CN211448802U - 一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置 - Google Patents

一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置 Download PDF

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杨淑瑶
浦实
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张硕
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Abstract

本实用新型涉及汽车尾气处理技术领域，提供了一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，包括壳体，所述壳体具有供微波进入的微波进入端、供汽车尾气进入的尾气进入端、用于放置可由所述微波加热的三效催化剂的安置腔以及用于排放净化后的尾气的尾气排出端，所述微波进入端和所述尾气进入端均与所述安置腔的入口连通，所述尾气排出端设于所述安置腔的出口处。本实用新型的通过采用微波加热升温的方式达到催化剂的起燃温度，使得本装置迅速、均匀地升温而工作在最佳状态，解决了冷启动问题；同时还利用微波的诱导催化作用，使SO2被还原为硫单质，NO被还原为N2，从而达到脱硫、脱硝的目的。

Description

一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置
技术领域
本实用新型涉及汽车尾气处理技术领域，具体为一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置。
背景技术
随着国民经济的高速增长，我国各大城市的燃油车拥有量与日俱增，然而燃油车数量的增加也带来了不可忽视的尾气排放问题。汽车尾气中所含的 CO、NOx、SOx、未燃碳氢化合物HC、颗粒物PM等多种气体危害人体，形成雾霾、造成温室效应等恶劣现象。
汽车常用的三效催化剂处理汽车尾气存在两个个处理盲区：
SO2处理技术缺失与汽车冷启动排放，现有的三效催化剂并不具备除硫的效果，导致尾气中的SO2被直接排放入大气中，导致雾霾的产生和酸雨的产生。严重降低国民生活质量，解决硫排放问题刻不容缓。
冷启动排放根本原因是三效催化剂在温度在400～600℃达到起燃温度，而催化剂在环境温度下启动时催化效果差而导致有毒气体未经处理就直接排入大气，造成严重的污染。近十年来，电辅助加热催化净化、催化剂前移、增设高温紧凑型净化器等方法相继问世。其中，电加热法虽然效果较好，但是功率超过2kw，能耗较大，且被加热的金属难以和催化物结合。而其他设计均由于耐高温催化剂需要而大幅度增加成本难以投入生产使用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，通过采用微波加热升温的方式达到催化剂的起燃温度，使得本装置迅速、均匀地升温而工作在最佳状态，解决了冷启动问题；同时还利用微波的诱导催化作用，使SO2被还原为硫单质，NO被还原为N2，从而达到脱硫、脱硝的目的。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，包括壳体，所述壳体具有供微波进入的微波进入端、供汽车尾气进入的尾气进入端、用于放置可由微波加热的三效催化剂的安置腔以及用于排放净化后的尾气的尾气排出端，所述微波进入端和所述尾气进入端均与所述安置腔的入口连通，所述尾气排出端设于所述安置腔的出口处。
进一步，所述微波进入端包括第一同轴线以及用于将微波馈入所述第一同轴线内的耦合环，所述第一同轴线与所述安置腔连通。
进一步，所述尾气进入端包括第二同轴线，所述第二同轴线为锥形同轴线，且所述第二同轴线的大口径段与所述安置腔连通。
进一步，所述安置腔为谐振腔，所述谐振腔的内壁为可反射微波的金属内壁。
进一步，所述尾气排出端包括用于消除微波的微波消除结构。
进一步，所述微波消除结构包括设于依次设置的汇聚管以及微波截止管，所述汇聚管与所述安置腔的出口连通。
进一步，所述三效催化剂包括活性炭、吸波件以及催化剂载体。
进一步，所述吸波件为泡沫陶瓷。
进一步，所述三效催化剂为多层结构，所述多层结构包括多层所述吸波件以及至少一层所述活性炭，各层所述吸波件沿烟气通过的方向依次间隔设置，第一层所述吸波件靠近所述安置腔的入口，且每一相邻的两层所述吸波件之间均设有所述催化剂载体，所述活性炭设于最后一层所述吸波件远离所述催化剂载体的一侧。
进一步，还包括用于对提供的微波进行控制的微波控制器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，通过采用微波加热升温的方式达到催化剂的起燃温度，使得本装置迅速、均匀地升温而工作在最佳状态，解决了冷启动问题；同时还利用微波的诱导催化作用，使SO2被还原为硫单质，NO被还原为N2，从而达到脱硫、脱硝的目的。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置的立体图；
图2为本实用新型实施例提供的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置的剖视图；
