Katalyzátor

Pojem: zariadenie na zníženie obsahu znečisťujúcich látok vo výfukových plynoch

Konkrétnejšie pojmy: oxidačný katalyzátor, trojcestný katalyzátor, akumulačný katalyzátor, SCR katalyzátor

Originálna tvorba: 29.04.2012; posledná zmena: 28.04.2020

Katalyzátory sú zariadenia, ktoré znižujú obsah znečisťujúcich látok vo výfukových plynoch z. B. zo spaľovacích motorov alebo z pecí veľkých elektrární, takže zvyšujte kvalitu výfukových plynov. Výfukové plyny obsahujú množstvo znečisťujúcich látok, z ktorých niektoré sú spôsobené nedokonalým spaľovaním alebo nežiaducimi chemickými vedľajšími reakciami:

Výfukové plyny obsahujú nespálené uhľovodíky - buď pôvodné zložky paliva, alebo chemické medziprodukty. Sú toxické, v niektorých prípadoch dokonca karcinogénne (napr. Benzén = benzén).
Toxický oxid uhoľnatý (CO) sa môže tiež produkovať v značných množstvách. Inhalačný oxid uhoľnatý znižuje transport kyslíka v krvi.
Pri vysokých teplotách spaľovania dusík a kyslík v spaľovacom vzduchu vytvárajú oxidy dusíka, ako sú NO2 (oxid dusičitý) a NO (oxid dusičitý). Tieto sú tiež jedovaté a poškodzujú z. B. pľúca.

Všetkým týmto znečisťujúcim látkam by sa dalo v zásade vyhnúť, keby boli spaľovacie procesy ukončené a nedošlo k oxidácii dusíka. To by zhruba platilo, keby k spaľovaniu pri dostatočnom prívode vzduchu nedochádzalo príliš rýchlo a za priaznivých teplôt. Teplota v plameni by mala byť dostatočne vysoká a na výstupe z plameňa neklesať príliš rýchlo. Takými podmienkami sú však napr. B. ťažko realizovateľné v benzínových a naftových motoroch, najmä pri vyšších rýchlostiach. Meniace sa stavy zaťaženia tiež sťažujú kontrolu spaľovacích procesov.

Problém je teraz možné vyriešiť alebo prinajmenšom výrazne zmierniť pomocou katalyzátora výfukových plynov ako opatrenia extra motora; hovorí sa o dodatočnej úprave výfukových plynov na rozdiel od znižovania surových emisií pomocou vnútorných opatrení motora. Funkciou katalyzátora je urýchlenie určitých požadovaných chemických reakcií aj pri nižších teplotách (niekoľko sto stupňov Celzia):

Oxid uhoľnatý a uhľovodíky sú údajne oxidované; H. mali by reagovať so zvyšným kyslíkom vo výfukových plynoch a stať sa z nich netoxický oxid uhličitý a vodná para.
Oxidy dusíka by sa naopak mali redukovať, t.j. H. oxidácia dusíka sa má zvrátiť.

Základnou funkciou katalyzátora je urýchlenie chemických reakcií pri miernych teplotách.

Tieto reakcie by v zásade mohli prebiehať aj bez katalyzátora, boli by však príliš pomalé. Zjednodušene povedané, zrýchlenie reakcií v katalyzátore funguje tak, že molekuly znečisťujúcej látky sa dočasne pripájajú k prvkom katalyzátora (a vytvárajú tam slabú väzbu), kým sa nestretnú s inými vhodnými molekulami (napr. Molekulami kyslíka), s ktorými môžu môže reagovať. Po ukončení tohto procesu zostáva katalyzátor nezmenený, a preto môže prevádzať ďalšie molekuly znečisťujúcich látok.

