CN100436766C - 一种机动车尾气催化净化器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机动车尾气射流式纳米晶体催化净化器及其制备方法和应用，解决现有机动车尾气三效催化净化器在使用过程中尾气排放不达标等问题。所述净化器具有反应室、与反应室一侧连通的尾气进气管、与反应室另一侧连通的尾气排气管，反应室包括相通的前室、后室，前室设置至少一组相互呈30-60度角的纳米晶体催化剂板，后室设置至少一组相互呈30-60度角的纳米晶体催化剂板，纳米晶体催化剂板采用超快速熔凝法制备。尾气以射流区间为30-60度角射流到纳米晶体催化剂表面上，截获流面的全部流前分子，反应物直接与纳米晶体催化剂零距离接触，完成催化还原和催化氧化反应。本发明配用于汽油发动机的机动车包括大、中、小型客车、货车、轿车和摩托车。
Description
技术领域
本发明涉及机动车尾气三效催化净化处理技术，具体为一种机动车尾气射流式纳米晶体催化净化器及其制备方法和应用。
背景技术
机动车尾气三效催化剂净化处理的主体是催化剂和载体。
(1)催化剂载体
当前机动车尾气三效催化剂净化处理，普遍采用三氧化二铝等多孔陶瓷为载体，在孔壁表面上涂覆铂、铑等贵金属催化剂，孔型有圆形、六角形、长方形等，孔径为03-0.5mm。当尾气流经陶瓷载体17的孔道时，紧靠孔壁约0.05mm厚是有向层流区19，中心区是有向紊流区18(见图1)，层流厚度高达5万纳米，相当于40万个原子间距。因为催化反应是在催化界面某些活性点上零距离处发生，所以层流分子扩散到壁面上需要相当长的时间。尽管催化反应生成的气体拢动，加速层流分子扩散和紊流对流，终因受到流体阻力、表面流速和空间流速的限制，所以层流分子扩散是不充分的，轴心区紊流逃逸仍然不可避免。这样，会发生通道壁涂层脱落、污染、中毒，有效性、耐久性明显逐年下降，这种载体结构设计并不理想。
(2)催化剂
机动车普遍配用的铂、铑等贵金属三效催化净化器，已将尾气有效净化到欧洲IV限定标准，但是铂、铑等贵金属的消耗浓度为1.5-2.5g/L，每台净化器的价格相当汽车制造成本的1/12，不仅价格昂贵，而且年耗量高达152.1吨，占世界铂、铑总耗量的58.9％。其中，用于高效还原NO的铑耗量占世界铑的总耗量80％。随着全球汽车产量的迅猛增加，人类环保意识的增强，面临贵金属资源的枯竭和价格上涨，近年来采用稀土取代部分铂、铑等贵金属的研究风靡世界，然而均未得到突破性进展。我国采用稀土氧化物已将铂、铑消耗浓度降低到1g/L。可是权威人士指出：到目前为止这类用稀土氧化物取代部分铂、铑三效催化剂，从性能稳定和质量可靠角度考虑还达不到欧洲II限定标准，尚不具备大量推广条件。北京计划到2008年北京奥运会之前，2007年年底机动车尾气排放达到欧洲III标准，看来不大幅度提高机动车制造成本是难以实现的。值得乐观的是，最近我国别开生面地推出一种镍铁纳米粉与γ-Fe2O3混合体，制成三效催化净化器，全部取代铂、铑贵金属。看来利用纳米材料奇异表面活性取代铂、铑等贵金属用于三效催化净化器的时代已经到来。不过，不尽人意的是，这种纳米粉体表面上的原子数理论上虽然已占原子数的17％，高出铂、铑等贵金属8倍以上，终因0.1-100nm纳米混合体难以显现尺度区段的奇异表面效应，加之杂质和间隙的污染，表面活性锐减，截获孔道污染、中毒以及轴心区紊流尾气逃逸弊端依然存在，其载体结构造成尾气反应不完全的弱点依然存在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机动车尾气射流式纳米晶体催化净化器及其制备方法和应用，解决现有机动车尾气三效催化净化器在使用过程中尾气排放不达标，以及通道壁催化剂涂层脱落、污染、中毒，净化器有效性、耐久性明显逐年下降等问题。
本发明的技术方案是：
一种机动车尾气催化净化器，具有反应室、与反应室一侧连通的尾气进气管、与反应室另一侧连通的尾气排气管，反应室包括相通的前室、后室，前室设置至少一组相互呈30-60度角射流式的纳米晶体催化剂板，后室设置至少一组相互呈30-60度角的纳米晶体催化剂板，空气进气管自反应室与尾气进气管相连的一侧，经前室与后室连通。
所述纳米晶体催化剂板为纳米晶体催化剂与合金板载体的冶金结合结构。
所述的机动车尾气催化净化器，每个纳米晶体的表面原子数占总原子数的37-70％。
所述的机动车尾气催化净化器，前室的纳米晶体催化剂板为零维10-30nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为零维10-30nm；后室的纳米晶体催化剂板为零维30-50nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为零维30-50nm；或者，后室的纳米晶体催化剂板为一维30-50nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为一维30-50nm。
