Катализатор SCR также следует структуре носитель–покрытие–активный компонент; однако его активные компоненты принципиально отличаются от компонентов в TWC и DOC.
1. Перевозчик
Материалы: Поскольку системы SCR дизельных транспортных средств обычно располагаются после DOC и DPF, они сталкиваются с высокими температурами выхлопных газов, а также должны выдерживать риск кристаллизации мочевины. Поэтому:
Кордиеритовая сотовая керамика: широко используется и экономически эффективна.
Металлические носители: также широко используются, особенно для компактных конструкций или применений, требующих быстрого выключения.
Пластинчатые держатели: используются в некоторых крупных дизельных двигателях (например, в судовых двигателях или на электростанциях), обеспечивая превосходную защиту от засорения.
2. Покрытие
Материалы: Покрытие представляет собой химическое ядро катализатора SCR. Это уже не простой оксид алюминия, а оксид металла с каталитической активностью и адсорбционной способностью.
Диоксид титана (TiO₂): основной материал для большинства каталитических покрытий SCR. Обычно он находится в форме кристалла анатаза, который обеспечивает оптимальные свойства поверхности и стабильность, эффективно поддерживая активные компоненты.
Оксид вольфрама (WO₃) или оксид молибдена (MoO₃): добавляется к TiO₂ в качестве промоторов и стабилизаторов. Их основными функциями являются:
Повышают термическую стабильность катализатора, предотвращая переход TiO₂ из активной анатазной фазы в неактивную рутильную фазу.
Повысьте кислотность поверхности, что имеет решающее значение для адсорбции и реакции NH₃.
Повысить устойчивость к отравлению SO₂.
3. Активные компоненты
Они определяют тип и производительность катализатора SCR. К основным типам относятся
Катализаторы на основе ванадия: использование V₂O₅ в качестве активного компонента.
Характеристики: Зрелая технология, относительно низкая стоимость, высокая активность в диапазоне средних и высоких температур (300–400°C).
Недостатки: Ванадий обладает определенной биологической токсичностью; при высоких температурах (>450°C) V₂O₅ может улетучиваться, снижая активность и потенциально вызывая загрязнение окружающей среды; относительно низкая низкотемпературная активность.
Области применения: Ранние и многие современные большегрузные дизельные автомобили и денитрификация стационарных источников.
Цеолитные молекулярно-ситовые катализаторы:
Цеолиты меди: особенно структуры Cu-CHA (например, Cu-SAPO-34, Cu-SSZ-13), которые являются предпочтительным выбором для современных дизельных транспортных средств, соответствующих самым строгим нормам выбросов.
Цеолиты железа, такие как Fe-бета, проявляют хорошую активность в более высоких температурных окнах.
Характеристики:
Чрезвычайно высокая термическая стабильность: выдерживает температуры, превышающие 650°C, подходит для плотного размещения рядом с двигателем.
Широкий температурный диапазон активности: катализаторы Cu-CHA, в частности, обладают превосходной низкотемпературной активностью (выключение при температуре ~200°C) и высокотемпературной стабильностью.
Высокая эффективность преобразования NOx: способность соответствовать требованиям сверхнизких выбросов NOx, таким как China 6/Euro 6.
Катализаторы на основе редкоземельных элементов: недавняя разработка, направленная на снижение или замену драгоценных металлов и ванадия, хотя пока еще не получившая широкого коммерческого распространения.
Основные принципы химической реакции
Технология SCR в первую очередь основана на реакциях между NH₃ и NOx. Основная реакция — стандартная реакция SCR:
1. Стандартная реакция SCR (доминантная реакция):
4NH₃ 4NO O₂ → 4N₂ 6H₂O
Это наиболее распространенная реакция, в ходе которой удаляется около 90% NO из выхлопных газов.
2. Быстрая реакция SCR (критическая низкотемпературная реакция):
2NH₃ НЕТ НЕТ₂ → 2N₂ 3H₂O
Эта скорость реакции примерно в 10 раз выше стандартной реакции! Это объясняет, почему расположенный выше DOC окисляет NO с образованием NO₂. Когда соотношение NO к NO₂ достигает 1:1, эффективность системы SCR при низких температурах резко возрастает.
3. Медленная реакция SCR:
4NH₃ 2NO₂ O₂ → 3N₂ 6H₂O
Это происходит, когда доля NO₂ слишком высока, а скорость реакции относительно медленная.
Побочные реакции:|
Окисление NH₃: При чрезмерно высоких температурах NH₃ может окисляться кислородом с образованием NOx или N₂O, что может увеличить выбросы.
Образование N₂O: мощный парниковый газ, он может образовываться в определенных условиях в результате побочных реакций. Хорошо сформулированные катализаторы направлены на подавление этой реакции.
Интеграция и условия эксплуатации в системах доочистки дизельного топлива
Типичный процесс системы доочистки дизельного топлива Euro VI/China VI выглядит следующим образом:
Двигатель → DOC → DPF → SCR → ASC
English
