CN103758613B - 汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，包括外壳，装填在外壳中的蜂窝状载体和附载在载体上的三效催化剂，其中三效催化剂由下述方法制得：取水溶性铜盐、水溶性锰盐、水溶性钾盐、水溶性亚铈盐和水溶性锆盐，加水溶解，加入柠檬酸和聚乙二醇，完全溶解后蒸发除去水，得到凝胶，将凝胶干燥，焙烧而得。本发明活化温度较低，可外接在汽车排气管道的末端捕集和燃烧碳烟，使用初期可净化处理80‑95%的碳烟，70‑90%的CO，80‑90%的HC和50‑70%的NOx，使用寿命达到2‑3万公里，安装简便，成本远低于目前的三元催化器。

Description

汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器
技术领域
本发明涉及汽车零件，具体是连接在汽车尾气排气管道上用于捕集和燃烧碳烟，同时净化处理CO、HC和NOx的汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器。
背景技术
汽车排气系统一般由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。
催化转换器也称三元催化器，可将汽车尾气排出的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。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、HC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；HC化合物在高温下氧化成水(H2O)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。
三元催化器的内部在网状隔板中间装有净化剂，由载体和催化剂组成。载体一般由三氧化二铝制成，催化剂用的是金属铂、铑或者钯。
催化剂对硫、铅、磷、锌等元素非常敏感，硫和铅来自于汽油，磷和锌来自于润滑油，这四种物质及它们在发动机中燃烧后形成氧化物颗粒易被吸附在催化剂的表面，使催化剂无法与废气接触，从而失去了催化作用，即所谓的“中毒”现象。
三元催化器在美国、日本、欧洲等发达国家和地区，在用车三元催化器使用寿命一般为10～20万公里，而中国在用汽车三元催化器使用寿命一般只有3～5万公里。为保护环境，三元催化器失效后应该马上更换，但由于三元催化器价格昂贵，对于车主来说是一笔不小的负担。
CN85109694A公开一种非贵金属氧化物蜂窝状燃烧催化剂，用于催化燃烧法处理工业废气和汽车尾气。该催化剂包括陶瓷质蜂窝状第一载体、第二载体耐热氧化铝涂层和催化活性组分。催化活性组分是铜、钒、锰、钴、镍的氧化物或上述元素中的几种组成的混合氧化物，同时含有稀土元素氧化物，稀土元素可以是镧、铈、镨、钐、钕、钇或其混合物。
CN101003023A公开的汽车尾气净化催化剂含有铈和锆并添加镧、镨、钇、铁、锰、铜或钡的复合氧化铝涂层，涂覆在堇青石蜂窝陶瓷载体上，再负载金属钯。
CN101745405A公开的稀土钙钛矿型氧化物催化剂通式为La1-xCuxBO3，其中x＝0.05～0.5，B＝Fe、Co、Ni、Cr、Mn或者它们的组合，对内燃机尾气中的NO、CO和HC同时具有理想的净化效果。
CN101879445A公开一种能催化燃烧去除柴油车碳烟颗粒的稀土烧绿石型复合氧化物催化剂A2B2-xMxO7，其中A为La，B为Sn，M为Mn、Fe、Co、Ni或Cu。模拟柴油车排放气氛，碳烟颗粒的燃烧温度降低至柴油车排气范围。
CN101947456A公开的整体式汽车尾气净化催化剂采用堇青石蜂窝陶瓷作为载体，改性氧化铝溶胶负载在堇青石蜂窝陶瓷上，采用真空浸渍法将La，Sr，Co，Cu，Mn，Fe，Pd等其中几种催化剂活性成分负载到改性氧化铝涂层上。
CN103007955A公开一种用于汽车尾气的净化催化剂及其载体的制备方法，该催化剂包括载体、涂覆在该载体上的助剂涂层和担载在所述载体涂层上的活性组分，活性组分为镧铈钇锆锰铜镍的混合金属氧化物，载体含有氧化铝和稀土镧铈氧化物，助剂涂层为含有镧铈钇锆的一种或几种氧化物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以接在汽车排气管尾部，在低温下捕集并燃烧碳烟，同时净化处理CO、HC和NOx的汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器。
