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我国机动车排放污染控制与稀土催化剂的应用

发布日期:2017-10-14  浏览次数:921

1 机动车排放污染及控制现状

1.1 我国机动车排放污染的现状

随着交通运输业的迅速发展,机动车工业已成为我国的支柱产业之一。目前我国汽车保有量已达到1500 万辆,近年来以13-15%的速度递增。柴油车保有量约为650万辆,摩托车保有量4500W余万辆,摩托车近年来的增长率在20%以上。随着经济的发展,我国机动车保有量迅速增加,其增长速度远远高于经济和人口增长的速度。 由于我国的汽车大多集中在大中城市,加之道路交通条件差,车辆保养和维修体系不完善,旧车辆多,我国车辆单车平均排放水平很高,是目前发达国家排放因子的数倍。由于平均车速低,运行状况不佳,HC 和CO排放严重,NOx排放因子相对较低。 这些车辆进入城市的交通网络,加重了城市机动车辆的排放污染,也导致了城市空气质量恶化。在一些城市中,NOx 的浓度在近几年有明显上升的趋势。  1996年全国有17个北方城市、10个南方城市空气中的NOx年日均值超过二级浓度限值,广州1996年NOx年日均值超过三级浓度限值。就典型的机动车污染物HC 、CO和NOx而言,北京、上海、广州、重庆等城市均超过烟型污染。目前我国城市机动车空气污染的表现形式是以环境空气中NOx 超标为主要特征,存在光化学烟雾严重污染危害的潜在威胁。机动车尾气排放已成为我国大中城市的主要污染源之一,机动车污染排放已成为我国城市经济发展中的一个重要环境问题。

1.2 我国有关机动车污染排放的法规与政策

我国于1987年9月颁布了“中华人民共和国大气污染防治法”,汽油无化也是贯彻大气法的具体行动之一。我国现行有关机动车排放的标准共有17 个(汽车、柴油车、摩托车的排放标准、测试方法、实验方法)。其他还有一些地方标准。如北京市对在用车的双怠速标准。随着近两年城市机动车污染的加剧,现行标准已越来越不适应形势的需要。北京市又先行推出了严于国家的标准,相当于欧洲90 年代初的排放标准,并于1999年1月1日开始执行。国家环保局已于1999年7月发布了“轻型汽车污染物排放标准”(CWPBl —1999),并将于2000年1月1日实施。2000年1月1日至2004年6月30日第一阶段和自2004年7月1日开始为第二阶段,分别要求达到欧洲第一阶段水平( 满足91/44l/EEC和93/59/EEC法规)和第二阶段水平(欧洲排放法规94/12亿EC和96/69亿EC法规)。贯彻实施这些标准,将使我国汽车排放控制水平达到欧洲90年代初的水平。我国从1997年2月开始执行的摩托车排放标准相当于欧洲80 年代ECE40.00限值。1998年12月机械部发文,规定我国摩托车执行更严格的标准。计划到2002年执行相当于欧洲90年代中后期的ECER83—0l标准限值。 对机动车污染进行控制,对保持城市大气环境质量,城市环境保护和可持续发展,推动我国的环保产业及相关产业的发展都将具有十分重要的意义。  机动车尾气控制技术的开发应用及其产业化,必将产生巨大的经济、社会及环境效益。

