一种LNT催化剂的评价装置及评价方法与流程

一种lnt催化剂的评价装置及评价方法
技术领域
1.本发明涉及催化剂评价技术领域，特别涉及一种lnt催化剂的评价装置及评价方法。


背景技术：

2.2021年全国两会中碳达峰和碳中和首次被写入政府工作报告，提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等目标。对于汽车行业来说，必须加快探索碳达峰、碳中和路径。为了达到日益严格的油耗要求和实现碳达峰、碳中和的重要目标，各大主机厂积极开发稀燃发动机，以期提高燃油利用率，降低碳排放。而应对稀燃发动机带来的尾气排放和处理问题，稀燃no
x
捕集(lnt)催化剂是解决稀燃排放可行的方法之一。
3.lnt催化剂是由贵金属、吸附剂和高比表面积载体组成，该催化剂的工作原理是在较短时间的富燃气氛将no
x
还原成n2，并在较长时间的稀燃气氛把尾气中过量的no
x
储存。专利cn 111983132a公开了一种三效催化剂性能的小样评价方法，具体是在小样评价装置的测试系统中配置两路o2，一路为根据氧过量系数计算的稀燃气氛的o2流量，另一路为根据氧过量系数计算的富燃气氛的o2流量。通过电磁阀的开关控制，保证稀燃o2或富燃o2中的其中一路o2与hc、co、no、co2、n2、h2o组成尾气模拟混合气；通过稀燃o2和富燃o2电磁阀的开关频率调控，实现频繁的稀富燃切换动态气氛下的三效催化剂性能评价。但lnt催化剂与三效催化剂(twc)催化剂的评价方法大不相同。twc催化剂小样评价方法是在理论空燃比的测试气氛下，固定气氛测试催化剂的起燃、转化率等。同时而lnt催化剂的测试涉及到稀燃气氛与富燃气氛的频繁切换，进行动态循环测试。若在twc小样的测试方法上，直接通过改变流量计控制参数来改变测试气氛，则存在较长的延迟时间，造成极大的测试误差。同时lnt催化剂的测试气氛也有较大的改变，稀燃时空燃比在1.1以上，富燃时空燃比在0.97以下。专利cn102590537b公开了一种催化剂的评价系统，包括反应气体发生器、注射发生器、至少一个反应器、采样控制器和连接在采样控制器上若干个采样设备、含主控软件的主控单元以及众多的连接管路。该化学性能评价系统反应气体发生器的原料气进气管路可以根据检测项目和检测对象的不同，对原料气体进行灵活组合和设置不同的反应参数，实现不同反应气氛的模拟，同时系统设有管路切换阀、管路切换阀组和开关阀等，通过控制器和主控软件可以实现反应气氛的动态调整、切换和循环。虽然该系统能进行不同气氛的模拟，但对lnt催化剂在稀燃气氛和富燃气氛依旧无法实现快速切换。因此，急需要提供一种lnt催化剂的评价方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种lnt催化剂的评价装置及评价方法。本发明所述的评价装置建立了更符合实际工况的稀富燃气氛组成，实现稀燃气氛和富燃气氛的瞬间切换和总流量的稳定，在对lnt催化剂测试过程中响应速度
快，测试结果精确，对lnt催化剂的开发有着重要的指导作用。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种lnt催化剂的评价装置，包括主气路系统、旁气路系统、混合管路、反应炉、分析检测系统和自动控制系统；
7.所述主气路系统包括多个并联的独立气体管路，所述主气路系统的每个气体管路上均设置有流量计；
8.所述旁气路系统包括稀富燃控制器、稀燃气路系统、富燃气路系统，所述稀富燃控制器将所述稀燃气路系统或所述富燃气路系统的气体与所述主气路系统连通；所述稀燃气路系统包括多个并联的独立气体管路，所述稀燃气路系统的每个气体管路上均设置有流量计；所述富燃气路系统包括多个并联的独立气体管路，所述富燃气路系统的每个气体管路上均设置有流量计；
9.所述混合管路的一端与所述主气路系统、所述旁气路系统连接，所述混合管路的另一端与所述反应炉的进口连接；
10.所述分析检测系统与所述反应炉的出口连接，包括红外分析仪和火焰离子化分析仪；
