排气中的CO、HC和H2等作为还原剂，使氮氧化物还原成N2。其反应过程如下：（3）三元催化净化法这是使用同时具有氧化、还原性能的三元催化剂净化处理CO、HC、NOx的一种方法。其反应过程如下：对三元催化反应来说，最重要的是需要保持比较精确的空燃比。因为三元催化净化法虽然可同时除去CO、CH、NOx，但要使三种有害成分同时有高的净化率，必须将空燃比值控制在一定范围内。1.1.2催化剂简介汽车尾气催化净化反应中所选用的催化剂，按化学反应机理可将催化剂分为氧化催化剂、还原催化剂和三元催化剂三种。氧化催化剂能促进CO和HC的氧化反应；还原催化剂能促进NOx的还原反应；三元催化剂能在理论空燃比为中心的某一狭小范围内同时促进CO和HC氧化反应及NOx的还原反应。按催化剂的活性组分可将催化剂分为贵金属催化剂和非贵金属催化剂两类。贵金属催化剂的活性组分一般为Pt、Pd、Rh，它们的催化活性高，反应时CO和HC转化反应的起燃温度低，使用寿命长，但由于此类催化剂抗铅性差，而且贵金属资源稀少，价格昂贵，因此贵金属催化剂一般在使用无铅汽油的美国、日本等经济发达国家中应用较广；非贵金属催化剂的活性组分一般为Cu、Mn、Ni、Co、Cr、V、Fe及稀土元素和碱土金属的氧化物或复合氧化物，此类催化剂抗毒性好，自然资源丰富，价格便宜，不足的是催化活性比贵金属型差。1.1.3催化转换器简介根据转换器使用催化剂的不同可将催化转换器分为：氧化催化装置、还原催化装置、三元催化装置。（1）氧化催化装置这种氧化催化装置常含有空气喷射装置，它能给反应提供二次空气来促进尾气的氧化反应，但是需要对反应器的发热量和排气浓度进行控制，以免造成反应器的过热而损坏。（2）还原催化装置在还原催化装置中还原催化剂和氧化催化剂并列装入，在装置的前段还原尾气中的NOx，在装置后段通入二次空气氧化CO和HC。（3）三元催化装置三元催化装置常安装电控喷射系统，将空燃比控制在一定的范围内，这样才能将尾气中CO、HC、NOx同时净化。1.2汽车尾气中固体颗粒物的净化简介随着汽车尾气一起排放出的固体颗粒物对人体能造成很大的危害4，特别是颗粒度在1.5m以下颗粒对人体的危害更大，因其具有更大的比表面积，可从尾气中吸附更多的有毒成分，被人体吸入后沉积到肺部，对肺部的损害很大，而且这种悬浮在空气中的颗粒有更广的扩散距离，因此影响范围也更广泛。因此，除去尾气中的固体颗粒物对人类的健康有很大的现实意义。目前汽车尾气中固体颗粒物的净化主要有以下几种措施：（1）改进发动机系统，使燃料充分燃烧，从源头上减少固体颗粒物的排放。（2）提高油品的质量，这也是有效减少固体颗粒物的因素。（3）改进催化剂，使其能促进固体颗粒物的二次燃烧。（4）采用高比表面积的吸附材料，对固体颗粒物进行吸附处理。研究表明5：汽车尾气中的固体颗粒物含量与汽车所处的环境有密切关系，尾气中固体颗粒物的含量随环境温度的降低而成指数级别的增加，研究还发现环境每降低20，汽车尾气中的固含量就增加一倍。特别在汽车冷启动阶段，此时的固含量排放就更不容忽视，这也是研究的热门领域之一。在汽车尾气固体颗粒物的净化方面存在的问题是当汽车尾气通过高比表面的过滤装置后，大约有95%的固体颗粒物被吸附在过滤器上，累积到一定的程度，就会造成过滤装置过高的压力降，对过滤装置造成破坏，因此需要对其进行燃烧再生。但这又会带来一个问题，燃烧再生会产生过滤器局部区域的温度过高， 有把过滤器熔毁的风险，因此安全可靠的再生技术对过滤装置的开发至关重要6。二、催化剂的选择与评价2.1催化剂的选择原理在汽车尾气催化净化技术中，最关键的技术是如何选择一种性能优良的催化剂，对一种理想的催化剂，其性能应满足如下要求：（1）化学性能：要求催化剂的活性好，并且有较低的起燃温度。（2）物理性能：要求催化剂要有足够的机械强度和稳定性。（3）耐久性能：要求催化剂在长期使用后，其物理和化学性能保持稳定。