RU2421269C1 - Exhaust gas cleaner - Google Patents
Exhaust gas cleaner Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421269C1 RU2421269C1 RU2010103750/05A RU2010103750A RU2421269C1 RU 2421269 C1 RU2421269 C1 RU 2421269C1 RU 2010103750/05 A RU2010103750/05 A RU 2010103750/05A RU 2010103750 A RU2010103750 A RU 2010103750A RU 2421269 C1 RU2421269 C1 RU 2421269C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- catalytic coating
- cleaner according
- monolithic block
- flow channels
- catalyst
- Prior art date
Links
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к техническим средствам очистки от токсичных веществ отходящих газов силовых и энергетических установок, содержащих оксиды азота, моноксид углерода, углеводороды и сажу. Изобретение может использоваться для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и применяться на транспортных средствах, а также в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической и металлургической отраслях промышленности.The invention relates to technical means for purification of toxic substances from exhaust gases of power and power plants containing nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrocarbons and soot. The invention can be used to clean the exhaust gases of internal combustion engines and can be used on vehicles, as well as in the chemical, oil refining, energy and metallurgical industries.
В настоящее время в промышленности и на транспортных средствах широко применяются различные виды и типы конструкций очистителей (нейтрализаторов) отходящих газов. К числу известных устройств подобного назначения относится, например, каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, конструкция которого описана в авторском свидетельстве СССР №1716176, (МПК 5 F03N 3/10, опубликовано 29.02.1992). Нейтрализатор содержит корпус с входным и выходным патрубками. В корпусе устройства установлен реактор с выпускной полостью и рабочей полостью, заполненной гранулированным катализатором.At present, various types and types of constructions of purifiers (neutralizers) of exhaust gases are widely used in industry and on vehicles. Among the known devices for this purpose include, for example, a catalytic converter of exhaust gases of an internal combustion engine, the design of which is described in the USSR author's certificate No. 1716176, (IPC 5 F03N 3/10, published on 02.29.1992). The Converter contains a housing with inlet and outlet nozzles. A reactor with an exhaust cavity and a working cavity filled with a granular catalyst is installed in the device case.
Катализатор для очистки отходящих газов может содержать носитель, в качестве которого используется диоксид титана. Носитель включает в свой состав, по меньшей мере, один активный элемент, выбранный из группы соединений ванадия и/или меди. Выбор данных материалов позволяет повысить механическую прочность катализатора при сохранении высокой каталитической активности (патент РФ №2106197, МПК 6 B01J 3/72, опубликован 10.03.1998).The exhaust gas purification catalyst may comprise a carrier, which is titanium dioxide. The carrier includes at least one active element selected from the group of vanadium and / or copper compounds. The choice of these materials allows to increase the mechanical strength of the catalyst while maintaining high catalytic activity (RF patent No. 2106197, IPC 6 B01J 3/72, published March 10, 1998).
Известен нейтрализатор отработавших газов, описанный в патенте РФ №2163673, (МПК 7 F01N 3/10, опубликован 27.02.1999). Очиститель отходящих газов содержит патрубки для подвода и отвода газов. В корпусе устройства поперек потока газа установлены блоки, в которых выполнены сквозные каналы для прохода газов. На поверхности каналов нанесено каталитическое покрытие. Каждый блок закрепляется в обойму, выполненную из жаростойкого перфорированного материала, в качестве которого может использоваться металлическая проволочная сетка. Данное устройство обладает высокой надежностью при работе в условиях переменных температур и вибрационных нагрузок.The known exhaust gas neutralizer described in the patent of the Russian Federation No. 2163333, (IPC 7 F01N 3/10, published on 02.27.1999). The exhaust gas purifier contains nozzles for supplying and discharging gases. Blocks are installed in the device’s body across the gas flow, in which through channels for the passage of gases are made. A catalytic coating is applied to the surface of the channels. Each block is fixed in a holder made of heat-resistant perforated material, which can be used as a metal wire mesh. This device has high reliability when working in conditions of variable temperatures and vibration loads.
Назначение очистителей (нейтрализаторов) отходящих газов заключается в снижении отрицательного воздействия техногенной деятельности человека на окружающую среду посредством очистки отходящих газов от монооксида углерода (СО), углеводородов (СH), оксидов азота (NOx) и сажи.The purpose of the purifiers (neutralizers) of the exhaust gases is to reduce the negative impact of human activities on the environment by cleaning the exhaust gases from carbon monoxide (CO), hydrocarbons (CH), nitrogen oxides (NO x ) and soot.
Химическое превращение экологически опасных компонентов отходящих газов осуществляется в каталитических блоках очистителей следующим образом.Chemical conversion of environmentally hazardous components of the exhaust gases is carried out in the catalytic blocks of the purifiers as follows.
