[发明专利]催化烟灰过滤器以及排放物处理系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及催化烟灰过滤器、系统和其制备的方法，以及处理废气流中排放物的方法。

背景

柴油机废气是不均匀混合物，其不仅包含气态排放物例如一氧化碳（CO）、未燃烧的烃（“HC”）和氮氧化物（“NO_X”），而且包含构成所谓的微粒或微粒物质的冷凝相材料（液体和固体）。常常，催化剂组合物和在其上布置组合物的基底设置在柴油机废气系统中，以将这些废气组分中的某些或全部转化为无害组分。例如，柴油机废气系统可以包含柴油机氧化催化剂、烟灰过滤器和用于还原NO_X的催化剂中的一种或多种。

柴油机废气的总微粒物质排放物主要由三种主要组分组成。一种组分是固体，干固体碳质部分或烟灰部分。该干燥碳质物质促成通常与柴油机废气相关联的可见烟灰排放物。微粒物质的第二组分是可溶有机部分（“SOF”）。可溶有机部分有时被称为挥发性有机部分（“VOF”），该术语将在本文中使用。VOF可以以蒸气形式或以气溶胶（液体冷凝物的细液滴）形式存在柴油机废气中，这取决于柴油机废气的温度。其在52℃的标准微粒收集温度下通常以冷凝液体存在稀释的废气中，如由标准测量测试例如U.S.Heavy DutyTransient Federal Test Procedure规定的。这些液体来源于两个源：（1）每当活塞上升和下降时从发动机的气缸壁扫过的润滑油；和（2）未燃烧的或部分燃烧的柴油机燃料。

微粒物质的第三组分是所谓的硫酸盐部分。硫酸盐部分由存在柴油机燃料中的少量硫组分形成。柴油机燃烧期间形成小比例的SO₃，SO₃又迅速地与废气中的水组合以形成硫酸。硫酸以冷凝相形式收集，且微粒以气溶胶形式收集，或被吸附在其他微粒组分上，且由此增加了总微粒物质的质量。

用于高的微粒物质减少的一种后处理技术是柴油机微粒过滤器。存在有效从柴油机废气除去微粒物质的许多已知的过滤器结构，例如蜂窝壁流式过滤器、缠绕或填充纤维过滤器、开孔泡沫、烧结金属过滤器等。然而，下文所描述的陶瓷壁流式过滤器受到最多的关注。这些过滤器能够从柴油机废气除去超过90%的微粒材料。过滤器是从废气除去颗粒的物理结构，且累积的颗粒将对发动机增加来自过滤器的反压。因此，必须连续地或周期地从过滤器剔除累积的颗粒以维持可接受的反压。

涂布上选择性催化还原（SCR）催化剂的过滤器可以被考虑用于减小用于CO、HC、NO_X和微粒物质的下一代柴油机排放物控制系统的尺寸和成本。在SCR工艺中，经由通常主要由碱金属组成的催化剂，用氨（NH₃）将NO_X还原为氮（N₂）。将SCR催化剂应用至高孔隙率过滤器基底已经能够减小系统尺寸，同时维持过滤效率和NO_X转化率。具有大的平均孔径（20μm或更大）和窄的孔径分布的高孔隙率过滤器已经表明是有利的，因为它们能够以最低的反压增加来实现最好的催化剂利用。

包含促进NO_X的SCR的催化剂的催化壁流式过滤器承担两个功能：除去废气流的微粒组分和将废气流的NO_X组分转化为N₂。可以实现NO_X还原目标的SCR-涂布的壁流式过滤器需要在交通工具中的常见空间约束下在壁流式过滤器上的足够装载量的SCR催化剂组合物。通过暴露于废气流的某些有害组分或高温而随着使用期出现的组合物的催化效率的逐渐损失增加了对较高催化剂装载量的SCR催化剂组合物的需求。然而，制备具有较高催化剂装载量的涂布的壁流式过滤器可以导致在废气系统内不能接受的高的反压。反压的增加可以对燃料效率具有不利影响。