11.所述自动控制系统用于控制所述主气路系统、所述旁气路系统、所述反应炉、所述分析检测系统的运行。
12.本发明所述lnt催化剂的评价装置将进入反应炉的气体分为主气路气体和旁气路气体，主气路气体是稀燃测试和富燃测试均要使用的气体浓度，由主气路系统提供，旁气路气体是稀燃测试和富燃测试有区别的气体浓度，稀燃测试要用的区别气体由稀燃气路系统提供，富燃测试要用的区别气体由富燃气路系统提供，旁气路系统是通入稀燃气路系统的气体还是富燃气路系统是通过稀富燃控制器进行控制，稀燃测试时的稀燃气氛是由主气路气体和稀燃气路系统气体混合后的气体，富燃测试时的富燃气氛是由主气路气体和富燃气路系统气体混合后的气体；主气路系统的气体和旁气路系统的气体经过混合管路混合，后进入反应炉，与位于反应炉内的lnt催化剂进行反应，反应后的气体会被分析检测系统进行取样测试分析，然后排空，同时自动控制系统控制整个评价装置。本发明所述的评价装置根据实际稀燃工况下标定发动机的排放数据，建立了更符合实际工况的稀富燃气氛组成，稀富燃气氛通过稀富燃控制器实现稀富燃气氛瞬间和稳定切换，实现稀燃气氛和富燃气氛的瞬间切换和总流量的稳定。
13.进一步地，所述主气路系统包括相互并联的氮气(n2)第一管路、二氧化碳(co2)管路、氧气(o2)第一管路、一氧化氮(no)第一管路、氢气(h2)第一管路、丙烯(c3h6)第一管路、丙烷(c3h8)第一管路、一氧化碳(co)第一管路、水蒸气(h2o)管路。
14.进一步地，所述稀燃气路系统包括相互并联的氮气第二管路和氧气第二管路；所述富燃气路系统包括相互并联的氮气第三管路、一氧化碳第二管路、氢气第二管路、丙烯第二管路、丙烷第二管路、一氧化氮第二管路。
15.进一步地，所述评价装置还包括第一排空管路，所述第一排空管路与所述反应炉的出口连接。在本发明中所述分析检测系统对所述反应炉出口处的气体进行取样分析，然后气体通过所述第一排空管路进行排空。
16.进一步地，所述稀富燃控制器是四通电磁阀，所述稀富燃控制器与所述混合管路、
所述稀燃气路系统、所述富燃气路系统和第二排空管路连接。当进行稀燃测试时，所述稀富燃控制器连通所述稀燃气体系统和所述混合管路，则所述富燃气体系统和所述第二排空管路连接，所述富燃气体系统的气体排空；进行富燃测试时，所述稀富燃控制器连通所述富燃气体系统和所述混合管路，则所述稀燃气体系统和所述第二排空管路连接，所述稀燃气体系统的气体排空。
17.进一步地，所述稀富燃控制器包括第一三通电磁阀和第二三通电磁阀，所述第一三通电磁阀与所述混合管路、所述稀燃气路系统和第三排空管路连接，所述第二三通电磁阀与所述混合管路、所述富燃气路系统和第四排空管路连接。在测试过程中，可根据进行的是稀燃测试或富燃测试通过自动控制系统控制所述第一三通电磁阀或所述第二三通电磁阀的开关。
18.本发明的另一方面提供了一种lnt催化剂的评价方法，所述评价方法采用上述的评价装置，包括以下步骤：
19.s1、从lnt催化剂上截取圆柱体lnt催化剂，测试lnt催化剂的高度和直径；
20.s2、对所述分析检测系统中红外分析仪进行零点校准，对火焰离子化分析仪进行标定；
21.s3、根据lnt催化剂所需气体流量对lnt催化剂进行活化，催化剂活化气氛由主气路系统提供；
22.s4、所述反应炉升温到测试初始温度后，先进行5s～15s的富燃测试，之后通过所述稀富燃控制器将富燃气氛切换为稀燃气氛，进行30s～240s的稀燃测试，每进行一次富燃测试和稀燃测试计为一个循环，每个温度点共测试15个循环以上；
23.s5、在测试温度范围内按设定的间隔温度对每个温度点的lnt催化剂分别进行测试，计算每个温度点的no
x
转化率。
24.本发明的lnt催化剂评价方法，通过评价装置实现更符合实际工况的稀富燃气氛组成，在评价装置上进行测试，稀富燃气氛通过稀富燃控制器实现稀富燃氛围瞬间和稳定切换，使稀富燃切换后测试气氛总体流量保持稳定，在测试过程中，让lnt催化剂在恒定的空速下，在较长的稀燃时间内储存no
x
，在较短的富燃时间内将no
x
还原成n2，由于采用了瞬态切换和恒定空速，响应速度快，测试结果精确。
25.进一步地，催化剂取样及测试的具体步骤为：利用内径为25mm的圆柱形不锈钢管，从蜂窝状lnt催化剂上截取长度大于50mm，直径为25mm的圆柱体，用沙磨纸将圆柱体高度沙磨至50mm左右，采用游标卡尺测量圆柱体的高度和直径。在本发明中，测试了小样催化剂小样的直径和高度，得到催化剂小样的的体积，单位为l。
26.进一步地，在进行步骤(3)之前，先进行气密性检查，具体步骤为：将lnt催化剂装入所述反应炉内，将所述评价装置出口阀门关闭，由所述主气路系统向所述评价装置内通入n2至指定压力，停止通气后在3min内检查压力，若压力衰减率不高于10％，则气密性良好。
27.进一步地，步骤s3中，催化剂活化气氛的组成为：0.15％o2、1.8％co、0.6％h2、10％co2、12％h2o、0.024％c3h6、0.012％c3h8和n2(平衡气)。
28.进一步地，步骤s4中，所述主气路系统的气体成分组成为：0.15％o2、0.25％co、0.03％h2、0.025％no、12％h2o、10％co2、0.034％c3h6、0.017％c3h8和n2，n2作为平衡气。
29.进一步地，所述富燃气路系统的气体组成为5.97％h2、1.65％co、0.075％no、0.01％c3h6、0.007％c3h8和n2，n2作为平衡气。
30.进一步地，所述稀燃气路系统的气体组成为5.15％o2和n2。n2作为平衡气。
31.进一步地，步骤(5)中测试温度范围为200～500℃，间隔温度为50℃。
32.进一步地，步骤(5)中no
x
转化率q的计算公式为：
[0033][0034]
式中n为循环的总次数，t
f
表示一次循环内富燃时间，t
x
表示一次循环内稀燃时间，c
f0
表示富燃时no的初始浓度，c
x0
表示稀燃时no的初始浓度；c
fi
表示第i次循环时富燃阶段排放的no和no2的浓度总和，c
xi
表示第i次循环时稀燃阶段排放的no和no2的浓度总和。在计算过程中，去掉第一次循环和最后一次循环的数据，在lnt催化剂反应时，部分no会被氧气氧化成了no2。
[0035]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0036]
1、本发明所述的评价装置是根据实际稀燃工况下标定发动机的排放数据，建立了更符合实际工况的稀富燃气氛组成，稀富燃气氛通过稀富燃控制器实现稀富燃气氛瞬间和稳定切换，实现稀燃气氛和富燃气氛的瞬间切换和总流量的稳定。
[0037]
2、本发明所述的评价方法是在评价装置上进行测试，在测试过程中，让lnt催化剂在恒定的空速下，在较长的稀燃时间内储存no
x
，在较短的富燃时间内将no
x
还原成n2，由于采用了瞬态切换和恒定空速，响应速度快，测试结果精确，所得结果更有利于指导lnt催化剂开发。
附图说明：
[0038]
图1为本发明lnt催化剂评价装置的示意图；
[0039]
图2为实施例1中稀富燃控制器的示意图；
[0040]
图3为实施例2中稀富燃控制器的示意图；
[0041]
图4为实施例3中lnt催化剂测试时no
x
浓度随时间变化曲线；
[0042]
图中标记：1
‑
反应炉，2
‑
稀富燃控制器，21
‑
第一三通电磁阀，22
‑
第二三通电磁阀，3
‑
红外分析仪，4
‑
火焰离子化分析仪，101
‑
混合管路，102
‑
第一排空管路，103
‑
第二排空管路，104
‑
第三排空管路，105
‑
第四排空管路。
具体实施方式
[0043]
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1、图2所示，一种lnt催化剂的评价装置，包括主气路系统、旁气路系统、混合管路101、反应炉1、分析检测系统和自动控制系统；
[0046]
主气路系统包括多个并联的独立气体管路，主气路系统的每个气体管路上均设置
