用于處理廢氣的經(jīng)催化的過(guò)濾器的制造方法
【專利說(shuō)明】用于處理廢氣的經(jīng)催化的過(guò)濾器
[0001]發(fā)明背景
1.發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于處理燃燒廢氣的制品。更具體地，本發(fā)明涉及用于從貧燃燃燒廢氣中減少煙灰和其它不期望的組分的涂覆有催化劑的顆粒物過(guò)濾器。
2.
【背景技術(shù)】
[0003]大多數(shù)燃燒廢氣的絕大部分包含相對(duì)良性的氮?dú)?N2)、水蒸氣(H20)和二氧化碳(C02);但是所述廢氣還以相對(duì)小的份額包含有害和/或毒性物質(zhì)，如來(lái)自不完全燃燒的一氧化碳(C0)、來(lái)自未燃燒的燃料的烴(HC)、由于燃燒溫度過(guò)高的氮氧化物(N0X)，和顆粒物質(zhì)(絕大部分為煙灰)。為了減輕釋放至大氣中的廢氣的環(huán)境影響，期望的是消除這些不期望的組分或減少其量，優(yōu)選通過(guò)不產(chǎn)生其它有害的或毒性物質(zhì)的方法進(jìn)行。
[0004]某些貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)如柴油機(jī)，傾向于產(chǎn)生具有可觀量的煙灰和其它顆粒物質(zhì)的廢氣。煙灰排放可以通過(guò)使含煙灰的廢氣通過(guò)柴油顆粒物過(guò)濾器(DFP)如壁流式過(guò)濾器來(lái)補(bǔ)救。
[0005]為了減少?gòu)U氣系統(tǒng)所需空間的量，經(jīng)常期望設(shè)計(jì)單獨(dú)的廢氣部件以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行多于一種功能。例如，將催化劑涂層施加至壁流式過(guò)濾器基材通過(guò)使一種基材具有兩種功能(即除去煙灰并作為非均相催化劑的基材)而起到減小廢氣處理系統(tǒng)的整體尺寸的作用。然而，用可操作量的催化劑涂覆過(guò)濾器可能不期望地增加穿過(guò)所述過(guò)濾器的背壓，這又降低了發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于高性能催化劑載體涂層，如包含經(jīng)過(guò)渡金屬促進(jìn)的沸石的選擇性催化還原(SCR)催化劑而言尤其如此。
[0006]已進(jìn)行許多嘗試，以制備具有合適地高的量的催化劑和合適地低的背壓的經(jīng)載體涂覆的DPF。然而，仍然存在對(duì)在用有效量的SCR催化劑涂覆時(shí)產(chǎn)生相對(duì)低的背壓的DFP的需求。
[0007]發(fā)明簡(jiǎn)述
[0008]申請(qǐng)人已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)壁流式過(guò)濾器的背壓可以通過(guò)僅用催化劑載體涂層從入口側(cè)涂覆過(guò)濾器而降低，只要所述載體涂層包含比過(guò)濾器的平均孔徑小的催化劑顆粒。更具體地，用小顆粒的載體涂層僅從過(guò)濾器的入口側(cè)涂覆與具有僅從過(guò)濾器的入口側(cè)施加的等量的相同催化劑涂層或具有從所述過(guò)濾器的入口側(cè)和出口側(cè)二者均勻施加的等量的相同催化劑涂層的相同過(guò)濾器相比，意料不到地減少穿過(guò)過(guò)濾器的煙灰負(fù)載的背壓。該結(jié)果也是令人驚訝的，因?yàn)閮H施加至相同過(guò)濾器的入口側(cè)的大顆粒載體涂層并不產(chǎn)生相當(dāng)?shù)囊嫣?，并且?shí)際上導(dǎo)致較高的背壓。
[0009]因此，提供了柴油顆粒物過(guò)濾器，其包括(a)具有平均孔徑、入口側(cè)、出口側(cè)和介于入口與出口側(cè)之間的多孔內(nèi)部的壁流式過(guò)濾器基材；和(b)從所述基材的入口側(cè)涂覆的催化劑組合物，其中所述催化劑組合物具有d5。粒度分布，其中所述d5。粒度分布小于所述平均孔徑除以4.9 ± 0.1，并且其中所述出口側(cè)基本上不存在催化劑涂層。
[0010]在本發(fā)明的另一方面，提供了用于處理貧燃廢氣的系統(tǒng)，其包括(a)本文中所描述的柴油顆粒物過(guò)濾器；和(b)與所述柴油顆粒物過(guò)濾器流體連通的至少一個(gè)排氣系統(tǒng)部件，其中所述排氣系統(tǒng)部件選自設(shè)置在所述柴油顆粒物過(guò)濾器上游的NOjg、設(shè)置在所述柴油顆粒物過(guò)濾器上游的還原劑源、ΑΜ0Χ催化劑、N0X阱、NO x吸收催化劑、柴油氧化催化劑和SCR催化劑。
[0011]在本發(fā)明的又一方面，提供了用于減少貧燃廢氣中的煙灰的方法，所述方法包括以下步驟:(a)使攜帶煙灰并且任選地包含N0X的廢氣物流與本文中所述的柴油顆粒物過(guò)濾器接觸；(b)在所述柴油顆粒物過(guò)濾器上和/或在所述柴油顆粒物過(guò)濾器中捕獲所述煙灰的至少一部分，同時(shí)使得所述廢氣穿過(guò)所述柴油顆粒物過(guò)濾器；(c)周期性地和/或連續(xù)地燃燒所捕獲的煙灰以再生所述過(guò)濾器；和任選地(d)使所述廢氣與從所述過(guò)濾器的出口側(cè)涂覆的SCR催化劑接觸，以降低廢氣中的NOx濃度。
[0012]附圖簡(jiǎn)述
[0013]圖1A為柴油顆粒物過(guò)濾器；
[0014]圖1B為柴油顆粒物過(guò)濾器的橫截面視圖；
[0015]圖2A為柴油顆粒物過(guò)濾器的多孔薄壁的圖；
[0016]圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有催化劑涂層的柴油顆粒物過(guò)濾器的多孔薄壁的圖；和
[0017]圖3為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的具有催化劑涂層的柴油顆粒物過(guò)濾器的橫截面圖。
[0018]圖4為說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案的煙灰負(fù)載的背壓曲線與對(duì)比數(shù)據(jù)的圖。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的詳述
[0020]本發(fā)明部分地涉及用于改進(jìn)環(huán)境空氣質(zhì)量且尤其是用于改進(jìn)由柴油和其它貧燃發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣排放的催化過(guò)濾器。廢氣排放至少部分地通過(guò)減少一種或多種氣態(tài)組分如N0JPNH3和降低貧燃廢氣中的顆粒物質(zhì)濃度得以改進(jìn)。因此，優(yōu)選的催化過(guò)濾器包括多孔基材，如柴油顆粒物過(guò)濾器(DFP)，其既起到從穿過(guò)所述多孔基材的廢氣物流中機(jī)械除去顆粒物質(zhì)的作用，又起到負(fù)載可用于除去廢氣中的不期望的氣態(tài)組分的催化劑組合物的作用。
[0021 ] 在某些實(shí)施方案中，所述過(guò)濾器為具有某種平均孔徑、入口側(cè)、出口側(cè)和介于入口與出口側(cè)之間的多孔內(nèi)部的壁流式過(guò)濾器基材，和具有d5。粒度分布的僅從所述基材的入口側(cè)涂覆的催化劑組合物，其中所述d5。粒度分布小于所述平均孔徑除以4.8,4.9或5.0，并且其中所述出口側(cè)基本上不存在催化劑涂層。
[0022]優(yōu)選的過(guò)濾器基材包括柴油顆粒物過(guò)濾器，且用于移動(dòng)應(yīng)用的優(yōu)選的柴油顆粒物過(guò)濾器包括壁流式過(guò)濾器如壁流式陶瓷整料。其它過(guò)濾器基材包括流通式過(guò)濾器如金屬或陶瓷泡沫或纖維過(guò)濾器。除了堇青石、碳化硅和陶瓷以外，可用于多孔基材的其它材料包括，但不限于氧化鋁二氧化硅、氮化鋁、氮化硅、鈦酸鋁、α -氧化鋁、莫來(lái)石、銫榴石、鋯石、氧化鋯、尖晶石、硼化物、長(zhǎng)石、二氧化鈦、熔融石英、硼化物、陶瓷纖維復(fù)合物、這些中的任意的混合物、或包含其兩種或更多種的片段的復(fù)合物。尤其優(yōu)選的基材包括堇青石、碳化硅和鈦酸鋁(AT)，其中AT為占優(yōu)勢(shì)的結(jié)晶相。
[0023]轉(zhuǎn)到圖1A，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的壁流式過(guò)濾器基材10。所述壁流式過(guò)濾器具有前端20和后端22，其中將前端20設(shè)計(jì)為在過(guò)濾之前接收廢氣21且將后端22設(shè)計(jì)為允許經(jīng)清潔的廢氣29離開過(guò)濾器10。
[0024]在圖1B中示出了壁流式過(guò)濾器的一部分的橫截面。壁流式過(guò)濾器基材具有許多被薄的多孔壁23分隔的方形平行通道14，所述薄的多孔壁從入口側(cè)被催化劑載體涂層44涂覆。所述通道14在軸向上從所述基材的前端20向所述基材的后端22延伸。所述通道14僅在一端開口。將所述通道的相對(duì)端封堵。在前端與后端之間以交替的棋盤圖案12布置封堵端，從而使得廢氣21進(jìn)入向所述基材前端開口的通道24，穿過(guò)薄的多孔壁23，進(jìn)入向所述基材后端開口的通道26，然后離開所述基材。特別是當(dāng)與本文所描述的催化劑組合物組合時(shí)，所述壁23的孔隙率和孔徑對(duì)于氣體滲透而言足夠，但有效捕獲顆粒物質(zhì)的主要部分(包括煙灰)。即，在廢氣穿過(guò)過(guò)濾器時(shí)，所述廢氣攜帶的顆粒物質(zhì)被薄的多孔壁捕獲，由此使得不含顆粒物的廢氣離開所述過(guò)濾器。所述顆粒物質(zhì)在過(guò)濾器上積聚直至再生所述過(guò)濾器。
[0025]所述通道的橫截面形狀沒有特別限制，并且例如可以為方形、圓形、橢圓形、矩形、三角形、六邊形等。用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的壁流式過(guò)濾器基材典型地包含約lOO-SOOcpsi (每平方英寸通道數(shù))，例如約100至約400cpsi，約200至約300cpsi，或約500至約600cps。在某些實(shí)施方案中，所述壁具有約0.1至約1.5mm如約0.15至約0.25mm、約0.25至約0.35mm或約0.25至約0.50mm的平均壁厚度。
[0026]轉(zhuǎn)到圖2A和2B，多孔壁23具有相對(duì)于廢氣流34穿過(guò)所述壁的典型方向的入口側(cè)30和出口側(cè)32。所述入口側(cè)30具有暴露至向所述基材的前端開口的通道24的入口表面40，并且所述出口側(cè)32具有暴露至向所述基材的后端開口的通道26的出口表面42。所述過(guò)濾器還具有與出口表面42和入口表面40等距的中心50。如本文中所使用的，關(guān)于所述薄的多孔壁的術(shù)語(yǔ)“入口側(cè)” 30意指所述入口表面40和從所述入口表面40至入口表面40與出口表面42之間的距離的不大于約10%且更優(yōu)選約10%、約5%或約1%的深度的壁23的部分。關(guān)于所述薄的多孔壁的術(shù)語(yǔ)“出口側(cè)”32意指所述出口表面42和從所述出口表面42至出口表面42與入口表面40之間的距離的不大于約10%且更優(yōu)選約10%、約5%或約1%的深度的壁23的部分。所述多孔壁還具有介于所述入口側(cè)30與所述出口側(cè)32之間的內(nèi)部部分。在某些實(shí)施方案中，所述內(nèi)部的厚度為總壁厚度的約80%，且更優(yōu)選約90%。催化劑涂層從所述過(guò)濾器基材的入口側(cè)施加并且在入口側(cè)內(nèi)、在內(nèi)部部分內(nèi)和/或在入口表面上形成催化劑涂層梯度44，其中催化劑的最高濃度朝向所述入口表面。
[0027]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的負(fù)載催化劑的過(guò)濾器的橫截面圖。在此，可以看出廢氣流處于從入口通道24、穿過(guò)催化劑涂層44，并進(jìn)入出口通道26的方向21。
[0028]過(guò)濾器的孔隙率和平均孔徑的可用范圍沒有特別限制，但是關(guān)聯(lián)于，或者用于確定催化劑涂層的粒度。如本文所述，過(guò)濾器基材的孔隙率和平均孔徑基于未涂覆的過(guò)濾器(例如沒有催化劑涂層)確定。通常，所述基材的孔隙率為至少約40 %，更優(yōu)選至少約50 %，例如約50至約80%，約50至約70%，或約55至約65%?？紫堵士梢酝ㄟ^(guò)任意合適的手段(包括壓汞法)測(cè)量。通常，所述基材的平均孔徑為約8至約40 μ m，例如約8至約12 μ m，約12至約20 μ m，或約15至約25 μ m。在某些實(shí)施方案中，所述孔的至少約50%，且更優(yōu)選至少約75%在這些范