柴油機Cu基分子篩催化劑的特性研究

鐘秋月，高延新，胡帥

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著環(huán)境惡化的加劇，機動車排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，發(fā)動機排放開發(fā)難度逐漸增大。柴油機的主要污染物是 NOx和PM。SCR技術(shù)已經(jīng)成為柴油機為了滿足國四、國五及更高排放的主要去除NOx技術(shù)。

在SCR中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

尿素水解：

（NH2)2CO+H2O—2NH3+CO2

NOx還原：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

催化劑作為 SCR催化器的核心組成部分，主要分為兩類：一類是以V2O5-WO3-TiO2為主的釩基催化劑，另一類是Cu-ZSM-5和Fe-ZSM-5為主的分子篩催化劑。

本文通過試驗對三種催化劑的性能進行對比，并單獨對Cu基分子篩的催化性能進行研究。

2 試驗設(shè)備

如圖1所示，試驗設(shè)備為裝有SCR后處理系統(tǒng)的柴油機試驗臺架。

3 Cu基分子篩特性研究

3.1 不同種類催化劑的性能對比

（1）溫度的影響

催化劑的催化效率會隨著溫度的變化而變化，因此溫度是影響催化劑性能的一個重要指標(biāo)。

如圖2所示，Cu基分子篩與釩基催化劑和Fe基分子篩相比，低溫時轉(zhuǎn)化效率較高；在 400℃以上，三者均具有良好的轉(zhuǎn)化效率。

但考慮到國六階段柴油機的技術(shù)路線為 DOC+DPF+SCR，DPF再生時SCR入口溫度在600℃以上，釩基SCR在550℃發(fā)生揮發(fā)，會對污染環(huán)境。因此綜合低溫性能和高溫性能，Cu基分子篩性能最優(yōu)。

圖1 催化劑效率測試臺架

圖2 溫度對催化劑的影響

（2）熱老化的影響

隨著排放法的加嚴(yán)，催化器的排放耐久性越來越受到重視。但是車輛在實際運行過程中，催化劑肯定會發(fā)生不同程度的老化，使轉(zhuǎn)化效率下降。

圖3 老化對催化劑的影響

圖3是三種催化劑經(jīng)過670℃/64h水熱老化后對NOx的轉(zhuǎn)化效率。如圖3所示，經(jīng)過水熱老化后，在300℃時，銅基分子篩SCR和鐵基分子篩SCR的轉(zhuǎn)化效率仍可達(dá)到80%以上，效率衰減比較輕微；然而釩基SCR的老化效率卻衰減到20%以下，基本失去轉(zhuǎn)化功能。

3.2 Cu基分子篩的特性分析

（1）空速的影響

圖4 空速對新鮮態(tài)轉(zhuǎn)化效率的影響

圖5 空速對老化態(tài)轉(zhuǎn)化效率的影響

由圖4、圖5可知，隨著空速的增加，NOX的轉(zhuǎn)化效率逐漸降低，這是由于空速的增加導(dǎo)致NOx與催化劑接觸的時間變短，反應(yīng)不完全。盡管空速會影響NOx的轉(zhuǎn)化效率，在300℃-500℃之間，三種空速下新鮮態(tài)Cu基分子篩的轉(zhuǎn)化效率均可高達(dá)95%以上，而老化態(tài)Cu基分子篩的效率略有降低。

（2）新鮮態(tài)與老化態(tài)的儲NH3能力對比

催化劑的儲 NH3能力是衡量催化劑能力的一個重要指標(biāo)。

圖6 新鮮態(tài)與老化態(tài)存儲能力的對比

由圖6可知，Cu基分子篩的儲NH3能力隨著溫度的升高而逐漸降低。新鮮態(tài)Cu基分子篩在250℃時可以儲存2.7g/l的NH3，而老化態(tài)只能儲存1.7g/l，降低了37%。但由于Cu基分子篩存儲能力隨著溫度的升高而逐漸降低，新鮮態(tài) Cu基分子篩存儲能力衰減較快，因此在 400℃時新鮮態(tài)和老化態(tài)存儲能力達(dá)到一致。

4 結(jié)論

本文通過試驗數(shù)據(jù)對比，可以得出如下結(jié)論：

（1）與釩基催化劑、Fe基分子篩相比，Cu基分子篩在低溫段及高溫段轉(zhuǎn)化效率較高。并且反應(yīng)溫度窗口較釩基催化劑寬。在進行老化后，Cu基分子篩較其余兩種催化劑效率高。

（2）隨著空速的增加，Cu基分子篩的轉(zhuǎn)化效率降低，但新鮮態(tài)在 250℃-450℃轉(zhuǎn)化效率仍可達(dá)到 95%以上，老化態(tài)效率略有衰減。

（3）Cu基分子篩儲NH3能力隨著溫度的升高而逐漸降低，老化后的Cu基分子篩儲NH3能力降低。

在面對國六法規(guī)時，Cu基分子篩既可以滿足低溫時高轉(zhuǎn)化效率的要求，又可以滿足DPF后高溫對催化劑熱老化的影響，因此在國六階段SCR催化劑建議選擇銅基分子篩。