Моноксид углерода окисляется активным кислородом поверхности катализатора до двуокиси углерода. Углеводороды окисляются активным кислородом поверхности катализатора до двуокиси углерода и водяного пара. Нейтрализация оксидов азота происходит двумя путями: разложением на кислородных вакансиях поверхности катализатора на азот и кислород или восстановлением с участием углеводородов, в результате которого происходит образование азота, двуокиси углерода и паров воды. Основным путем превращения сажи является окисление активным кислородом на поверхности катализатора до двуокиси углерода и водяного пара.Carbon monoxide is oxidized by active oxygen on the surface of the catalyst to carbon dioxide. Hydrocarbons are oxidized by active oxygen to the surface of the catalyst to carbon dioxide and water vapor. The neutralization of nitrogen oxides occurs in two ways: the decomposition of the catalyst surface on oxygen vacancies into nitrogen and oxygen, or the reduction with the participation of hydrocarbons, which results in the formation of nitrogen, carbon dioxide and water vapor. The main way to convert soot is to oxidize with active oxygen on the surface of the catalyst to carbon dioxide and water vapor.
Наиболее близким аналогом изобретения является очиститель отходящих газов двигателя внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ №2107171 (МПК 6 F03N 3/10, опубликован 20.03.1998). Устройство содержит корпус с патрубками для подвода и отвода выхлопных газов. В полости корпуса установлен пакет каталитических элементов, которые выполнены из пористых металлов со сквозными порами диаметром от 0,5 мм до 5,0 мм и удельной поверхностью от 0,5 м2/г до 5,0 м2/г. На поверхность каталитических элементов нанесено каталитически активное покрытие. Твердотельный носитель катализатора выполняется из следующих металлов: никеля, кобальта, меди, железа, хрома или их сплавов. Пакет содержит от 1 до 20 каталитических элементов, которые расположены на расстоянии до 40 мм друг от друга. Аэродинамическое сопротивление пакета каталитических элементов составляет от 10 кПа до 50 кПа.The closest analogue of the invention is an exhaust gas purifier of an internal combustion engine described in RF patent No. 2107171 (IPC 6 F03N 3/10, published on March 20, 1998). The device comprises a housing with nozzles for supplying and discharging exhaust gases. A package of catalytic elements is installed in the body cavity, which are made of porous metals with through pores with a diameter of 0.5 mm to 5.0 mm and a specific surface area of 0.5 m 2 / g to 5.0 m 2 / g. A catalytically active coating is applied to the surface of the catalyst elements. A solid-state catalyst support is made of the following metals: nickel, cobalt, copper, iron, chromium, or their alloys. The package contains from 1 to 20 catalytic elements, which are located at a distance of 40 mm from each other. The aerodynamic resistance of the package of catalytic elements is from 10 kPa to 50 kPa.
В процессе работы очистителя выхлопные газы поступают через входной патрубок в полость корпуса и протекают через пакет каталитических элементов. Очищаемый газ омывает поверхность каталитических элементов, проходя через сквозные поры. В результате контакта очищаемого газа с катализатором, нанесенным на поверхность твердотельного носителя, и протекания окислительных процессов на его поверхности происходит очистка выхлопных газов от токсичных элементов. Благодаря большой удельной поверхности каталитических элементов происходит интенсивный тепломассообмен между выхлопными газами и катализатором. Избыточное тепло, выделяющееся в окислительных процессах на поверхности катализатора, отводится пористой структурой твердотельного носителя, при этом температура носителя катализатора стабилизируется на уровне, обеспечивающем его механическую прочность. За счет этого обеспечивается требуемая долговечность каталитических элементов в условиях переменных температур и напоров выхлопных газов при различных режимах работы двигателя внутреннего сгорания.During the operation of the purifier, the exhaust gases enter the inlet cavity through the inlet pipe and flow through the package of catalytic elements. The cleaned gas washes the surface of the catalytic elements, passing through the through pores. As a result of the contact of the gas to be cleaned with the catalyst deposited on the surface of the solid-state carrier and the occurrence of oxidative processes on its surface, the exhaust gases are purified from toxic elements. Due to the large specific surface area of the catalytic elements, intense heat and mass transfer occurs between the exhaust gases and the catalyst. The excess heat generated in the oxidation processes on the surface of the catalyst is removed by the porous structure of the solid-state carrier, while the temperature of the catalyst carrier is stabilized at a level that ensures its mechanical strength. Due to this, the required durability of the catalytic elements is ensured under conditions of variable temperatures and pressure of the exhaust gases under various operating conditions of the internal combustion engine.
Однако как прототип, так и другие известные аналоги изобретения обладают недостаточной эффективностью очистки газа от токсичных веществ во всем диапазоне температур очищаемого газа, а также в условиях воздействия термоударов. Кроме того, ресурс известных очистителей отходящих газов ограничен из-за уноса с поверхности каталитического покрытия каталитически активных металлов и их карбонилов. При работе очистителей отходящих газов возможен выброс в атмосферу токсичных примесей вторичного происхождения в результате распыления каталитического покрытия под действием высоких температур и вибраций.However, both the prototype and other known analogues of the invention have insufficient gas purification from toxic substances in the entire temperature range of the gas to be cleaned, as well as under the conditions of thermal shock. In addition, the resource of known exhaust gas purifiers is limited due to the entrainment of catalytically active metals and their carbonyls from the surface of the catalytic coating. During the operation of exhaust gas purifiers, toxic impurities of secondary origin may be released into the atmosphere as a result of spraying the catalytic coating under the influence of high temperatures and vibrations.
Следует также отметить, что в известных устройствах в качестве катализатора используется никель, применение которого в катализаторах экологического назначения запрещено законодательством во многих зарубежных государствах.It should also be noted that in the known devices nickel is used as a catalyst, the use of which in environmental catalysts is prohibited by law in many foreign countries.
