當量比天然氣發動機Pd/Rh基三元催化器起燃特性研究

唐 飛, 錢葉劍, 王朝元, 孟 順, 花 陽, 莊 遠

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

為滿足日益嚴格的排放標準,當量比燃燒結合三元催化器(three-way catalyst,TWC)成為當前天然氣發動機的主流技術路線[1-3]。天然氣發動機的未燃碳氫排放主要是難以氧化的甲烷(CH4),CH4與氮氧化物(NOx)會在汽油機的TWC中生成有毒腐蝕性氣體NH3和溫室氣體N2O等。我國的國VI重型車排放標準對CH4和NH3排放有嚴格的限值要求。因此,開發天然氣發動機高效專用TWC具有重要的實際意義。

國內外學者曾研究過Pd基催化劑對CH4氧化反應和Rh基催化劑對NO還原反應的影響[4-7],指出貴金屬種類、排氣溫度和組分濃度對CH4、NO、CO起燃性有重要影響。文獻[8]發現貴金屬Pd具有較好的CH4氧化能力,低溫活性好;文獻[9]指出排氣中過量O2會抑制Pt基催化器上NO還原反應,低溫下適量O2可以消除覆蓋在催化劑表面的H原子,促進NO還原反應;文獻[10]則認為在低溫富氧條件下,Pt催化劑表面NO與吸附O2生成硝酸鹽,并進一步還原形成N2等;文獻[11]指出廢氣的稀釋作用還可以使O2的相對濃度下降,從而降低NOx的排放;文獻[12]也發現不同O2濃度對NOx轉化效率有一定的影響,且變化程度隨著O2濃度的變化而有所不同;文獻[13]研究了Pd/Al2O3催化劑上不同H2O含量對CH4氧化反應的影響,發現隨著H2O含量增加,催化器的起燃時間大幅增加;文獻[14]發現無H2O條件下,Pd基催化器上NO會抑制CH4氧化,有H2O存在時,NO則會促進CH4的氧化。

綜上可知,當前研究多是基于貴金屬Pt和Pd開展的天然氣發動機TWC催化反應機理研究,很少涉及Rh以及組合Pd/Rh的催化反應機制研究。

本文建立一種適用于當量比燃燒天然氣發動機的TWC模型,構建基于Pd、Rh以及組合Pd/Rh(質量比8∶1)的催化反應機理,研究CH4、NO和CO的起燃特性,分析貴金屬、H2O和O2對催化反應機理的影響規律。

1 反應計算模型

1.1 反應器參數

催化器的化學反應計算模型主要有入口氣體參數模塊、催化器參數模塊、出口氣體參數模塊、表面催化反應參數模塊、數據輸出模塊等,其簡化模型如圖1所示。

圖1 計算模型簡化圖

模型嚴格遵循質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和物質的瞬態守恒方程。不考慮傳熱損失,溫度只沿著軸向發生變化,反應過程中僅考慮涂覆層和層流之間的傳熱傳質,不考慮在涂覆層中的擴散作用。反應器尺寸及催化劑參數見表1所列。

表1 反應器尺寸及催化劑參數

1.2 反應機理

參考不同文獻的CH4氧化和NO還原反應機理[15-17],經修正優化,本文建立了基于Pd、Rh和組合Pd/Rh的催化反應機理,包括10種氣相組分和17個總包反應,具體反應機理見表2所列。

文獻[17]認為TWC前后端NO2的體積分數始終為0,反應機理忽略了涉及NO2的反應步驟。

表2 表面催化反應機理

1.3 反應動力學方程

排氣各組分的轉化效率主要由化學反應速率決定,具體反應速率表達式為:

ωi=KiCconcG(i)θ(i)

(1)

其中:Cconc為反應物濃度乘積;θ(i)為覆蓋率表達式;G(i)為阻聚項。速率常數為:

(2)

(3)

G2(X,TS)=TS(1+Ka,4XCO+

(4)

(5)

其中:Ai為反應i的指前因子;βi為反應i的溫度指數,這里取0;Ei為反應i的活化能,單位kJ/mol;R為理想氣體常數,R=8.314 J/(mol·K);T為反應溫度,單位K。(2)式是阿倫尼烏斯速率公式。一般來說,不同的催化劑配方具有的反應機理,化學反應動力學計算時應對機理中化學反應動力學參數(指前因子、反應活化能)進行修正,以確保計算結果的準確性。

2 結果與討論

2.1 模型驗證與分析

通過優化反應動力學參數和反應速率變量,將模型計算結果與文獻[6]、文獻[18-22]的實驗數據進行比較，結果如圖2所示。

從圖2可以看出,模型計算結果與實驗數據吻合良好,變化趨勢相近。這說明構建的反應機理能準確描述當量比天然氣發動機TWC的內部反應,可以進行后續預測研究。

模擬計算條件為:入口氣體質量流量18 g/s,入口溫度373～1 173 K,升溫速率10 K/min。若無特別說明,H2量一般為CO的1/3,主要配氣成分及體積分數為φ(CH4)=0.17%,φ(CO)=0.47%,φ(H2)=0.14%,φ(NO)=0.25%,φ(CO2)=9.25%,φ(H2O)=18%,氮氣為平衡氣。

