CN101912730B - 降低稀燃碳氢化合物燃料动力源的nox排放的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及降低稀燃碳氢化合物燃料动力源的NOX排放的方法和设备。一个实施例包括氧化催化剂组件，所述氧化催化剂组件通过将铂和NOX存储材料的涂层涂覆于基底材料的一部分而形成。
Description
技术领域
技术领域总体上涉及对来自于以燃料稀燃烧混合物操作的碳氢化合物燃料动力源(例如柴油发动机)的排气的处理。更具体地，本发明阐述用于降低稀燃碳氢化合物燃料动力源的NOX排放的方法和设备。
背景技术
柴油发动机、一些汽油燃料发动机和许多碳氢化合物燃料动力设备以高于化学计量空气-燃料质量比操作，用于改进燃料经济性。然而，这种稀燃发动机和其它动力源产生具有相对高含量的氧气和氮氧化物(NOX)的热排气。
在柴油发动机的情况下，来自于升温发动机的排气温度通常在200摄氏度至400摄氏度的范围内，且具有的典型成分按体积计约17％的氧气、3％的二氧化碳、0.1％的一氧化碳、180ppm的碳氢化合物、235ppm的NOX以及余额的氮气和水。这些NOX气体(通常包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2))由于热排气流中的高氧气(O2)含量而难以还原为氮气(N2)。
发明内容
在一个示例性实施例中，氧化催化剂组件可通过将铂和NOX存储材料的涂层涂覆于基底材料的一部分而形成。
用于形成双区域氧化催化剂组件的示例性方法可通过将包括铂或钯或铂和钯的混合物的涂层涂覆于基底材料的第一部分且将铂和NOX存储材料的第二涂层涂覆于基底材料的第二部分而实现。
一种示例性NOX还原系统包括催化还原反应器、颗粒过滤器和催化氧化反应器，所述催化氧化反应器包括氧化催化剂组件，在所述氧化催化剂组件中，基底材料的一部分包括活性催化剂材料和NOX存储材料。
提供一种氧化催化剂组件，包括：
基底材料；
涂层，所述涂层被涂覆于所述基底材料的一部分，所述涂层包括铂和NOX存储材料。
根据上述的氧化催化剂组件，其中，所述NOX存储材料包括碱土金属氧化物或碱金属氧化物。
根据上述的氧化催化剂组件，其中，所述碱土金属氧化物包括氧化钡。
根据上述的氧化催化剂组件，其中，所述碱金属氧化物包括氧化钾。
根据上述的氧化催化剂组件，其中，所述NOX存储材料包括碱金属氧化物和碱土金属氧化物的混合物。
根据上述的氧化催化剂组件，其中，所述涂层还包括钯，其中，钯与铂的重量比率不超过大约1∶1的比率。
根据上述的氧化催化剂组件，还包括：
第二涂层，所述第二涂层被涂覆于所述基底的另一部分，所述第二涂层包括铂或钯中的至少一种。
还提供一种催化氧化反应器，包括根据上述的氧化催化剂组件。
还提供一种排气系统，包括根据上述的催化氧化反应器。
还提供一种用于形成氧化催化剂组件的方法，包括：
提供基底材料；
涂覆第一涂层于所述基底材料的第一部分，所述第一涂层包括铂或钯或铂和钯的混合物；
涂覆第二涂层于所述基底材料的第二部分，所述第二涂层包括铂和NOX存储材料。
根据上述的方法，其中，涂覆第二涂层包括：
制备浆料，所述浆料包括活性催化剂材料、NOX存储材料和粘结剂材料；
将所述浆料涂覆于所述基底上至期望负载；
干燥所述浆料；以及
焙烧所述干燥的浆料。
根据上述的方法，其中，所述NOX存储材料是碱金属氧化物前体或碱土金属前体或者其混合物的形式。
还提供一种NOX还原系统，包括：
催化还原反应器；
颗粒过滤器；和
