專利名稱:催化劑及材料的評價系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種催化劑及材料的評價系統(tǒng),尤其是涉及一種能夠模擬機動車尾氣組成和使用條件,實現(xiàn)對各種汽車尾氣催化劑及材料進(jìn)行評價的裝置系統(tǒng)。
背景技術(shù):
眾所周知,世界范圍內(nèi)機動車排放的尾氣是導(dǎo)致空氣質(zhì)量問題的主要因素。在降低汽車排放污染的各項措施中,汽車尾氣催化凈化技術(shù)是目前被公認(rèn)的最有效技術(shù)而被廣泛應(yīng)用。例如汽油發(fā)動機和摩托車的三效催化劑。有關(guān)對柴油發(fā)動機尾氣凈化的各種顆粒捕集器和NOx阱,以及選擇性催化還原(SCR)、四效催化技術(shù)(NPDR)等也正在開發(fā)和試運行之中。在汽車尾氣催化劑實際裝車應(yīng)用之前,必須確認(rèn)催化劑的性能和壽命是否滿足相關(guān)的排放法規(guī)要求,有必要進(jìn)行相關(guān)的測試工作。對催化劑性能的測試可以有以下方法
將催化劑裝車后直接在路面上跑車,并實時監(jiān)控催化劑的性能。該方法因為是路跑,所以最接近車輛的實際使用條件,但由于受路況等行駛條件影響較大,實驗結(jié)果的重復(fù)性較差,不是一種標(biāo)準(zhǔn)的催化劑性能評價方法。將催化劑裝車后在標(biāo)準(zhǔn)的車輛試驗場,按標(biāo)準(zhǔn)的程序跑車,并在固定公里數(shù)后在配有轉(zhuǎn)鼓和底盤測功機的專業(yè)實驗室里,運行特定的駕駛循環(huán)來檢測催化劑的性能。例如國標(biāo)GB18352. 3-2005里規(guī)定的方法。該方法作為一種標(biāo)準(zhǔn)的裝車驗證方法,為廣大汽車廠所采用。但該方法的不利之處在于實驗周期長、需要專業(yè)的實驗場和檢測設(shè)備,花費很大。 除此之外采用該方法得到的評價結(jié)果是對車輛排放性能的整體評價,離開特定的試驗車輛的試驗結(jié)果,無法說明不同型號、不同廠家的催化劑產(chǎn)品性能。采用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)可以直接對催化劑性能、壽命進(jìn)行測試和快速模擬,相對于上述兩方法可大大縮短試驗周期和節(jié)省費用。如GBT18377-2001 ( GB/T18377-2001 汽油車用催化轉(zhuǎn)化器的技術(shù)要求和試驗方法)中規(guī)定的方法。但這種方法的不足在于測試結(jié)果受發(fā)動機參數(shù)和性能影響。不同的發(fā)動機、不同的運行工況,同一個催化劑試驗的結(jié)果可能有偏差,甚至很大的偏差。而實際上不同的實驗室往往所采用的發(fā)動機和運行工況都不同,造成實驗結(jié)果的可比性變差。該方法也不是一種很好的評價催化劑性能的基準(zhǔn)方法?!N被認(rèn)為是較基準(zhǔn)的評價催化劑性能的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)氣來模擬汽車廢氣。由于標(biāo)準(zhǔn)氣性質(zhì)的穩(wěn)定性,因此采用標(biāo)準(zhǔn)氣模擬廢氣進(jìn)行的催化劑評價結(jié)果,不會因地點、實驗室、測試使用對象及操作人員的差異而不同,而只跟模擬氣組成、反應(yīng)溫度、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式等相關(guān)。作為一種基準(zhǔn)的方法,該方法在催化劑實驗室研究和開發(fā)階段被廣泛使用,具有裝置簡單、成本低、實驗結(jié)果重現(xiàn)性和一致性好的優(yōu)點且易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。最常見的標(biāo)準(zhǔn)氣模擬活性評價方法為采用兩種氣體,例如C0+02,HC+02評價催化劑的氧化活性;或C0+N0,HC+NO, H2+N0等評價催化劑的氧化還原性能;或者是3至4種氣體系統(tǒng),02+N0+還原劑,表征催化劑的選擇性催化還原能力;或C0+N0+HC+02,表征催化劑的三效性能。這些評價方法在測試時氣體的百分比組成是固定的,烴類一般只有一種如C3H8, 被稱為穩(wěn)態(tài)法(GB/T 1881-2002)(石油學(xué)報(石油加工),2001,V01. 17,P16_20)。由于模擬氣組成與實際尾氣還相差較大,如烴類組成單一、無C02或H20,以及穩(wěn)態(tài)氣氛與汽車實際的動態(tài)氣氛有差別,使得測試的結(jié)果與實際裝車或發(fā)動機臺架測試結(jié)果之間比對性不好。為了進(jìn)一步提高催化劑模擬評價數(shù)據(jù)結(jié)果的可比對性,有發(fā)明者提出了動態(tài)小樣評價模擬系統(tǒng),在氣體的組成上盡量考慮與實際氣氛接近。如美國西南研究院的通用合成氣體反應(yīng)器(USGR) (US 200510107973)。