圖2 Pd、Rh、Pd-Rh基TWC中尾氣轉化過程的模擬

根據λ的定義[3],當量比條件下進氣流中應有φ(CO2)=0.45%,則有：

(6)

反應物轉化率計算公式為:

(7)

其中,φi,f、φi,m分別為進出口對應的i組分體積分數。

2.2 貴金屬對CH4、NO和CO起燃特性影響

當量比燃燒天然氣發動機的排氣溫度高。本文采用程序升溫法,在升溫速率為10 K/min時,研究不同貴金屬對CH4、NO和CO起燃特性的影響。起燃特性用起燃溫度和完全轉化溫度來表征,分別代表CH4、NO和CO等排放物轉化率達到50%和90%時對應的溫度,用T50和T90表示。

入口φ(O2)=0.45、φ(H2O)=18%條件下3種貴金屬對CH4、NO和CO起燃特性的影響如圖3所示。

從圖3a可以看出:在溫度達到600 K時Pd基催化器上CH4開始發生氧化反應,Rh基催化器則要到630 K時CH4才開始反應;Rh基催化器CH4的T50和T90分別為750 K和770 K,比Pd基催化器的提高約60 K。從圖3a還可以看出,在Rh基催化器中添加適量貴金屬Pd,CH4的T90略微降低。因此,Pd基催化器的CH4氧化反應所需活化能低,有利于CH4的催化氧化。

從圖3b可以看出:不同貴金屬對NO的催化轉化影響較大,在整個溫度范圍,Rh基催化器上NO轉化率高于其他2種催化器;Rh基催化器上NO起燃溫度T50要比Pd基和組合Pd/Rh基的T50分別降低60 K和45 K,說明在Rh基催化器上NO還原反應所需的活化能低,在Pd基催化器中適量添加Rh可以促進NO催化轉化。

從圖3c可以看出:不同貴金屬對CO催化轉化影響不大,Rh基催化器上CO的T50比Pd基和組合Pd/Rh基的T50分別低了10 K和25 K,說明在Rh基催化器上CO反應所需的活化能低;在Pd基催化器中添加Rh卻抑制了CO催化轉化;當溫度超出一定范圍,隨著溫度繼續升高,CO轉化率下降,并最終穩定下來，原因是高溫下CH4會發生蒸汽重整反應(SR)生成CO和H2。

圖3 不同貴金屬對CH4 、NO和CO起燃特性的影響

綜上所述,Pd基催化器上CH4的起燃溫度T50和完全轉化溫度T90較低,有利于CH4催化轉化;Rh基催化器上NO催化轉化效果好;在Pd基催化器中添加適量Rh能促進NO還原,但抑制了CO轉化。

2.3 排氣組分對CH4、NO和CO起燃特性影響

2.3.1φ(H2O)對CH4、NO和CO起燃特性影響

當量比燃燒天然氣發動機的排氣中φ(H2O)高。為了直觀分析φ(H2O)的影響,入口組分置H2,忽略H2O引起的催化劑失活效應。標準大氣壓、φ(O2)=0.45%下,不同的φ(H2O)(0%、9%、18%、27%)對CH4、NO和CO起燃特性的影響如圖4所示。

從圖4a、圖4b可以看出,不同貴金屬催化器上CH4的起燃特性隨φ(H2O)變化的趨勢相同。隨著φ(H2O)的增加,CH4的T50和T90都降低。例如,對于Rh基催化器,當φ(H2O)=27%時,CH4的T50、T90比φ(H2O)=0%時分別下降了256、406 K,CH4轉化得到促進,原因是H2O與CH4發生了SR反應[23]。不同貴金屬催化器上CH4起燃性能受φ(H2O)的影響從大到小順序為Rh、Pd/Rh、Pd。從圖4c、圖4d可以看出,Rh基和組合Pd/Rh基催化器上NO的T50受φ(H2O)的影響較小。但隨著φ(H2O)的增加,Pd基催化器NO的T50和T90逐漸降低,說明H2O有利于Pd基催化器上NO催化轉化。當φ(H2O)高于9%時,隨著φ(H2O)的增加,Pd/Rh基催化器上T90減小,H2O促進了NO催化轉化。當φ(H2O)低于9%時,隨著φ(H2O)的增加,Pd/Rh基催化器上NO的T90大幅提高,相較于無H2O條件提高了137 K,說明H2O抑制了NO催化轉化。不同貴金屬催化器上NO起燃性能受φ(H2O)的影響從大到小順序為Pd、Pd/Rh、Rh。從圖4e、圖4f可以看出,Rh基和組合Pd/Rh基催化器上CO的起燃特性受φ(H2O)的影響很小。不過,Pd基催化器上CO起燃特性受φ(H2O)的影響大一些,相較于無H2O條件下,φ(H2O)=9%下CO的T50、T90分別降低了114、126 K,說明H2O促進了CO催化轉化反應。不同貴金屬催化器上CO起燃性能受φ(H2O)的影響從大到小順序為Pd、Rh、Pd/Rh。