所述前室或后室的纳米晶体催化剂板在使尾气射流沿折线前进的方向上设置各四级，依次相应安装于反应室壳体的上、下壳体内壁，四级纳米晶体催化剂板分别为：与上壳体内壁呈30-60度角、与下壳体内壁呈0度角、与下壳体内壁呈30-60度角、与上壳体内壁呈0度角。
所述的机动车尾气催化净化器，形成反应室的反应室壳体外侧设置隔热屏；或者，反应室壳体外壁上喷涂ZrO2涂层。
所述的机动车尾气催化净化器，形成反应室的反应室壳体为0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，反应室壳体为双∏形的上壳体、下壳体通过钨极惰性气体保护焊接的结构。
所述的机动车尾气催化净化器的制备方法，纳米晶体催化剂板采用超快速熔凝法制备，通过高功率密度电子束的快速扫描合金板表面，实现超快速熔凝，冷却速率7.7×(107-108)K/S，进而在合金板表面形成纳米晶体催化剂，纳米晶体层厚度为25-30μm；其中，电子束功率密度为5.6×106W/cm2-7.3×108W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S-8×104cm/S。
所述的机动车尾气催化净化器的制备方法，在制备零维10-30nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为7.3×108W/cm2，电子束扫描速度为8×104cm/S，冷却速率7.7×108K/S；在制备零维30-50nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为7.3×106W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S，冷却速率7.7×107K/S；在制备一维30-50nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为5.6×106W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S，冷却速率7.7×107K/S。
所述的机动车尾气催化净化器的应用，尾气以射流区间为30-60度角射流到纳米晶体催化剂表面上，截获流面的全部流前分子，反应物直接与纳米晶体催化剂零距离接触，完成催化还原和催化氧化反应；设置于前室的零维纳米晶体催化剂板以30-60度角射流相互设置，在纳米晶体催化剂板表面上截获尾气流面的全部流前分子，完成催化还原NO的同时，进行CO、CH化合物的催化氧化反应；设置于后室的一维纳米晶体催化剂板以30-60度角射流相互设置，在纳米晶体催化剂板表面上截获尾气和匹配的热空气的全部流前分子，完成CO、CH化合物的催化氧化反应。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明净化器通过尾气连续射流，不断冲刷出纳米晶高活性新鲜界面，无需扩散和对流，直接截获流面全部流前分子，高效完成催化还原反应和催化氧化反应。
2、本发明净化器的纳米晶体催化剂与载体钛合金板是冶金结合的一个整体，不脱落，导热性能良好，不易过热，催化反应温度稳定，并且冷起动快，对环境温度适应性强。
3、本发明净化器的零维和一维纳米尺寸区段可控±10nm，每个纳米晶体的表面原子数占总原子数的37-70％，具有很高的化学活性，其显微硬度高达基材的2.9-3.5倍，抗冲刷磨损、抗腐蚀、耐高温氧化、无污染、不中毒、高效、耐久、使用寿命长。
4、本发明净化器的前室和后室各经四次射流截获流面全部流前分子使催化反应充分，转换效率高。
5、本发明采用高活性金属纳米晶体可完全取代铂、铑等贵金属用于三效催化净化处理装置，成本低，资源丰富。
6、本发明配用于汽油发动机的机动车包括大、中、小型客车、货车、轿车和摩托车。
附图说明
图1为现有技术中机动车尾气通过净化器孔道分流的示意图。
图2为本发明净化器射流区示意图。
图3为本发明净化器零维10-30nmTC4纳米晶体扫描电镜图像。
图4为本发明净化器零维30-50nmTC4纳米晶体扫描电镜图像。
图5为本发明净化器一维30-50nmTC4纳米晶体扫描电镜图像。
图6为本发明净化器结构主视图。
图7为本发明净化器结构俯视图。
图中，
1零维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
2零维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
3零维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