Задачами, решаемыми изобретением, является снижение токсичности очищенного газового потока в условиях рабочих температур от 200°С до 700°С и воздействии термоударов до 900°С, исключение выбросов в атмосферу токсичных примесей вторичного происхождения: (карбонилов металлов и микрочастиц металлов), исключение из состава каталитического покрытия никеля и повышение стойкости каталитического покрытия к уносу каталитически активных металлов.The problems solved by the invention is to reduce the toxicity of the purified gas stream at operating temperatures from 200 ° C to 700 ° C and exposure to thermal shocks to 900 ° C, to eliminate emissions of toxic secondary impurities into the atmosphere: (metal carbonyls and metal microparticles), exclusion from the composition of the catalytic coating of Nickel and increasing the resistance of the catalytic coating to the entrainment of catalytically active metals.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения за счет решения поставленных технических задач, заключается в повышении эффективности очистки отходящих газов и увеличении ресурса очистителя отходящих газов.The technical result achieved by using the invention by solving the technical problems posed is to increase the efficiency of exhaust gas purification and increase the resource of the exhaust gas purifier.
Достижение технического результата обеспечивается за счет использования очистителя отходящих газов, который содержит корпус с патрубками подачи и отвода газов и, по меньшей мере, один твердотельный носитель катализатора, выполненный со сквозными каналами для протока газа. Носитель катализатора выполняется с каталитическим покрытием в области сквозных каналов. Размещается носитель катализатора в полости корпуса между патрубками подвода и отвода газа.The achievement of the technical result is achieved through the use of an exhaust gas purifier, which contains a housing with gas supply and exhaust pipes and at least one solid-state catalyst carrier made with through channels for gas flow. The catalyst carrier is provided with a catalytic coating in the area of the through channels. The catalyst carrier is placed in the cavity of the housing between the nozzles for supplying and discharging gas.
Каталитическое покрытие согласно изобретению включает в свой состав основу, выполненную из диоксида титана. Основа содержит следующие активные компоненты: медь, кобальт, цирконий и стронций, внедренные в диоксид титана и образующие соответствующие оксиды металлов в структуре основы. Массовое содержание активных компонентов в основе каталитического покрытия составляет следующие значения в пересчете на оксиды металлов:The catalytic coating according to the invention includes a base made of titanium dioxide. The base contains the following active components: copper, cobalt, zirconium and strontium, embedded in titanium dioxide and forming the corresponding metal oxides in the structure of the base. The mass content of active components in the basis of the catalytic coating is the following values in terms of metal oxides:
СuО - от 0,5 до 5 мас.%;CuO - from 0.5 to 5 wt.%;
Со2О3 - от 0,5 до 16 мас.%;Co 2 O 3 - from 0.5 to 16 wt.%;
ZrO2 - от 0,5 до 1 мас.%;ZrO 2 - from 0.5 to 1 wt.%;
SrO - от 0,5 до 2 мас.%.SrO - from 0.5 to 2 wt.%.
Использование в составе очистителя отходящих газов каталитического покрытия указанного выше состава позволяет снизить токсичность очищенного потока отходящих газов на (60÷98)% при рабочих температурах в диапазоне от 200°С до 700°С. Очиститель не оказывает заметного сопротивления потоку выходящего из двигателя внутреннего сгорания газа. Из состава каталитического покрытия исключен никель, запрещенный к использованию в очистителях экологического назначения. Вместе с тем при работе очистителя существенно снижается выброс в атмосферу токсичных примесей вторичного происхождения, появление которых связано с уносом каталитически активных элементов с поверхности покрытия. Экологическая безопасность устройства обусловлена также тем, что используемое каталитическое покрытие не вызывает в процессе химических превращений образование карбонилов, цианатов, изоционатов и нитридов.The use of a catalytic coating of the above composition as a part of the exhaust gas purifier makes it possible to reduce the toxicity of the purified exhaust gas flow by (60 ÷ 98)% at operating temperatures in the range from 200 ° C to 700 ° C. The cleaner does not show any significant resistance to the flow of gas exiting the internal combustion engine. Nickel forbidden for use in environmental cleaners is excluded from the composition of the catalytic coating. At the same time, during the operation of the purifier, the emission of toxic impurities of secondary origin into the atmosphere is significantly reduced, the appearance of which is associated with the ablation of catalytically active elements from the coating surface. The environmental safety of the device is also due to the fact that the catalytic coating used does not cause the formation of carbonyls, cyanates, isocyanates and nitrides during chemical transformations.
Перечисленные преимущества непосредственно связаны с использованием каталитического покрытия выбранного химического состава при содержании активных компонентов (оксидов металлов) в основе покрытия (диоксиде титана) в соответствии с экспериментально определенными диапазонами значений массового содержания оксидов металлов.The listed advantages are directly related to the use of a catalytic coating of the selected chemical composition with the content of active components (metal oxides) in the coating base (titanium dioxide) in accordance with experimentally determined ranges of the mass contents of metal oxides.
Твердотельный носитель катализатора может быть выполнен в виде монолитного блока с пористой структурой. Сквозные проточные каналы могут быть образованы сквозными порами монолитного блока.The solid-state catalyst carrier can be made in the form of a monolithic block with a porous structure. Through flow channels can be formed through holes in the monolithic block.
