CN103687661A - 用于排放物控制的多部件过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于处理废气流的催化制品、系统和方法。本发明描述了包括具有气体可渗透的壁的壁流式过滤器、水解催化剂、任选的烟灰氧化催化剂、透过壁的选择性的催化还原催化剂、氨氧化催化剂以及氧化CO和烃的氧化催化剂的催化制品。本发明还提供了处理包括烟灰、氨前体例如脲、氨、NOX、CO和烃的废气流的方法。

Description

用于排放物控制的多部件过滤器
背景
本发明涉及催化制品、包括催化制品的排放物处理系统、和减少废气流中的污染物的方法。更特别地，本发明涉及多部件过滤器、它们与贫燃发动机一起使用的系统和方法，贫燃发动机包括柴油发动机和贫燃汽油发动机。
贫燃发动机例如柴油发动机和贫燃汽油发动机的操作，为使用者提供极好的燃料经济，且具有非常少的气相烃和一氧化碳排放物，这是由于它们在贫燃料条件下以高的空气/燃料比率操作。特定地，柴油发动机还在它们的耐久性、和它们以低速产生高转矩的能力方面提供优于汽油发动机的显著的优点。
柴油发动机废气是包含微粒排放物例如烟灰和气态排放物例如一氧化碳、未燃烧的或部分燃烧的烃、和氮氧化物(共同被称为NOX)，而且还包含构成所谓的微粒或微粒物质的冷凝相材料(液体和固体)的多相混合物。催化剂组合物，常常布置在一个或多个单块基材上，放置在发动机废气系统中，以将这些废气组分中的某些或全部转化为无害化合物。例如，柴油机废气系统可以包含柴油机氧化催化剂、烟灰过滤器和用于还原NOX的催化剂中的一种或多种。这些部件是昂贵的且占据交通工具上相当大的空间。
因此，持续需要改进废气处理系统的效率而不增加这样的系统的尺寸和复杂性。
概述
本发明的实施方案涉及从包含烟灰、氨、氨前体NOX、CO和烃的气体流除去排放物的催化制品。催化制品包括用于捕集气体流中的烟灰的壁-流式过滤器。过滤器具有界定总长度的入口端和出口端。过滤器具有气体可渗透的壁，该气体可渗透的壁具有形成为多个轴向延伸的入口通道和出口通道的厚度。每个入口通道具有入口壁、开放入口端和被堵塞的出口端，且每个出口通道具有出口壁、被堵塞的入口端和开放出口端。每个入口通道具有邻近的出口通道。制品包括促进氨前体的水解的任选的水解催化剂。水解催化剂包覆在从入口端延伸的入口通道的入口壁的一部分上。选择性的催化还原催化剂透过气体可渗透的壁以在过量氧气的存在下促进气体流中的NOX转化为N2。氨氧化催化剂包覆出口通道的出口壁的长度以促进将气体流中的氨选择性氧化为N2。氧化催化剂包覆在从出口端朝向入口端延伸的出口通道的出口壁的一部分上，促进CO和烃氧化为CO2。在一个或多个实施方案中，壁流式过滤器是高效过滤器。
在一些实施方案中，水解催化剂是存在的并从入口端延伸至壁流式过滤器的长度的约50%，且被布置成使得气体流首先遇到水解催化剂。在一些实施方案中，水解催化剂是存在的并从入口端延伸到在约四分之一英寸至壁流式过滤器的长度的约10%的范围内的长度。在一个或多个实施方案中，水解催化剂是存在的并包括二氧化钛。
在一个或多个实施方案中，选择性的催化还原催化剂沿着壁流式过滤器的整个长度延伸。在一些实施方案中，选择性的催化还原催化剂具有在约0.25g/in3至约2.5g/in3的范围内的装载量。在一个或多个实施方案中，选择性的催化还原催化剂包括金属助催化的分子筛。
催化制品的一些实施方案还包括在SCR催化剂之前的烟灰氧化催化剂。在一个或多个实施方案中，烟灰氧化催化剂透过气体可渗透的壁。在一些实施方案中，烟灰氧化催化剂包括透过气体可渗透的壁的入口侧的层。根据一些实施方案，层透过气体可渗透的壁至高达壁厚度的约50%的深度。在明确的实施方案中，烟灰氧化催化剂包括入口壁上的层。一个或多个实施方案的烟灰氧化催化剂包括氧化锆稳定的氧化铈。
在一些实施方案中，氨氧化催化剂延伸直到催化制品的总长度的约50%。在一些实施方案中，氨氧化催化剂从氧化催化剂延伸直到催化制品的总长度的约50%。
在一个或多个实施方案中，氧化催化剂从出口通道的出口端延伸直到约两英寸的长度。在一些实施方案中，氧化催化剂重叠氨氧化催化剂的一部分。在一个或多个实施方案中，氧化催化剂基本上没有重叠在氨氧化催化剂上。一些实施方案的氧化催化剂包括负载在高表面积载体上的铂族金属。