該系統(tǒng)模擬氣組分烴類可以是一種或多種,加進(jìn)了 C02和H20,同時也考慮到了因為燃料、發(fā)動機的差別,可以設(shè)置增減相應(yīng)的組分和調(diào)整組分的百分比,同時對尾氣中的氧組分含量可以設(shè)定為稀燃和富燃的兩百分比,且氣路可以在這兩個百分比之間交替變換,實現(xiàn)了對發(fā)動機排氣的稀富燃變化模擬,兩個點之間的差值可以根據(jù)需要設(shè)定。該系統(tǒng)的可實現(xiàn)催化劑小樣的三效性能、OSC性能、DOC性能和SCR催化劑性能的研究測試。但仍存在不足,主要是因為該系統(tǒng)只有一組模擬氣路,氣氛的稀富燃模擬只有氧的含量變化,且這種變化就只在兩個點之間;其余的氣體組分含量在測試過程中是恒定不變的,與發(fā)動機稀富燃變化尾氣中C0、HC、N0x濃度是變化的這一點仍有差別。另外一點,催化劑和材料除了活性、儲氧能力外,還有許多與活性可能相關(guān)聯(lián)的特性如被氧化還原性能、 金屬表面積、動態(tài)氧吸附能力等等。該系統(tǒng)由于沒有設(shè)計相應(yīng)的定量裝置,或雖設(shè)有注射氣路,但組分的注入是通過控制氣路的開、關(guān)時間的形式實現(xiàn),而流量控制器、泵的反應(yīng)時間較長。因此無法在該系統(tǒng)上實現(xiàn)快速動態(tài)、定量表征?;谏鲜龅牟蛔悖景l(fā)明提出了一種全新的配氣動態(tài)模擬評價評價系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種催化劑及材料的評價系統(tǒng),可以實現(xiàn)對各種催化劑及材料的活性、特性進(jìn)行實現(xiàn)快速動態(tài)、動態(tài)氣氛模擬評價以及催化劑和材料性能的動態(tài)和定量表征??梢詫崿F(xiàn)單組份到全組分的動態(tài)變化模擬;系統(tǒng)設(shè)有眾多的氣體管路和組合功能,適用性和功能更強,模擬條件更接近催化劑實際的反應(yīng)條件。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案在于提供一種催化劑及材料的評價系統(tǒng), 其特征在于,包括
一反應(yīng)氣體發(fā)生器,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需要的反應(yīng)氣體,并通過不少于一路的連接管路連接到反應(yīng)器;
一注射發(fā)生器,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體和液體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需注射的反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體,并通過注射或脈沖的方式經(jīng)不少于一路的連接管路連接到反應(yīng)器;
至少一個反應(yīng)器,所述反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有用于與反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體反應(yīng)的催化劑或材料,反應(yīng)器上配有電熱元件及溫度傳感器;
一個采樣控制器和連接在采樣控制器上若干個采樣設(shè)備,該采樣控制器能提供不少于一個的米樣接口,該米樣設(shè)備用于對反應(yīng)器的進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)行米樣;
一個含主控軟件的主控單元,所述主控單元與分別設(shè)置在反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、反應(yīng)器、采樣控制器以及采樣設(shè)備上的控制器相連,用于控制系統(tǒng)各組成部分和整個系統(tǒng)的自動運行;
眾多的連接管路,用于能實現(xiàn)反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、反應(yīng)器、采樣控制器等各系統(tǒng)組成部分之間的氣氛或液體輸送、分配、切換、連接、放空。在一較佳實施例中,所述反應(yīng)氣體發(fā)生器包括若干個獨立的原料氣進(jìn)氣管路,每個原料氣進(jìn)氣管路上分別設(shè)置有一支路組,所述支路組由若干支路并聯(lián)構(gòu)成,且每一支路上均設(shè)置有流量控制器,取該些支路組中的若干個支路進(jìn)行匯流,以形成若干個混合氣管路,該些混合氣管路上設(shè)置有氣體分配器和用于切換輸出管路的管路切換閥;所述混合氣管路還旁接有備用輸氣管路,所述備用輸氣管路上設(shè)置有開關(guān)閥。所述備用輸氣管路用于與備用的反應(yīng)器相連。