圖4 不同配方催化器上φ(H2O)對CH4、NO和CO起燃特性的影響

綜上可以看出,提高φ(H2O)可以改善CH4和NO的起燃性能,提高轉化率,原因是H2O會在催化劑表面吸附、解離形成O(s),并與CH4在催化劑表面生成的CHx發生反應生成CO、 H2,生成的CO、H2再與NO發生還原反應。

2.3.2φ(O2)對CH4、NO和CO起燃特性影響

NO能與H2、CO發生還原反應(表2中反應13、反應15)生成N2O和NH3,而N2O在強還原性氣氛中容易發生繼續還原反應(表2中反應14、反應16)生成N2,有效降低了N2O等污染物生成。然而,即使在富燃條件下,排氣中也含有大量的O2。因此,研究φ(O2)對NO等污染物的催化轉化影響具有重要現實意義。標準大氣壓、φ(H2O)=18%下,不同φ(O2)(0、1 000×10-6、4 000×10-6、8 000×10-6)對CH4、NO和CO起燃特性的影響如圖5所示。

從圖5a、圖5b可以看出,不同貴金屬催化器上CH4的起燃特性隨φ(O2)變化的趨勢相同。當φ(O2)低于4 000×10-6時,隨著φ(O2)的增加,T50和T90都降低,催化器更早地進入高效催化轉化狀態。當φ(O2)增加到8 000×10-6時,T50和T90略微增加,CH4催化轉化反應被抑制。例如,對于Rh催化器,φ(O2)=4 000×10-6時,CH4的T50和T90比φ(O2)=0時分別降低了60 K和100 K,φ(O2)升高到8 000×10-6時,T50和T90回升到760、777 K。不同貴金屬催化器上CH4起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Rh、Pd/Rh、Pd。

從圖5c、圖5d可以看出,Rh基和組合Pd/Rh基催化器上NO的T50受φ(O2)影響不大。不過,在φ(O2)低于4 000×10-6時,隨著φ(O2)增加,Pd基催化器上NO的T50略有降低,當φ(O2)達到8 000×10-6時,T50大幅提升,從590 K增加到667 K,一定范圍內,φ(O2)增加,有利于NO催化轉化,φ(O2)過高時,NO催化反應被抑制。這是因為當O2量增加到一定程度,O2會占據催化劑空位,減少了吸附位上N-O,導致NO的反應速率下降。不同貴金屬催化器上NO起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Pd、Pd/Rh、Rh。

圖5 不同配方催化器上φ(O2)對CH4、NO和CO起燃特性的影響

從圖5e、圖5f可以看出,隨著φ(O2)的增加,不同催化器上CO的T50和T90均降低。例如,對于Pd基催化器,φ(O2)=8 000×10-6時,CO的T50和T90比φ(O2)=0時分別降低了85、83 K。不同貴金屬催化器上CO起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Pd、Pd/Rh、Rh。

綜上可以看出,一定范圍內,φ(O2)增加能促進CH4、NO和CO轉化,φ(O2)過高時,CH4、NO轉化被抑制;不同貴金屬催化器上NO、CO起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Pd、Pd/Rh、Rh。不同貴金屬催化器上CH4起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Rh、Pd/Rh、Pd。

3 結 論

本文建立了基于Pd、Rh和組合Pd/Rh的TWC系統表面化學反應機理,研究了貴金屬種類和排氣組分對CH4、NO和CO起燃特性的影響。主要研究結論如下:

(1) Pd基催化器上CH4起燃溫度T50和完全轉化溫度T90較低,有利于CH4催化轉化;Rh基催化器對NO催化轉化效果好;Pd催化器中添加適量Rh能促進NO還原,卻會抑制CO轉化。

(2) 一定范圍內,增加φ(H2O)能促進CH4、NO和CO催化轉化，但不同貴金屬催化器上CH4、NO和CO起燃性能受φ(H2O)的影響不同。

(3) 一定范圍內,增加φ(O2)能促進CH4、NO和CO催化轉化;φ(O2)過高時,CH4、NO轉化被抑制。不同貴金屬催化器上NO、CO起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Pd、Pd/Rh、Rh,不同貴金屬催化器上CH4起燃性能受φ(O2)的影響從大到小順序為Rh、Pd/Rh、Pd。