Chemické reakcie, ktoré prebiehajú v katalyzátore, sú zväčša exotermické: viac energetických látok sa premieňa na menej energetické. Týmto sa uvoľňuje teplo v katalyzátore. Ak je katalyzátor príliš zaťažený energeticky bohatými látkami, ako je oxid uhoľnatý a/alebo nespálené uhľovodíky (čo je obzvlášť prípad dvojtaktných motorov), môže to viesť až k prehriatiu, pokiaľ je k dispozícii aj kyslík potrebný na oxidáciu.

Katalyzátor vozidla zvyčajne obsahuje silne popraskanú keramickú alebo kovovú štruktúru s veľkým vnútorným povrchom, ktorá je tiež zmiešaná s veľmi jemnými časticami drahých kovov, ako je platina, paládium a ródium. Požadované reakcie prebiehajú hlavne na týchto časticiach ušľachtilého kovu.

Čo katalyzátor nedokáže, je odstránenie nežiaducich chemických prvkov ako napr B. Síra ako zložka oxidu siričitého (SO2). Môže sa dokonca stať, že oveľa toxickejší a silne zapáchajúci sírovodík (H2S) vzniká z oxidu siričitého; potom von z auta vonia ako po skazenych vajciach. V iných prípadoch sa produkuje nežiaduci oxid sírový (SO3), ktorý vedie k tvorbe kyseliny sírovej a potom k síranom, ktoré nakoniec vznikajú ako emisie častíc (jemný prach). Katalyzátory v žiadnom prípade nemôžu zabrániť emisii oxidu uhličitého (CO2); koniec koncov je to najmenej škodlivá forma, v ktorej uhlík obsiahnutý v palive môže opustiť systém.

Typy katalyzátorov

Ideálny katalyzátor umožňuje, aby všetky požadované chemické reakcie prebehli rýchlo a úplne, ale súčasne bez nežiaducich reakcií. To však nie je technicky možné; Účinnosť procesov čistenia výfukových plynov závisí od typu katalyzátora, ale tiež vo veľkej miere od prevádzkových podmienok. Katalyzátor často môže podporovať iba jednu konkrétnu reakciu.

Oxidačný katalyzátor

Oxidačným katalyzátorom sa rozumie katalyzátor, ktorý môže oxidovať iba znečisťujúce látky, ako je oxid uhoľnatý a uhľovodíky, ale nie redukovať oxidy dusíka. To platí pre mnoho katalyzátorov, keď výfukové plyny obsahujú prebytok kyslíka. To je obvykle prípad výfukových plynov z benzínového alebo naftového motora na chudé palivo; obidve pracujú s vysokým pomerom spaľovacieho vzduchu. V minulosti sa ako retrofitné katalyzátory benzínových motorov často používali čisté oxidačné katalyzátory (nekontrolované katalyzátory).

Medzitým sa vyvíjajú oxidačné katalyzátory aj pre kachle na drevo. Môžu byť pripevnené napríklad v spaľovacej komore v blízkosti výstupu do komína. Pretože sú tam niekedy vystavené veľmi vysokým teplotám, musia byť vyrobené z materiálu zodpovedajúcim vysokej teplote. Pomocou takého katalyzátora sa dajú výrazne znížiť emisie oxidu uhoľnatého, uhľovodíkov a pevných častíc.

Riadený trojcestný katalyzátor

Trojcestný katalyzátor sa dnes väčšinou používa pre štvortaktné benzínové motory na benzín alebo zemný plyn. To môže súčasne oxidovať oxid uhoľnatý, oxidovať uhľovodíky a znižovať oxidy dusíka (teda „tri spôsoby“ v zmysle odstránenia troch rôznych znečisťujúcich látok). K druhému dochádza pri reakcii s oxidom uhoľnatým, ktorý zachytáva kyslík z oxidov dusíka a stáva sa netoxickým oxidom uhličitým.

Obsah zvyškového kyslíka vo výfukových plynoch sa určuje pomerom spaľovacieho vzduchu, tiež známym ako hodnota lambda (hodnota λ). Pre trojcestný katalyzátor sa vyžaduje hodnota lambda veľmi blízka hodnote 1. To je technicky možné iba pomocou automatického riadenia, ktoré vyžaduje chybový signál z takzvanej lambda sondy.