（4）催化剂应在较为宽温度范围内（如200800)对CO、HC和NOx有较高的转化率。（5）催化剂应具有抗毒性，如抗S、P、Pb等。2.2催化剂的评价方法催化剂的反应性能是评价催化剂好坏的主要指标，它包括催化剂的活性、选择性和稳定性7。（1）催化剂的活性催化活性是指催化剂对反应加速的程度，用来衡量催化剂效能大小的指标。（2）催化剂的选择性催化剂的选择性是指特别有效的加速平行反应或连串反应中的一个反应。对于一个催化反应来说，催化剂的活性和选择性是两个最基本的性能，人们在催化剂的研究开发过程中发现，催化剂的选择性往往比活性更重要，也更难控制。（3）催化剂的稳定性催化剂的稳定性，同常也称为寿命，是指其活性和选择性随时间变化的情况。工业催化剂的稳定性主要包括化学稳定性、热稳定性、抗毒稳定性和机械稳定性四个方面。三、催化剂制备方法简介催化剂的制备通常分为合成、活化和成型三个阶段。3.1催化剂的合成催化剂的合成方法主要包括浸渍法、沉淀法和气相合成法。（1）浸渍法是先将载体置于含有一种或几种活性组分（通常为金属盐类）的溶液中浸泡，吸附平衡后以蒸发等手法除去剩余液体而制得，该法在加氢催化剂中应用较多。（2）沉淀法是在含活性组分的溶液中加入沉淀剂，使其生成氧化物及盐的结晶或凝胶，而后借助倾析等手法分离沉淀物而制得，该法又可分为单组分沉淀、共沉淀、均匀沉淀、结晶沉淀和热合成等，常见于氧化铝和沸石分子筛的制备。（3）气相合成法是借助原料的气化急冷或蒸气的热分解等气相化学反应来制备分散良好的高纯催化剂，可用于氧化物、金属、氮化物、碳化物、硼化物等的制备。此外，催化剂合成还有混合碾压法、离子交换法和熔融法等方法。3.2催化剂的活化催化剂活化的目的在于使材料表面形成催化反应所需要的活性结构，可采用高温或特定气氛煅烧，以及还原、氧化、硫化、羟基化等处理使钝态催化剂转变为活泼态催化剂。3.3催化剂的成型催化剂的成型则是根据原料性质和反应床层的需要来调整催化剂的颗粒大小和形状，采用的方法包括压片、挤条和喷雾等。四、汽车尾气净化原理和机理由于汽车尾气催化净化所使用的催化剂不同，因此有不同的反应机理，本文仅对几种常见类型的汽车尾气净化催化剂的催化机理进行阐述8。4.1钙钛型氧化物催化剂催化净化过程是降低汽车尾气污染物的主要手段之一。尾气中的CO和CH采取催化燃烧，通过多余空气将其氧化除去，一般采用载体型的贵金属铂或铂-钯催化剂，经典的三效催化剂Pt-Rh/CeO2-Al2O3在氧化CO和CH同时还能将NOx还原除去。钙钛矿结构催化剂是为了降低贵金属的使用而提出的。钙钛矿结构催化剂的分子式为ABO3，A位通常是La系元素和K、Rb、Sr、Pb等原子半径为0.901.65的金属原子，B位是过渡金属Ni、Co、Mn、Cr、Cu、Fe、Ti等。 1972年Wiswanathan对钙钛矿型氧化物作过系统的评述，其中对LaCoO3的初步研究表明，NOx的高转化率可在CO高浓度时达到，CO和CH的高转化率可在CO低浓度时达到。ABO3的重要性质在保持其结构的同时，还能保持Co、Mn、Ti等的混合价态和异常价态的稳定性及颇多的氧空位和高分散的贵金属的稳定性。它可作为催化剂新材料的设计原型，通过在A和(或)B位的部分替代制造一系列同晶异构物，在层间嵌入岩盐结构的AO块或(B2O2)2+层派生出不同构架的化合物，使有可能对性能进行设计和修正。ABO3中A位离子有12个氧配位，这些氧离子同时又属于8个BO6八面体共享角(见图4-1)。 图4-1 ABO3结构示意图 图4-2 CO氧化的活性与催化剂 LaBO3中B电子构形的关系周期表中的90%的自然金属元素在结构中是可以稳定存在的。A离子本质上仅起调整B-O键的作用，不直接参加实际催化反应。在催化剂中氧化的活性位是LaCoO3中B离子。铬、钴、铁d电子的情况（见图4-2）。