在一較佳實施例中,所述注射發(fā)生器包括若干個注射氣進(jìn)氣管和若干個注射液進(jìn)液管,所述注射氣進(jìn)氣管上分別設(shè)置有流量控制閥,將注射氣進(jìn)氣管分為若干注射氣進(jìn)氣組,并將同一注射氣進(jìn)氣組內(nèi)的各注射氣進(jìn)氣管匯流到一混合氣管中,在相鄰兩混合氣管之間依次設(shè)置有第一管路切換閥組、第二管路切換閥組和第三管路切換閥組,所述第二管路切換閥組一旁側(cè)還設(shè)置有加熱裝置,所述第三管路切換閥組上設(shè)置有定量管,定量管的容積可以根據(jù)需要替換;所述注射液進(jìn)液管上分別設(shè)置有液體注射泵和管路切換閥組,所述管路切換閥組的部分出液管路通向加熱裝置,所述管路切換閥組的部分出液管路直接通向反應(yīng)器,所述管路切換閥組的部分出液管路直接通向反應(yīng)器。所述第一管路切換閥組、第二管路切換閥組、第三管路切換閥組以及管路切換閥組可以由多通閥構(gòu)成,或是多個電磁閥構(gòu)成,也可以由多個多通閥和電磁閥組合構(gòu)成,以實現(xiàn)所連接管路的匯流或改變管路的流向。注射液進(jìn)液管可以根據(jù)需要與一加熱裝置(蒸汽發(fā)生器)相連,而直接加注液體或蒸汽;也可以與注射氣進(jìn)氣管組合,以蒸汽混合氣的形式作為注射的反應(yīng)氣;為了防止液體冷凝,蒸汽發(fā)生器后管路帶有加熱保溫系統(tǒng)。所述加熱裝置(蒸汽發(fā)生器)上設(shè)置有直接將氣體排向大氣的放空管路。這些從反應(yīng)氣體發(fā)生器出來的連接管路和從注射發(fā)生器出來的連接管路分別與反應(yīng)器相連或是排空。進(jìn)入反應(yīng)器的連接管路可以再匯總成一路;為了避免氣體到達(dá)樣品前的不利反應(yīng)或是副反應(yīng),也可以多路。在一較佳實施例中,所述反應(yīng)器包括反應(yīng)器外管和反應(yīng)器內(nèi)管,所述反應(yīng)器外管的外周部包覆有電熱元件,所述反應(yīng)器內(nèi)管填充有催化劑或材料,且所述催化劑或材料的前側(cè)、后側(cè)以及其內(nèi)部分別設(shè)置有溫度傳感器,所述催化劑或材料的前、后側(cè)還分別設(shè)置有進(jìn)口采樣管和出口采樣管,所述進(jìn)口采樣管和出口采樣管均通向采樣控制器。上述反應(yīng)器的進(jìn)氣端上設(shè)置有氣體混合器,以保證混合氣體到達(dá)催化劑或材料之前是均勻的?;旌掀骺梢圆捎蒙唐坊撵o態(tài)混合器或是動態(tài)混合器?;旌掀魇走x采用惰性填料或材料的混合器。在一較佳實施例中,所述采樣控制器包括一采樣管路,所述采樣管路上均勻分布有若干個采樣接口,該些采樣接口分別連接有不同的采樣設(shè)備,所述采樣管路上還設(shè)置有進(jìn)樣口,所述進(jìn)樣口與進(jìn)口采樣管和出口采樣管相連接,所述采樣管路的一端口為吹掃氣入口和開關(guān)閥,其另一端口為吹掃氣出口和開關(guān)閥,所述采樣管路的中部區(qū)域上設(shè)置有開關(guān)閥。設(shè)置吹掃氣的入口和出口主要用于采樣管路的清潔。
上述采樣設(shè)備包括T⑶檢測器、氧傳感器、質(zhì)譜儀、氣相色譜儀、紅外光譜儀、五組份尾氣分析儀或排放柜。比如用通用的商品化五組份尾氣分析儀或排放柜分析反應(yīng)器前后的氣體組成,可以得到催化劑的轉(zhuǎn)化性能。用TCD或質(zhì)譜檢測器監(jiān)控樣品出口帶分析氣體某組分的濃度變化情況,可以得到催化劑或材料的性能。在一較佳實施例中,所述主控單元由上位機和主控制柜組成,主控制柜內(nèi)設(shè)置有供電單元、邏輯控制器、程序升溫控制器、單片機、通訊模塊;上位機采用通用的商用電腦或是工業(yè)機,上位機裝有主控軟件,以實現(xiàn)主控單元與控制器通訊,實現(xiàn)氣體或液體流量設(shè)定、開關(guān)和閥件控制,實現(xiàn)管路編組,根據(jù)需要與分析設(shè)備通訊,實現(xiàn)采樣控制器與儀器同步實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的采集,記錄、輸出。催化劑或材料的形態(tài)可以是整體式的、也可以是顆粒狀或粉末。所述材料是指可以應(yīng)用于催化劑的材料,系統(tǒng)所適用的催化劑主要為氣固反應(yīng)催化劑,尤其為汽車尾氣三效催化劑,柴油車氧化型催化劑,稀薄燃燒氮氧存儲催化劑、選擇性還原催化劑、及催化燃燒催化劑等。系統(tǒng)中與液體輸送和蒸汽發(fā)生器連接的管路和定量管,根據(jù)需要可以加裝管路保溫單元,以防止液體冷凝。本發(fā)明與現(xiàn)有的評價系統(tǒng)相比顯著的優(yōu)勢在于該評價系統(tǒng)適用于穩(wěn)態(tài)氣氛的配氣模擬,更適用于進(jìn)行動態(tài)氣氛的模擬,尤其適用于多組分復(fù)雜氣氛的模擬,可以在主控軟件的控制下自動進(jìn)行,實現(xiàn)氣體管路流量、濃度、動態(tài)波動頻率和幅度的自動控制,同時記錄和保存實驗信息和數(shù)據(jù)。可以實現(xiàn)單組份到全組分的動態(tài)變化模擬;系統(tǒng)設(shè)有眾多的氣體管路和組合功能,適用性和功能更強,模擬條件更接近催化劑實際的反應(yīng)條件。程序可以根據(jù)需要靈活設(shè)置特定的分析方法,并保存調(diào)用。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂,下文特舉實施例,并配合所附圖式作詳細(xì)說明如下。