本发明的另外的实施方案涉及一种处理废气流的方法，废气流包括烟灰、脲、氨、NOX、CO和烃。位于催化制品的入口通道的入口端的水解催化剂促进脲的水解。在水解催化剂之后通过使气体流穿过催化制品中的气体可渗透的壁和在入口通道的壁上形成滤饼而从气体流过滤烟灰。通过用透过催化制品的气体可渗透的壁的选择性的催化还原催化剂促进来使氨和NOX的反应以形成N2。通过用包覆在催化制品的出口壁上的氨氧化催化剂促进来使离开催化制品的气体可渗透的壁的气体流中的氨被氧化。通过用包覆在催化制品的出口端处的出口壁上的氧化催化剂促进而使CO和烃被氧化以形成二氧化碳和水。
在一些实施方案中，在选择性的催化还原催化剂之前用烟灰氧化催化剂促进来使烟灰被氧化。在一个或多个实施方案中，烟灰在形成滤饼之后被氧化。
本发明的另外的实施方案涉及排放物处理系统，排放物处理系统包括发动机和位于发动机的下游且与发动机流动通信的本文描述的的催化制品。在一些实施方案中，排放物处理系统还包括定位在发动机的下游且在催化制品的上游并与两者流动通信的柴油机氧化催化剂。在一个或多个实施方案中，排放物处理系统还包括定位在催化制品的上游的还原剂注射器。
附图简述
图1示出根据本发明的一个或多个实施方案的催化制品的透视图；
图2示出根据本发明的一个或多个实施方案的壁流整体的示意性横截面图；
图3示出根据本发明的一个或多个实施方案的催化制品的示意性横截面图；
图4示出根据本发明的一个或多个实施方案的催化制品的示意性横截面图；
图5示出根据本发明的一个或多个实施方案的废气处理系统的示意图；
图6示出根据本发明的一个或多个实施方案的废气处理系统的示意图；
图7示出根据本发明的一个或多个实施方案的废气处理系统的示意图；和
图8示出根据本发明的一个或多个实施方案的废气处理系统的示意图。
详细描述
在描述本发明的若干示例性的实施方案之前，应理解，本发明不限于在以下描述中阐明的构造或工艺步骤的细节。本发明能够具有其他实施方案且能够以各种方式被实践或实施。
为了本申请的目的，以下术语应具有下面阐明的相应的意思。
"铂族金属组分"是指铂族金属、或它们的氧化物中的一种。铂族金属包括铂、钯、铑、钌、锇和铱。
"罩面层（washcoat）"在本领域中具有其应用到耐火基材的催化材料或其他材料的薄的粘附涂层的常见意思，耐火基材例如蜂窝流通过单块基材或过滤器基材，是充分多孔的以允许正被处理的气体流通过。
术语"罩面层"是指包括基材上的粉状材料、从不溶性的氧化物或盐在液体介质，通常是水介质中的干燥浆料获得的粉状材料的催化剂涂层。罩面层不同于例如通过溶液浸渍应用到基材的可溶性前体溶液的催化材料的浸渍。罩面层还不同于通过氧化物生长工艺或溶胶-凝胶工艺生长薄膜的工艺。
当它们在本文中出现时，术语"废气流"和"发动机废气流"是指发动机向外流出物以及是指在一个或多个其他催化剂系统部件的下游的流出物，其他催化剂系统部件包括但不限于柴油机氧化催化剂和/或烟灰过滤器。
"流动通信"意指部件和/或管道邻接为使得废气或其他流体可以在部件和/或管道之间流动。
"下游"是指路径中的废气流中的组分的位置比在该组分之前的组分更远离发动机。例如，当柴油机微粒过滤器被认为在柴油机氧化催化剂的下游时，从废气管道中的发动机流出的废气在流过柴油机微粒过滤器之前流过柴油机氧化催化剂。因此，"上游"是指组分相对于另一种组分定位为更靠近发动机。
术语"减少（abate）"意指量的下降，且"减少（abatement）"意指通过任何方式引起的量的下降。
"选择性的催化还原催化剂"或"SCR催化剂"是指在过量氧气的存在下有效促进气体流中的NOX转化为氮气的催化剂。术语"SCR功能"或"SCR反应"将在本文用于指由化学计量方程式1描述的化学过程。SCR催化剂在贫燃发动机的操作温度范围内，例如150℃至约500℃或约200℃至约450℃下有效促进反应。因此，铂族金属被排除作为"SCR催化剂"，因为超过约200-250℃，这样的材料不会促进SCR反应。
