汽车尾气氮氧化物还原的机理研究

摘要

机动车给人们日常生活带来便利的同时，其尾气排放对自然环境和人类健康造成了恶劣的影响。为满足日益严格的排放法规，采用后处理技术势在必行。工作在富氧工况下的柴油机，其NOx排放控制是重点，也是难点。NOx存储还原技术(NSR)耦合选择性催化还原(SCR)具有结构简单、不需额外存储设备、贵金属使用量低、宽阔的有效温度窗口和高效的NOx去除效率等优点，该技术引起了研究者们的关注。本文关注NSR-SCR系统中反应副产物NH3和N2O，对NOx催化还原反应进行了研究。
　　建立以贵金属铂(Pt)为催化剂的NO/H2详细化学反应机理，该机理包含6种气相组分、10种表面组分，总计28个反应步。该机理模型定量地重现了实验数据，由此验证了模型的合理性。利用建立的模型预测了不同ψNo/ψH2情况下含氮组分随温度的变化情况，结果表明入口H2摩尔分数对副产物NH3生成选择性影响较显著。对NH3生成的动力学研究结果显示，第一步加H反应(N(s)+H(s)→NH(s))对NH3生成影响较小，第二步加H反应(NH(s)+H(s)→NH2(s))在低温条件下影响最大。由覆盖度分析和敏感性分析可知，NH(s)是活性表面的主要组分，N原子第二步加H反应为NH3生成决速步。
　　在NO/H2反应体系的基础上，建立了Pt表面NO/CO详细反应机理，机理包括5种气相组分、5种表面组分，共计11个反应步，该机理中的NOx相关反应与NO/H2反应机理中的一致。该模型能够较好地预测实验值的变化规律，其合理性得到了验证。副产物N2O在低温、低NO转化率时有大量生成，温度升高N2O逐渐分解，N2成为主要产物。对主要产物N2和副产物N2O的反应路径分析结果表明，N2生成的两种反应路径中，N-N结合路径(N(s)+N(s)→N2）在低温、低N2生成量时反应速率高于N2O分解反应步(N2O(s)→N2+O(s))，当N2生成量较高时，N2O分解反应成为N2生成的主要路径。另外，该模型还准确地预测了NO/CO反应体系中的CO自抑制效应，即入口CO摩尔分数升高会导致NO转化率降低，并发现温度的升高可缓解该抑制效应。