Монолитный блок может быть выполнен из сплава железа, хрома и алюминия. В другом варианте выполнения монолитный блок носителя катализатора выполняется из керамики.The monolithic block can be made of an alloy of iron, chromium and aluminum. In another embodiment, the monolithic block of the catalyst carrier is made of ceramic.
Для улучшения адгезионных свойств каталитического покрытия на поверхности носителя катализатора на монолитный блок наносится подложка, выполненная из металлокерамики на основе окиси алюминия, на которую затем наносится каталитическое покрытие.To improve the adhesive properties of the catalytic coating on the surface of the catalyst carrier, a substrate made of cermet based on alumina is applied to the monolithic block, on which a catalytic coating is then applied.
Сквозные проточные каналы в монолитном блоке предпочтительно выполняются параллельно друг другу. Поперечное сечение сквозных проточных каналов может иметь треугольное или квадратное поперечное сечение.The through flow channels in the monolithic block are preferably parallel to each other. The cross section of the through flow channels may have a triangular or square cross section.
В другом варианте выполнения в качестве твердотельного носителя катализатора используются гранулы, заполняющие, по меньшей мере, часть полости корпуса. В этом случае сквозные проточные каналы будут образованы зазорами между гранулами.In another embodiment, granules filling at least a portion of the body cavity are used as the solid state catalyst carrier. In this case, the through flow channels will be formed by gaps between the granules.
Для повышения эффективности каталитической очистки отходящих газов каталитическое покрытие может быть выполнено многослойным. Количество слоев каталитического покрытия, имеющих субмикронную толщину, предпочтительно выбирается от 3 до 5.To increase the efficiency of the catalytic purification of exhaust gases, the catalytic coating can be multilayer. The number of catalytic coating layers having a submicron thickness is preferably selected from 3 to 5.
Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации изобретения в качестве очистителя отходящих (выхлопных) газов двигателя внутреннего сгорания. На прилагаемом чертеже схематично изображен продольный разрез очистителя отходящих газов.The invention is further illustrated by the description of a specific example of the invention as a purifier of exhaust gases from an internal combustion engine. The accompanying drawing schematically shows a longitudinal section of an exhaust gas purifier.
Очиститель содержит сварной корпус 1 из жаропрочной нержавеющей стали с патрубком 2 подачи очищаемых отходящих газов и патрубком 3 отвода очищенных отходящих газов. В корпусе 1 установлены два твердотельных носителя катализатора, в качестве которых используются монолитные керамические блоки 4 и 5 с пористой структурой. Сквозные проточные каналы 6 и 7 образованы сквозными порами монолитных блоков 4 и 5. Каналы 6 и 7 ориентированы преимущественно параллельно друг другу в каждом монолитном блоке 4 и 5 и имеют приближенное к квадратному поперечное сечение. Плотность сквозных проточных каналов 6 и 7 по поверхности монолитных блоков 4 и 5 составляет 25 см-2. Площадь поперечного сечения каналов 6 и 7 не превышает 4 мм2.The cleaner contains a welded housing 1 made of heat-resistant stainless steel with a nozzle 2 for supplying cleaned exhaust gases and a nozzle 3 for removal of purified exhaust gases. In the housing 1, two solid-state catalyst carriers are installed, in which monolithic ceramic blocks 4 and 5 with a porous structure are used. The through flow channels 6 and 7 are formed by the through pores of monolithic blocks 4 and 5. Channels 6 and 7 are oriented mainly parallel to each other in each monolithic block 4 and 5 and have a cross-section close to square. The density of the through flow channels 6 and 7 on the surface of the monolithic blocks 4 and 5 is 25 cm -2 . The cross-sectional area of the channels 6 and 7 does not exceed 4 mm 2 .
Первый монолитный блок 4 расположен на расстоянии ~15 мм от внутренней торцевой поверхности корпуса со стороны патрубка 2 подачи очищаемых отходящих газов. В пространстве между противолежащими торцевыми поверхностями корпуса 1 и первого монолитного блока 4 образована свободная зона 8, в которой происходит равномерное распределение потока отходящих газов. Монолитные блоки 4 и 5 установлены на расстоянии друг от друга ~30 мм для образования зоны 9 турбулизации потока газа. Данная зона используется для перемешивания газа и его равномерного распределения вдоль входной поверхности монолитного блока 7. Между вторым монолитным блоком 7 и внутренней торцевой стенкой корпуса 1 со стороны патрубка 3 отвода очищенных отходящих газов также образована свободная зона 10 с целью создания условий для беспрепятственного выхода газа из каналов 7 блока 5 и формирования потока очищенного газа.The first monolithic block 4 is located at a distance of ~ 15 mm from the inner end surface of the housing from the side of the nozzle 2 for supplying purified exhaust gases. In the space between the opposite end surfaces of the housing 1 and the first monolithic block 4, a free zone 8 is formed in which a uniform distribution of the exhaust gas flow occurs. Monolithic blocks 4 and 5 are installed at a distance of ~ 30 mm from each other to form a zone 9 of turbulization of the gas flow. This zone is used to mix the gas and distribute it evenly along the inlet surface of the monolithic block 7. Between the second monolithic block 7 and the inner end wall of the housing 1, a free zone 10 is also formed on the side of the outlet pipe 3 of the cleaned exhaust gases in order to create conditions for unhindered gas exit from channels 7 of block 5 and the formation of a stream of purified gas.
