BRPI1013674B1

BRPI1013674B1 - Sistema para tratamento de emissões, e, método para converter nox em uma corrente de gás de descarga campo técnico

Info

Publication number: BRPI1013674B1
Application number: BRPI1013674-6A
Authority: BR
Inventors: Chung-Zong Wan; Xiaolai Zheng; Susanne Stiebels; Claudia Wendt; Samuel R. Boorse
Original assignee: Basf Corporation
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2020-09-29
Also published as: US20170241313A1; CN102387851A; US10124292B2; US9358503B2; US20140047819A1; KR20210092284A; JP2012522636A; CN102387851B; JP6629269B2; KR20180078350A; KR102268414B1; US9662611B2; KR102073266B1; KR20120008521A; WO2010114873A3; JP2015178103A; EP2414081A4; BRPI1013674B8; ES2686498T3; US20140248200A1

Abstract

sistema para tratamento de emissões, e, método para converter nox em uma corrente de gás de descarga. são fornecidos sistemas de tratamento de emissões para uma corrente de descarga tendo um componente gerador de amônia, tal como um catalisador de redução de armazenagem de nox (nsr) ou um catalisador de captação de nox pobre (lnt), e um catalisador de scr disposto a jusante do catalisador gerador de amônia. o catalisador de scr pode ser uma peneira molecular tendo um estrutura de cristal de cha, por exemplo, ssz- 13 ou sapo-34, que pode ter íons trocados com cobre. o lnt pode ser em camadas, tendo uma camada de revestimento reativo de subrevestimento compreendendo um material de suporte, pelo menos um metal precioso, e pelo menos um sorvente de nox selecionado a partir do grupo que consiste de elementos alcalinos terrosos, elementos de terra rara e combinações dos mesmos e uma camada de revestimento reativo de sobrerevestimento compreendendo um material de suporte, pelo menos um metal precioso, e céria em forma de particulado, a camada de revestimento reativo de lavagem sendo substancialmente livre de componentes alcalinos terrosos. o sistema para tratamento de emissões é vantajosamente usado para o tratamento de correstes de descarga de motores a diesel e motores à gasolina de queima pobre. o sistema para tratamento de emissões é vantajosamente usado para o tratamento de correntes de descarga de motores a diesel e motores à gasolina de queima pobre.

Description

CAMPO TÉCNICO

[1] A presente invenção se refere a sistemas de tratamento de emissões tendo catalisadores geradores de amónia e de SCR, e métodos úteis para reduzir contaminantes em correntes de gás de descarga, especialmente correntes de gás de descarga contendo óxidos de nitrogênio (NOx). Mais especificamente, a presente invenção se refere a sistemas de tratamento de emissões contendo catalisadores geradores de amónia tais como redução de armazenagem de NOx (NSR) ou catalisadores de captação de NOx pobre (LNT) em combinação com catalisadores de Redução Catalítica Seletiva (SCR), e métodos para seu uso com mecanismos de queima pobre, incluindo motores a diesel e motores a gasolina de queima pobre.

FUNDAMENTOS

[2] A operação de motores de queima pobre, ex., motores a diesel e motores a gasolina de queima pobre, fornecem ao usuário excelente economia de combustível, e têm emissões muito baixas de hidrocarbonetos de fase gasosa e monóxido de carbono devido a sua operação em altas razões de ar/combustível sob condições pobres de combustível. Os motores a diesel, especificamente, também oferecem vantagens significativas em relação a motores a gasolina em termos de sua durabilidade e capacidade de gerar alto torque em baixa velocidade. A diminuição eficaz de NOx de motores de queima pobre é difícil de ser alcançada porque altas taxas de conversão de NOx tipicamente exigem condições ricas em redutores. A conversão do componente de NOx de correntes de descarga para componentes inócuos geralmente exige estratégias de diminuição de NOx especializadas para operação sob condições pobres de combustível.

[3] Uma estratégia para a diminuição de NOx na corrente de descarga de motores de queima pobre usa catalisadores de redução de armazenagem de NOx (NSR), que são conhecidos na técnica como “captação de NOx pobre (LNT)”. Os catalisadores de NSR contêm materiais que sorvem NOx capazes de sorver ou “captar” óxidos de nitrogênio sob condições pobres e componentes de metal do grupo platina para fornecer ao catalisador funções de oxidação e redução. Em operação, o catalisador de NSR promove uma série de etapas elementares que são descritas abaixo nas Equações 1 a 5. Em um ambiente oxidante, NO é oxidado para NO2 (Equação 1), que é uma etapa importante para armazenagem de NOx. Em baixas temperaturas, esta reação é geralmente catalisada pelo componente de metal do grupo platina, ex., um componente de platina. O processo de oxidação não pára aqui. Oxidação adicional de NO2 para nitrato, com incorporação de um oxigênio atômico também é uma reação catalisada (Equação 2). Há pouca formação de nitrato na ausência do componente de metal do grupo platina mesmo quando NO2 é usado como a fonte de NOx. O componente de metal do grupo platina tem as funções duplas de oxidação e redução. Para seu papel de redução, o componente de metal do grupo platina primeiro catalisa a liberação de NOx após introdução de um redutor, ex., CO (monóxido de carbono) ou HC (hidrocarboneto) (Equação3) à descarga. Esta etapa recupera locais de armazenagem de NOx mas induz liberação de espécies de NOx. O NOx liberado é em seguida reduzido novamente para N2 gasoso em um ambiente rico (Equações 4 e 5). A liberação de NOx também pode ser induzida por redutores em um ambiente de oxidação líquida. No entanto, a redução eficaz de NOx liberado por CO exige condições ricas. Um surto de temperatura pode também ativar liberação de NOx visto que o nitrato de metal é menos estável em temperaturas mais elevadas. A catálise de captação de NOx é uma operação cíclica. Acredita-se que os compostos de metal são submetidos à conversão de carbonato/nitrato, como um caminho dominante, durante as operações pobres/ricas. Oxidação de NO em NO2 NO+I/2O2 NO2 (1) Armazenagem de NOx como Nitrato 2NO2 +MCO3 +1/202 M(NO3)2 +CO2 (2) Liberação de NOx M(NO3)2 +2CO MCO3 +NO2 +NO+CO2 (3) Redução de NOx em N2 NO2 +CO NO+CO2 (4) 2NO+2CO N2 +2CO2 (5)