Pri silnom akcelerátore sa bohužiaľ v mnohých vozidlách používa takzvané obohatenie na plné zaťaženie. To znamená, že vyššie uvedená regulácia je zámerne vypnutá, aby bol motor prevádzkovaný s „bohatou“ zmesou. To umožňuje dosiahnuť o niečo vyšší výkon motora a zároveň zabráni prehriatiu katalyzátora. To však na jednej strane výrazne zvyšuje emisie znečisťujúcich látok a na druhej strane sa zvyšuje spotreba paliva v dôsledku zníženej účinnosti motora.

Viac podrobností nájdete v článku o trojcestných katalyzátoroch.

Skladovací katalyzátor NOx

U chudých a naftových motorov denitrifikácia nefunguje v konvenčnom katalyzátore, pretože oxid uhoľnatý alebo nespálené uhľovodíky, ktoré sú na to potrebné, nie sú prítomné vo výfukových plynoch v dostatočnom množstve. Jedným z riešení v tomto prípade je akumulačný katalyzátor NOx. To obsahuje látky, ktoré sa spočiatku hromadia molekuly oxidu dusnatého (NO2). Keď je kapacita katalyzátora vyčerpaná, musí sa katalyzátor regenerovať. Za týmto účelom sa motor krátko prepne na bohatú zmes (ako pri obohatení pri plnom zaťažení) a zvýši sa teplota výfukových plynov. Zmena zloženia výfukového plynu (s malým obsahom kyslíka a malým množstvom oxidu uhoľnatého) umožňuje elimináciu oxidov dusíka v katalyzátore: reagujú s oxidom uhoľnatým, ktorému uvoľňujú kyslík.

Problém s touto technológiou spočíva v tom, že je ťažké udržať prevádzkovú teplotu katalyzátora počas prevádzky vozidla v optimálnom rozmedzí. Za nepriaznivých okolností, ktoré sa často vyskytujú (napr. V mestskej premávke), môže účinnosť čistenia výfukových plynov výrazne poklesnúť - najmä u naftových motorov, ktoré majú teploty výfukových plynov, ktoré veľmi kolíšu v závislosti od zaťaženia. Často je tiež ťažké dosiahnuť zvýšené teploty potrebné na regeneráciu, najmä ak sa regenerácia vykonáva pri pomalej jazde.

Ďalšie podrobnosti nájdete v článku o skladovacích katalyzátoroch.

Katalyzátor SCR

Dnešná najúčinnejšia metóda denitrifikácie výfukových plynov z nafty sa spolieha na katalyzátor SCR. Tam prebiehajúca selektívna katalytická redukcia (SCR) zvyčajne vyžaduje odmerané pridanie plynného amoniaku (NH3) alebo roztoku močoviny (napr. AdBlue), ktorý sa štiepi na amoniak a vodnú paru (a je ľahší na prepravu vo vozidlách ako amoniak). . Amoniak je jedovatý plyn, ktorý sa však z veľkej časti premieňa v katalyzátore, takže by vo vyčistených výfukových plynoch nemal byť prítomný - pokiaľ nedôjde k predávkovaniu amoniakom alebo močovinou.

Existujú tiež takzvané pasívne SCR katalyzátory, ktoré používajú nespálené uhľovodíky prítomné vo výfukových plynoch ako redukčné činidlá, t. J. Nevyžadujú žiadnu ďalšiu spotrebnú kvapalinu. Môžu sa preto použiť iba pre výfukové plyny so zodpovedajúcim zložením a v niektorých prípadoch podliehajú aj ďalším obmedzeniam, napríklad z dôvodu nižšej tolerancie voči síre. Vďaka tejto technológii už nie je možné motor optimalizovať na optimálnu účinnosť.