催化氧化反应器，所述催化氧化反应器包括氧化催化剂组件，所述氧化催化剂组件包括基底材料，其中，所述基底材料的一部分用活性催化剂材料和NOX存储材料涂覆。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述NOX存储材料包括碱土金属氧化物或碱金属氧化物或其混合物。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述碱土金属氧化物包括氧化钡。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述碱金属氧化物包括氧化钾。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述活性催化剂材料包括铂。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述活性催化剂材料还包括钯，在所述活性催化剂材料中，钯与铂的重量比率不超过大约1∶1的比率。
根据上述的NOX还原系统，还包括：
涂层，所述涂层被涂覆于所述基底的另一部分，所述涂层包括第二活性催化剂材料，所述第二活性催化剂材料包括钯或铂中的至少一种。
根据上述的NOX还原系统，其中，所述催化还原反应器包括选择性催化还原催化剂。
本发明的其它示例性实施例从下文提供的详细说明显而易见。应当理解的是，所述详细说明和具体示例虽然公开了本发明的示例性实施例，但是仅仅旨在用于说明目的而不旨在限制本发明的范围。
附图说明
从详细说明和附图将更充分地理解本发明的示例性实施例。在附图中：
图1是根据示例性实施例的用于稀燃碳氢化合物燃料设备的排气系统的示意性流程图；和
图2是根据示例性实施例的催化氧化反应器的示意性透视图。
具体实施方式
实施例的以下说明本质上仅仅是示例性的(说明性的)，且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。
根据一个示例性实施例的用于碳氢化合物燃烧发动机的排气系统10的流程图在图1中示出。来自于以远高于化学计量比的空气-燃料质量比操作的发动机的排气歧管的排气流12要被处理以将NOX(主要是NO和NO2的混合物，带有一些N2O)内容物还原为氮气(N2)和水(H2O)。当排气流12来自于以例如大于17的空气-燃料比(即，A/F＞17)操作的汽油燃料发动机时，排气包含一些未燃烧的碳氢化合物(HC)、NOX、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水(H2O)和氮气(N2)。来自于柴油发动机的排气流12包含相同的气态成分加上悬置的柴油颗粒(包括沉积在碳颗粒上的高分子重量碳氢化合物)。
这种含有碳氢化合物的排气流12可以首先经过催化氧化反应器14，所述催化氧化反应器14主要完成将一氧化碳氧化为二氧化碳以及将碳氢化合物氧化为二氧化碳和水。对于这些反应，排气流12中通常存在富余的氧气。
在示例性实施例中，催化氧化反应器14可为具有氧化催化剂组件的催化氧化反应器14。在图1和2示意性示出的另一个示例性实施例中，氧化催化剂组件是双区域型氧化催化剂组件15。
如图2最佳地示意性示出，氧化催化剂组件15可包括常规陶瓷基底材料50，例如堇青石。第一涂层52可被涂覆于基底材料50的前侧16(大约5～150g/ft3)，且可包括铂、钯、和其它载体材料。在一组示例性实施例中，在第一涂层52中铂与钯的比率可在约100％的铂和约100％的钯之间变化。
此外，且也如图2所示，第二涂层54可涂覆于基底材料50的后侧18(大约5～150g/ft3)，且可包括铂、钯、NOX存储材料24、和其它载体材料。在一组示例性实施例中，在第二涂层54中铂与钯的比率可在约100％的铂至约50％的钯和50％的铂之间变化。
碱族金属(即，在元素周期表上的1A族金属)氧化物或碱土族金属(即，在元素周期表上的IIA族金属)氧化物、或者碱族金属氧化物和碱土族金属氧化物的混合物，可作为NOX存储材料24添加到被涂覆于基底材料50的后侧18的涂层54配方中。