有流量计；
[0047]
旁气路系统包括稀富燃控制器2、稀燃气路系统、富燃气路系统，稀富燃控制器2将稀燃气路系统或富燃气路系统的气体与主气路系统连通；稀燃气路系统包括多个并联的独立气体管路，稀燃气路系统的每个气体管路上均设置有流量计；富燃气路系统包括多个并联的独立气体管路，富燃气路系统的每个气体管路上均设置有流量计；
[0048]
混合管路101的一端与所述主气路系统和所述旁气路系统连接，另一端与反应炉3的进口连接；
[0049]
所述分析检测系统与反应炉的出口连接，包括红外分析仪3和火焰离子化分析仪4；
[0050]
自动控制系统用于控制主气路系统、旁气路系统、反应炉3、分析检测系统的运行。
[0051]
在一些实施例中，主气路系统包括相互并联的n2第一管路、co2管路、o2第一管路、no第一管路、h2第一管路、c3h6第一管路、c3h8第一管路、co第一管路、h2o管路。稀燃气路系统包括相互并联的n2第二管路和o2第二管路；富燃气路系统包括相互并联的n2第三管路、co第二管路、h2第二管路、c3h6第二管路、c3h8第二管路、no第二管路。
[0052]
在本实施例中，评价装置还包括第一排空管路102，第一排空管路102与反应炉3的出口连接。分析检测系统对反应炉3出口处的气体进行取样分析，然后气体通过第一排空管路102进行排空。稀富燃控制器2是四通电磁阀，稀富燃控制器2与混合管路101、稀燃气路系统、富燃气路系统和第二排空管路103连接。当进行稀燃测试时，稀富燃控制器2连通稀燃气体系统和混合管路101，此时富燃气体系统和第二排空管路103连接，富燃气体系统的气体排空；进行富燃测试时，稀富燃控制器2连通富燃气体系统和混合管路101，此时稀燃气体系统和第二排空管路103连接，稀燃气体系统的气体排空。
[0053]
实施例2
[0054]
如图1、图3所示，一种lnt催化剂的评价装置，本实施例与实施例1相似，区别在于稀富燃控制器2不是四通电磁阀，是包括第一三通电磁阀21和第二三通电磁阀22。
[0055]
第一三通电磁阀21与混合管路101、稀燃气路系统和第三排空管路104连接，第二三通电磁阀22与混合管路101、富燃气路系统和第四排空管路105连接。在lnt催化剂测试过程中，可根据进行的是稀燃测试或富燃测试通过自动控制系统控制第一三通电磁阀21或第二三通电磁阀22的开关。
[0056]
实施例3
[0057]
本实施例提供了一种lnt催化剂的评价方法，采用实施例1或实施例2的评价装置，包括以下步骤：
[0058]
s1、从lnt催化剂成品上截取圆柱体lnt催化剂，测试lnt催化剂的高度和直径；具体步骤为：利用内径为25mm的圆柱形不锈钢管，从蜂窝状lnt催化剂上截取长度大于50mm，直径为25mm的圆柱体，用沙磨纸将圆柱体高度沙磨至50mm左右，采用游标卡尺测量圆柱体的高度和直径。在本发明中，测试了小样催化剂小样的直径和高度，得到催化剂小样的的体积，单位为l。
[0059]
s2、对所述分析检测系统中红外分析仪进行零点校准，对火焰离子化分析仪进行标定；
[0060]
红外分析仪零点校准的步骤为：用高纯n2吹扫所述10min，吹扫干涉仪10min，之后
通入n2进行标定，所有气体浓度波动在零点上下5ppm以内，视为标定成功。若标定不通过，则重复上述吹扫步骤。
[0061]
火焰离子化分析仪标定的步骤为：首先用高纯n2吹扫管路10min，之后通入c3h6标气进行标定。
[0062]
s3、催化剂活化，根据lnt催化剂所需气体流量对lnt催化剂进行活化，催化剂活化气氛由主气路系统提供；
[0063]
催化剂的活化气氛仅由主气路提供，气氛组成为：0.15％o2、1.8％co、0.6％h2、10％co2、12％h2o、0.024％c3h6、0.012％c3h8和n2(平衡气)。
[0064]