圖I是本發(fā)明所公開的評價系統(tǒng)的總示意圖。圖2是本發(fā)明所公開的反應(yīng)氣體發(fā)生器的詳細(xì)流程示意圖。圖3是本發(fā)明所公開的注射發(fā)生器的詳細(xì)流程示意圖。圖4和圖5是本發(fā)明所公開的反應(yīng)氣體進(jìn)入反應(yīng)器的形式示意圖。圖6是本發(fā)明所公開的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明所公開的采樣控制器示意圖。圖中I反應(yīng)氣體發(fā)生器,2注射發(fā)生器,3反應(yīng)器,4采樣控制器,5采樣設(shè)備,6主控單元,F(xiàn)lXl、F1XXA、FlXXB連接管路;
GlOf G107原料氣進(jìn)氣管路,11支路組,A、B、C流量控制器,F(xiàn)lOl、F121、F131混合氣管路,F(xiàn)P100氣體分配器,F(xiàn)Z100管路交換器,F(xiàn)101A、F101B、F121A、F131B輸氣管路,Kill、 K12UK131開關(guān)閥,F(xiàn)101H、F121H、F131H備用輸氣管路;
G201A G204B注射氣進(jìn)氣管,LKA、LKB開關(guān),21流量控制器,F(xiàn)201A、F201B、F202A、 F202B輸出管路,ZH201、ZH204第一管路切換閥組,ZH202、ZH205第二管路切換閥組, ZH203.ZH206第三管路切換閥組,ZQ200、ZQ300蒸汽發(fā)生器,22定量管,Y201、Y202注射液進(jìn)液管,ZH207管路切換閥組,23管路保溫單元,24放空管路;
31催化劑或材料、32電熱元件、33溫度傳感器,34氣體混合器,35進(jìn)口采樣管,36出口采樣管,37反應(yīng)器內(nèi)管,38反應(yīng)器外管;
41采樣管路,42采樣接口,43進(jìn)樣口,44吹掃氣入口,45吹掃氣出口,46開關(guān)閥。
具體實施例方式本發(fā)明的催化劑及材料的評價系統(tǒng),主要包括以下幾部分
一反應(yīng)氣體發(fā)生器1,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需要的反應(yīng)氣體,并通過不少于一路的連接管路(例如圖I中的F1X1、F1XXA和F1XXB)連接到反應(yīng)器3 ;
一注射發(fā)生器2,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體和液體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需注射的反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體,并通過注射或脈沖的方式經(jīng)不少于一路的連接管路連接到反應(yīng)器3 ;
至少一個反應(yīng)器3,所述反應(yīng)器3內(nèi)部設(shè)置有用于與反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體反應(yīng)的催化劑或材料31,反應(yīng)器上配有電熱元件32及溫度傳感器33 ;
一個采樣控制器4和連接在采樣控制器4上若干個采樣設(shè)備5,該采樣控制器4能提供不少于一個的采樣接口,該采樣設(shè)備用于對反應(yīng)器3的進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)行采樣;
一個含主控軟件的主控單元6,所述主控單元與分別設(shè)置在反應(yīng)氣體發(fā)生器I、注射發(fā)生器2、反應(yīng)器3、采樣控制器4以及采樣設(shè)備5上的控制器7相連,用于控制系統(tǒng)各組成部分和整個系統(tǒng)的自動運行;
眾多的連接管路(例如圖I中的F1X1、F1XXA、F1XXB),用于能實現(xiàn)反應(yīng)氣體發(fā)生器