图3为本实用新型实施例提供的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置的工作框图；
图4为本实用新型实施例提供的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置的微波控制器示意框图；
图5为本实用新型实施例提供的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置的三效催化剂的示意图；
附图标记中：1-标准同轴线；2-耦合环；3-锥形同轴线；4-谐振腔；5-汇聚管；6-微波截止管；70-活性炭；71-吸波件；72-催化剂载体；73-陶瓷纤维。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1和图2，本实用新型实施例提供一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，包括壳体，所述壳体具有供微波进入的微波进入端、供汽车尾气进入的尾气进入端、用于放置可由所述微波加热的三效催化剂的安置腔以及用于排放净化后的尾气的尾气排出端，所述微波进入端和所述尾气进入端均与所述安置腔的入口连通，所述尾气排出端设于所述安置腔的出口处。在本实施例中，该壳体具有三个端口，其中一个端口是供微波进入的微波进入端，第二个端口是供尾气进入的尾气进入端，第三个端口是供净化后的尾气排放的尾气排出口，在壳体内，有一安置腔，其中安置有三效催化剂，它能够与微波配合处理掉尾气中的污染物，例如SO2和NO，其中 SO2最终被还原为硫单质，而NO被还原为N2，从而达到脱硫、脱硝的目的，当然其他污染物也是如此，均能够被净化。在本装置中，微波由微波发生装置得来。比起传统的做法，通过微波来与三效催化剂进行配合，微波可以在短时间内在安置腔内产生高温，进而达到三效催化剂的起燃温度，而这一个升温方式即微波热效应。而从另外的角度，微波除了其热效应以外，它还存在其本申以及场的作用等许多因素引起的非热效应，即微波对离子或极性分子Lorentz力作用，强迫其按照电磁波方式运动，导致熵减小，微波作用于化学反应，改变了反应的动力学，改变了反应的活化能，因此，在适宜的条件下能够加快化学反应速率，可以缩短反应时间，可以提高尾气中污染物去除效率。
以下为具体实施例：
优化上述方案，请参阅图1和图2，所述微波进入端包括第一同轴线以及用于将微波馈入所述第一同轴线内的耦合环2，所述第一同轴线与所述安置腔连通。同时，所述尾气进入端包括第二同轴线，所述第二同轴线为锥形同轴线3，且所述第二同轴线的大口径段与所述安置腔连通。还有所述安置腔为谐振腔4，所述谐振腔4的内壁为可反射微波的金属内壁。另外，所述三效催化剂包括活性炭70、吸波件71以及催化剂载体72，优选的，所述吸波件71为泡沫陶瓷，催化剂载体72为蜂窝陶瓷催化剂。在这几个实施例中，第一同轴线为标准同轴线1，通过该标准同轴线1将2.45GHz微波通过磁耦合方式，即通过耦合环2将微波馈入锥形同轴线3内，汽车尾气经由内锥形同轴线3 通入谐振腔4内部与微波汇聚，谐振腔4内应放置三效催化剂(图中未给出)，污染物在穿越谐振腔4中的催化剂过程中就能够被除去。在这几个实施例中，三效催化剂中的吸波件71为高效吸波材料，利用微波能量加热高效吸波材料有着十分显著的优点，与热传导不同，微波加热吸波材料拥有更快的速度，同时材料各部分受热更均匀，加热效果更好，因为三效催化剂在净化尾气时需要快速受热起燃，但由于催化剂总量很小，仅靠催化剂的吸波能力远不能使催化剂与馈入微波腔中的微波能达到合理的匹配，其结果不仅造成微波功率大量浪费，还会导致微波发生器的损坏，因此采用泡沫陶瓷可以起到良好的吸热效果。优选的，泡沫陶瓷以SiC为基料，引入铁氧体和硅粉，SiC是电损耗型吸波材料，具有较高的电损耗正切角，依靠介质的电子极化、离子极化、分子极化或界面极化衰减吸收电磁波，铁氧体是磁损耗型吸波材料，具有较高的磁损耗正切角，利用磁滞损耗、畴壁共振和自然共振后效损耗等磁极化机制衰减吸收电磁波，铁氧体的引入能显著提高泡沫陶瓷材料吸波性能，然而引入量过高时会破坏材料内部泡孔结构，不利于材料对电磁波的吸收，铁氧体引入量的质量分数为10％时，材料具有较好的电磁损耗效果。这种双吸波陶瓷载体将通过电损耗与磁损耗的互补得以均匀加热。另外，泡沫陶瓷载体有比蜂窝陶瓷载体大数倍的气阻，为减小气阻，必须数倍减小泡沫陶瓷的厚度，这等价于数倍减小需微波加热的体积，因而可以减少所需的微波功率，同时也使得该装置能较为方便地安装在汽车尾部，陶瓷材料还具有足够的比表面积，有利于催化剂活性成分的高度分散附着，增加尾气和催化剂的接触面积，从而提高活性成分的利用率，陶瓷材料具有低热容量和高热导率，达到催化反应所需温度的时间较小，在SiC颗粒中填充Si可减小其热膨胀系数，从而保证载体经受温度的急剧变化而不破裂。将羟甲基纤维素溶于水中，超声分散，得粘性液体，在粘性液体中加入碳化硅微粉、铁氧体磁性纳米纤维、碳酸钙微粉和硅粉，搅拌均匀，加入硅溶胶充分混合均匀后置于成型容器中成型，再经过高温烧结即可得到泡沫陶瓷吸波材料。利用谐振腔4以最短时间将催化剂载体72加热至起活温度，从而达到为汽车尾气处理效率最大化。谐振腔4的腔体内四壁均为钢铁等金属材料，由于微波在传输过程中遇会发生金属反射，造成微波在腔体内发生多次反射，入射波和反射波叠加后在空间中形成驻波，腔内加热就是通过驻波的方式进行的。当传输距离小于 10个波长时，微波方向性不明显，易在腔体内形成谐振状态。
