用于清潔來(lái)自壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于清潔來(lái)自壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的方法，其包括以下步驟：將第一量的尿素水溶液注入至氣體中；在第一操作模式中并且在150至220℃的廢氣溫度下，在包含負(fù)載在二氧化鈦上的釩氧化物的第一催化劑的存在下使第一量的尿素水解為氨還原劑，和隨后通過(guò)使與所述氨還原劑混合的氣體與第二催化劑接觸而除去廢氣中含有的部分氮氧化物，該第二催化劑包含負(fù)載在二氧化鈦和/或氧化鋁上的鉑；在第二操作模式中并且在高于220℃的廢氣溫度下，在第一催化劑和氨還原劑的存在下除去部分氮氧化物，隨后通過(guò)使氣體通過(guò)第二催化劑將還包含在廢氣中的烴、一氧化碳和剩余量的氨還原劑氧化。
【專利說(shuō)明】用于清潔來(lái)自壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的方法
[0001]本發(fā)明涉及用于減少存在于來(lái)自稀燃的內(nèi)部壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的氮氧化物(NOx)和顆粒物質(zhì)的排放的方法和系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)過(guò)程中改善的NOx的還原。
[0002]即將到來(lái)的法規(guī)要求來(lái)自卡車和客車具有非常低的排放。同時(shí)，所使用的測(cè)試循環(huán)在相對(duì)低的溫度下開(kāi)始。在這些冷循環(huán)中還原NOx是困難的，尤其是當(dāng)所謂的后處理系統(tǒng)因?yàn)榫哂性S多不同的功能如烴氧化、煙灰過(guò)濾、NOx還原和逸出氨還原而變得更加復(fù)雜時(shí)。最可行的系統(tǒng)以以下順序由以下組件構(gòu)成:氧化催化劑、煙灰過(guò)濾器、NOx還原催化劑和逸出氨催化劑。
[0003]常規(guī)的具有稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代汽車和卡車的廢氣系統(tǒng)配備有一系列的氧化催化劑、顆粒過(guò)濾器和用于在還原劑存在下的NOx的選擇性還原的催化劑(SCR)。
[0004]在揮發(fā)性有機(jī)化合物和一氧化碳的氧化中為活性的氧化催化劑和SCR催化劑是本領(lǐng)域中已知的并且公開(kāi)在許多出版物中。
[0005]通常使用的顆粒過(guò)濾器是具有多個(gè)入口和出口通道的所謂壁流式過(guò)濾器。入口通道在其出口關(guān)閉，并且出口通道在其入口關(guān)閉，從而使流入過(guò)濾器的氣體被迫通過(guò)限定通道的多孔壁，由此過(guò)濾掉氣體中的顆粒物質(zhì)。
[0006]最難以處理的排放物為氮氧化物(NOx)。為了實(shí)現(xiàn)可接受的循環(huán)結(jié)果，NOx的還原需要在認(rèn)證循環(huán)(certificat1n cycle)的早期啟動(dòng)。在上述的常規(guī)廢氣清潔系統(tǒng)中，SCR催化劑被置于系統(tǒng)中作為第三廢氣清潔單元，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，在該催化劑達(dá)到其反應(yīng)溫度之前需要一些時(shí)間。
[0007]在SCR處理中，一般使用氨作為還原劑。氨是有毒的化合物，并且優(yōu)選通過(guò)使以氨前體形式注入至SCR催化劑上游的熱廢氣中的尿素溶液熱分解來(lái)原位產(chǎn)生氨。
[0008]即使尿素是無(wú)害的并相對(duì)容易儲(chǔ)存在車輛上，液體溶液的尿素作為氨還原劑的前體的使用是有問(wèn)題的，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)階段，即當(dāng)廢氣溫度為200°C以下時(shí)。
[0009]當(dāng)作為液體溶液注入至廢氣中時(shí)，尿素僅在高于約1500C的溫度下分解為對(duì)SCR為足夠的量的氨。然而，常規(guī)的SCR催化劑不是很活躍，直至溫度達(dá)到200°C。
[0010]本發(fā)明通過(guò)將SCR催化劑布置為靠近發(fā)動(dòng)機(jī)并且與含有鉑的氧化催化劑緊密耦合(close coupled)來(lái)解決了這個(gè)問(wèn)題。該SCR催化劑具有在較低溫度水解尿素的額外活性和氧化催化劑SCR活性。
[0011 ]鉑催化劑在具有氨的SCR中是活性的。然而，在其中鉑氧化催化劑是活性的SCR催化劑的溫度下使尿素在氣相中分解為氨是困難的。
[0012]我們發(fā)現(xiàn)，在如上所述的廢氣系統(tǒng)中釩氧化物催化劑在到達(dá)氧化催化劑之前可有效水解尿素。
[0013]根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)和觀察，本發(fā)明提供了一種用于清潔來(lái)自壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的方法，其包括以下步驟:
[0014]將尿素水溶液注入至廢氣中；在第一操作模式中并且在150至220°C的廢氣溫度下，通過(guò)與包含負(fù)載在二氧化鈦上的釩氧化物的第一催化劑接觸而使尿素水溶液催化水解為氨還原劑，和隨后通過(guò)使與所述氨還原劑混合的廢氣與第二催化劑接觸而除去廢氣中含有的部分氮氧化物，第二催化劑布置在第一催化劑的下游并且包含負(fù)載在二氧化鈦和/或氧化鋁上的鉑;在第二操作模式中并且在高于220°C的廢氣溫度下，使尿素水溶液分解為氨還原劑并且通過(guò)在第一催化劑的存在下與氨還原劑反應(yīng)而除去廢氣中含有的部分氮氧化物，隨后通過(guò)使廢氣與第二催化劑接觸將還包含在離開(kāi)第一催化劑的廢氣中的烴、一氧化碳和氨氧化。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的第一催化劑中的NOx還原將快速加熱，使得NOx還原在測(cè)試循環(huán)的早期開(kāi)始。為了節(jié)省空間，建議將NOx還原催化劑和烴還原催化劑集成在一個(gè)單元上。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，尿素注入器被布置在第一催化劑的上游。尿素注入點(diǎn)可以僅在冷啟動(dòng)時(shí)部分使用或在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作過(guò)程中連續(xù)使用以提高整個(gè)系統(tǒng)的整體性能。
[0017]如前所述，Pt催化劑具有優(yōu)異的低溫SCR性能但是當(dāng)溫度達(dá)到Pt催化劑上的氨氧化的點(diǎn)火溫度時(shí)，NOx還原減少，其導(dǎo)致在可以發(fā)生NOx還原之前的氨分解。
[0018]含有釩氧化物的第一催化劑實(shí)際上是在SCR中在與氨在含有Pt的催化劑上發(fā)生氧化時(shí)相同的溫度范圍內(nèi)開(kāi)始變?yōu)榛钚缘摹?br>[0019]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，第一催化劑還包含鎢氧化物。
[0020]在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，第二催化劑還包含鈀。
[0021]這些實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)在第一催化劑中包括鎢氧化物而獲得的增高的SCR活性和當(dāng)在第二催化劑中包括鈀時(shí)改善的溫度穩(wěn)定性。
[0022]在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方案中，氨氧化催化劑層疊在至少部分第二催化劑上以去除剩余量的氨，其離開(kāi)上游SCR。由此，來(lái)自SCR的逸出氨被大大降低。優(yōu)選的氨氧化催化劑包含用鐵和/或銅促進(jìn)的鉑和沸石，其在氨氧化為無(wú)害的氮和水的過(guò)程中具有高活性。
[0023]在又一個(gè)實(shí)施方案中，第一催化劑單元可以進(jìn)一步包含在第一催化劑中的沸石SCR催化劑。優(yōu)選的沸石是選自Y-沸石、β_沸石、SAPO-沸石和菱沸石組成的組。
[0024]在所有的實(shí)施方案中優(yōu)選的是:第一和第二催化劑被布置為在單個(gè)催化劑單元中的緊親合體(close couple)。
[0025]參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
[0026]圖1A示意性地示出了常規(guī)的柴油廢氣清潔系統(tǒng)，和圖1B示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的柴油廢氣清潔系統(tǒng)；
[0027]圖2圖示了在不同溫度下釩氧化物/T12在尿素水合為氨的過(guò)程中的效率;和