I、注射發(fā)生器2、反應(yīng)器3、采樣控制器4等各系統(tǒng)組成部分之間的氣氛或液體輸送、分配、 切換、連接、放空。本發(fā)明的一個重要方面是提出了一種全新的動態(tài)配氣模擬實現(xiàn)方式。這種方式的實現(xiàn)是通過一個反應(yīng)氣體發(fā)生器I實現(xiàn)的,如圖2所示。反應(yīng)氣體發(fā)生器I上設(shè)有多路獨立的原料氣進(jìn)氣管路,可以接入通常所用的模擬原料氣如C0、C02、N0、H2、HC、02等,原料氣進(jìn)氣管路可以是圖2中所示的7路原料氣進(jìn)氣管路GlOf G107,但并不局限于7路,也可以根據(jù)需要增加或減少相應(yīng)的原料氣進(jìn)氣管路。每一原料氣進(jìn)氣管路分別連接到支路組11, 如圖2中所示支路組11包含有三條并聯(lián)的支路,且三條支路上分別設(shè)置有A、B、C三個流量控制器,流量控制器首選質(zhì)量流量控制,也可以選其他能實現(xiàn)自動化控制的流量控制器。 相應(yīng)的由各流量計接出的管路可以匯成一個總的混合氣管路,例如將所有的帶有A流量控制器的支路匯合成混合氣管路FlOl ;將所有的帶有B流量控制器的支路匯合成混合氣管路 F121 ;將所有的帶有B流量控制器的支路匯合成混合氣管路F131。當(dāng)然,根據(jù)需要也可以不匯合或者部分管路匯合。各原料氣進(jìn)氣管路可以根據(jù)需要接相應(yīng)的原料氣,每一個流量控制器都可以單獨設(shè)置流量,也可以根據(jù)需要啟用或不啟用流量控制器。因此,該系統(tǒng)的產(chǎn)生的反應(yīng)氣體與標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶氣相比可以有非常寬的濃度范圍和組分自由度,基本上可以實現(xiàn)對現(xiàn)有機動車排放的主要氣體污染物進(jìn)行模擬。通過上述流量控制器可以得到所需要的模擬混合氣(即反應(yīng)氣體),但這種模擬混合氣基本上還是靜態(tài)的。雖然測試過程當(dāng)中也可以隨時調(diào)整流量來產(chǎn)生動態(tài)氣氛,但由于流量控制器反應(yīng)的滯后性,無法保證所有的流量計在同一時間穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值,用這種方法無法保證本次試驗與下次試驗氣氛的一致性,測試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性差。本發(fā)明所提出的反應(yīng)氣體發(fā)生器I的另一個重要功能是不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)氣氛模擬而且能夠?qū)崿F(xiàn)混合氣動態(tài)模擬。如圖2所示,由A組流量計匯合成一個FlOl管路,也可以是A組流量計中的一個或多個組合匯合成混合氣管路。FlOl經(jīng)過一個氣體分配器FP100 后可以將一路氣分割成一路(不分割)、兩路器F101A、FlOlB (圖2)或是多路。各路的分配比例可以隨需要而定,例如分割成兩路的情況。如果兩個催化劑或材料是平行的,流量要求一致,可以對FlOl平均分割。如果兩路要求的流量不同則可以進(jìn)行不等比分割。該混合氣管路產(chǎn)生的模擬混合氣(即反應(yīng)氣體)為靜態(tài)混合氣。經(jīng)氣體分配器FP100分出的氣路上接一個管路交換器FZ100,就可以實現(xiàn)FlOlA和FlOlB氣路間流量的瞬間改變。同理B流量計組可以匯合成混合氣管路F121,或是其他的混合氣管路。C流量計組可以匯合成混合氣管路F131,或是其他的混合氣管路。與FlOl不同的是,將F121和 F131兩管路同時接入一個氣體分配器FP200后,將變成兩路濃度等同或不同于未經(jīng)氣體分配器FP200前管路的模擬混合氣,而且新的兩路氣的濃度可以根據(jù)需要在F121,F(xiàn)131原濃度的范圍內(nèi)非連續(xù)(靜態(tài))變化,或者是連續(xù)(動態(tài))變化。這兩路氣再經(jīng)過一個管路交換器 FZ200后,就可以實現(xiàn)F121A和F131B兩管路間濃度交替變化。例如將C組匯合管路的氣體設(shè)為稀燃,B組流量計匯合管路設(shè)為富燃,就可以實現(xiàn)F121A和F131B混合氣濃度稀濃交替變化。所述混合氣管路還旁接有備用輸氣管路F101H、F121H、F131H,所述備用輸氣管路 F101H、F121H、F131H上設(shè)置有開關(guān)閥Kill、K121、K131。所述備用輸氣管路用于與備用的反應(yīng)器相連。汽車尾氣的成分除了上述的CO、C02、NO、H2、HC、02等氣態(tài)組分外,還有一個重要的組分是水;如果是醇醚代用燃料尾氣還有甲醇、乙醇等;也可能尾氣中有一些長碳鏈的組分,這些組分在常溫下都是液態(tài)的,因此為了實現(xiàn)對這些液態(tài)模擬物的引入,本評價系統(tǒng)設(shè)有一注射發(fā)生器,其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。注射發(fā)生器2所述注射發(fā)生器包括若干個注射氣進(jìn)氣管、若干個注射液進(jìn)液管和若干個流量控制器21。在本實施例中系統(tǒng)可以接8路的注射氣進(jìn)氣管,如圖3中的G201A、 G201B、G202A、G202B、G203A、G203B、G204A、G204B。