在一种示例性配方中，可作为NOX存储材料24添加到被涂覆于基底材料50的后侧18的涂层54配方中的碱土族金属可为氧化钡。替代地，在另一种示例性配方中，可作为NOX存储材料24添加到被涂覆于基底材料50的后侧18的涂层54配方中的碱族金属可为氧化钾。在又一种示例性配方中，氧化钡和氧化钾的混合物可被添加到涂层54配方中。
在用于形成第二涂层54的示例性方法中，浆料可通过将氧化铝、以一种或多种贵金属族前体(包括铂和/或钯前体)形式的活性催化剂材料、NOX存储材料24(碱族金属氧化物前体和/或碱土族金属氧化物前体)、粘结剂材料和水或其它溶剂混合而制备。前体可包括以其原始形式的元素或化合物及其任何盐。例如，铂前体可包括元素铂以及硝酸铂或氯化铂。氧化铝可用于为贵金属族前体提供大的表面面积，且也可用作粘结剂(尤其是以水软铝石(bohemite)形式)。
浆料然后以多种常规方法(例如，浸渍、浇灌和真空抽吸)中的任一种来涂覆于基底50的后部18至期望负载。负载可通过在涂覆浆料之前和之后将基底50称重来确定。该重量因而决定涂覆于基底50的浆料的每种成分的计算重量百分比。涂覆基底在升高温度下干燥和焙烧。
在替代示例性方法中，贵金属族前体和碱金属(或碱土金属)氧化物前体可以独立浆料的形式形成且分步涂覆于基底50。
在又一种示例性方法中，贵金属族前体可涂覆于氧化铝，然后被干燥和焙烧。已干燥和焙烧的材料然后被添加到包含碱金属氧化物(或碱土金属氧化物)前体和粘结剂材料的浆料中，且被涂覆于基底50并被干燥。
回到图1的排气系统10，因而，排气流12首先经过组件15的含有铂和/或钯的前侧16(其将碳氢化合物和一氧化碳氧化为二氧化碳)，随后经过组件15的富含铂的后侧18(其将NO氧化为NO2)。此外，后侧18上的NOX存储材料24可在冷启动时段(即，在系统10的NOX还原部件可基本上在其最大容量附近工作之前的时间段)期间可存储NO2。
排气流12然后可进入主要用以将NO、N2O和NO2(即，NOX)基本上还原为N2和水的催化还原反应器30。催化还原反应器30可包括选择性催化还原(SCR)催化剂32。
最后，含有N2和水的排气流12进入颗粒过滤器40，颗粒过滤器40可在排气流12被排出到大气之前去除任何剩余的颗粒物质。在替代示例性实施例中，颗粒过滤器40可联接到在催化还原反应器30上游的位置处的排气流12中，且仍然以大致相同的方式运行。此外，在其它示例性实施例中，具有SCR催化剂的催化还原反应器和颗粒过滤器可组合成单个单元，或者称为2效(2-way)催化还原反应器/颗粒过滤器(2效SCR/PF)，且仍落入本发明的精神内。可以使用的一种示例性SCR/PF在2008年10月21日提交的美国专利申请No.12/255,069中描述，且该专利申请作为参考引入本文。
在排气流12离开催化氧化反应器14之后，氨(NH3)或尿素也可以被添加到排气流12中。氨可以合适的形式(例如，液体氨或尿素)存储在稀燃发动机车辆上或者在固定发动机附近(在本文一起称为氨注射器装置20)且作为流22添加到排气流12中。氨或尿素参与将NO和NO2还原为N2。对于包括SCR催化剂32的系统，如图1所示，氨流22可在催化还原反应器30和颗粒过滤器40的上游引入。
在被使用时，SCR催化剂32可由涂层形成，所述涂层包括贱金属(base metal)作为活性材料，所述活性材料包含在联接到常规基底材料(例如堇青石)的沸石材料和其它载体材料中。贱金属有助于将NO转化为NO2且随后将NO2转化为N2和水，N2和水通过尾管(未示出)作为排放物排出。
在示例性实施例中可以使用的贱金属的示例包括但不限于联接在沸石结构内的铜和铁。一种示例性SCR催化剂包括含有大约2.5％重量的铜的Cu/ZSM-5催化剂颗粒。