由于B离子是在八面体配位中，由晶体场理论可得Cr3+的3个d电子排布情况是t32g，而e0g轨道上没有较为活泼的电子因此活性最低；7个d电子的Co2+可以是t52ge2g，它的d电子最多而且eg轨道上的电子最多只能有一个可能回到低能级上，因此活性最大。Mn2+是t32ge2g，d电子比钴少二个，活性也较高，但略低于钴；铁(Fe3+)的d电子构型也是t32ge2g它的活性应该比铬()高，虽然与二价锰有相同的d电子，但铁()的正电荷比锰高。因此可能更稳定一些，因此它们有如图4-2所示的活性与d之间的关系。在钙钛型氧化物催化剂中它的催化活性就是要设计出一种活性结构能快速将气相氧转化为晶格氧，造成足够的氧化活性。高温下B离子还原到低价(如Co4+Co3+)，相应的等量晶格氧的放出，使CO和CH氧化。又如钙钛矿中铜离子的取代，形成CuO6八面体结构(Jahn-Teller效应)产生两个较长的C-O键，能量低，易产生氧空位。氧空位不与过渡金属离子配位，阴离子的不足会引起晶格畸变。产生活性氧空位。氧空位能吸附/解吸大量氧，吸附氧与阳离子结合比晶格氧更弱，能进一步提高在低温下对CO和CH的氧化活性。Descorme等9研究混合金属氧化物的表面氧活性时，认为制备汽车尾气催化剂主要是控制催化剂表面的氧迁移率，尤其是表面的贮氧量(Oxygen Storage Capacity，OSC)的值，并用同位素交换实验验证了纯氧化物的表面上氧化还原中的决速步骤是还原过程。这也能从其动力学过程中看出，CO被还原过程是缓慢的，而被O2的氧化是迅速而完全的。而在掺杂后的金属氧化物，虽还原过程仍是决速步骤，但氧化反应却变的不完全，这一现象证明了掺杂金属氧化物存在有一种强的金属与载体间的相互作用，能改变氧化物的氧化还原性。如在和金属相互作用下铈被不可逆的彻底还原。氧化物表面存在有金属颗粒时也能改变了其OSC值。几乎所有研究的金属(钌、铂、钯)均表明：同样具有在提升OSC值方面的能力，其中最有效的金属是钌，尤其是混合型氧化物中掺入后，OSC值差不多提高了4倍。4.2稀土类催化剂将稀土用于钙钛矿型氧化物催化剂中，如在ABO3中，A代表稀土金属离子，B代表过渡金属离子，形成一系列的稀土钙钛矿催化剂，主要类型有如下几种：如LaMO3(M=Co、Mn、Ni、Fe、Cr等)，其中以钴型和镍型氧化CO的活性较高；又如LnCoO3型(Ln=La、Pr、Nd、Gd、Ho等)，其中以NdCoO3和HoCoO3的氧化活性较高；另外还有其它类型的稀土氧化物催化剂，作为汽车尾气贵金属的取代物或作为催化剂载体的稳定剂。研究发现稀土催化剂中稀土的作用主要有以下几点：（1）提高催化剂的机械强度。试验发现无论是单一稀土氧化物，还是混合稀土氧化物都具有这种性能。通常载体用稀土氧化物处理之后，其机械强度可提高15%25%。（2）提高催化剂的热稳定性。汽车尾气的温度可达800以上，做为载体的-Al2O3在高温下将发生相变，最终转化成无活性的-Al2O3，同时在高温条件下，催化剂会发生收缩，使体积明显减小。在催化剂中添加稀土氧化物如氧化镧或氧化铈后，能够起到稳定晶型结构和阻止体积收缩的双重作用10。（3）提高催化剂的活性在空燃比变化时，特别是在缺氧情况下，稀土氧化物能释放出氧原子参加反应，可在短期内维持较高的净化能力。如，CeOx能明显提高氧化CO和还原NOx的活性，其原因是CeOx能释放储藏的氧，因为CeOx中的x可在1.5至2之间变化。当x在1.85至2之间时，通过电子转移可以很快发生Ce4+Ce3+的氧化或还原转变，但晶格却无明显的改变，而且具有促进水与CO气体反应的能力(CO+H2OCO2+H2)，CO和H2O反应生成CO2的H2，H2可还原除去NOX。（4）具有改善催化剂的抗硫和抗铅能力。国内目前生产的汽油中大多加有四乙基铅抗爆剂，燃烧后将以氧化铅等形式随尾气排出。如果氧化铅沉积在贵金属催化剂上，催化剂将中毒，催化活性会大大下降。使用了稀土催化剂，其表面虽有氧化铅沉积，但活性下降并不明显。毫无疑问汽油中的铅和硫会影响催化剂的催化活性，对催化剂造成毒害作用。4.3涂层型催化剂在载体上涂敷一层高比表面的涂层(Washcoat)，对催化剂的性质的改变是至关重要的，它可使催化剂的内表面积提高到20000 m2/L，可大大提高催化效率。它的技术关键是维持在高温服役时的高的比表面积，减少涂层对载体的弱化作用。目前国际上已经可将涂层的忍耐温度的上限提高到8001050。对于通常的催化剂而言，其高温稳定性取决于活性材料和助剂的高度分散性和稳定化的状态。为了避免发生烧结和发生相变，保持高的比表面，涂层常含有复杂的成分。常用的材料是-Al2O3在800以下它能稳定存在，但在高温时发生相变成为- Al2O3，使比表面降低。通过加入一种助剂，可以抑制Al2O3的相变，提高耐热性和比表面。Al2O3的高度分散性与稳定化对催化转化器的催化性能有决定性的意义。Naoto Myoshi等提出半径为0.110.15的金属离子对Al2O3载体的热稳定性提高最大，认为这样的金属离子占据-Al2O3的表面空位，能有效地阻止铝离子和氧离子的表面迁移，稳定晶格结构。稀土氧化物的加入可使涂层起很好的助催化作用，很多学者研究了稀土氧化物对氧化铝的稳定作用。发现在Al2O3涂层中加入CeO2、ZrO2、La2O3、BaO、CaO、SrO、能有效地抑制Al2O3的相变，其中La的效果最显著。La可与Al形成LaAlO3化合物，大大降低了表面氧离子的迁移率，从而抑制烧结。获得的La稳定的Al2O3，在1100处理17小时比表面仍达到50 m2/g。稀土氧化物添加在Al2O3中可以形成钙钛矿结构的化合物，阻碍了Al2O3的相变。随着排放法规的逐步加严，以及对柴油车及催化燃烧用催化剂的需求，原有的-Al2O3涂层又难以满足更高耐温的要求还提出了其它涂层材料。Cuong等认为SiC或SiC/Ce可取代Al2O3涂层，而且具有高热导率，低膨胀，化学惰性等优点，山田等研究发现，炭载体上负载Cu-Cr催化剂对NO还原表现出相当高转化率。4.4金属离子置换的分子筛催化剂在金属离子置换的分子筛中，Cu-ZSM-5催化剂与传统催化剂相比，不但有很高的催化活性，还有很高的实际应用的可能性，人们围绕这一催化剂系列展开了多方面的研究。某些烷烃和烯烃在Cu-ZSM-5上可以选择性地还原NOx，即发生NOx的选择性催化还原反应(HC-SCR)。在该反应中，NOx被还原为N2或N2O，而HC则被氧化为H2O和CO2或CO。O2不但不会抑制反应进行，过量的O2还对反应有促进作用。反应机理被认为是NOx被Cu-ZSM-5上的Cu+吸附并分解为分子态的N2和O2。生成的O2先与分子筛上Cu2+配位，然后再与HC反应，使活性中心释放出来，能够继续吸附NOx11。具体机理如下：2NO-CuN2+2O-Cu2+9O-Cu2+C3H69Cu+3CO2+3H2O在有O2时催化活性会增强，这是因为O2使Cu-ZSM-5上的铜不被完全还原为不能吸附NOx的金属铜。另外，在低温下吸附在Cu-ZSM-5上的HC会阻碍NOx的吸附；只有当温度升高，HC、NO和O2都能达到活性中心时，SCR反应才能进行；在温度过高时HC被O2氧化为CO2和H2O，而不能还原活化中心，因而NOx的SCR反应随之停止。分子筛催化剂可选择性催化还原NOx所需的空燃比范围比三效催化剂的要宽。但是，分子筛催化剂Cu-ZSM-5在高温与水蒸气会造成其活性降低；另外，其活化温度要远高于柴油发动机的实际操作温度。因为当温度超过一定值时，晶格中的铜会流失，使分子筛结构遭到破坏，导致不可复原的催化剂的损失；另一个原因可能是，高温下分子筛晶格中四面体Al3+的流失，从而造成活性中心Cu2+的迁移，使NOx和HC不能与之接触而相互反应，而使反应活性降低。可采取某些措施来改善或避免催化活性的损失，如可将分子筛在700850高温下煅烧以稳固催化中心；或在Cu-ZSM-5中引入其它金属离子，例如La3+，Ce3+可以抑制在高温下由水引起的晶格Al3+的流失。Kagawa等尝试引入了多种碱土金属和过渡金属离子，发现除钇离子和银离子外，其它金属离子改性Cu-ZSM-5催化剂的NOx分解活性均低于高交换度Cu-ZSM-5催化剂。五、汽车尾气三元催化净化反应动力学最新的汽车尾气三元催化净化反应动力学模型如下所示12，该模型的最大特点是是一种全局动力学方程，能特别好的预测汽车发动时的尾气净化情况。所涉及的反应分为四类。5.1氧化反应1. CO + 0.5O2CO22. C3H6 + 4.5O23CO2 +3H23. C3H8 +5O23CO2 +4H24. H2 + 0.5O2H2OG为抑制因子，表达式如下：5.2 NOx的还原反应5. CO + NOCO2 + 0.5 N26. C3H6 + 9NO3CO2 +3H2O + 4.5N27. H2 +NOH2O + 0.5N2G的含义同氧化反应。5.3水煤气变换反应8. CO + H2O CO2 +H29. C3H6 +3H2O3CO + 6H2式中：KWGS为水煤气转换平衡常数，表达式如下。5.4二氧化铈的反应（储氧反应）10. 2Ce2O3 +O2 4CeO211. Ce2O3 +NO 2CeO2 + 0.5N212. CO + 2CeO2 Ce2O3 +CO213. C3H6 + 12CeO2 6Ce2O3 + 3CO + 3H2O14. C3H8 + 14CeO2 7Ce2O3 + 3CO + 4H2O15. H2 + 2CeO2 Ce2O3 +H2O总反应的表达式，如下所示：式中，为催化剂上提供氧的部分占能提供氧的部分的百分比，在该三元催化体系中能给反应体系提供氧的催化组成为二氧化铈，的表达式如下所示：通过分别建立催化剂和气相的能量方程，气体的质量守恒方程和边界条件，再联立以上反应机理方程，即可回归得到相关动力学数据。六、汽车尾气催化净化装置的选择与设计6.1催化净化装置的分类汽车尾气催化净化装置就是利用催化材料(如贵金属铂和铑)的催化作用，使得排出的气体进一步反应，生成对环境无污染的产物，而催化剂本身不发生永久性的化学变化，从而达到降低排放物对大气污染的一种装置。根据催化净化装置的使用目的不同，可分为以下几种13：（1）氧化型催化转化器氧化型催化转化器，这种装置是促使氧化反应进行的，因此，是在过量的氧气环境下工作的。当发动机排出的气体通过该装置时，由于催化剂的作用，在较低温度下将未燃碳氢化合物（HC）和一氧化碳（CO）氧化生成对环境无污染的水蒸气和二氧化碳。这种装置不能对氮氧化物（NOx）进行净化。过量的氧是通过二次空气喷射或供给稀混合气中得到氧化所需要的剩氧，有时为了净化NOx常在其后再加装废气再循环系统。（2）还原型催化转化器还原型催化转化器与氧化型催化转化器相反，还原型催化转化器只对氮氧化物(NOx)起净化作用，该装置需过量的还原剂。采用这种装工的汽车发动机应在浓混合气供给情况下运行。（3）双床催化转化器双床催化转化器 这种装置是由两个连续接通的催化器组成，排出的气体先流经还原型催化转化器，再经过氧化型催化转化器，在两者之间有二次空气吹人，这样使得进人氧化型催化转化器的排气中氧气的含量增加。由于排放气体是先经过还原型催化转化器，所以这种发动机必须在浓混合气供给情况下运行。由于发动机必须在浓混合气供给情况下工作，使得燃油消耗率很高。另外，在缺氧的条件下，排气中也往往含有游离的氢，它与存在的一氧化氮会反应产生氮和水，随后加人的空气中含有一部分氨，这些氨被氧化后又生成氮氧化合物，因此，这种催化装置对NOx的净化效果不是很好，在欧洲汽车厂中已停止使用。（4）三元催化转化器三元催化转化器 三元催化转化器能同时将汽车发动机排出的三种有害气体加以净化，是目前最有效的净化排放气体的方法。