[发明专利]用于捕获挥发的化合物的选择性催化还原体系

说明书

背景技术

使用诸如尿素和氨的还原剂，在燃烧发动机中产生的氮氧化物的选择性催化还原(SCR)是工业上重要的催化工序。利用氧化钛催化剂载体的钒基SCR催化剂在欧洲被批准用于在重型柴油发动机卡车上的道路移动式应用，而且这些催化剂是高度活性的并且显示了对含硫燃料的极好耐受性。然而，钒基催化剂未被EPA批准在美国或日本用于道路使用。缺少批准归因于对钒排放到环境中以及由于暴露于排气管排放的钒而可能产生的潜在毒性的担忧。可能潜在地引起催化剂中钒损失的一种可能机理是在高温下热废气流中的金属氧化物或氢氧化物的汽化。

此外，对于最早将在2010年开始实施的关于烟灰和NOx的较新的法规(例如，欧洲VI和美国2010规则)可能会要求必须联合使用柴油发动机微粒过滤器(DPF)和SCR催化剂。在一种构造中(美国专利No.US7,498,010)，SCR催化剂位于DPF的下游。如果不采取补救措施，DPF上收集的烟灰将最终堵塞用于废气流动的通路并且可能引起装置上的不可接受的压降产生。为了避免这种情况，通过燃烧将烟灰连续地或偶尔地去除。由于燃烧是放热过程，其与装置的温度的升高相关，所述升高的温度被传输到废气中，温度上升取决于收集的烟灰量和位于DPF上游的废气温度。这些高温废气可能接近750℃甚至更高，随后将通过SCR催化剂。因此，近来对改善SCR催化剂的热稳定性予以越来越多的重视，即同时用于钒基催化剂以及铜基、铁基及其他金属基催化剂。通常接受的是，催化剂必须在较短的时间周期内对于最高800℃的温度保持稳定。为了检验催化剂配方的耐久性，必须进行模拟真实环境的曝置条件的试验。福特的研究员[1]已经开发出模拟120,000英里跨度的道路条件的SCR催化剂的加速老化协议。这个测试包括将催化剂在670℃暴露于相对高的气体流速(气时空速，GHSV＝30,000小时^-1)的包括水(5体积％)的反应气流中64小时。这些时间和温度条件用作本文公开及宣称的发明构思的方法的参考点。

对于高温下钒的挥发性的担忧，例如当SCR催化剂位于DPF下游时，引发的问题即可能限制钒基移动SCR催化剂的可用市场，也是催化剂发展的关键考虑因素。现有技术中一直需要能够对SCR催化剂中钒的挥发度进行评估。此外，现有技术中还需要能证明下游钒零损失的去NOx选择性催化还原催化剂体系。这就是本文公开和宣称的发明构思所要解决现有技术缺点的目的。

发明内容

本发明公开了用于捕获诸如钒化合物和钨化合物的挥发化合物的选择性催化还原催化剂体系，以及用于捕获在这种选择性催化还原催化剂体系中的诸如钒化合物和钨化合物的挥发化合物的组合物和方法，例如在柴油发动机的排放控制系统中。该体系典型地包括两个功能，第一个是选择性催化还原((SCR)催化剂体系，第二个是捕获材料，用于捕获在极端暴露条件下具有明显挥发性的催化剂组分。SCR催化剂组分典型地基于氧化钛主要相，带有附加的次要相催化剂组分，该次要相催化剂组分包括钒、硅、钨、钼、铁、铈、磷、铜和/或锰钒的氧化物中的一种或多种。捕获材料典型地包括高表面积氧化物的主要相，例如氧化硅稳定的氧化钛、氧化铝、或稳定化的氧化铝，例如，其中捕获材料在极端暴露的持续时间内保持次要相氧化物的低总单层覆盖分数。该方法包括通过催化剂材料和捕获材料处理热废气流，其中捕获材料可以与催化剂材料混合，或者可以位于其下游位置，或兼而有之，但仍维持在极端温度下。例如氧化钒和氧化钨的挥发性的催化剂组分因此从废气的蒸气相中被移除。

在本发明的一个方面，预期当所述组分在它们捕获后在捕获床的载体表面上以低密度存在时，稳定的、高表面积氧化物载体，包括但不限于，氧化硅稳定的氧化钛和氧化铝，可能被用于捕获这些挥发性组分。进一步地，关于某些实施例，已惊讶地发现，当在暴露于极端条件之前通常的挥发性组分以低密度存在于催化剂表面上时，它们也展示了在极端条件下降低的挥发性，从而使这样的“低密度”催化剂也可以被用于减少或除去催化剂组分的挥发性。因此，该挥发性组分，一旦被被捕获，优选地基本将不会再被释放到废气相中。因此，一方面所述系统和方法提供了高稳定性、高表面积无机氧化物载体，其可被用于这样的结构中，其中稳定的、高表面积载体与较低稳定性、钒基SCR催化剂材料混和，或者位于该较低稳定性、钒基SCR催化剂材料下游，在较低稳定性、钒基SCR催化剂材料中，催化剂组分具有相对高的表面密度，其中前述稳定的、高表面积载体甚至在化合物从较低稳定性和较高表面密度催化剂材料挥发的相同温度下，从蒸气相捕获并且除去挥发性化合物。