4零维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
5一维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
6一维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
7一维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
8一维纳米晶体催化剂板：TC4钛合金，超快速熔凝制备；
9固定角：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
10固定板：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
11反应室端盖：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
12反应室壳体：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，双∏形TIG钨极惰性气体保护焊接；
13尾气进气管：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
14空气进气管：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
15隔热屏：18-8不锈钢；
16尾气排气管：0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，MIG氩气保护焊接；
17陶瓷载体；18紊流区；19层流区；20TC4钛合金板载体；21纳米晶体催化剂；22上壳体；23下壳体。
具体实施方式
如图6-7所示，本发明纳米晶体催化净化器包括反应室、与反应室一侧连通的尾气进气管13、与反应室另一侧连通的尾气排气管16、反应室内设置的零维纳米晶体催化剂板1-4、一维纳米晶体催化剂板5-8等，反应室为反应室壳体12和反应室壳体12内设置的前室、后室构成，形成反应室的反应室壳体12外侧设置隔热屏15。空气进气管14自反应室一侧引入，经前室的尾气预热后进入后室。
其中，前室以相互30-60度角设置四级10-30nm零维(TC4钛合金)纳米晶体催化剂板1、2、3、4。经过四次全部截获尾气，进行NO催化还原反应的同时，进行CO、CH化合物催化氧化反应：
经过前室的剩余尾气以及泵入的与剩余尾气反应相匹配的预热空气进入后室，考虑增大热容量，防止过热，平衡环境温度，后室设四级一维(TC4钛合金)纳米晶体催化剂板5、6、7、8，以相互30-60度角设置。为降低成本，采用30-50nm一维TC4钛合金纳米晶体催化剂板，经过四次全部截获尾气完成CO、CH化合物催化反应：
所述前室或后室的纳米晶体催化剂板在使尾气射流折线前进的方向上设置各四级，依次相应安装于反应室壳体12的上、下壳体22、23内壁，四级纳米晶体催化剂板分别为：与上壳体22内壁呈30-60度角(通过固定板10固定)、与下壳体23内壁呈0度角(通过固定角9固定)、与下壳体23内壁呈3060度角(通过固定板固定)、与上壳体22内壁呈0度角(通过固定角固定)。纳米晶体催化剂板面积要大于尾气喷射的发散面积，其厚度以热容量适中，保障不过热，冷起动快；纳米晶体催化剂板之间形成的尾气通道口面积要大于或等于喷射流发散面积，防止纳米晶体催化剂板产生振动。
本发明纳米晶体催化净化器材料选择如下：
根据汽油发动机全负荷排出的尾气温度最高达到900C的特性，反应室结构(固定角9、固定板10、反应室端盖11、反应室壳体12)材料选用耐高温氧化和抗高温蠕变的0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢。
前室的四块催化剂板采用抗高温氧化的零维TC4钛合金纳米晶体板，后室四块催化剂板采用耐850℃高温氧化的一维TC4钛合金纳米晶体板。
通常，要求反应室内的尾气温度达到600-700℃，这是激活铂、铑惰性贵金属表面的必要反应条件，但是对活性金属催化剂来说，在350-600℃温度范围内便可完成CO的氧化反应和NO的还原反应。因此，暖机特性成为设计反应室及载体的核心问题，选用的奥氏体耐热钢及催化剂板导热率低，热容量小，散热速度慢这一特性，恰恰起到自暖效应。为增强这一效应，尾气进气管13、空气进气管14和尾气排气管16材料均选用0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢。为进一步增加暖机效果，在反应室壳体12外加一层18-8不锈钢片隔热屏15，必要时可以反应室壳体12外壁上用等离子喷涂15μm厚ZrO2涂层，暖机效果更佳。
本发明纳米晶体催化净化器结构选择如下：