На поверхность монолитных блоков 4 и 5 в области сквозных проточных каналов нанесена металлокерамическая подложка из окиси алюминия, на которую осаждено многослойное каталитическое покрытие. В рассматриваемом примере выполнения изобретения используется пятислойное каталитическое покрытие. Наличие подложки обеспечивает требуемые адгезионные свойства каталитического покрытия, осажденного на носителе, в условиях термоциклировання и вибрационных нагрузок. Каталитическое покрытие содержит основу, выполненную из диоксида титана. Основа включает следующие активные компоненты: медь, кобальт, цирконий и стронций, внедренные в диоксид титана и образующие соответствующие оксиды металлов в структуре основы. Массовое содержание активных компонентов в основе каталитического покрытия для рассматриваемого варианта выполнения очистителя отходящих газов составляет следующие значения в пересчете на оксиды металлов: СuО - 4 мас.%; Со2О3 - 12 мас.%; ZrO2 - 0,8 мас.%; SrO - 1,5 мас.%.On the surface of monolithic blocks 4 and 5 in the area of the through flow channels, a ceramic-metal substrate of alumina is deposited on which a multilayer catalytic coating is deposited. In this exemplary embodiment of the invention, a five-layer catalytic coating is used. The presence of the substrate provides the required adhesive properties of the catalytic coating deposited on the carrier under thermal cycling and vibration loads. The catalytic coating contains a base made of titanium dioxide. The base includes the following active components: copper, cobalt, zirconium and strontium, embedded in titanium dioxide and forming the corresponding metal oxides in the structure of the base. The mass content of active components in the basis of the catalytic coating for the considered embodiment of the exhaust gas purifier is the following values in terms of metal oxides: СУО - 4 wt.%; Co 2 O 3 - 12 wt.%; ZrO 2 - 0.8 wt.%; SrO - 1.5 wt.%.
Каталитическое покрытие прочно связано с развитой поверхностью монолитных блоков 4 и 5 за счет выбора состава основы и внедренных в нее каталитически активных элементов, что позволяет снизить унос металлов с поверхности каталитического покрытия в атмосферу. Кроме того, выбранный компонентный состав каталитического покрытия обеспечивает его высокую механическую прочность, химическую и термическую стабильность.The catalytic coating is firmly connected with the developed surface of monolithic blocks 4 and 5 due to the choice of the composition of the base and the catalytically active elements embedded in it, which reduces the ablation of metals from the surface of the catalytic coating into the atmosphere. In addition, the selected component composition of the catalytic coating provides its high mechanical strength, chemical and thermal stability.
Процесс получения на поверхности монолитных блоков 4 и 5 каталитического покрытия, содержащего каталитически активные элементы, осуществляется путем пропитки поверхностного слоя носителей катализатора маточным раствором с последующим прокаливанием. Образование металлоксидного покрытия начинается при контакте носителя катализатора с маточным раствором, представляющим собой золь (высокодисперсный коллоидный раствор с размером частиц от 10-9 до 10-6 м). Маточный раствор получают из предварительно подготовленных растворов исходных соединений титана, меди, кобальта, циркония и стронция. В ходе пропитки золь проникает в поры носителя катализатора. Для получения прочного сцепления каталитического покрытия с поверхностью носителя пропитку проводят несколько раз, проводя между циклами пропитки сушку и прокаливание образованного слоя покрытия. В результате образуется многослойное металлоксидное покрытие с трехмерной кристаллической структурой на основе диоксида титана, модифицированного ионами меди, кобальта, циркония и стронция, которые присутствуют в структуре диоксида (основы катализатора) в виде оксидов металлов. На заключительном этапе синтеза многослойного каталитического покрытия проводят стабилизацию структуры полученного покрытия при длительном изотермическом прокаливании.The process of obtaining on the surface of monolithic blocks 4 and 5 of a catalytic coating containing catalytically active elements is carried out by impregnating the surface layer of the catalyst supports with a mother liquor, followed by calcination. The formation of a metal oxide coating begins when the catalyst carrier contacts the mother liquor, which is a sol (a highly dispersed colloidal solution with a particle size of 10 -9 to 10 -6 m). The mother liquor is obtained from previously prepared solutions of the starting compounds of titanium, copper, cobalt, zirconium and strontium. During the impregnation, the sol penetrates into the pores of the catalyst support. To obtain a strong adhesion of the catalytic coating to the surface of the carrier, the impregnation is carried out several times, drying and calcining the formed coating layer between the impregnation cycles. As a result, a multilayer metal oxide coating is formed with a three-dimensional crystal structure based on titanium dioxide modified with copper, cobalt, zirconium and strontium ions, which are present in the structure of the dioxide (catalyst base) in the form of metal oxides. At the final stage of the synthesis of the multilayer catalytic coating, the structure of the obtained coating is stabilized during prolonged isothermal calcination.
Работа очистителя отходящих газов осуществляется следующим образом.The operation of the exhaust gas purifier is as follows.