[4] Nas equações 2 e 3, M representa um cátion de metal divalente. M também pode ser um composto de metal monovalente ou trivalente, caso em que as equações precisam ser reequilibradas.

[5] Embora a redução de NO e NO2 para N2 ocorra na presença do catalisador de NSR durante o período rico, foi observado que amónia (NH3) também pode ser formar como um derivado de uma regeneração de pulso rico do catalisador de NSR. Por exemplo, a redução de NO com CO e H2O é mostrada abaixo na equação (6). Redução de NO para NH3 CO + H2O H2 + CO2 (6a) 2NO + 3H2 + 2CO 2NH3 + 2CO2 (6b)

[6] Esta propriedade do catalisador de NSR ordena que NH3, que é um componente nocivo, também deve ser convertido em uma espécie inócua antes de a descarga ser ventilada para a atmosfera.

[7] Uma estratégia alternativa da diminuição de NOx sob o desenvolvimento de aplicações móveis (incluindo tratar descarga de motores de queima pobre) usa tecnologia de catalisador de redução catalítica seletiva (SCR). A estratégia provou ser eficaz conforme aplicada para fontes estacionárias, ex., tratamento de gases de combustível. Nesta estratégia, NOx é reduzido com um redutor, ex., NH3, para nitrogênio (N2) em um catalisador de SCR que é tipicamente composto de metais base. Esta tecnologia é capaz de redução de NOx superior a 90%, representando assim uma das melhores abordagens para alcançar objetivos de redução de NOx agressivos.

[8] A amónia é um dos redutores mais eficazes para NOx em condição pobre usando tecnologias de SCR. Uma das abordagens sendo investigadas para diminuir NOx em motores a diesel (principalmente veículos a diesel de carga pesada) utiliza uréia como redutor. Uréia, que após hidrólise produz amónia, é injetada na descarga em frente a um catalisador de SCR na variação de temperatura de 200 a 600°C. Uma das principais desvantagens para esta tecnologia é a necessidade de um reservatório extra grande para armazenar a uréia a bordo do veículo. Outra preocupação significativa é o compromisso dos operadores destes veículos em reabastecer os reservatórios com uréia conforme necessário, e a exigência de uma infra-estrutura para fornecimento de uréia aos operadores. Portanto, são desejáveis fontes alternativas e menos onerosas para fornecer o NH3 redutor para o tratamento de SCR de gases de descarga.

[9] Os sistemas de tratamento de emissões que utilizam a redução catalítica de NOx na descarga para gerar NH3, no lugar de um reservatório externo de precursor de NH3 ou NH3 foram descritos, mas estes sistemas têm limitações. Em tais sistemas, uma porção do componente de NOx da descarga é usado como um precursor de NH3 em tais sistemas. Por exemplo, a Patente N° US. 6.176.079 divulga um método para tratar um gás de descarga de um sistema de combustão que é operado alternativamente em condições pobres e ricas. No método, óxidos de nitrogênio são intermediariamente armazenados durante operação pobre, e liberados durante operação rica para formar NH3 que é armazenado. O NH3 armazenado pode ser liberado, e assim reduzir óxidos de nitrogênio durante uma operação pobre subseqüente.

[10] A Publicação de Patente Européia N° 773 354 descreve um dispositivo para purificar o gás de descarga de um motor que tem um catalisador de três vias conectado a um catalisador que sorve e oxida NH3 (NH3-AO). O motor é operado com períodos alternantes entre rico e pobre. Durante uma operação rica, o catalisador de três vias sintetiza NH3 a partir de NOx no gás de descarga que entra, e o NH3 é em seguida sorvido no catalisador de NH3-AO. Durante a operação pobre, NOx passa através do catalisador de três vias e o NH3 sorvido é dessorvido e reduz o NOx que está entrando.

[11] O Pedido Internacional de Publicação de Patente WO 97/17532 divulga um método e dispositivo para purificar o gás de descarga a partir de um motor, e, especificamente, descreve um método e dispositivo para purificar NOx no gás de descarga. Em uma modalidade, a publicação descreve um dispositivo que tem um catalisador de três vias a montante de, e no mesmo transportador que um NOx que obstrui e reduz o catalisador. A jusante do NOx que obstrui e reduz o catalisador (NOx-OR) há um catalisador que sorve e oxida NH3 (NH3-AO). Para evitar qualquer quebra de NH3, o dispositivo também dispõe de um catalisador purificador de NH3 a jusante do catalisador de NH3-AO. A razão de ar/combustível dos cilindros do motor são alternadamente e repetidamente pobre e rica para tornar a razão de ar/combustível de gás de descarga, alternadamente e repetidamente rica e pobre.

[12] No método descrito para este dispositivo na publicação WO97/17532, quando a razão de ar/combustível do gás de descarga é pobre, NOx passa através do catalisador de três vias, e NOx é obstruído no catalisador de NOx-OR. É descrito que qualquer NOx que passa através do catalisador de NOx-OR é purificado no catalisador de NH3-AO seguinte. NH3 é dessorvido a partir do catalisador de NH3-AO quando a razão de ar/combustível do gás de descarga é pobre, e 0 NH3 dessorvido reduz o NOx.

[13] Quando a razão de ar/combustível do gás de descarga é rica, uma parte do NOx no gás de descarga é convertida em NH3 no catalisador de três vias. O NH3 em seguida passa pelo catalisador de NOx-OR, onde o NOx é liberado, reduzido e purificado pelo NH3 que está entrando. Qualquer NH3 que passa através do catalisador de NOx-OR que não é consumido pela redução de NOx é sorvido no catalisador de NH3-AO, ou é purificado mais a jusante no catalisador que purifica NH3.

[14] Um problema associado aos métodos que utilizam uma porção do NOx no gás de descarga como um precursor de NH3 é que, dependendo das condições de operação, o NH3 gerado durante os períodos de operação rica com freqüência insuficiente para tratar o NOx durante períodos pobres (i.e., quando a composição do gás de descarga tem X »1). Esta deficiência pode limitar a variação das condições operacionais em que NOx pode ser efetivamente tratado por outros sistemas de tratamento de emissões.

[15] Visto que as condições sob as quais os sistemas de tratamento de emissões operam variam para diferentes veículos abastecidos por motores de queima pobre, são necessárias abordagens flexíveis para o projeto de sistemas de tratamento de emissões atender às exigências cada vez mais rigorosas para a diminuição de NOx. Especificamente, as abordagens consideradas para o efeito em armazenagem de NOx e formação de NH3 durante períodos pobres e ricos de operação de alteração da composição do catalisador de NSR oferecem caminhos mais confiáveis e práticos para alcançar este objetivo.

SUMÁRIO

[16] São fornecidos sistemas de tratamento de emissões que podem ser usados em métodos para tratar gás de descarga de motores de combustão interna, incluindo motores a diesel e motores à gasolina de queima pobre, e métodos para usar estes sistemas para tratar descarga de motor de combustão interna.

[17] Em um aspecto, a invenção se refere a um sistema para tratamento de emissões para uma corrente de descarga de, por exemplo, um motor a diesel ou um motor a gasolina de queima pobre. O sistema tem um componente gerador de amónia; e um catalisador de SCR disposto a jusante do componente gerador de amónia, em que o catalisador de SCR compreende uma peneira molecular tendo a estrutural de cristal CHA. Em uma modalidade específica, o componente gerador de amónia é um catalisador de captação de NOx (LNT), que também fornece funcionalidade para a diminuição de NOx. A combinação de LNT e SCR pode ser configurada conforme desejado e conforme o espaço permitir no sistema de descarga. Por exemplo, os catalisadores LNT e SCR podem, cada um, estar em um tijolo de substrato separado ou, alternativamente, cada um pode ser colocado em uma zona frontal e uma zona posterior, respectivamente, em um tijolo de substrato único. Em outro exemplo, os catalisadores LNT e SCR podem ser combinados com um filtro de particulado de diesel (DPF) a jusante do SCR. Esta combinação pode ser tal que cada componente esteja em seu próprio substrato, ou um desejado, SCR pode ser revestido em uma zona frontal do DPF ou junto com todo o comprimento do DPF.

[18] Em uma modalidade, o componente gerador de amónia compreende um material catalítico de captação de NOx pobre (LNT) disposto em um transportador, o material catalítico compreendendo: uma camada de revestimento reativo de subrevestimento compreendendo um material de suporte, pelo menos um metal precioso, e pelo menos um sorvente de NOx selecionado do grupo que consiste de elementos alcalinos terrosos, elementos de terra rara,e combinações dos mesmos em que a camada de revestimento reativo de subrevestimento está no transportador; e uma camada de revestimento reativo de sobrerevestimento compreendendo um material de suporte, pelo menos um metal precioso, e céria em forma de particulado, a camada de revestimento reativo de sobrerevestimento sendo substancialmente livre de componentes alcalinos terrosos; e o catalisador de SCR compreendendo uma peneira molecular tendo a estrutura de cristal de CHA que compreende uma chabazita de cobre (CuCHA) e um SAPO de cobre (CuSAPO), e a peneira molecular sendo disposta em um transportador. Em modalidades específicas, o CuCHA é um cobre-SSZ-13 e um CuSAPO tal como CuSAPO-34, que tem boa estabilidade térmica. Em uma modalidade específica, Cu/SSZ-13 é especificamente útil em aplicações de carga de luz tais como aplicações a diesel de carga de luz onde o SCR deve ser eficaz em temperaturas inferiores de gás de descarga. Em outra modalidade específica, Cu/SAPO é útil em aplicações de carga média e carga pesada em que a temperatura do gás de descarga será mais elevada.

[19] O sistema para tratamento de emissões geralmente tem um controlador para diminuir periodicamente a razão de ar/combustível na corrente de descarga abaixo do catalisador gerador de amónia. Em algumas modalidades, o controlador é um sistema de gerenciamento de motor que periodicamente opera o motor em modo rico. O controlador também pode compreender um injetor que mede periodicamente um agente redutor selecionado de pelo menos um dentre um combustível de hidrocarboneto, monóxido de carbono e hidrogênio na corrente de descarga acima do catalisador de NSR para formar uma corrente gasosa rica.

[20] Em uma modalidade opcional, o sistema para tratamento de emissões também tem um catalisador de oxidação a montante do catalisador gerador de amónia ou a jusante do catalisador de SCR. O catalisador de oxidação pode ser, por exemplo, disposto em um filtro de fuligem. Em uma modalidade detalhada, o catalisador de SCR e o catalisador de oxidação são ambos dispostos em um filtro de fuligem. Neste aspecto, o filtro de fuligem pode ser zoneado para ter o catalisador de SCR em uma zona a montante e o catalisador de oxidação em uma zona a jusante. Por exemplo, o catalisador de SCR pode ser disposto ao longo dos primeiros 10-90% (ou 20-80%, ou 30- 70%, ou 40-60%, ou até mesmo 50%) do comprimento axial do filtro, e o catalisador de oxidação pode ser disposto ao longo dos últimos 90-10% (ou 80-20%, ou 70-30%, ou 60-40%, ou até mesmo 50%) do comprimento axial do filtro.

[21] Em outro aspecto, a invenção se refere a um método para converter NOx em um gás de descarga a partir de um motor a diesel ou motor a gasolina de queima pobre em N2. O método inclui: encaminhar a corrente de gás de descarga através do sistema para tratamento de emissões da presente invenção. Em uma modalidade detalhada, o método compreende (a) contato da corrente de gás de descarga compreendendo NOx em um período rico com o componente gerador de amónia que é um LNT para sorver NOx da corrente de gás de descarga; (b) periodicamente alterar a razão de ar/combustível da corrente de descarga para fornecer uma corrente gasosa rica durante um período rico; (c) contato da corrente gasosa rica com o LNT para reduzir o NOx sorvido e gerar NH3 ; e (d) subseqüentemente contato de uma mistura do NH3 e NOx no gás de descarga com um catalisador de SCR para formar N2. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHO

[22] A FIG. IA é uma vista esquemática que mostra um sistema para tratamento de emissões de motor de acordo com uma modalidade detalhada;

[23] A FIG. 1B é uma vista esquemática que mostra um sistema para tratamento de emissões de motor de acordo com uma modalidade detalhada;

[24] A FIG. 2 é uma vista esquemática que mostra um sistema para tratamento de emissões de motor de acordo com uma modalidade;

[25] A FIG. 3 é uma vista em perspectiva de um substrato de filtro de fluxo de parede;

[26] A FIG. 4 é uma vista cortada de uma seção de um substrato de filtro de fluxo de parede;

[27] A FIG. 5A é um gráfico que mostra remoção de amónia de um sistema que inclui catalisador de cobre SSZ-13;

[28] A FIG. 5B é um gráfico que mostra remoção de amónia de um sistema que inclui catalisador de Cu SAPO;

[29] A FIG. 5C é um gráfico que mostra conversão de ciclo de NOx para várias amostras para mostrar o efeito de um catalisador de SCR a jusante em conformidade com uma ou mais modalidades;

[30] A FIG. 5D é um gráfico que mostra captação de NOx em 80% de conversão para várias amostras para amostrar o efeito de um catalisador de SCR a jusante em conformidade com uma ou mais modalidades; e

[31] A FIG. 6 é um gráfico que mostra emissões de NOx acumuladas em gramas para os Exemplos 4 e 5.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[32] A invenção se refere a um sistema para tratamento de emissões eficaz para o tratamento dos componentes de gases de descarga a partir de motores de queima pobre incluindo hidrocarbonetos gasosos não queimados, monóxido de carbono, matéria de particulado (ex., em descarga de diesel) e especialmente, NOx. O sistema tem um catalisador gerador de amónia acima, tal como uma captação de NOx pobre com função catalítica dupla, e um catalisador de SCR a jusante, e é operado como gases de descarga alternantes entre rico e pobre. O catalisador de LNT promove a armazenagem de NOx durante um período de operação pobre (X » 1,0) de acordo com as equações (1) e (2), e durante um período rico (X < 1,0), catalisando não apenas a redução de NOx armazenado para N2 (equação 5), mas também a formação de NH3 (equação 6).

[33] Foi percebido que através da seleção de componentes de catalisador de LNT e condições de operação pobre/rica, as quantidades adequadas de NH3 podem ser geradas quando o gás de descarga se torna rico.

[34] Quanto aos catalisadores de SCR, nem todos os catalisadores de SCRA conhecidos que tenham eficácia comprovada para tratar NOx em uma descarga pobre são adequados para uso a jusante de um catalisador de LNT. Por exemplo, metal de base (ex., cobre, ferro) composições de zeólitos trocados (e.g Cu-Y e Fe-beta) ou composições com base de vanádio (ex., V2O5/WO3/TÍO2/SÍO2) são insuficientes para fornecer a conversão de NH3 desejável. Estes catalisadores de SCR não têm estabilidade térmica suficiente durante a operação de LNT pobre e rica ou exibem armazenagem de NH3 baixa para capturar o NH3 produzido a partir de LNT. Desta forma, a técnica continua a buscar um catalisador de SCR que possa ser usado de modo eficaz em combinação com o LNT. A seleção de componentes catalisadores de SCR adequados, tais como Cu-SSZ-13 ou Cu/SAPO-34, que fornecem boa estabilidade térmica permite localizar o catalisador de SCR próximo ao catalisador de LNT onde este possa ser submetido a condições ricas e de alta temperatura associadas à regeneração do catalisador de LNT e/ou queima de filtro de particulado. Além disso, foi descoberto que o catalisador de SCR com base de Cu-ZSSZ-13 pode reduzir deslizamento de hidrocarbonetos (HC) durante as condições ricas. Tal catalisador de SCR, portanto, não só beneficia um sistema com base de catalisador de LNT a partir de um ponto de vista de NOx e NH3, como também a partir de um ponto de vista de HC. Ainda, foi descoberto que os sistemas catalisadores que compreendem SCR de Cu-CHA ou SCR de Cu-SAPO colocados atrás de um LNT podem substancialmente reduzir e/ou de forma eficaz eliminar quebra de NH3 grande (pico de amónia) durante as operações cíclicas em que grandes quantidades de NH3 gerado pelo LNT durante a operação transiente rica.

[35] As abordagens aqui descritas oferecem formas flexíveis, eficazes e previsíveis para projetar sistemas de tratamento de emissões capazes de acomodar gases de descarga emitidos de uma variedade de motores de queima pobre, incluindo motores a diesel e motores à gasolina de queima pobre.

[36] Os seguintes termos terão, para o propósito deste pedido, os respectivos significados estipulados abaixo.

[37] “Correntes gasosas pobres” incluindo correntes de descarga pobres significa corrente de gás que tem um X > 1,0.

[38] “Períodos pobres” se refere a períodos de tratamento de descarga em que a composição do gás de descarga é pobre, i.e., tem um X > 1,0.

[39] “Componentes de metal do grupo platina” se refere a metais do grupo platina ou um de seus óxidos.

[40] “Componentes de metais de terras raras” se refere a um ou mais óxidos da série de lantânio definida na Tabela Periódica de Elementos, incluindo lantânio, cério, praseodímio e neodímio.

[41] “Correntes gasosas ricas” incluindo correntes de descarga ricas significa corrente que tem um X < 1,0.

[42] “Períodos ricos” se refere a períodos de tratamento de descarga onde a composição do gás de descarga é rica, i.e., tem um X < 1.0.

[43] “Revestimento reativo” tem seu significado comum na técnica de um revestimento fino aderente de um material catalítico ou outro material aplicado a um substrato refratário, tal como um fluxo em favo através do substrato monólito ou um substrato de filtro, que é suficientemente poroso para permitir que a passagem da corrente de gás sendo tratada.

[44] Referência a um “componente gerador de amónia” significa uma parte do sistema de descarga que fornece amónia (NH3) como resultado de seu projeto e configuração direcionados pelas operações do motor. Tal componente exclui a dosagem de gás ou outras fontes de fornecimento externo de NH3. Exemplos de componentes geradores de amónia incluem catalisadores de redução de armazenagem de NOx (NSR) e catalisadores de captação de NOx pobre (LNT).

[45] Referindo-se a FIG. IA, uma corrente de gás de descarga contendo poluentes gasosos (ex., hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio) e matéria de particulado é transportada através da linha 6 de um motor de queima pobre 4 a um catalisador 8 de catalisador de oxidação opcional (DOC). A corrente de descarga é em seguida transportada através da linha 10 a uma captação de NOx 12, que sorve NOx durante períodos pobres, e reduz NOx para N2, dissolve NOx e gera NH3 durante períodos ricos. Alguns dos NOx durante períodos pobres podem permanecer não sorvidos, resultando em deslizamento de NOx. A corrente de descarga incluindo deslizamento de NOx ou NH3, dependendo das condições, é encaminhada através da linha 14 para um catalisador de SCR 16. O NH3 é sorvido no SCR. Durante períodos pobres, qualquer deslizamento de NOx a partir da captação de NOx pode ser reduzido para N2 pelo NH3 no SCR. Opcionalmente, um filtro de particulado de diesel (DPF) (também denominado filtro de fuligem) 20, que recebeu a corrente de descarga através da linha 18, é fornecido a jusante do SCR 16. O filtro de particulado pode ser catalisado com um catalisador de queima de fuligem para regeneração. A linha 22 conduz à extremidade do tubo e para for a do sistema.

[46] Na FIG. IB, um sistema para tratamento de emissões 30 compreende um motor a diesel 34 que transporta descarga através da linha 36 para um catalisador de DOC opcional 38, que recebe a corrente de descarga através da linha 36. A linha 40 conduz a corrente de descarga para a captação de NOx 42, que por sua vez alimenta a descarga através da linha 44 para uma combinação de SCR/DPF. Na combinação de SCRT DPF, o catalisador de SCR pode ser revestido sobre o DPF em uma zona frontal ou ao longo de todo o comprimento do DPF.

[47] Em uma modalidade alternativa mostrada na FIG, 2, os catalisadores de LNT 52 e SCR 54 podem ser dispostos em zonas separadas no mesmo substrato 50, onde o catalisador de LNT é disposto no segmento a montante do substrato, e o catalisador de SCR é disposto no segmento a jusante.

[48] O sistema para tratamento de emissões conforme mostrado nas FIGS. IA e IB pode opcionalmente conter um catalisador de oxidação 8 e 38 a montante do catalisador de captação de NOx 12 e 42, as composições de DOC são bem conhecidas na técnica e podem compreende metais do grupo platina como agentes catalíticos e opcionalmente metais de base (ex., céria). Na posição a montante (i.e., como 12 e 42), DOC fornece diversas funções vantajosas. O catalisador serve para oxidar gases hidrocarbonetos e não- voláteis não-queimados (i.e., a fração orgânica solúvel da matéria de particulado de diesel) e monóxido de carbono para dióxido de carbono e água. A remoção de porções substanciais do SOF usando o catalisador de DOC, especificamente, auxilia evitando uma deposição muito grande de matéria de particulado da captação de NOx e catalisadores de SCR. Em outra função, o DOC pode proteger e prolongar a vida útil do catalisador de captação de NOx.

[49] Alternativamente (não mostrado), o DOC pode ser localizado a jusante do catalisador de SCR, onde o DOC não apenas serve para queimar hidrocarboneto e CO não-queimado conforme descrito acima, mas também serve como um catalisador de oxidação de deslizamento de amónia para impedir que qualquer NFE não reagido seja ventilado para a atmosfera, especialmente com composições de DOC contendo componentes de metal do grupo platina.

[50] Em certas modalidades da invenção, o DOC é revestido em um filtro de fuligem, por exemplo, um filtro de fluxo de parede para auxiliar na remoção do material de particulado na corrente de descarga, e, especialmente na fração de fuligem (ou função carbonácea) do material de particulado. O DOC, além da outra função de oxidação mencionada acima, diminui a temperatura em que a fração de fuligem é oxidada para CO2 e FEO. Conforme a fuligem se acumula no filtro, o revestimento do catalisador auxilia na regeneração do filtro. Embora do filtro de fuligem possa ser localizado a jusante do catalisador de SCR, é preferível que o filtro de fuligem catalisado seja localizado a montante do catalisador de captação de NOx para minimizar ou impedir o choque do catalisador de captação de NOx e do catalisador de SCR a jusante com material de particulado. Substratos

[51] Preferencialmente, cada composição de catalisador de LNT e SCR é disposta em um substrato. O substrato pode ser qualquer um dos materiais geralmente usados para preparar catalisadores, e preferencialmente compreenderá uma estrutura em favo cerâmica ou de metal. Qualquer substrato adequado pode ser utilizado, tal como substrato monolítico do tipo tendo passagens de fluxo de gás finas e paralelas que se estendem a partir de uma face de entrada ou saída do substrato, de modo que as passagens fiquem abertas para o fluxo de fluido através do substrato (denominado fluxo em favo através de substratos). As passagens, que são vias essencialmente retas de sua entrada de fluido para saída de fluido, são definidas por paredes nas quais o material catalítico é revestido como um revestimento reativo de modo que os gases que fluem através das passagens entrem em contato com o material catalítico. As passagens de fluxo do substrato monolítico são canais com paredes finas, que podem ser de qualquer formato e tamanho secional transversal adequado tal como de trapézio, retângulo, quadrado, sinusoidal, hexagonal, oval, circular, etc. Tais estruturas podem conter de cerca de 60 a cerca de 600 ou mais aberturas de entrada de gás (i.e., células) por polegada quadrada de seção transversal.

[52] As FIGS. 3 e 4 ilustram um substrato de filtro de fluxo de parede 50 que tem uma pluralidade de canais bloqueados alternadamente 52 e pode servir como um DPF. As passagens são tubularmente incluídas pelas paredes internas 53 do substrato de filtro. O substrato tem uma extremidade de entrada 54 e uma extremidade de saída 56. As passagens alternadas são plugadas na extremidade de entrada com os plugues de entrada 58, e na saída com os plugues de saída 60 para formar padrões de verificação opostos na entrada 54 e saída 56. Uma corrente de gás 62 entra através da entrada do canal não-plugada 64, é parada no pingue de saída 60 e se espalha através das paredes do canal 53 (que são porosas) para o lado de saída 66. O gás não pode passar de volta para o lado de entrada das paredes por causa dos plugues de entrada 58. Se tal substrato for utilizado, o sistema resultante será capaz de remover matérias de particulado junto com poluentes gasosos. Assim, um filtro de fluxo de parede adequado é um substrato em favo, tendo uma pluralidade de passagens que se estendem longitudinalmente formadas por paredes que se estendem longitudinalmente que limitam e definem tais passagens, em que as passagens compreendem passagens de entrada tendo uma extremidade de entrada aberta e uma extremidade de saída fechada, e passagens de saída tendo uma extremidade de entrada fechada e uma extremidade de saída aberta. Outros filtros adequados além dos filtros de fluxo de parede em favo incluem, mas não são limitados a filtros de fibra entrelaçada ou embalada, espumas de células abertas, filtros de metal sinterizado, etc.