进一步优化上述方案，请参阅图5，所述三效催化剂为多层结构，所述多层结构包括多层所述吸波件71以及至少一层所述活性炭70，各层所述吸波件 71沿烟气通过的方向依次间隔设置，第一层所述吸波件71靠近所述安置腔的入口，且每一相邻的两层所述吸波件71之间均设有所述催化剂载体72，所述活性炭70设于最后一层所述吸波件71远离所述催化剂载体72的一侧。在本实施例中，吸波件71作为谐振腔4内的吸收能量的主要材料，其分布决定了催化剂载体72与活性炭70的温度分布，若是只有单片吸波件71，必然导致催化剂载体72与活性炭70温度分布不均匀，造成催化剂无法发挥最大效用和温度测量的误差，造成温度控制的错误判断，因此采用多层结构，可以解决这一问题。优选的，在多层结构的两侧设陶瓷纤维73，陶瓷纤维73主要起到减震、绝热的目的。
作为本实用新型实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述尾气排出端包括用于消除微波的微波消除结构。优选的，所述微波消除结构包括设于依次设置的汇聚管5以及微波截止管6，所述汇聚管5与所述安置腔的出口连通。在本实施例中，由于微波泄漏会对人体和环境造成潜在的危险，净化后气体与微波会进入汇聚管5，该汇聚管5为锥形汇聚管5，其大口径段与谐振腔4 连通，气体顺管道进入大气，采用微波截止管6以及金属丝线网来对微波进行处理，通过设计截止波导管半径以及长度，可以将微波衰减到10dBm以下，从而保证了装置对人体的安全性。其中微波截止管6为波导管，根据波导理论，波导管存在一个截止频率，即截止波导，当信号频率高于截止频率时波导管是导通的，电磁波被截止或衰减而不能传输，这与高通滤波器的频率特性相似。利用这个原理可以设计出2.45GHz的截止波导管，使得微波功率在波导的截止区内无法传输而出现反射。本装置采用TM11工作模式，由公式：
Figure DEST_PATH_GDA0002573322630000071
其中TM11模Vmn＝3.832，得微波截止管R<0.61*λcTE，即R<74mm。结合汽车实际尾气管尺寸，最终确定R＝25mm满足截止条件。
作为本实用新型实施例的优化方案，请参阅图3和图4，本装置还包括用于对提供的微波进行控制的微波控制器。另外，本装置还包括用于测量所述安置腔内的温度的多点温度测量***。这两个实施例是本装置优选的两个附加方案，它们可以分别对微波进行控制以及测量谐振腔4内的温度。汽车尾气进入后，经过本装置进行净化，净化完后再经过气体分析仪进行成分的分析，确保尾气被处理干净。磁控管产生的微波功率在0-3kW之间，需满足连续可调,需要设计相应AC-AC电力电子电路予以控制。为了防止微波反射对磁控管造成损坏，在微波发生***和谐振腔4之间加装环形器，采用多个温度传感器分布于活性炭70层以及蜂窝陶瓷载体的温度综合考虑各点温度以施加合适的控制。在温度传感器引出端接入滤波电容，消除高频干扰。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体具有供微波进入的微波进入端、供汽车尾气进入的尾气进入端、用于放置可由微波加热的三效催化剂的安置腔以及用于排放净化后的尾气的尾气排出端，所述微波进入端和所述尾气进入端均与所述安置腔的入口连通，所述尾气排出端设于所述安置腔的出口处。
2.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述微波进入端包括第一同轴线以及用于将微波馈入所述第一同轴线内的耦合环，所述第一同轴线与所述安置腔连通。
3.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述尾气进入端包括第二同轴线，所述第二同轴线为锥形同轴线，且所述第二同轴线的大口径段与所述安置腔连通。
4.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述安置腔为谐振腔，所述谐振腔的内壁为可反射微波的金属内壁。
5.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述尾气排出端包括用于消除微波的微波消除结构。
6.如权利要求5所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述微波消除结构包括设于依次设置的汇聚管以及微波截止管，所述汇聚管与所述安置腔的出口连通。
7.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述三效催化剂包括活性炭、吸波件以及催化剂载体。
8.如权利要求7所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述吸波件为泡沫陶瓷。
9.如权利要求7所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：所述三效催化剂为多层结构，所述多层结构包括多层所述吸波件以及至少一层所述活性炭，各层所述吸波件沿烟气通过的方向依次间隔设置，第一层所述吸波件靠近所述安置腔的入口，且每一相邻的两层所述吸波件之间均设有所述催化剂载体，所述活性炭设于最后一层所述吸波件远离所述催化剂载体的一侧。
10.如权利要求1所述的一种基于微波热和非热效应催化的汽车尾气多效净化装置，其特征在于：还包括用于对提供的微波进行控制的微波控制器。
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