每一個流量控制器設(shè)置有至少2個的接 A 口,根據(jù)需要也可以有多個接入口,所述接入口與注射氣進(jìn)氣管相連接。這主要是方便當(dāng)需要改變注射氣體時,直接可以通過流量控制器內(nèi)部開關(guān)LKA、開關(guān)LKB來選用那一路的注射氣進(jìn)氣管,而不需要中途更換原料氣鋼瓶,易于實現(xiàn)注射氣體的自動切換。在本實施例中,兩相鄰流量控制器21的輸出管路F201A、F201B、F202A、F202B上依次設(shè)置有第一管路切換閥組ZH201、ZH204、第二管路切換閥組ZH202、ZH205和第三管路切換閥組ZH203、ZH206,其中之一路的流量控制器的輸出管路F201A、F202A與反應(yīng)器相連用于注射,其中另一路的控制器的輸出管路F201B、F202B用于填充后放空。第二管路切換閥組ZH202、ZH205用于切換氣路是否與加熱裝置(蒸汽發(fā)生器ZQ200、ZQ300)連接,蒸汽是否完全蒸發(fā)后由F201A、F202A氣路帶走注射,還是由F201B、F202B氣路帶走,經(jīng)定量管22定量注射。另外,所述加熱裝置(蒸汽發(fā)生器)上設(shè)置有直接將氣體排向大氣的放空管路24。 第三個閥組ZH203、ZH206用于切換定量管22的填充和注射。反應(yīng)氣體的注射可以是經(jīng)定量管22脈沖注射,也可以是經(jīng)F201A連續(xù)注射;或是通過第一管路切換閥組ZH201的切換實現(xiàn)時間脈寬注射。兩路一組的這種設(shè)計,還可以實現(xiàn)現(xiàn)場配氣功能。為了防止液體冷凝, 在蒸汽發(fā)生器及后管路可設(shè)保溫裝置。蒸汽發(fā)生器ZQ200、ZQ300的液體可以是手動加入,也可以由自動定量設(shè)備加入。 本發(fā)明的注射發(fā)生器中設(shè)有液體自動進(jìn)樣裝置,該液體自動進(jìn)樣裝置包括注射液進(jìn)液管, 在本實施例中,所述的注射液進(jìn)液管優(yōu)選二路Y201、Y202,根據(jù)需要還可以選著一路或者增設(shè)更多的注射液進(jìn)液管。兩路注射液進(jìn)液管的定量注射通過液體注射泵(B200、B300)實現(xiàn)。 兩路注射液進(jìn)液管同時連接到管路切換閥組ZH204-7,以實現(xiàn)配液或?qū)崿F(xiàn)管路切換,切換是將反應(yīng)液體注入到蒸汽發(fā)生器ZQ200、ZQ300中,還是通過輸出管路F222A、F222B直接將反應(yīng)液體注射到反應(yīng)器。由反應(yīng)發(fā)生器I和注射發(fā)生器2產(chǎn)生的模擬混合氣可以最終匯合成一路進(jìn)入反應(yīng)器3也可以是分多路進(jìn)入反應(yīng)器3,也可以是分組匯合成多路進(jìn)入反應(yīng)器3 (圖4和圖5)。本發(fā)明所公開的評價系統(tǒng)所設(shè)置的反應(yīng)器3可以是一個,也可以是多個。首選是帶電熱元件32的兩個反應(yīng)器3,這主要是基于可以充分利用兩個交替切換輸出管路的氣體,實現(xiàn)兩個樣品(催化劑或材料)的平行檢測。反應(yīng)器3的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示,但又可以不局限于此,可以根據(jù)需要在混合氣路上連接U型或其他結(jié)構(gòu)形式的反應(yīng)器。在反應(yīng)器3 中根據(jù)需要可以在樣品位置的上游設(shè)置一個氣體混合器34,以保證氣體達(dá)到樣品(催化劑或材料)之前混合均勻。氣體混合器34可以采用商品化的靜態(tài)混合器或是動態(tài)混合器。氣體混合器34首選采用惰性填料或材料的靜態(tài)混合器。所述催化劑或材料的前側(cè)、后側(cè)以及其內(nèi)部分別設(shè)置有溫度傳感器33。催化劑的起燃溫度及空燃比特性等測試采用入口溫度傳感器。樣品(催化劑或材料)表征采用其內(nèi)部的溫度傳感器。樣品(催化劑或材料)的形態(tài)可以是整體式的、如堇青石蜂窩陶瓷為基體的催化劑樣品,也可以是顆粒狀或粉末如氧化鋁球或儲氧材料粉末。所述催化劑或材料的前、后側(cè)還分別設(shè)置有進(jìn)口采樣管35和出口采樣管36,所述進(jìn)口采樣管35和出口采樣管36均通向采樣控制器4。采樣控制器4的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6。所述采樣控制器4包括一采樣管路41,所述采樣管路41上均勻分布有若干個采樣接口 42,該些采樣接口 42用于連接有不同的采樣設(shè)備5,所述采樣管路41上還設(shè)置有進(jìn)樣口 43,所述進(jìn)樣口 43與進(jìn)口采樣管35和出口采樣管36相連接,所述采樣管路41的一端口為吹掃氣入口 44和開關(guān)閥46,其另一端口為吹掃氣出口 45和開關(guān)閥46,所述采樣管路41的中部區(qū)域上設(shè)置有開關(guān)閥46。