本发明的汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器包括外壳，装填在外壳中的蜂窝状载体和附载在载体上的三效催化剂，其特征在于，所述三效催化剂由下述方法制得：按铜、锰、钾、铈和锆摩尔比1︰0.2-0.8︰0.1-0.3︰1-3︰1-3的比例取水溶性铜盐、水溶性锰盐、水溶性钾盐、水溶性亚铈盐和水溶性锆盐，加水溶解，加入按转化成柠檬酸铜、柠檬酸锰、柠檬酸钾、柠檬酸亚铈和柠檬酸锆的化学计量的1-1.1倍的柠檬酸和柠檬酸重量5-20%的聚乙二醇，完全溶解后蒸发除去水，得到凝胶，将凝胶在80-120℃干燥至含水量小于5%，300-400℃焙烧0.5-3小时后，600-700℃焙烧1-5小时，冷却，得到三效催化剂。
本发明中，铜、锰、钾、铈和锆摩尔比优选为1︰0.4-0.6︰0.1-0.2︰1.2-2︰1.2-2。
水溶性铜盐优选是硝酸铜，水溶性锰盐优选是硝酸锰，水溶性钾盐优选是硝酸钾，水溶性铈盐优选是硝酸亚铈，水溶性锆盐优选是硝酸锆。
载体优选是由粘土和活性炭粉末按重量比1︰0.5-1.5的比例混合，加水研磨成泥，制成蜂窝状坯体后经1000-1100℃烧结成型。
粘土可选自高岭土、膨润土、球粘土、活性白土、耐火粘土、粘性海积土、粘性有机土、粘性沼泽土的一种或多种，优选是选自高岭土或者粘性海积土。
载体烧结过程优选是按50-80℃/小时的速度升温至500-550℃后保温0.5-2小时，再以80-120℃/小时的升温速度至1000-1100℃，退火降温。
三效催化剂附载方法是将三效催化剂研磨成为平均粒径50-200纳米的颗粒，加5-20倍重量的水调成乳液，将载体浸渍在乳液中2-4天，取出载体，真空干燥。
蜂窝状载体可由至少3种蜂窝孔孔径的若干片从大孔至小孔排列构成，各片中蜂窝孔截面积在0.5-10mm2范围内，各片厚度3-20mm，片之间有1-3倍片厚度的间隙。
本发明活化温度较低，可外接在汽车排气管道的末端捕集和燃烧碳烟，使用初期可净化处理80-95%的碳烟，70-90%的CO，80-90%的HC和50-70%的NOx，使用寿命达到2-3万公里，安装简便，成本远低于目前的三元催化器。
具体实施方式
实施例1
载体的制备：将高岭土和活性炭按重量比1︰1的比例混合，加水研磨形成瓷泥，制成厚度5mm，直径5.5cm和8.5cm两种规格，每种规格4种孔径蜂窝孔的圆形蜂窝状坯体。4种孔径分别是1mm、1.6mm、2.3mm、3mm。5.5cm直径规格的1mm孔径坯体共99孔，1.6mm孔径坯体共89孔，2.2mm孔径坯体共79孔，3mm孔径坯体共69孔。8.5cm直径规格的1mm孔径坯体共236孔，1.6mm孔径坯体共212孔，2.2mm孔径坯体共188孔，3mm孔径坯体共164孔。坯体晒干后，放入窑炉，按60℃/小时的速度升温至500℃后保温1小时，再以100℃/小时的升温速度至1050℃，退火冷却得到载体。
三效催化剂的制备：取硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）241.6克，硝酸锰（Mn(NO3)2·6H2O）125.5克，硝酸钾（KNO3）15克、硝酸亚铈（Ce(NO3)3·6H2O）651克和硝酸锆（Zr(NO3)4 ·5H2O）644克，加10升水溶解后，一水柠檬酸（C6H8O7·H2O）1000克和100克的聚乙二醇，完全溶解后蒸发除去水，得到凝胶，将凝胶在110℃干燥24小时，然后放进马弗炉于350℃预烧1小时，再于650℃焙烧3小时，冷却得到三效催化剂。
三效催化剂的附载：在三效催化剂中加入三效催化剂重量10%的水，研磨成为平均粒径约100纳米颗粒的乳液，再加10倍乳液重量的水稀释，将载体浸渍在稀释的乳液中3天，取出载体，常温真空干燥。
燃烧器的组装：将附载三效催化剂的载体按1mm孔径*2片、1.6mm孔径*1片、2.3mm孔径*1片、3mm孔径*1片的次序排列安装固定在圆筒形钢外壳中，每片之间留有7-8mm的间隙，成为本发明的汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器。
将上述燃烧器外接在下述两种车型的汽车排气管口（大孔径载体的一端靠近汽车排气管口），使用南通华鹏HPC602不透光烟度计、南通华鹏HPC500尾气分析仪，在车辆在行驶表中所列里程后，测定车辆启动状态下的碳烟、CO、HC和NOx的浓度如下：
1. 车辆型号：上海通用别克凯越1.6L，燃料类型：汽油，已行驶时间：2年，已行驶里程：约2万公里，燃烧器规格：5.5cm载体：
2. 车辆型号：福田奥铃轻卡2.8L，燃料类型：柴油，已行驶时间：8年，已行驶里程：约20万公里，燃烧器规格：8.5cm载体：
实施例2
载体的制备：以粘性海积土替换高岭土，其它工艺参数与实施例1相同。
三效催化剂的制备：取硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）241.6克，硝酸锰（Mn(NO3)2·6H2O）125.5克，硝酸钾（KNO3）20克、硝酸亚铈（Ce(NO3)3·6H2O）868克和硝酸锆（Zr(NO3)4 ·5H2O）858克，加15升水溶解后，一水柠檬酸（C6H8O7·H2O）1200克和120克的聚乙二醇，完全溶解后蒸发除去水，得到凝胶，将凝胶在110℃干燥24小时，然后放进马弗炉于350℃预烧1小时，再于650℃焙烧3小时，冷却得到三效催化剂。