Отходящие газы, в частности выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, температура которых составляет от 200°С до 700°С, направляются через патрубок 2 подачи газа в полость корпуса 1 очистителя. Первоначально очищаемый газ поступает в свободную зону 8, в которой происходит равномерное распределение отходящих газов вдоль входной поверхности монолитного блока 4. Проходя далее через сквозные проточные каналы 6, на поверхность которых нанесено многослойное каталитическое покрытие, содержащее в качестве каталитически активных элементов медь, кобальт, цирконий и стронций, происходит химическое превращение экологически опасных компонентов отходящих газов. Монооксид углерода (СО) окисляется активным кислородом катализатора до двуокиси углерода (СO2). Углеводороды (СH) окисляются активным кислородом катализатора до двуокиси углерода (СO2) и водяного пара (H2O - пар). Нейтрализация оксидов азота (NOx) происходит по двум каналам химических реакций: разложением на кислородных вакансиях катализатора на азот (N2) и кислород (O2) и/или восстановлением с участием углеводородов, в результате которого образуется азот (N2), двуокись углерода (СO2) и водяной пар.The exhaust gases, in particular the exhaust gases of the internal combustion engine, the temperature of which is from 200 ° C to 700 ° C, are directed through the pipe 2 of the gas supply to the cavity of the cleaner body 1. Initially, the gas to be cleaned enters the free zone 8, in which there is a uniform distribution of exhaust gases along the inlet surface of the monolithic block 4. Passing further through the through flow channels 6, the surface of which is coated with a multilayer catalytic coating containing copper, cobalt, zirconium as catalytically active elements and strontium, there is a chemical transformation of environmentally hazardous components of the exhaust gases. Carbon monoxide (CO) is oxidized by the active oxygen of the catalyst to carbon dioxide (CO 2 ). Hydrocarbons (CH) are oxidized by the active oxygen of the catalyst to carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O - steam). The neutralization of nitrogen oxides (NO x ) occurs through two channels of chemical reactions: decomposition of the catalyst on oxygen vacancies into nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ) and / or reduction with the participation of hydrocarbons, resulting in the formation of nitrogen (N 2 ), dioxide carbon (CO 2 ) and water vapor.
Сажа, содержащаяся в отходящих (выхлопных) газах двигателя внутреннего сгорания, представляет собой смесь конденсированных ароматических и высокомолекулярных линейных углеводородов. Основным путем ее химического превращения является процесс окисления активным кислородом катализатора, содержащегося в каталитическом покрытии. В результате окисления сажи образуется двуокись углерода (СO2) и водяной пар.Soot contained in the exhaust (exhaust) gases of an internal combustion engine is a mixture of condensed aromatic and high molecular weight linear hydrocarbons. The main way of its chemical transformation is the process of oxidation by active oxygen of the catalyst contained in the catalytic coating. As a result of soot oxidation, carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor are formed.
В результате указанных химических превращений, осуществляемых на поверхности каталитического покрытия выбранного компонентного состава, экологически опасные компоненты отходящих газов преобразуются в экологически безопасные вещества: двуокись углерода, азот, кислород и водяной пар.As a result of these chemical transformations carried out on the surface of the catalytic coating of the selected component composition, environmentally hazardous components of the exhaust gases are converted into environmentally friendly substances: carbon dioxide, nitrogen, oxygen and water vapor.
Для повышения степени очистки отходящих газов очищаемый поток после прохождения через сквозные проточные каналы 6 первого монолитного блока 4 пропускаются через сквозные проточные каналы 7 второго монолитного блока 5. В зоне 9, образованной между монолитными блоками 4 и 5 в полости корпуса 1, происходит турбулизация очищаемого потока газа для равномерного распределения потока газа вдоль входной поверхности второго монолитного блока 5. Перемешанный поток газа поступает в сквозные проточные каналы 7, на поверхности которых нанесено металлоксидное каталитическое покрытие выбранного состава. Токсичные вещества (оксиды азота, моноксид углерода, углеводороды и сажа), содержащиеся в очищаемом потоке отходящих газов, повторно подвергаются химическому разложению на поверхности каталитического покрытия аналогично описанным выше химическим процессам. В результате повторной очистки в монолитном блоке 5 в свободной зоне 10 формируется очищенный до требуемой степени поток газа, который затем беспрепятственно направляется в патрубок 3 отвода очищенных газов.To increase the degree of purification of exhaust gases, the stream to be cleaned after passing through the through-flow channels 6 of the first monolithic block 4 is passed through the through-flow channels 7 of the second monolithic block 5. In the zone 9 formed between the monolithic blocks 4 and 5 in the cavity of the housing 1, the stream to be purified is turbulized gas for uniform distribution of the gas stream along the input surface of the second monolithic block 5. The mixed gas stream enters through the flow channels 7, on the surface of which a metal coating is applied Seat catalytic coating of selected composition. Toxic substances (nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrocarbons and soot) contained in the cleaned exhaust gas stream are re-decomposed on the surface of the catalytic coating in the same way as the chemical processes described above. As a result of repeated purification in the monolithic block 5 in the free zone 10, a gas stream purified to the required degree is formed, which is then freely directed into the pipe 3 of the outlet for purified gases.