考虑加快冷起动，反应室壳体12采用2mm厚的薄板；为防止变形，反应室端盖11设计厚度为3mm，反应室壳体为双∏形的上壳体22、下壳体23对接卷边通过TIG自动焊来增大其刚性。
催化剂板采用固定角9(角钢)和固定板10(条钢)MIG焊固定，管板连接均采用MIG自动焊，隔热屏15用储能接触点焊固定。
从图6看出，机动车发动机排出的尾气经肢管通过尾气进气管13进入前室(剖面部分)，射流到零维纳米晶体催化剂板1表面上，连续截获尾气流面全部流前分子，首次催化还原NO的同时，进行催化氧化CO、CH化合物，反应产物及剩余尾气经零维纳米晶体催化剂板1导向以30-60度角射流到零维纳米晶体催化剂板2表面上，连续截获流面全部流前分子，第二次完成催化还原NO的同时，进行催化氧化CO、CH化合物，依次经零维纳米晶体催化剂板3完成第三次、经零维纳米晶体催化剂板4完成第四次催化还原NO后，剩余尾气与泵入的热空气匹配混合经零维纳米晶体催化剂板4导向以30-60度角射流到后室一维纳米晶体催化剂板5表面上，截获尾气流面全部流前分子，第一次催化氧化CO、CH化合物后，反应产物及剩余尾气经一维纳米晶体催化剂板5导向以30-60度角射流到一维纳米晶体催化剂板6表面上，连续截获流面全部流前分子，第二次完成催化氧化CO、CH化合物，依次经一维纳米晶体催化剂板7完成第三次、经一维纳米晶体催化剂板8完成第四次催化氧化CO、CH化合物后，经尾气排气管16排出。
本发明纳米晶体催化剂的载体设计如下：
本发明用氩气保护焊接TC4钛合金板观察到：当混有烟雾的氩气流与工件表面呈0-30度接触时，出现分层向前流动，视为层流区。当60-90度时，带入烟雾的氩气出现无向流动的湍流，视为紊流区。这两种气流扩散到工件表面上都需要一定的时间，催化反应来不及进行。当气流与工件表面呈30-60度接触时，出现有向层流与无向紊流混合区，无向紊流被有向层流冲走，无向紊流随着有向层流流动，形成一股连续射流(图2)。同样，机动车尾气以30-60度角连续射流不需经过扩散和对流可直接喷射到催化剂活性表面上，截获流面的全部流前分子，不需要时间进行扩散和对流，直接实现分子零距离接触碰撞，无尾气逃逸，可保障反应产物在催化剂表面上全部参与催化还原和催化氧化反应。这样，活性界面上发生催化反应后，生成物等的无向紊流随时被有向层流冲走。这种连续冲击出新鲜界面，抗磨损、抗高温氧化、耐腐蚀、无污染、不中毒、保障催化反应高效、稳定进行，使用寿命长，值得提出的是这种高活性纳米晶体催化剂21与TC4钛合金板载体20为一冶金结合的整体，是射流式催化净化处理技术设计的高活性表面催化剂与载体的最佳匹配，不脱落，导热优良，冷起动快，不易过热，催化反应温度稳定，与环境温度适应性好。
本发明纳米晶体催化剂的设计如下：
本发明用超快速熔凝法，通过高功率密度电子束的快速扫描TC4钛合金板表面，可实现超快速熔凝(冷却速率7.7×(107-108)K/S)，进而在TC4钛合金板表面形成纳米晶体催化剂。选7.3×108W/cm2高功率密度电子束在TC4钛合金板表面上，以超快速8×104cm/S(冷却速率7.7×108K/S)进行扫描熔凝，制备出大面积(60mm×70mm×2mm)零维TC4钛合金10-30nm纳米钛合金板，纳米尺寸区段可控±10nm，纳米晶层厚度25-30μm(图3)。选7.3×106W/cm2高功率密度电子束在TC4钛合金板表面上，以超快速6.5×104cm/S(冷却速率7.7×107K/S)进行扫描熔凝，制备出大面积(60mm×70mm×2mm)零维TC4钛合金30-50nm纳米钛合金板，纳米尺寸区段可控±10nm，纳米晶层厚度25-30μm(图4)。前一种致密、无污染纳米晶体显微硬度高达1240Hv，为基材TC4钛合金的3.5倍，抗冲刷磨损、抗高温氧化、耐腐蚀、腐蚀电流密度峰值降低260％，具有很好的电化学活性，每个纳米晶体的表面原子数占总原子数的70％，具有优异的表面活性，最适于催化还原难度大的NO。本发明用超快速熔凝法，选5.6×106W/cm2高功率密度电子束在TC4钛合金板表面上，以超快速6.5×104cm/S(冷却速率7.7×107K/S)进行扫描熔凝，制备出大面积(60mm×70mm×2mm)零维TC4钛合金10-30nm纳米钛合金板，纳米尺寸区段可控±10nm，纳米晶层厚度25-30μm(图5)。其显微硬度值高达1040Hv，为基材TC4钛合金的2.9倍，抗冲刷磨损、抗高温氧化、耐强酸腐蚀，每个纳米晶体的表面原子数占总原子数的37％，具有优秀的化学活性，用于催化氧化尾气中的CO、CH化合物。
采用本发明可以制备出大面积、致密、无污染、零维或一维钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金纳米晶体催化剂板，均可适用于本发明。
Claims (10)