三效催化剂的附载：工艺参数与实施例1相同。
燃烧器的组装：与实施例1相同。
将上述燃烧器外接在下述两种车型的汽车排气管口（大孔径载体的一端靠近汽车排气管口），使用南通华鹏HPC602不透光烟度计、南通华鹏HPC500尾气分析仪，在车辆在行驶表中所列里程后，测定车辆启动状态下的碳烟、CO、HC和NOx的浓度如下：
1. 车辆型号：上海通用别克凯越1.6L，燃料类型：汽油，已行驶时间：2年，已行驶里程：约2万公里，燃烧器规格：5.5cm载体：
2. 车辆型号：福田奥铃轻卡2.8L，燃料类型：柴油，已行驶时间：8年，已行驶里程：约20万公里，燃烧器规格：8.5cm载体：

Claims (11)

1.一种汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，包括外壳，装填在外壳中的蜂窝状载体和附载在载体上的三效催化剂，其特征在于，所述三效催化剂由下述方法制得：按铜、锰、钾、铈和锆摩尔比1：0.2-0.8：0.1-0.3：1-3：1-3的比例取水溶性铜盐、水溶性锰盐、水溶性钾盐、水溶性亚铈盐和水溶性锆盐，加水溶解，加入按转化成柠檬酸铜、柠檬酸锰、柠檬酸钾和柠檬酸亚铈和柠檬酸锆的化学计量的1-1.1倍的柠檬酸和柠檬酸重量5-20%的聚乙二醇，完全溶解后蒸发除去水，得到凝胶，将凝胶在80-120℃干燥至含水量小于5%，300-400℃焙烧0.5-3小时后，600-700℃焙烧1-5小时，冷却，得到三效催化剂。
2.根据权利要求1所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述铜、锰、钾、铈和锆摩尔比为1：0.4-0.6：0.1-0.2：1.2-2：1.2-2。
3.根据权利要求2所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述水溶性铜盐是硝酸铜，水溶性锰盐是硝酸锰，水溶性钾盐是硝酸钾，水溶性铈盐是硝酸亚铈，水溶性锆盐是硝酸锆。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述载体由粘土和活性炭粉末按重量比1：0.5-1.5的比例混合，加水研磨成泥，制成蜂窝状坯体后经1000-1100℃烧结成型。
5.根据权利要求4所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述粘土选自高岭土、膨润土、球粘土、活性白土、耐火粘土、粘性海积土、粘性有机土、粘性沼泽土的一种或多种。
6.根据权利要求4所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述烧结成型是按50-80℃/小时的速度升温至500-550℃后保温0.5-2小时，再以80-120℃/小时的升温速度至1000-1100℃，退火降温。
7.根据权利要求5所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述烧结成型是按50-80℃/小时的速度升温至500-550℃后保温0.5-2小时，再以80-120℃/小时的升温速度至1000-1100℃，退火降温。
8.根据权利要求1所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，三效催化剂附载方法是将三效催化剂研磨成为平均粒径50-200纳米的颗粒，加5-20倍重量的水调成乳液，将载体浸渍在乳液中2-4天，取出载体，真空干燥。
9.根据权利要求4所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，三效催化剂附载方法是将三效催化剂研磨成为平均粒径50-200纳米的颗粒，加5-20倍重量的水调成乳液，将载体浸渍在乳液中2-4天，取出载体，真空干燥。
10.根据权利要求1所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述蜂窝状载体由至少3种蜂窝孔孔径的片状载体构成，片状载体按孔径大小从大孔至小孔排列分布，各片状载体中蜂窝孔截面积在0.5-10mm2范围内，各片状载体厚度3-20mm，片状载体之间有1-3倍片厚度的间隙。
11.根据权利要求4所述汽车尾气碳烟颗粒捕集燃烧器，其特征在于，所述蜂窝状载体由至少3种蜂窝孔孔径的片状载体构成，片状载体按孔径大小从大孔至小孔排列分布，各片状载体中蜂窝孔截面积在0.5-10mm2范围内，各片状载体厚度3-20mm，片状载体之间有1-3倍片厚度的间隙。
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