只有在排气成分保持在理论混合比附近才能同时降低CO、HC和NOx的浓度，因此，必须保证汽车发动机在全工况条件下所排出的气体成分都在理想的范为内，为此在该系统引人闭环控制系统。来监控排气成分的变化。采用三元催化转化器后，排气中的三种有害污染物都得到了不同程度的降低。6.2催化净化装置的结构（1）载体 载体是在催化器中承担氧化和还原反应的基体，目前载体中的堇青石的含量为95%以上，载体的配方及生产工艺决定其性能。目前，世界上汽车催化器用的载体多是由美国Corning公司和日本NGK公司生产。在贯彻排放法规初期，曾使用过散体状载体，这种载体由直径约为24mm的颗粒堆积而成，随着催化剂装填量的增加，这种载体因载持性能不佳和很高的压力损失而逐渐被整体式载体所代替。蜂窝状整体式载体主要由陶瓷材料或金属薄片卷绕而成。目前，催化器一般都采用蜂窝状整体式陶瓷载体，这种载体是用堇青石挤压而成，具有容易加工、成本低、在高温条件下强度高、热变形小等特点。这种材料的孔密度可以达到很高(4762目/cm2，)、壁薄(0.15mm)、表面积的71%都是孔结构、排气压力小、接触面积大。但这种载体导热性能差，机械性能不好、抗冲击能力低。金属整体式载体是近年来发展起来的一种催化剂载体。目前，由于这种载体制造成本很高，当体积大时，易产生热变形而不能保证有足够的机械强度，这极大限制了它的使用。与陶瓷载体式相比，具有以下特点：壁薄，薄度可达50m，因而几何面积和孔隙率大，可以提高催化效率，减少压力损失；导热性能良好，且热容量少，可以缩短预热时间；抗震强度与性能均较好；结构紧凑。其缺点是：热膨胀系数较大；金属载体附着催化剂前必须先经表面处理才能形成Al2O3氧化层；因载体吸水性能较差在附着催化剂时需采用特殊结构和工艺；可靠性不高；成本很高。金属载体式催化器在改善发动机功率和排气净化率两方面极具有潜力，是目前具有广阔发展前景的催化器。（2）涂层 载体上的涂层是加速进行汽车尾气氧化和还原反应的催化剂，是影响净化率的最根本因素，其关键技术在于催化剂的配方及其整个的涂覆工艺。目前，三元催化器中所采用的催化剂含有一定量的贵金属。为了降低催化器的成本，催化剂的研制、生产部门正设法降低贵金属的含量。催化剂的涂覆工艺是至关重要的，催化剂、载体的物理化学性能及结构参数等对涂覆工艺均有一定的要求，科学的涂覆工艺会提高尾气的净化效果。（3）垫层 由于载体与壳体的热膨胀率不同，因此必需在两者之间安装一层垫层，以弥补催化剂在受热时载体与壳体之间的松动。常见的垫层有金属网和陶瓷密封垫两种形式。（4）壳体 壳体是封装载体的容器，一般由铝或不锈铜制成。目前，国外多采用含Cr、Ni的不锈钢。6.3催化净化装置设计常用的三元催化净化器如图6-1所示14，它的外形像一个排气消声器，实际上也起到消声器的作用。在对三元催化器进行设计时，要将其与汽车上的电子计算机控制系统联在一起，用氧传感器检测尾气中的氧的浓度，将信息反馈到计算机上，在由计算机去控制空燃比，从而将空燃比控制在一定的范围内，使催化剂在最佳是工作条件下工作，达到净化尾气的作用。图6-1 三元催化净化器结构七、总结本文对汽车尾气的催化净化过程做了详细的论述，为汽车尾气的催化净化指明了研究方向，在传统侧重于尾气的净化基础上，本文开始关注降低汽车尾气中的固体含量，特别是PM2.5的含量，并提出了降低固含量的方法。本文还介绍了一种最新的三元催化动力学模型，该模型为全局模型，能特别好的描述汽车启动阶段的催化动力学行为，因为在汽车启动阶段，燃油燃烧不充分，该时间段排放出更多的废气和颗粒物，通过该动力学模型可以提高汽车尾气催化转化的控制精度和指导汽车催化转化器的设计。参考文献1 陆雍森, 马仲文, 张爽. 环境评价. 上海: 同济大学出版社, 19902 K.Chen, K.S.Martirosyan, D.Luss. 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