1、一种机动车尾气催化净化器，具有反应室、与反应室一侧连通的尾气进气管、与反应室另一侧连通的尾气排气管，其特征在于：反应室包括相通的前室、后室，前室设置至少一组相互呈30-60度角射流式的纳米晶体催化剂板，后室设置至少一组相互呈30-60度角的纳米晶体催化剂板，空气进气管自反应室与尾气进气管相连的一侧，经前室与后室连通。
2、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：所述纳米晶体催化剂板为纳米晶体催化剂与合金板载体的冶金结合结构。
3、按照权利要求2所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：每个纳米晶体的表面原子数占总原子数的37-70％。
4、按照权利要求2所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：前室的纳米晶体催化剂板为零维10-30nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为零维10-30nm；后室的纳米晶体催化剂板为零维30-50nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为零维30-50nm；或者，后室的纳米晶体催化剂板为一维30-50nm钛合金、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金、Fe-Cr-Al合金、Fe-Mn-Al合金之一，纳米晶体催化剂为一维30-50nm。
5、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：所述前室或后室的纳米晶体催化剂板在使尾气射流沿折线前进的方向上设置各四级，依次相应安装于反应室壳体的上、下壳体内壁，四级纳米晶体催化剂板分别为：与上壳体内壁呈30-60度角、与下壳体内壁呈0度角、与下壳体内壁呈30-60度角、与上壳体内壁呈0度角。
6、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：形成反应室的反应室壳体外侧设置隔热屏；或者，反应室壳体外壁上喷涂ZrO2涂层。
7、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器，其特征在于：形成反应室的反应室壳体为0Cr25Ni20奥氏体耐热不锈钢，反应室壳体为双∏形的上壳体、下壳体通过钨极惰性气体保护焊接的结构。
8、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器的制备方法，其特征在于：所述纳米晶体催化剂板采用超快速熔凝法制备，通过高功率密度电子束的快速扫描合金板表面，实现超快速熔凝，冷却速率7.7×(107-108)K/S，进而在合金板表面形成纳米晶体催化剂，纳米晶体层厚度为25-30μm；其中，电子束功率密度为5.6×106W/cm2-7.3×108W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S-8×104cm/S。
9、按照权利要求7所述的机动车尾气催化净化器的制备方法，其特征在于：在制备零维10-30nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为7.3×108W/cm2，电子束扫描速度为8×104cm/S，冷却速率7.7×108K/S；在制备零维30-50nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为7.3×106W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S，冷却速率7.7×107K/S；在制备一维30-50nm纳米晶体催化剂板时，电子束功率密度为5.6×106W/cm2，电子束扫描速度为6.5×104cm/S，冷却速率7.7×107K/S。
10、按照权利要求1所述的机动车尾气催化净化器的应用，其特征在于：尾气以射流区间为30-60度角射流到纳米晶体催化剂表面上，截获流面的全部流前分子，反应物直接与纳米晶体催化剂零距离接触，完成催化还原和催化氧化反应；设置于前室的零维纳米晶体催化剂板以30-60度角射流相互设置，在纳米晶体催化剂板表面上截获尾气流面的全部流前分子，完成催化还原NO的同时，进行CO、CH化合物的催化氧化反应；设置于后室的一维纳米晶体催化剂板以30-60度角射流相互设置，在纳米晶体催化剂板表面上截获尾气和匹配的热空气的全部流前分子，完成CO、CH化合物的催化氧化反应。
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