Ďalšie podrobnosti nájdete v článku o katalyzátoroch SCR.

Použitie dvoch katalyzátorov

V niektorých vozidlách na dodatočnú úpravu výfukových plynov sa vykonáva kombinácia dvoch katalyzátorov. Napríklad pre benzínový motor môže byť relatívne malý predkatalyzátor namontovaný v tesnej blízkosti motora kombinovaný s väčším hlavným katalyzátorom namontovaným na spodnej časti vozidla. Predkatalyzátor po studenom štarte dosiahne teplotu vypnutia rýchlejšie, ale výfukové plyny ešte úplne nečistí; hlavný katalyzátor potom prevezme ďalšiu detoxikáciu.

V niektorých prípadoch sa tiež kombinujú dva rôzne typy katalyzátorov. Napríklad niektoré naftové motory používajú najskôr oxidačný katalyzátor a potom katalyzátor SCR (na selektívnu katalytickú redukciu).

Katalyzátorové jedy

Niektoré látky môžu katalyzátor „otráviť“, to znamená urobiť ho neúčinným. Napríklad sa do benzínu zvyklo pridávať malé množstvo tetraetyl-olova („olovnatého“), aby sa zvýšila odolnosť proti klepaniu, čo znemožňovalo použitie katalyzátorov, pretože by boli za krátku dobu otrávené. Rovnako ako niektoré iné kovy (napríklad kadmium a ortuť), aj olovo vytvára chemické zlúčeniny s katalytickými zložkami, ktoré už nie sú katalyticky aktívne. Jedným z dôvodov, prečo bolo nevyhnutné zavedenie bezolovnatého (bezolovnatého) benzínu.

Síra môže tiež pôsobiť ako katalyzátorový jed, ak palivo nie je úplne bez síry. Toto je obzvlášť problematické pri použití akumulačných katalyzátorov pre dieselové motory, ak nafta nie je spoľahlivo k dispozícii vo vysokej kvalite s nízkym obsahom síry.

Citlivosť katalyzátora však závisí od jeho typu; v niektorých prípadoch sa dá znížiť pridaním určitých ďalších látok. V niektorých prípadoch existuje aj možnosť regenerácie, ktorá pri bežnej prevádzke vozidla nie je nevyhnutne možná.

V pilotných vstrekovacích motoroch na bioplyn sú jedy katalyzátora často problémom alebo často bránia použitiu katalyzátora.

Rôzne nevýhody a obmedzenia účinnosti katalyzátorov

Moderné katalyzátory môžu výrazne znížiť obsah znečisťujúcich látok vo výfukových plynoch, majú však aj množstvo nevýhod a nie vždy sú úplne účinné:

Účinnosť katalyzátorov v automobiloch sa môže od prípadu k prípadu značne líšiť. Vynikajúce výsledky možno dosiahnuť, ak sa použije solídna technika, s výnimkou veľmi krátkych vzdialeností. Pri použití dobrej technológie môže katalyzátor zostať veľmi efektívny aj pri akcelerácii alebo jazde vysokou rýchlosťou (samozrejme bez riešenia problému so zvýšenými emisiami CO2). Mnoho vozidiel je dnes bohužiaľ navrhnutých tak, že kvalita výfukových plynov je na plný plyn výrazne znížená, napríklad preto, že sa používa obohacovanie plného zaťaženia (s benzínovými motormi) alebo preto, že systém čistenia výfukových plynov vznetového motora nedokáže efektívne regulovať emisie oxidov dusíka. Veľké odchýlky medzi praxou a oficiálnymi postupmi merania sú možné, ak výrobcovia nereálne testovacie podmienky využívajú legálnym alebo nezákonným spôsobom [2, 3].

Monitorovanie účinnosti katalyzátorov výfukových plynov z vozidiel

Účinnosť katalyzátora, napríklad vo vozidle, môže byť ohrozená rôznymi spôsobmi - nielen možným poškodením katalyzátora, napr. B. v prípade prehriatia počas prevádzky, ale aj v dôsledku porúch v regulácii pomeru spaľovacieho vzduchu. Za takýchto okolností môžu emisie znečisťujúcich látok z vozidla výrazne stúpať.