包括SCR催化剂32的排气系统10的最大还原性能通常在排气流12中的大致等摩尔比率(1∶1的比率)的NO和NO2下实现，尤其是在较低温度(例如，发动机的启动或暖机状况)时，在较低温度下，SCR催化剂32不以其最大效率将NOX转化为N2。此外，在1∶1的比率下，可以最小化高空间速度和SCR催化剂32老化的有害效果。
在另一个替代实施例中，NOX传感器25可联接到氨注射器装置20，且在催化氧化反应器14下游的排气流12内引入，所述NOX传感器25引导来自于注射器装置20的氨流22的引入和量。因而，氨注射器装置20基于NOX传感器25读数而仅仅以足以实现氨与NOX的期望比率的量来引导氨或尿素引入排气流。虽然图1中的NOX传感器25示出为位于催化还原反应器30的上游，但是在其它替代示例性实施例中，可以位于催化还原反应器30和颗粒过滤器40的下游。
在又一个替代示例性实施例中，温度传感器27可联接到SCR催化剂32和氨注射器装置20。因而，氨注射器装置20仅仅在温度传感器27指示SCR催化剂32的温度高于预定温度阈值时引导氨或尿素引入排气流12。该温度阈值是这样的温度：低于该温度时，SCR催化剂32可能不会在其最大效率下工作以将NO、N2O和NO2(即，NOX)基本上还原为N2和水。在冷启动状况期间，SCR催化剂32通常低于阈值温度。
在又一个示例性实施例中，NOX传感器25和温度传感器27两者都可以被使用。因而，氨注射器装置20将仅仅在SCR催化剂32的温度高于预定阈值温度时且进一步基于NOX传感器25读数以氨和NOX的1∶1摩尔正比例来将氨或尿素注射到排气流12中。
NOX存储材料24可用于在冷启动期间存储NO2。在正常操作温度下的正常SCR催化剂操作期间，所存储的NO2可从NOX存储材料24去除，且可在周期性过滤器再生期间以其它方式去除。因而，排气系统10可在冷启动时段期间以减少的燃料消耗和碳氢化合物排放提供改进的NOX还原性能。
本发明的实施例的上述说明本质上仅仅是示例性的，因而，其变型不认为是偏离本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种NOX还原系统，包括：
催化氧化反应器，所述催化氧化反应器接收来自发动机的排气流，并且包括氧化催化剂组件，所述氧化催化剂组件包括基底材料，其中，所述基底材料的上游部分被涂覆第一涂层，所述基底材料的下游部分被涂覆第二涂层，该第二涂层包括活性催化剂材料和NOX存储材料，
催化还原反应器，位于所述催化氧化反应器的下游，包括选择性催化还原催化剂，该选择性催化还原催化剂在高于阈值温度时能够利用氨或尿素将NOX还原为N2和水；
颗粒过滤器，位于所述催化还原反应器的下游；
氨注射器装置，该氨注射器装置能够在所述催化氧化反应器的下游、催化还原反应器的上游将氨或尿素注入到排气流中；以及
温度传感器，该温度传感器检测所述选择性催化还原催化剂的温度并且将该温度发送给所述氨注射器装置；
其中，仅当所述选择性催化还原催化剂的温度高于所述阈值温度时，所述氨注射器装置将氨或尿素注入到排气流中。
2.根据权利要求1所述的NOX还原系统，其中，所述NOX存储材料包括碱土金属氧化物或碱金属氧化物或其混合物。
3.根据权利要求2所述的NOX还原系统，其中，所述碱土金属氧化物包括氧化钡。
4.根据权利要求2所述的NOX还原系统，其中，所述碱金属氧化物包括氧化钾。
5.根据权利要求1所述的NOX还原系统，其中，所述活性催化剂材料包括铂。
6.根据权利要求5所述的NOX还原系统，其中，所述活性催化剂材料还包括钯，在所述活性催化剂材料中，钯与铂的重量比率不超过1∶1的比率。
7.根据权利要求1所述的NOX还原系统，其中，所述第一涂层包括第二活性催化剂材料，所述第二活性催化剂材料包括钯或铂中的至少一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131225 |