[0028]圖3a和b示出根據(jù)本發(fā)明的緊耦合體釩氧化物/T12(SCR)和Pt/Ti02 (DOC)催化劑在兩個(gè)不同溫度范圍的活性。
[0029]如圖1所示，用于根據(jù)本發(fā)明的方法中的系統(tǒng)B的組合的催化劑SCR/D0C替換了在常規(guī)廢氣清潔系統(tǒng)A中的氧化催化劑DOC JCR/D0C催化劑具有雙重功能，一是與T12上的釩氧化物一起作為緊耦合體的SCR催化劑，和在低溫下使用第二催化劑的Pt/Ti02，然后還使用釩氧化物/T12的催化劑的低溫SCR，以在低溫下使尿素水解為氨，其使得能夠在低至150°C的較低溫度下使用尿素作為氨還原劑的前體。
[0030]圖2示出通過(guò)接觸釩氧化物/T12催化劑使尿素水合為氨和HNCO的圖。催化劑用32.5體積％的尿素/水溶液浸漬。
[0031]將催化劑以ΙΟΚ/min的速率加熱，并以70ml/min用氬氣和加濕器進(jìn)行吹掃。
[0032]如從圖2明顯看出的，釩氧化物催化劑在150至220°C的溫度下在使尿素水合為氨的過(guò)程中具有高活性。
[0033]圖3a和3b示出根據(jù)本發(fā)明的緊耦合體SCR/DOC催化劑在兩個(gè)不同溫度范圍的活性。
[0034]如從圖3a明顯看出的，在150至220°C的溫度范圍內(nèi)，一定量的尿素經(jīng)第一釩氧化物/T12(SCR)催化劑水解并且形成了氨。然后，氨與在第二 PVT12(DOC)催化劑上的NOx反應(yīng)，該催化劑在這樣的溫度范圍內(nèi)是SCR活性的。由于SCR反應(yīng)，NOx和氨的濃度二者在氧化催化劑中均降低。
[0035]如圖3b所示，當(dāng)溫度升高至220°C或更高時(shí)，第一SCR催化劑變得更活躍。反應(yīng)區(qū)朝向催化劑的前面移動(dòng)并且在DOC催化劑上未發(fā)生SCR反應(yīng)。形成的氨濃縮物與NOx反應(yīng)并且兩個(gè)反應(yīng)物都由于SCR反應(yīng)而被減少。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于清潔來(lái)自壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的方法，其包括以下步驟: 將尿素水溶液注入至廢氣中；在第一操作模式中并且在150至220°C的廢氣溫度下，通過(guò)與包含負(fù)載在二氧化鈦上的釩氧化物的第一催化劑接觸而使尿素水溶液催化水解為氨還原劑，和隨后通過(guò)使與所述氨還原劑混合的廢氣與第二催化劑接觸而除去廢氣中含有的部分氮氧化物，所述第二催化劑布置在所述第一催化劑的下游并且包含負(fù)載在二氧化鈦和/或氧化鋁上的鉑;在第二操作模式中并且在高于220°C的廢氣溫度下，使所述尿素水溶液分解為氨還原劑并且通過(guò)在所述第一催化劑的存在下與氨還原劑反應(yīng)而除去廢氣中含有的部分氮氧化物，隨后通過(guò)使所述廢氣與所述第二催化劑接觸將還包含在離開(kāi)所述第一催化劑的廢氣中的烴、一氧化碳和氨氧化。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一催化劑還包含鎢氧化物。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述第二催化劑還包含鈀。4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中氨氧化催化劑層疊在至少部分第二催化劑上。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述氨氧化催化劑包含用鐵和/或銅促進(jìn)的鉑和沸石O6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一催化劑還包含沸石SCR催化劑。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述沸石SCR催化劑包括Y-沸石、β-沸石、SAPO-沸石和菱沸石中的至少一種。8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述第一和第二催化劑在單個(gè)催化劑單元中布置為緊耦合體。
【文檔編號(hào)】B01D53/94GK106062333SQ201580011064
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2015年2月20日
【發(fā)明人】P·L·T·加里伊斯森
【申請(qǐng)人】托普索公司