1.3 国内外机动车污染控制技术的现状

发达国家对控制城市机动车排放的研究很重视,在60年代颁布了排放标准和法规,1974—1975年间美国、日本相继安装了氧化型催化净化器,1978 年美国对汽车排放的NOx提出了控制要求,开始研究三效催化净化器,并达到实用阶段。国外催化净化器的研制开发、生产、市场销售主要由几个大的厂商进行。国外已形成了机动车污染控制的三大体系,建立了一系列完整的技术与管理相配套的制度,有效地减少了尾气排放,还带动了环保产业的发展。国外机动车尾气污染控制催化技术开发目标是以各国在不同时间段内颁布排放标准和法规为依据,满足和达到排放标准。开始朝低排放、超低排放和零排放车的方向发展。 我国在机动车尾气催化净化器领域研究起步较早,从1973年起对红旗轿车的尾气进行净化,从1982年开始,对蜂窝陶瓷载体制备技术、涂层材料及工艺技术、催化剂优化配方及制备技术、催化剂生产中部分设备及整套工艺、技术规范、催化净化器总成技术、柴油机消除烟尘和催化燃烧再生技术、摩托车排放净化技术等进行了长期应用研究和部分产品的开发研究,部分关键技术已接近国际先进水平。近年来对于汽油车尾气污染控制有了很大发展。北京、广州、上海等大城市相继实现了无铅汽油,计划到2000 年全国实现无铅汽油。这些为汽油车安装催化净化器创造了条件。在“九五”计划期间,国家科技部首次设立了“我国汽车污染综合控制研究”的科技攻关课题。我国主要采用稀土部分或全部替代资源短缺的贵属用于解决汽车尾气排放污染的问题。目前我国汽车尾气污染控制的研究水平较高,工作基础较好,有一支实力较强的产学研队伍,包括清华大学、天津大学、华东理工大学、北京工业大学、武汉汽车工业大学等高等院校和中科院生态环境研究中心、昆明贵金属研究所、中科院大连化学物理研究所、北京有色金属研究院、北京石油化工研究院、天津化工研究院等科研院所以及桂林利凯特、无威字力达、北京蓝天、北京绿创、山西净土、上海高科、河北兰宇等生产厂家。有些科研院所和生产厂家已有良好的合作关系,已具备向工程化、产业化转化的条件。但与国外产品尚有不小差距,主要表现在催化剂寿命、部分硬件技术、总装集成技术及与不同车型的匹配技术等方面。我国汽车尾气污染的控制水平只相当于发达国家70 年代中期的水平。目前销售汽车尾气催化净化器的厂家大约有80 家。但是生产催化转化器的规模都不大,年产几万套到10 万套能力,产品质量参差不齐,而且由于市场的问题,各生产厂家还没达到生产能力,因此要形成产业化还有很大差距。例如北京市经过实际装车使用暴露出不少问题,要达到国家2000 年1月1日实施的GB14763 —1999排放标准尚有一定的难度。在其他机动车尾气净化的研发方面,摩托车尾气排放是比较严重的,因此摩托车的排放对大气造成的污染已成为世界性的研究课题,而我国在控制摩托车污染排放的研究与开发同样不多。近年来有关“摩托车排放催化净化技术的研究与应用”的课题已列入“九 五”攻关计划,拟开发出净化效果良好的催化材料,“柴油车排放颗粒物净化技术”的课题也列入“九五”攻关。汽油发动机稀薄燃烧具有开发潜力和应用前景,有关的研究与开发国内尚未深入开展。压缩天然气(CNG) 或液化石油气(LPG)为清洁燃料车的改造,排放的污染控制也是前沿性研究课题,而有关研究与开发在我国近似于空白。 宋体; 有关机动车污染治理的环保产业具有广阔的市场前景,但由于技术、法规、政策和市场本身等诸多的原因,目前还尚未形成催化净化器制造商所期望的规模,需要从诸多的方面去开拓和培养。 总之,在机动车排放控制方面我国与国外先进水平存在着明显的差距,但通过近二十年科技界和产业部门的不懈努力,已经具备了良好的基础,完全有能力研制出符合我国国情、拥有知识产权的技术,并使之产业化。随着我国对机动车尾气排放法规的更加规范与完善,通过政府的支持及科技界和产业部门的不懈努力,机动车尾气净化将会有一个全新—的发展和飞跃。

2 稀土在机动车排放控制方面的应用

2.1 稀土催化剂的研究现状和机动车净化催化剂中稀土的催化特性

稀土氧化物特有的性质及其催化作用早已引起了催化研究者们的关注。例如,稀土氧化物的顺磁性、晶格氧的移动性、阳离子的可变价以及表面碱性与许多催化作用有本质的联系。但在过去的催化研究中,稀土氧化物多用作催化剂担体和助剂,而对稀土氧化物本身的催化特性的研究比较肤浅,有关稀土氧化物催化作用的详细深入研究尚不多见,尤其对稀土氧化物表面性质及其催化特性的认识远远不如过渡金属氧化物那样细致、深入,这与稀土难于分离和发现的历史相对短暂也有一定的关系 。总的来讲,除了以上所提到的晶格氧移动性、阳离子可变价以及表面碱性外,稀土元素的催化性能有以下三个规律性特征。一是由于稀土元素外层电子结构相似,稀土元素间的催化性能差别比较小,总的催化活 性比不上外层d电子结构的过渡元素及贵金属元素。在大多数的反应中,各轻稀土元素之间的催化活性变化不超过l 一2倍,重稀土元素之间几乎无变化。而d型结构的过渡元素之间的活性相差比较大,甚至可以达到几个数量级,存在着明显的选择性差异。二是在现行的实用工业催化剂中,稀土一般只用作助催化剂或催化剂中的一种活性组份,很少作为主体催化剂。三是作为贵金属催化剂的助剂,稀土能够提高和改变催化剂的性能,其助剂的作用远远地大于传统意义上的碱金属或碱土金属元素。催化剂技术是机动车尾气净化器的核心关键技术,稀土在我国的机动车排放污染控制方面有着广泛的应用。这主要是由于一方面,我国贵金属贫乏而有丰富的稀土资源,另一方面稀土具有其独特的催化作用和性质。稀土在机动车尾气净化催化剂中主要是具有贮氧和催化作用,将其加入催化剂活性组分中,能提高催化剂的抗铅、硫中毒性能、耐高温稳定性,并能改善催化剂的空燃比工作特性。另外有关机动车尾气净化稀土催化剂中稀土与贵金属、氧化的相互 作用及稀土催化作用的活性机理目前还不太清楚。

2.2 机动车排放控制催化剂所用稀土量的现状与发展的趋势

我国稀土的储量和产量都排名第一,但稀土消耗量却位居第二。主要原因是因为稀土在我国机动车尾气净化催化剂应用中占的比例比较小。在美国,汽车尾气催化剂是稀土原料最大用户。1996 年,美国在汽车尾气净化催化剂中的稀土用量达到11000 吨(以REO计),占当年美国稀土总消耗量的45%,远高于稀土的第二用量石油裂化催化剂(占稀土总消耗量的24%)。由于目前我国机动车催化净化器的生产还尚未形成规模,因而所用稀土还比较少。 控制汽车尾气徘放污染,在汽油无铅化的前提下,最有效的措施是电喷加上安装汽车尾气净化器。我国作为稀土大国和贵金属资源贫乏的国家( 贵金属年产量0.4吨),应充分利用稀土资源,开发并推广使用以稀土为主的具有我国特色的汽车尾气净化催化剂,对于开拓稀土资源的综合利用,治理我国城市大气污染有至关重要的意义。据有关部门的预测,到2005年我国机动车尾气催化转化器市场将有800-1000万套大需求,产值将达百亿元,每年消耗稀土2000吨,可减少l000万吨一氧化碳、100万吨碳氢化合物和20万吨氮氧化物,取得良好的经济效益和社会效益。

2.3 我国稀土尾气净化催化剂研究与开发存在的问题

目前,我国在尾气净化稀土催化剂的研究开发方面主要存在以下几个问题;一是研究部门、开发部门和产业化部门协调不够,高等院校和科研院所的结合有待进一步加强;二是现有的几个小规模的汽车尾气净化器生产厂家的稀土催化剂开发力量和实验手段相当不足,导致该领域的科研成果转化速度相对缓慢;三是国家在宏观控制、开发经费、产业化贷款以及产业政策等方面尚需进一步加大力度。就目前的情况而言,稀土催化剂的有关应用基础研究 相对滞后,一些关键性技术和产业化过程技术尚未彻底解决。

3 结论 

今后,对于稀土机动车尾气净化器应着重考虑产业化的开发及生产,考虑国家的稀土资源及市场分布。稀土催化剂应用发展的战略目标是“抓应用、促生产、创效益”。通过稀土尾气净化催化剂的开发应用,获得我国自己的稀土应用知识产权,将资源优势转化为产业化优势。稀土催化剂的研究与开发可以分为应用基础研究、攻关与开发以及产业化三个层次。关于应用基础研究,针对我国丰富的稀土资源,开发含少量贵金属的稀土催化剂,进一步降低贵金属的用量,提高催化剂的技术含量,进一步开展稀燃条件下稀土催化剂的研究、高性能稀土复合裁体材料、稀土纳米催化材料的研究以及柴油机和洁净燃料稀土净化催化剂的研究。关于稀土净化催化器的攻关与开发方面,重点解决汽车尾气净化器的成套生产技术,包括生产线设计、新型高效催化剂生产工艺、涂覆技术、装配技术、质量检测、产品认定等;还应开发各种实用的机动车尾气污染控制技术。既能解决在用车的排放污染,也能实施新车安装净化器的匹配。在产业化方面,主要研究将催化剂寿命从目前的5万公里提高到8-l0万公里。另外应掌握稀土汽车尾气候化净化器的成套生产技术、合少量贵金属的稀土催化剂的实用化生产技术及汽车尾气净化器产品的标准化技术。其他有关机动车尾气控制技术也需要进行产业化的完善工作。 稀土在机动车尾气净化催化剂中的应用是一个多学科的系统工程,跨部门,跨行业,还涉及到环境保护的政策法规问题。鉴于我国稀土在机动车尾气净化催化剂的研究与应用方面与国外相比尚有一定的差距,建议国家计委、科委、国家环保局、机械局、公安部、交通部等行业领导部门共同成立一个国家稀土催化剂应用领导部门,下设一个稀土机动车尾气净化器协作网负责实施产业化和一个稀土催化剂专家组织负责技术指导、监督和咨询工作。国家应采取一定的行业保护措施,发展我国知识产权的净化器产业。同时吸收国外的先进技术,促进我国稀土催化剂的应用与发展

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