在本发明中在测试过程中，主气路系统的气体成分组成为：0.15％o2、0.25％co、0.03％h2、0.025％no、12％h2o、10％co2、0.034％c3h6、0.017％c3h8和n2，富燃气路系统的气体组成为5.97％h2、1.65％co、0.075％no、0.01％c3h6、0.007％c3h8和n2，稀燃气路系统的气体组成为5.15％o2和n2，稀燃气氛是主气路系统气体和稀燃气路系统气体的混合，富燃气氛是主气路系统气体和富燃气路系统气体的混合。
[0065]
在进行催化剂活化前之前，先进行气密性检查，具体步骤为：将lnt催化剂装入反应炉内，将评价装置出口阀门关闭，从主气路系统向评价装置内通入n2至指定压力，停止通气后在3min内检查压力，若压力衰减率不高于10％，则气密性良好。
[0066]
在进行催化剂活化时，先根据催化剂体积，在40000h
‑1空速下，得到所需气体流量，然后在富燃气氛下，以30℃/min的速率升温至活化温度点，在该温度和气氛下保持1h以上，本实施例中，活化温度点为600℃。
[0067]
s4、反应炉升温到测试初始温度后，先进行5s～15s的富燃测试，之后通过所述稀富燃控制器将富燃气氛切换为稀燃气氛，进行30s～240s的稀燃测试，每进行一次富燃测试和稀燃测试计为一个循环，每个温度点共测试15个循环以上。在本实施例中测试温度范围为200～600℃，间隔温度为50℃。
[0068]
在测试中，稀燃测试时co含量可上下浮动30％、丙烯含量可上下浮动20％，丙烷含量可上下浮动20％，稀燃空燃比可上下浮动15％，上述气体浮动范围内对lnt催化剂的测试结果无较大影响，该测试条件适应范围广。
[0069]
s5、在测试温度范围内按设定的间隔温度对每个温度点的lnt催化剂分别进行测试，计算每个温度点的no
x
转化率。
[0070]
no
x
转化率q的计算公式为：
[0071][0072]
式中t
f
表示一次循环内富燃时间，t
x
表示一次循环内稀燃时间，c
f0
表示富燃时no的初始浓度，c
x0
表示稀燃时no的初始浓度；c
fi
表示第i次循环时富燃阶段排放的no和no2的浓度总和，c
xi
表示第i次循环时稀燃阶段排放的no和no2的浓度总和。
[0073]
在测试过程中发现，当没有设置旁气路系统，而直接通过调节流量计获得稀富燃气氛测试得到的数据无法进行no
x
转化率计算，比如设定富燃气氛10s，稀燃气氛60s，一个循环测试后，一个循环所用时间在80s左右，因为测试时通过流量计调节稀富燃气氛，流量会有几秒延迟后才会达到目标值，导致一个循环周期变长，无法获得流量计在调动至目标
值的改变量，且这种方法测试出的数据不稳定，连续测试3次后，同一温度测出的no
x
转化率差异较大，没有可参考性，而采用本发明所述的评价方法测试出的数据稳定。
[0074]
本实施例将lnt催化剂按照上述的方法进行测试，得到各温度点的no
x
转化率如下表1，其中取样的lnt催化剂直径为25mm，长度为50.1mm，体积为24.6ml，空速为40000h
‑1，测试温度范围为200℃～500℃，温度梯度50℃，反应气体在所述稀富燃气氛进行切换，测试稀燃时间为60s，富燃时间为10s，每个测试温度点的测试循环共计15次，通过公式计算各温度点的转化率，测试数据如图4所示。
[0075]
表1lnt催化剂在200℃～500℃内no
x
转化率
[0076]
温度/℃200250300350400450500no
x
转化率/％92.1496.5295.2786.5962.7741.3235.75
[0077]
本发明的lnt催化剂评价方法，通过评价装置实现更符合实际工况的稀富燃气氛组成，在评价装置上进行测试，稀富燃气氛通过稀富燃控制器实现稀富燃氛围瞬间和稳定切换，使稀富燃切换后测试气氛总体流量保持稳定，在测试过程中，让lnt催化剂在恒定的空速下，在较长的稀燃时间内储存no
x
，在较短的富燃时间内将no
x
还原成n2，由于采用了瞬态切换和恒定空速，响应速度快，测试结果精确。
[0078]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。