Следует отметить, что количество монолитных блоков (носителей катализатора) для каждой конкретной конструкции очистителя отходящих газов выбирается в зависимости от требуемой степени очистки газа, расхода отходящих газов и содержания токсичных веществ в потоке газа. При этом наряду с керамическими монолитными блоками с пористой структурой могут использоваться монолитные блоки, изготовленные из жаропрочных и жаростойких сплавов металлов, например из сплава железа и хрома и алюминия.It should be noted that the number of monolithic blocks (catalyst carriers) for each specific design of the exhaust gas purifier is selected depending on the required degree of gas purification, the flow of exhaust gases and the content of toxic substances in the gas stream. Moreover, along with ceramic monolithic blocks with a porous structure, monolithic blocks made of heat-resistant and heat-resistant metal alloys, for example, an alloy of iron and chromium and aluminum, can be used.
В представленном примере выполнения изобретения описана конструкция очистителя отходящих газов, в котором в качестве твердотельных носителей катализатора применяются монолитные блоки с пористой структурой, однако это не исключает возможности использования носителя катализатора в виде гранул, заполняющих, по меньшей мере, часть полости корпуса 1. В этом случае сквозные проточные каналы 6 и 7 будут образованы зазорами между гранулами. Гранулы в таком варианте выполнения носителя катализатора могут помещаться в контейнер, выполненный из жаропрочного и жаростойкого сплава, В данном варианте выполнения сообщение каналов 6 и 7 с патрубком 2 подачи очищаемых отходящих газов и патрубком 3 отвода очищенных отходящих газов осуществляется через перфорированные или сетчатые торцевые стенки контейнера, заполненного гранулами. Металлоксидное каталитическое покрытие наносится на поверхность гранул.The presented exemplary embodiment of the invention describes the design of an exhaust gas purifier in which monolithic blocks with a porous structure are used as solid-state catalyst supports, but this does not exclude the possibility of using a catalyst carrier in the form of granules filling at least part of the cavity of the housing 1. In this In this case, the through flow channels 6 and 7 will be formed by gaps between the granules. Pellets in this embodiment of the catalyst carrier can be placed in a container made of heat-resistant and heat-resistant alloy. In this embodiment, the channels 6 and 7 communicate with the pipe 2 for supplying cleaned exhaust gases and pipe 3 for removal of purified exhaust gases through the perforated or mesh end walls of the container filled with granules. The metal oxide catalytic coating is applied to the surface of the granules.
В результате проведенных исследований было установлено, что эффективность очистки отходящих газов с помощью очистителя, содержащего в составе каталитического покрытия медь, кобальт, цирконий и стронций в виде оксидов в пределах выбранных диапазонов массового содержания, обеспечивается на уровне от 60% до 98%. При установке очистителя отходящих газов в выхлопном тракте автомобиля ГАЗ-2705 снижение выброса окиси углерода составило 86%, снижение выброса углеводородов - 90%, оксидов азота - 65%, сажи - 80%. Каталитическое покрытие выбранного состава выдерживает термоудар до 900°С, при этом снижение эффективности не превышало 25%. Содержание токсичных веществ в очищаемом потоке отходящих газов может составлять от нескольких ppm (10-6%) до 7 об.%.As a result of the studies, it was found that the efficiency of purification of exhaust gases using a purifier containing copper, cobalt, zirconium and strontium in the form of oxides in the composition of the catalytic coating within the selected mass content ranges is ensured at a level of 60% to 98%. When installing an exhaust gas purifier in the exhaust tract of a GAZ-2705 car, the reduction in carbon monoxide emissions was 86%, the reduction in hydrocarbon emissions was 90%, nitrogen oxides was 65%, and soot was 80%. The catalytic coating of the selected composition withstands thermal shock up to 900 ° C, while the decrease in efficiency did not exceed 25%. The content of toxic substances in the cleaned exhaust gas stream can range from a few ppm (10 -6 %) to 7 vol.%.
Ресурс очистителя до замены составляет не менее 80 000 км пробега транспортного средства, на котором устанавливался очиститель отходящих газов в качестве нейтрализатора выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. При установке очистителя отходящих газов на выхлопной трубе двигателя внутреннего сгорания не произошло заметного увеличения сопротивления потоку выхлопных газов и расход топлива на единицу расстояния пробега не увеличился. Вместе с тем не обнаружено заметного уноса карбонилов и мелкодисперсных частиц металлов с поверхности каталитического покрытия. Вследствие этого был исключен выброс в атмосферу токсичных примесей вторичного происхождения. Следует также отметить, что существенное снижение уноса металлических частиц с поверхности каталитического покрытия позволяет уменьшить количество используемых каталитически активных металлов.The resource of the cleaner before replacement is at least 80,000 km of the vehicle on which the exhaust gas purifier was installed as an exhaust gas neutralizer of the internal combustion engine. When installing an exhaust gas purifier on the exhaust pipe of an internal combustion engine, there was no noticeable increase in resistance to the flow of exhaust gases and fuel consumption per unit mileage did not increase. However, no noticeable ablation of carbonyls and fine metal particles from the surface of the catalytic coating was found. As a result, the emission of toxic impurities of secondary origin was excluded. It should also be noted that a significant reduction in the entrainment of metal particles from the surface of the catalytic coating can reduce the amount of catalytically active metals used.