Zodpovedajúce problémy je možné zistiť meraním výfukových plynov na testovacej stolici, napr. B. v rámci emisnej skúšky, ktorá sa zvyčajne vykonáva každé dva roky v Nemecku a od roku 2010 je súčasťou hlavnej kontroly. (Odvtedy pre emisnú skúšku už nie je potrebná samostatná nálepka.)

Od emisnej normy Euro 3 musia byť vozidlá vybavené aj palubným diagnostickým systémom (EOBD), ktorý monitoruje funkčnosť základných komponentov systému úpravy výfukových plynov a v prípade potreby aktivuje výstražné svetlo. Ak sa rozsvieti, vodič musí čo najskôr skontrolovať systém v dielni a opraviť všetky poškodenia.

Otázky a komentáre čitateľov

Prečo podľa vás už nemôže systém regulácie emisií dobre regulovať emisie NOx, keď je naftový motor pri plnom zaťažení?

V zásade by to mohlo; len na to musí byť určený. Bohužiaľ to tak nie je vždy, hlavne preto, že príslušné metódy merania spotreby paliva a hodnôt výfukových plynov nezaznamenávajú ani prevádzkový stav plného zaťaženia, takže na absolvovanie skúšky nie je potrebné správne fungovanie.

Tu môžete navrhnúť otázky a komentáre na zverejnenie a zodpovedanie. Autor knihy RP-Energie-Lexikon rozhodne o prijatí podľa určitých kritérií. V podstate ide o to, že záležitosť je predmetom širokého záujmu.

Ak tu získate pomoc, možno budete chcieť láskavosť vrátiť darom, ktorým podporíte ďalší rozvoj energetického slovníka.

Ochrana údajov: Nezadávajte sem žiadne osobné údaje. Aj tak by sme ich nezverejnili a čoskoro by sme ich vymazali. Prečítajte si tiež naše pravidlá ochrany osobných údajov.

Ak potrebujete osobnú spätnú väzbu alebo radu od autora, napíšte mu ho e-mailom.

Odoslaním vyjadrujete súhlas so zverejnením svojich záznamov tu v súlade s našimi pravidlami.

literatúry

[1]	V. Franco a kol., „Skutočné výfukové emisie z moderných dieselových automobilov“, Medzinárodná rada pre čistú dopravu, http://www.theicct.org/sites/default/files/publications/ICCT_PEMS-study_diesel-cars_20141010.pdf
[2]	Článok v blogu: Dieselové vozidlá od spoločnosti Volkswagen: Dodržiavanie emisných limitov nelegálnymi trikmi
[3]	Článok na blogu: Emisie oxidu dusíka z moderných vozidiel s naftovým motorom - výrazne vyššie, ako sa očakávalo
[4]	Článok v blogu: Vplyv štýlu jazdy na emisie znečisťujúcich látok v automobile

Ak sa vám tento web páči, dajte o tom vedieť svojim priateľom a kolegom - napr. B. prostredníctvom sociálnych médií kliknutím sem:

Tieto tlačidlá zdieľania sú nastavené spôsobom, ktorý je priateľský k ochrane údajov!

Kód odkazov na iné webové stránky

Ak chcete umiestniť odkaz na tento článok inde (napr. Na svoje webové stránky, sociálne médiá, diskusné fóra alebo Wikipedia), kód nájdete tu. Takéto odkazy môžu napr. B. byť veľmi užitočné pre slovné vysvetlenia.

Odkaz HTML na tento článok:

S obrázkom ukážky (pozri rámček priamo nad týmto):

Ak si myslíte, že je vhodné umiestniť na Wikipédiu odkaz, napr. B. v časti „== Webové odkazy ==“: