[发明专利]利用第一和第二催化作用还原NOx的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及从诸如内燃机、加热炉、发电厂等运行所需的燃烧过程形成的废气流中除去污染气体的方法和设备，更具体地涉及从燃烧过程产生的废气中除去氮氧化物(NO_x)的催化剂。

背景技术

多年来不断努力研究从燃烧设备产生的废气中除去污染气体的方法和系统。近年来，世界上许多国家已将环境条例制定成法律，努力减少燃烧设备的污染气体向大气中的排放。主要问题是诸如汽油驱动的发动机并且尤其是柴油机等内燃机所驱动的机动车产生的氮氧化物(NO_x)。其他燃烧设备也受到关注，如安装在工厂中的加热炉、商用和家用加热装置、发电设备等。

在这种设备的燃烧过程中，当空气中的氮与氧在燃烧室内在其中通常存在的高温和高压条件下反应时，如在内燃机的汽缸中，产生氮氧化物(NO_x)，其通常包括一氧化氮和二氧化氮中的任一种或二者混合物，它们统称作NO_x排放物。NO_x排放物是引起烟雾和酸雨的主要大气污染物质。世界上主要工业化国家均已制定减少NO_x排放物的条例。

因而，进行了长期的大量努力来研究实质上消除氮氧化物或NO_x经燃烧设备的废气流排放进入大气中的方法和系统。已经认识到汽车排放物是主要的空气污染源，在1966汽车模型年中，加利福尼亚政府通过了要求在加利福尼亚出售的车辆中使用废气排放物控制系统的条例。1968汽车模型年在全美国内制定了相似的条例。

在燃烧过程中，燃料和空气的″理想混合物″在热力学中称作″化学计量量的″。这是空气量刚好足以燃烧所有燃料而没有过量氧剩余的点。出于多种原因，内燃机不能按化学计量量运行，并通常在不足量下运行，其中相对于化学计量量的条件，氧相对于燃料过量。尽管汽油和柴油内燃机通常都按稀燃发动机运行，但在运行柴油机时最经常发现这种情况，并且导致在这种发动机的废气中产生不需要量的NO_x排放物。有时发动机可以过量运行，即燃料相对于氧过量。应注意到，对于汽油，化学计量量的混合物是14.6∶1。即使在这些条件下，空气中的一些氮也能够与氧反应形成NO_x。

稀燃发动机的废气流含有大量氧，从而阻碍了通过使用常规废气催化剂如″三效催化剂″从气流中有效地除去NO_x。因而，已经研究出NO_x捕获或NO_x贮存/减少系统以有助于从当前的稀燃发动机除去NO_x。然而，这些系统必须依赖于精密的发动机控制，以交替改变废气流中的足量和不足量条件。在不足量状态时，使用的催化剂贮存NO_x。在足量状态时，催化剂将NO_x还原成N₂。此外，已经研究出HC-SCR系统作为用于从内燃机的废气流中减少NO_x的新形式，但是发现这种系统的应用很有限。

因此，本领域中需要从诸如内燃机等燃烧装置的废气流中除去NO_x的改进的方法和设备。

发明内容

本发明涉及催化处理气流以从其除去或至少大大减少NO_x化合物的方法和设备。本发明的设备提供了用于减少或除去内燃机产生的废气中的NO_x化合物的有效方式。特别地，本发明的设备可有效地处理稀燃发动机如柴油机的废气，例如，其中所述废气具有相对较大比例的氧含量。本发明利用在相对高的温度下表现出NO_x转化活性的第一催化剂与在较低温度下至少表现出相似活性的第二催化剂的组合，以产生协同效果。本发明的特征在于，更宽的操作温度范围和增强了的气流处理能力。更具体而言，本发明利用产生协同作用的催化剂组合，其效果优于通过在所述第一催化剂上产生适当的中间含氮化合物并在所述第二催化剂上还原它们的部分总和。

本发明的设备通常包括用于在第一优化温度下操作的第一催化剂和用于在比所述第一温度更低的第二优化温度下操作的第二催化剂。所述第一催化剂位于所述第二催化剂上游，使得气流形式的废气从所述第一催化剂流向所述第二催化剂。所述第一催化剂和第二催化剂可以彼此邻近或彼此间隔开。

在本发明的一个实施方案中，通常是烃化合物形式的还原剂被引入所述气流中，经烃的选择性催化还原(HC-SCR)进一步增强所述设备的NO_x除去作用。