[发明专利]用于处理废气的区域化催化过滤器

说明书

发明背景

A.)应用领域：

本发明涉及制品和方法，其可用于处理在烃燃烧过程中所产生的废气。更具体地，本发明涉及催化过滤器，其用于降低废气流(例如由柴油机所产生的那些)中的NO_x和烟灰。

B.)相关领域说明：

美国目前道路车辆所产生的废气占了国家烟雾产生的空气污染的约三分之一。降低烟雾的努力包括使用更节能的发动机(例如优于汽油机的柴油机)和改进废气处理系统。

大部分燃烧废气的最大部分包含相对的无害的氮气(N₂)、水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)；但是该废气还包含相对小部分的有害的和/或有毒的物质，例如来自不完全燃烧的一氧化碳(CO)、来自未燃烧燃料的烃(HC)、来自过高燃烧温度的氮氧化物(NO_x)和微粒物质(主要是烟灰)。车辆废气最难于负担的组分之一是NO_x，其包括氧化一氮(NO)、二氧化氮(NO₂)和一氧化二氮(N₂O)。NO_x的产生对于贫燃发动机(例如柴油机)是特别成问题的。为了缓解废气中的NO_x的环境冲击，需要是消除这些不期望的组分，优选通过不产生其他有害或者有毒物质的方法。

柴油机的废气倾向于具有比汽油机更多的烟灰。烟灰排放可以通过将含有烟灰的废气送过微粒过滤器来处理。但是，烟灰颗粒在过滤器上的聚集会导致废气系统的背压在运行过程中不期望的增加，由此降低了效率。为了再生该过滤器，聚集的碳基烟灰必须例如通过被动或主动氧化来定期燃烧烟灰而从过滤器上除去。一种这样的技术包括在低温催化氧化烟灰。例如美国专利4,902,487教导了使用NO₂作为氧化剂，其用于在低温有效地燃烧所收集的烟灰。还建议了催化烟灰过滤器的性能可以如下来改进：将不同的氧化催化剂交叠在壁流式烟灰过滤器上(美国专利公开2009/0137386)或者使用不同的催化剂浓度来区域化氧化催化剂(欧洲专利1859864)。

对于贫燃废气(例如柴油机废气)，还原反应通常难以实现。但是，一种用于将柴油机废气中的NO_x转化成更无害的物质的方法通常被称作选择性催化还原(SCR)。SCR方法包括在催化剂存在下和借助于还原剂来将NO_x转化成单质氮(N₂)和水。在SCR方法中，在与催化剂接触之前，将气态还原剂(典型的是无水氨、氨水或者尿素)加入到废气流中。还原剂被吸收到催化剂上，并且当所述气体流过催化的基底之中或者之上时发生NO_x还原反应。对于SCR方法来说，使用无水氨或者氨水的化学计量反应的化学方程式是：

4NO+4NH₃+3O₂→4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+3O₂→3N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

已知的SCR催化剂包括位于整料基底之上或之中的沸石或者其他分子筛。这种分子筛的例子包括具有菱沸石骨架(例如SSZ-13和SAPO-34)、β骨架、丝光沸石骨架(例如ZSM-5)等的材料。为了改进材料的催化性能和水热稳定性，用于SCR应用的分子筛经常包括交换的金属离子，其松散的保持到分子筛骨架上。

因为SCR催化剂通常充当了非均相催化剂(即，与气体和/或液体反应物接触的固体催化剂)，因此该催化剂由基底负载。用于移动应用的优选的基底包括流过式整料，其具有所谓的蜂窝状几何形状，其包含多个相邻的平行通道，通道在两端开口，并且通常从基底的入口面延伸到出口面。每个通道典型地具有正方形、圆形、六角形或三角形横截面。催化材料典型地作为活化涂层或者其他浆料施用到基底上，其可以包含在基底上和/或基底的壁中。

已知含有多个组件、甚至多个SCR催化剂的废气系统。例如美国专利7,767,176描述了一种废气系统，其具有两个串联排列的基底，优选为非过滤流过式蜂窝体，其中每个基底包含SCR催化剂。也已知将非过滤流过式基底用SCR催化剂，随后用氧化催化剂进行区域化(例如US5,516,497)。