[53] Os substratos de filtro de fluxo de parede com podem ser compostos de materiais semelhantes à cerâmica como cordierita, a-alumina, carboneto de silício, titanato de alumínio, nitreto de silício, zircônia, mulita, spodumene, magnésia de sílica de alumina ou silicato de zircônio, ou de metal refratário poroso. Os substratos de fluxo de parede também podem ser formados de materiais compostos de fibra de cerâmica. Os substratos de fluxo de parede específicos são formados de cordierita, carboneto de silício e titanato de alumínio. Tais materiais são capazes de suportar o ambiente, especificamente altas temperaturas, encontradas no tratamento de correntes de descarga.

[54] Os substratos de fluxo de parede para uso no sistema da invenção podem incluir favos com paredes porosas (monólitos) através das quais a corrente de fluido passa sendo causar muito aumento na contra- pressão ou pressão no artigo. Os substratos de fluxo de parede de cerâmica usados no sistema podem ser formados de um material tendo uma porosidade de pelo menos 50% (ex., de 50 a 75%) tendo um tamanho de poros média de pelo menos 5 microns (ex., de 5 a 30 microns). Em uma modalidade específica, os substratos podem ter uma porosidade de pelo menos 59% e ter um tamanho médio de poros entre 10 e 20 microns. Quando os substratos com estas porosidades e estes tamanhos médios de poros são revestidos com as técnicas descritas abaixo, níveis adequados de composições de catalisador desejadas podem se colocados sobre os substratos. Estes substratos ainda são capazes de reter características de fluxo de descarga adequado, i.e., contra- pressões aceitáveis, apesar do carregamento de catalisador. A Patente N° U.S. 4.329.162 é incorporada no presente documento por referência com relação à divulgação de substrato de fluxo de parede adequados.

[55] O filtro de fluxo de parede porosa pode ser catalisado de modo que a parede do elemento contenha um ou mais materiais catalíticos. Os materiais catalíticos podem estar presentes no lado de entrada da parede do elemento apenas, no lado de saída apenas, em ambos os lados de entrada e saída, ou a própria parede pode ser formada integralmente, ou em parte, do material catalítico. Esta invenção inclui o uso de um ou mais revestimentos reativos de materiais catalíticos e combinações de um ou mais revestimentos reativos de materiais catalíticos nas paredes de entrada e/ou saída do elemento.

[56] Os substratos úteis para os catalisadores da presente invenção também podem ser de natureza metálica e compostos e um ou mais metais ou ligas de metal. Os substratos metálicos podem ser empregados em vários formatos tais como folha ondulada ou forma monolítica. Suportes metálicos preferenciais incluem os metais resistentes ao calor e ligas de metal como titânio e aço inoxidável, bem como outras ligas em que ferro é um componente substancial ou principal. Tais ligas podem conter um ou mais dentre níquel, crômio e/ou alumínio, e quantidade total destes metais pode vantajosamente compreender pelo menos 15 % em peso da liga, ex., 10-25 % em peso de crômio, 3-8 % em peso de alumínio e até 20 % em peso de níquel. As ligas também podem conter quantidades pequenas ou mínimas de um ou mais outros metais tais como manganês, cobre, vanádio, titânio e semelhantes. Um substrato de metal comercialmente disponível representante é fabricado por Emitec. No entanto, será entendido que a invenção não é limitada a um tipo de substrato, material ou geometria específica. A superfície ou os substratos de metal podem ser oxidados em temperaturas elevadas, ex., 1000°C e superiores, para melhorar a resistência à corrosão das ligas formando uma camada de óxido sobre as superfícies dos substratos. Tal oxidação induzida por temperatura pode aprimorar a aderência do suporte de óxido de metal refratário e cataliticamente promover componentes de metal ao substrato.

[57] Em modalidades alternativas, uma ou ambas as composições de catalisadores de LNT e SCR podem ser depositadas em um substrato de espuma de células abertas. Tais substratos são bem conhecidos na técnica, e são tipicamente formados de materiais cerâmicos ou metálicos refratários.

[58] O uso dos catalisadores de LNT aqui descritos fornece uma vantagem significativa para o projeto de sistemas de tratamento de emissões para motores de queima pobre. Visto que o catalisador de LNT tem ambas uma função de armazenagem de NOx durante períodos pobres de operação e uma função geradora de NH3 durante períodos ricos de operação, a inclusão de substratos de catalisadores separados para realizar estas duas funções é desnecessária. Como conseqüência, a responsabilidade de preparar e armazenar substratos de catalisadores separados não existe. Além disso, o uso geral de metais do grupo platina é diminuído com o catalisador de LNT de função dupla; visto que catalisadores que promovem armazenagem de NOx e catalisadores que promovem formação de NH3 geralmente têm componentes de metal do grupo platina em suas composições. Os sistemas de tratamento de emissões que tem um catalisador de LNT único em vez de catalisadores separados para armazenagem de NOx e formação de NH3 portanto podem sustentar o projeto do sistema com redução de custo significativa.