設(shè)置吹掃氣的入口和出口主要用于采樣管路的清潔。 設(shè)置如此眾多采樣接口 42的原因在于尾氣成分復(fù)雜,單純用一種儀器無法對所有的污染物成分進(jìn)行分析。常用的分析儀器有五組份尾氣分析儀或排放柜,可以分析CO、C02、NO、 HC、02。FID氣相色譜儀可以分析烴類、或含氧烴類如甲醇、乙醇等。TCD可用于常規(guī)永久性氣體分析入C0、C02、N2、02、NH3、H2、N20等;N0X分析儀可以分析N0、N02。FPD氣相色譜分析儀可以實現(xiàn)對含硫有機物的分析;S02分析儀可以實現(xiàn)對S02的檢測;質(zhì)譜儀可以分析和實時跟蹤以上所有的氣體、或有機分子碎片,或進(jìn)行定性分析;氧傳感器可以對尾氣中的氧含量進(jìn)行檢測等。根據(jù)需要將這些儀器中的一種或多種接到采樣控制器上就可以對樣品入口和出后的氣體組分進(jìn)行分析。該評價系統(tǒng)所有測試是可以在一開發(fā)的人機交互界面軟件的控制下自動進(jìn)行,可同時記錄和保存實驗信息和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)有一主控單元,主控單元由上位機和主控制柜組成,主控制柜含供電單元、邏輯控制器、程序升溫控制器、單片機、通訊模塊等構(gòu)成。上位機可以采用通用的商用電腦或是工業(yè)機。各控制器可以實現(xiàn)對反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、 反應(yīng)器、以及管路交換器等進(jìn)行控制。上位機裝有主控軟件,可以與主控單元、控制器實現(xiàn)通訊。程序可以實現(xiàn)氣體或液體流量設(shè)定、開關(guān)和閥件控制,實現(xiàn)管路編組。程序可以根據(jù)需要靈活設(shè)置特定的分析方法,并保存調(diào)用。也可以與分析設(shè)備通訊,實現(xiàn)采樣控制器與儀器同步。分析數(shù)據(jù)可以自動采集,記錄、輸出。通過對采集到的溫度和分析儀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以獲得催化劑或材料的活性、空燃比特性曲線、氧化還原溫度曲線、儲氧量、金屬表面積等性能。實施例I
以下實施例中采用如下公式計算空燃比空燃比=A/F = 14.63/( I + 0. 02545( [CO] + [H2] + 3n[CnH2n] + (3n + I) [CnH2n+2] -2
- [NO])。在本評價系統(tǒng)上的GlO 1-107氣源接口上依次接上如下氣體表I :
表h系統(tǒng)所接原料氣
權(quán)利要求
1.一種催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于,包括一反應(yīng)氣體發(fā)生器,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需要的反應(yīng)氣體,并通過不少于一路的連接管路連接到反應(yīng)器;一注射發(fā)生器,能對標(biāo)準(zhǔn)的原料氣體和液體進(jìn)行模擬配氣,以產(chǎn)生催化反應(yīng)所需注射的反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體,并通過注射或脈沖的方式經(jīng)不少于一路的連接管路連接到反應(yīng)器;至少一個反應(yīng)器,所述反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置有用于與反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體反應(yīng)的催化劑或材料,反應(yīng)器上配有電熱元件及溫度傳感器;一個采樣控制器和連接在采樣控制器上若干個采樣設(shè)備,該采樣控制器能提供不少于一個的米樣接口,該米樣設(shè)備用于對反應(yīng)器的進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)行米樣;一個含主控軟件的主控單元,所述主控單元與分別設(shè)置在反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、反應(yīng)器、采樣控制器以及采樣設(shè)備上的控制器相連,用于控制系統(tǒng)各組成部分和整個系統(tǒng)的自動運行;眾多的連接管路,用于能實現(xiàn)反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、反應(yīng)器、采樣控制器等各系統(tǒng)組成部分之間的氣氛或液體輸送、分配、切換、連接、放空。