Полученные результаты непосредственно связаны с использованием каталитического покрытия с основой, выполненной из диоксида титана, в которую внедрены активные компоненты в виде оксидов меди, кобальта, циркония и стронция при заданном массовом содержании оксидов в основе. При этом экспериментально было установлено, что технический результат достигается при массовом содержании активных компонентов (в пересчете на оксиды металлов) в основе каталитического покрытия в пределах выбранных диапазонов значений, мас.%: СuО - от 0,5 до 5; Со2O3 - от 0,5 до 16; ZrO2 - от 0,5 до 1; SrO - от 0,5 до 2.The results obtained are directly related to the use of a catalytic coating with a base made of titanium dioxide, into which active components in the form of copper, cobalt, zirconium and strontium oxides are introduced at a given mass content of oxides in the base. Moreover, it was experimentally established that the technical result is achieved with a mass content of active components (in terms of metal oxides) based on the catalytic coating within the selected ranges of values, wt.%: CuO - from 0.5 to 5; Co 2 O 3 - from 0.5 to 16; ZrO 2 - from 0.5 to 1; SrO - from 0.5 to 2.
Изобретение может использоваться в различных отраслях промышленности и технологических процессах, связанных с выбросом в потоке отходящих газов экологически опасных веществ: оксидов азота, моноксида углерода, углеводородов и сажи. Наиболее эффективно применение очистителя отходящих газов на выхлопных трактах легковых и грузовых автомобилей, тракторов, автопогрузчиках и средствах малой механизации, потребляющих бензин или дизельное топливо.The invention can be used in various industries and technological processes associated with the emission of environmentally hazardous substances in the exhaust gas stream: nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrocarbons and soot. The most effective use of an exhaust gas purifier on the exhaust tracts of cars and trucks, tractors, forklifts and small-scale mechanics consuming gasoline or diesel fuel.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010103750/05A RU2421269C1 (en) | 2010-02-05 | 2010-02-05 | Exhaust gas cleaner |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010103750/05A RU2421269C1 (en) | 2010-02-05 | 2010-02-05 | Exhaust gas cleaner |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2421269C1 true RU2421269C1 (en) | 2011-06-20 |
Family
ID=44737920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010103750/05A RU2421269C1 (en) | 2010-02-05 | 2010-02-05 | Exhaust gas cleaner |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2421269C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU191772U1 (en) * | 2019-06-07 | 2019-08-21 | Общество с ограниченной ответственностью "АВРОРА БОРЕАЛИС" | Ceramic afterburner |
-
2010
- 2010-02-05 RU RU2010103750/05A patent/RU2421269C1/en active IP Right Revival
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU191772U1 (en) * | 2019-06-07 | 2019-08-21 | Общество с ограниченной ответственностью "АВРОРА БОРЕАЛИС" | Ceramic afterburner |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6215892B2 (en) | Exhaust treatment system and method using SCR filter | |
| EP2501464B1 (en) | Zoned catalyzed soot filter | |
| US8887495B2 (en) | Ash filter, exhaust gas treatment system incorporating the same and method of using the same | |
| US20090173063A1 (en) | Mitigation of Particulates and NOx in Engine Exhaust | |
| US20100101221A1 (en) | CATALYSTS, SYSTEMS, AND METHODS FOR REDUCING NOx IN AN EXHAUST GAS | |
| US11911728B2 (en) | Reactor for reducing nitrogen oxides | |
| KR20110120875A (en) | Emissions treatment systems and methods with catalyzed scr filter and downstream scr catalyst | |
| KR20020047154A (en) | Catalyst for the selective oxidation of carbon monoxide and its preparation | |
| JP2013506787A (en) | Catalyst used for four-cycle diesel and method of using the same | |
| CN101534932A (en) | Catalyst, method for its preparation and system to reduce NOx in an exhaust gas stream | |
| US9346019B2 (en) | Coated diesel particle filter | |
| US20180369800A1 (en) | A catalyst bed and method for reducing nitrogen oxides | |
| US4710487A (en) | Diesel exhaust gas catalyst | |
| CN103415679B (en) | Multi-functional exhaust emission control filter and the waste gas cleaning plant using it | |
| US7521033B2 (en) | Exhaust inlet metallic foam trap coupled to a downstream monolithic precious metal catalyst | |
| US8071038B2 (en) | Progressive catalyst loading for integrated particulate filter and selective catalytic reduction unit | |
| US10960352B2 (en) | Catalyst bed and method for reducing nitrogen oxides | |
| RU2417826C2 (en) | Device to reduce emission of di-benzo-dioxine and di-benzo-furan with catalysts containing transition metals | |
| RU2421269C1 (en) | Exhaust gas cleaner | |
| US9126182B2 (en) | Catalyzed soot filters, systems and methods of treatment | |
| US20170284263A1 (en) | Emissions Control Substrate | |
| JP5000221B2 (en) | Exhaust gas purification catalyst and exhaust gas purification device | |
| JPS60168538A (en) | Catalyst for combustion and conversion of gas and higher hydrocarbon,nitrogen oxide reducing apparatus and exhaust gas post-burning apparatus equipped with said catalyst | |
| JP2021515872A (en) | Selective catalytic reduction system and NOx reduction method | |
| JP2023104344A (en) | Exhaust gas purification catalyst |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170206 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180510 |