[59] A razão de ar/combustível da composição do gás de descarga pode ser alterada para fornecer uma corrente gasosa rica por uma série de métodos conhecidos por aqueles versados na técnica. Os controladores que operam periodicamente o motor de queima pobre em modo rico, ou mais diretamente alteram a razão de ar/combustível da corrente de descarga podem ser usados. Por exemplo, a razão de ar/combustível pode se tornar rica operando periodicamente o motor em modo rico usando controles de gerenciamento de motor bem conhecidos. Como alternativa, a corrente de gás de descarga pode se tornar rica através de medição periódica de um redutor de hidrocarbonetos (ex., combustível de diesel) a montante do catalisador de NSR.

[60] A quantidade de NH3 produzido durante um período rico depende do comprimento e intensidade do uso de pulso rico para gerar a corrente gasosa rica. Para o propósito de operar o sistema para tratamento de emissões da invenção durante um período rico, a corrente gasosa rica geralmente tem um X de 0,80 a 0,995. Preferencialmente, a corrente gasosa rica tem um X de 0,90 a 0,95. Durante um período pobre, a corrente gasosa pobre preferencialmente tem um X muito maior do que 1, por exemplo, na faixa de 1,5 a 1,8 ou mais. O comprimento do período rico é geralmente de 1 a 10% do período pobre. Tais parâmetros operacionais garantem que os níveis adequados de NH3 sejam gerados com perda de combustível mínima.

[61] As velocidades espaciais para tratar NOx com o sistema para tratamento de emissões da invenção através do catalisador de NSR são de 10.000 a 200.000 h1. Mais preferencialmente, a velocidade espacial do gás de descarga é de 10.000 a 100.000 h1. As velocidades espaciais do gás de descarga através do catalisador de SCR são preferencialmente de 10.000 a 300.000 h’1, e mais preferencialmente, de 15.000 a 150.000 h1.

Composição do Catalisador de LNT

[62] A composição do catalisador de LNT usado no sistema da invenção contém um sorvente de NOx e um componente de metal do grupo platina disperse em um suporte de óxido de metal refratário. Além disso, a composição do catalisador de LNT opcionalmente contém outros componentes tais como componentes de armazenagem de oxigênio que significativamente afetam a quantidade de NLL formado durante um período rico de operação.

[63] O catalisador de LNT pode tomar qualquer forma tal como partículas independentes (ex., comprimidos, esferas) ou como um monólito em favo sólido formado a partir da composição do catalisador. No entanto, a composição do catalisador de LNT é preferencialmente disposta como um revestimento reativo ou como uma combinação de revestimentos reativos (para formar um composto de catalisador em camadas) em um substrato de cerâmica ou metálico. Em modalidades preferenciais da invenção, o catalisador de LNT é na forma de uma camada única, ou um composto de catalisador bi-camada com a camada de fundo aderida ao substrato e a camada de topo sobreposta à camada de fundo.

[64] A composição de catalisador de LNT compreende pelo menos um componente de captação de NOx (ex.,Ba, Mg etc) e um suporte. O suporte é composto de pelo menos um óxido de metal refratário de área de superfície alta tal como alumina, titânia, zircônia; misturas de alumina com um ou mais dentre titânia, zircônia e céria; céria revestida em alumínio ou titânia revestida em alumina. O óxido de metal refratário pode conter um óxido ou um óxido misturado tal como sílica-alumina, aluminosilicatos que podem ser amorfos ou cristalinos, alumina-zircônia, alumina-crômia, alumina-céria e semelhantes. Os óxidos de metal refratário preferenciais são alumina gama, céria revestida em alumina e titânia revestida em alumina. É vantajoso que o suporte preferencial possa conter elementos alcalinos terrosos dispersos (ex. Bário) e o catalisador pode ainda compreender céria em forma de particulado.

[65] Tipicamente, o óxido de metal refratário terá uma área de superfície de cerca de 50 a cerca de 300 m2/g. O suporte está geralmente presente em uma quantidade de cerca de 1,5 a cerca de 7,0 g/in3 (91,5 a 426,8 g/1), esta quantidade sendo a quantidade total em modalidades com duas ou mais camadas de catalisadores. Em modalidades da invenção onde há duas camadas, o suporte escolhido para a camada de fundo não precisa ser, mas convenientemente é o mesmo que aquele escolhido para a camada de topo. Além disso, a quantidade do suporte na camada de fundo não precisa ser a mesma que na camada de topo, desde que as quantidades dos suportes nas camadas de fundo e de topo sejam suficientes para fornecer desempenho desejável.

[66] Será disperso no suporte um ou mais componentes de metal do grupo platina, ex., platina, paládio, ródio e suas misturas. Estes componentes do catalisador de LNT promovem oxidação e redução de espécies de nitrogênio. A quantidade de carregamento do componente de metal do grupo platina será na faixa de cerca de 10 a cerca de 250 g/ft3 (609,8 g/1 a cerca de 15,2 kg/1), e preferencialmente, a quantidade será na faixa de 50 a 200 g/ft3 (3,1 a 12,2 kg/1), estas quantidades sendo a quantidade total em modalidades com duas ou mais camadas de catalisador. Aqui novamente, em modalidades da invenção onde um composto de catalisador bi-camada é usado, o componente de metal do grupo platina escolhido para a camada de fundo não precisa ser, mas convenientemente, é o mesmo que aquele escolhido para a camada de topo. Além disso, a quantidade do componente de metal do grupo platina na camada de fundo não precisa ser a mesma que aquela na camada de topo, desde que as quantidades dos componentes de metal do grupo platina nas camadas de fundo e de topo estejam dentro da variação anterior.