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述反應(yīng)氣體發(fā)生器包括若干個獨立的原料氣進(jìn)氣管路,每個原料氣進(jìn)氣管路上分別設(shè)置有一支路組,所述支路組由若干支路并聯(lián)構(gòu)成,且每一支路上均設(shè)置有流量控制器,取該些支路組中的若干個支路進(jìn)行匯流,以形成若干個混合氣管路,該些混合氣管路上設(shè)置有氣體分配器和用于切換輸出管路的管路切換閥;所述混合氣管路還旁接有備用輸氣管路,所述備用輸氣管路上設(shè)置有開關(guān)閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述注射發(fā)生器包括若干個注射氣進(jìn)氣管、若干個注射液進(jìn)液管和若干個流量控制器,所述流量控制器設(shè)置有至少2個的接入口,所述接入口與注射氣進(jìn)氣管相連接,兩相鄰流量控制器的輸出管路上依次設(shè)置有第一管路切換閥組、第二管路切換閥組和第三管路切換閥組,所述第二管路切換閥組一旁側(cè)還設(shè)置有加熱裝置,所述第三管路切換閥組上設(shè)置有定量管;所述注射液進(jìn)液管上分別設(shè)置有液體注射泵和管路切換閥組,所述管路切換閥組的部分出液管路通向加熱裝置,所述管路切換閥組的部分出液管路直接通向反應(yīng)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述反應(yīng)器包括反應(yīng)器外管和反應(yīng)器內(nèi)管,所述反應(yīng)器外管的外周部包覆有電熱元件,所述反應(yīng)器內(nèi)管填充有催化劑或材料,且所述催化劑或材料的前側(cè)、后側(cè)以及其內(nèi)部分別設(shè)置有溫度傳感器,所述催化劑或材料的前、后側(cè)還分別設(shè)置有進(jìn)口采樣管和出口采樣管,所述進(jìn)口采樣管和出口采樣管均通向采樣控制器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述反應(yīng)器的進(jìn)氣端上設(shè)置有氣體混合器,以保證混合氣體到達(dá)催化劑或材料之前是均勻的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述采樣控制器包括一采樣管路,所述采樣管路上均勻分布有若干個采樣接口,該些采樣接口分別連接有不同的采樣設(shè)備,所述采樣管路上還設(shè)置有進(jìn)樣口,所述進(jìn)樣口與進(jìn)口采樣管和出口采樣管相連接,所述采樣管路的一端口為吹掃氣入口和開關(guān)閥,其另一端口為吹掃氣出口和開關(guān)閥,所述采樣管路的中部區(qū)域上設(shè)置有開關(guān)閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述采樣設(shè)備包括TCD檢測器、氧傳感器、質(zhì)譜儀、氣相色譜儀、紅外光譜儀、五組份尾氣分析儀或排放柜。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化劑及材料的評價系統(tǒng),其特征在于所述主控單元由上位機和主控制柜組成,主控制柜內(nèi)設(shè)置有供電單元、邏輯控制器、程序升溫控制器、單片機、 通訊模塊;上位機采用通用的商用電腦或是工業(yè)機,上位機裝有主控軟件,以實現(xiàn)主控單元與控制器通訊,實現(xiàn)氣體或液體流量設(shè)定、開關(guān)和閥件控制,實現(xiàn)管路編組,根據(jù)需要與分析設(shè)備通訊,實現(xiàn)采樣控制器與儀器同步實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的采集,記錄、輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種催化劑及材料的評價系統(tǒng),包括反應(yīng)氣體發(fā)生器、注射發(fā)生器、至少一個反應(yīng)器、采樣控制器和連接在采樣控制器上若干個采樣設(shè)備、含主控軟件的主控單元以及眾多的連接管路。該化學(xué)性能評價系統(tǒng)反應(yīng)氣體發(fā)生器的原料氣進(jìn)氣管路可以根據(jù)檢測項目和檢測對象的不同,對原料氣體進(jìn)行靈活組合和設(shè)置不同的反應(yīng)參數(shù),實現(xiàn)不同反應(yīng)氣氛的模擬,同時系統(tǒng)設(shè)有管路切換閥、管路切換閥組和開關(guān)閥等,通過控制器和主控軟件可以實現(xiàn)反應(yīng)氣氛的動態(tài)調(diào)整、切換和循環(huán)。通過連接管路與至少兩個的配有電熱元件及溫度傳感器的反應(yīng)器相連接,可以實現(xiàn)對催化劑的活性、壽命和材料的性能等進(jìn)行評價和表征。該系統(tǒng)尤其適用于機動車尾氣催化劑的活性和性能的評價、表征。
文檔編號G01N35/00GK102590537SQ201210048030
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者肖益鴻, 蔡國輝, 鄭勇, 魏可鎂, 魏笑峰 申請人:福州大學(xué)