钙钛矿型催化器净化柴油机排气微粒的研究

摘要

汽车尾气污染问题已经成为当今世界最为严重的环境污染问题之一，直接影响到人类的生存健康，阻碍经济社会的可持续发展。
　　在技术进步的推动下，昔日不受重视的柴油车日益成为各国车商下一轮发展新产品的战略目标，全球汽车行业即将步入汽车柴油化时代。然而，柴油机排放物的污染问题也日益突出。尾气排放中所含的大量有害颗粒物，即所谓“冒黑烟”问题能否得到有效遏制，成为制约我国大量使用既节能又经济的柴油车的瓶颈。
　　尾气后处理技术是解决当今柴油机排放问题最直接、最有前途的办法。目前，柴油机排气微粒后处理技术中，最主要的是微粒捕集器技术，当微粒过滤物在过滤器中堆积过多时，会使柴油机性能恶化，必须定期除去微粒，即过滤器再生。鉴于这种情况，为尽可能的提高排气微粒的去除率，世界各国除了努力改善柴油机工作过程，大力开发排气微粒过滤器外，也在研究用催化剂催化净化柴油机排气微粒及气态有害排放物。目前，各国主要还是研究以铂、铑、钯等贵金属作为催化剂，但是，由于其价格昂贵，给实际应用带来了极大的困难。
　　本课题正是针对这一领域的研究，将微粒过滤器技术与氧化催化器技术相结合，以达到提高排气微粒去除率的目的，并同时克服再生这一技术难题。
　　试验根据中国国情出发，以我国储量丰富的稀土及过渡金属元素为主要原料，制成稀土钙钛矿型金属氧化物（La1-xKxCoO3）催化剂。用溶胶-凝胶法制备La1-xKxCoO3钙钛矿型金属氧化物催化剂，确定了当掺杂比X=0.15时，催化剂La0.85K0.15CoO3拥有最强的催化活性，进一步对催化剂制备的焙烧温度进行了优化选择，得出焙烧温度为700℃时，所制备的催化剂La0.85K0.15CoO3拥有最强的催化活性。并将其浸渍到涂覆有活性氧化铝涂层的蜂窝陶瓷载体上去，进行了高活性催化剂的筛选评价工作，得出：以稀释比为1：3的铝溶胶为浸渍液，采用一次涂覆技术制备Al2O3/蜂窝陶瓷体（此时氧化铝含量为陶瓷质量的10.05％），并以25%La0.85K0.15CoO3 Al∶2O3为参数的整体陶瓷催化剂拥有最好的催化处理效果。并进行了柴油发动机台架试验（试验工况条件下，排气温度为185℃左右），台架试验得出：该钙钛矿型催化器对PM的去除率高达98.83%；对HC的去除率为27.62%；对CO的去除率为40.56%；对NOx的去除率为5.22%。
　　同时，还进行了催化器的再生试验。得出：以压力损失达到一定值时作为再生时机的选择判定；该钙钛矿型催化器对于PM的催化转化活性大大增强，其T50%=365℃，在400℃条件下的t50%=10min，均远优于空白陶瓷催化器。而且更为重要的是，柴油机在高速、大负荷工况下的排气温度较易达到365℃～400℃，有些涡轮增压发动机的排气温度甚至更高，能够满足催化器的作用温度范围，从而实现催化器的再生，而无需另外的再生装置与能源，大大节省了再生成本。
　　可见，钙钛矿型催化器对于柴油机排气微粒的去除具有很好的处理效果和应用前景。

目录

钙钛矿型催化器净化柴油机排气微粒的研究

RESEARCH ON PEROVSKITE-TYPE FILTER FOR PURIFICATION OF DIESEL EXHAUST PARTICULATE

摘 要

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外相关技术研究现状

1.2.1 柴油机排气微粒控制技术的发展阶段

1.2.2 柴油机排气微粒净化剂的研发简况

1.2.3 常用微粒排放后处理技术

1.2.4 尾气净化装置再生技术研发简况

1.2.5 柴油机排放法规的发展

1.2.6 改善柴油机排放微粒控制技术的研究方向

1.3 本课题思路及主要研究内容

1.3.1 试验思路

1.3.2 主要研究内容

第2章 试验及装置的构建

2.1 小试试验装置的构建

2.1.1 化学原料及试剂和反应气体

2.1.2 试验仪器及设备

2.1.3 催化剂活性评价装置及方法

2.2 中试试验装置的构建

中试装置整体结构图

2.2.2 催化转化器结构

2.2.3 催化器性能评价指标

2.3 催化剂的制备

2.3.1 钙钛矿型催化剂的制备方法

2.3.2 整体负载型尾气催化剂制备方法

第3章 蜂窝陶瓷载体及活性涂层

3.1 蜂窝陶瓷载体

3.1.1 陶瓷的预处理

3.1.2 陶瓷吸水率

3.2 活性涂层

3.3 空白载体对比试验

3.4 有无活性涂层的对比试验

3.5 催化剂的表征

3.5.1 空白陶瓷及活性涂层

3.5.2 整体陶瓷颗粒催化剂

3.6 本章小结

第4章 高活性催化剂的筛选

4.1 催化剂的设计与实验方法

4.1.1 催化剂的组成

4.1.2 催化剂的设计方案

4.1.3 试验方法

4.2 催化剂的制备

4.2.1 试验设备及药品

4.2.2 催化剂的制备

4.3 催化剂活性评价指标

4.3.1 排气微粒（PM）

4.3.2 气体组分

4.4 实验结果与讨论

4.4.1 La1-xKxCoO3掺杂比X的确定

4.4.2 La0.85K0.15CoO3焙烧温度的选择优化

4.4.3 La0.85K0.15CoO3/Al2O3催化活性

4.4.4 La0.85K0.15CoO3/Al2O3/陶瓷颗粒催化活性

4.5 本章小结

第5章 中试催化剂制备及评价

5.1 中试催化剂的制备

5.1.1 不同涂层负载方法的比较

5.1.2 La0.85K0.15CoO3/铝溶胶/蜂窝陶瓷的制备

5.2 实验结果及讨论

5.2.1 氧化铝负载量与排气压力损失的关系

5.2.2 铝溶胶的稀释比对催化活性的影响

5.2.3 浸渍法制备催化剂均匀性分析

5.3 本章小结

第6章 柴油发动机台架试验

6.1 试验用柴油机性能参数

6.2 钙钛矿型催化器性能评价

6.2.1 钙钛矿型催化器结构

6.2.2 整机实验及结果

6.3 催化器再生的研究

6.3.1 再生的必要性及再生时机的选择

6.3.2 实验结果及讨论

6.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