如本领域技术人员充分理解的，催化剂是影响化学反应的速率的物质。当催化剂被认为是转化物质，或与物质反应，和类似物时，催化剂促进(例如，催化)反应，在反应中不会被消耗。例如，因此可以说，SCR催化剂在过量氧气的存在下将NOX转化为氮气。本领域技术人员将理解，这意指SCR催化剂在过量氧气的存在下促进NOX转化为氮气。
本发明的实施方案涉及具有用于排放物控制的多个功能的单一过滤器基材。为了获得排放物控制的多个功能，描述了气体流遇到的催化剂的顺序。在一个实施方案中，气体接触包覆在基材的入口端处的入口通道壁上的水解催化剂。因此，水解催化剂的区在过滤器的塞子区中的入口壁上且可能向壁流区延伸短的路线。SCR催化剂布置在入口塞子和出口塞子之间的壁中。氨氧化催化剂布置在塞子区域的上游的出口通道壁上，且CO/烃氧化催化剂包覆为在塞子区中的出口通道壁上的区。当包含烟灰、脲、氨、异氰酸(还称为氨前体)、水、NOX、CO和烃时，废气流首先遇到水解催化剂，在该处完成脲(和氨前体)的分解；然后遇到过滤器壁，在该处从流过滤出烟灰；然后遇到SCR催化剂，在该处氨和NOX反应以形成N2；然后遇到氨氧化催化剂，在该处过量的或残余的氨被除去，和最后遇到CO/烃氧化催化剂，在该处任何残余的CO或烃被氧化为二氧化碳和水。在活性再生期间，在过滤器上从烟灰的部分氧化产生的CO还在CO/烃氧化催化剂上反应。该种类的实施方案可以被称为6路催化剂。
在另一个实施方案中，该顺序适用于加入布置在入口通道壁上或在直接邻近入口通道的壁中的烟灰氧化催化剂。烟灰氧化催化剂将有助于在正常操作期间的烟灰的无源再生，且烟灰氧化催化剂通常不能与附带的氨反应，附带的氨将与在其下面的SCR催化剂反应。可选择地，烟灰氧化催化剂和SCR催化剂可以在混合物中或共混合并散布遍及壁以允许同时的烟灰的氧化和NOX的选择性还原。该种类的实施方案可以被称为7路催化剂。
本发明的一个方面属于催化剂。根据一个或多个实施方案，催化剂可以作为罩面层布置在单块基材上。如本文使用和如Heck、Ronald和Robert Farrauto,Catalytic Air Pollution Control,New York:Wiley-Interscience，2002，第18-19页中所描述的，罩面层包括布置在单块基材的表面或在下面的罩面层上的在组成上不同的材料层。催化剂可以包含一个或多个罩面层，且每个罩面层可以具有独特的化学催化功能。
为了提供具有多个排放物控制功能的单一过滤器基材，期望控制气体流遇到的催化剂的顺序。本发明的一个或多个实施方案涉及从包含烟灰氨、氨前体、NOX、CO和烃的气体流除去排放物的催化制品100。参考图1-3，催化制品100包括基材50，基材50常常被称为载体或载体基材。在一个或多个实施方案中，基材50是壁-流式过滤器。基材50具有界定总长度L的入口端54和出口端56。基材50还具有气体可渗透的壁53，气体可渗透的壁53具有形成为多个轴向延伸的入口通道64和出口通道66的厚度T。每个入口通道64具有入口壁65、开放入口端54和带有出口塞子60的出口端56。每个出口通道66具有出口壁67、带有入口塞子58的入口端54和开放出口端56。每个入口通道64具有邻近的出口通道66，它们在如图2所示的入口端54和出口端56处形成相对的棋盘图案。通过入口通道64的未堵塞的入口端54进入的气体流被出口塞子60停止并通过气体可渗透的壁53扩散到出口通道66。气体不能转回到入口通道64，这是因为跨过壁53的压降。一般而言，入口塞子58防止气体直接进入出口通道66且可以帮助防止从出口跨过壁流到入口。基材50有效从气体流除去微粒物质中的至少一些。
参考图3和4，本发明的一些实施方案包括促进氨前体的水解的任选的水解催化剂110。尽管可以说水解催化剂使氨前体水解，但本领域技术人员应理解，水解催化剂实际上不会使氨前体水解，而是促进氨前体的水解反应。水解催化剂110常常被称为脲水解催化剂。然而，且不受任何特定的操作理论束缚，本领域技术人员应理解，脲水解催化剂催化脲的热降解产物异氰酸的水解。水解催化剂110包覆在从基材50的入口端54延伸的入口壁65的一部分上。在一个或多个实施方案中，水解催化剂110布置成(定位为)使得气体流首先遇到水解催化剂110(即，在遇到其他催化剂之前)。
水解催化剂110沿着基材50的长度L延伸的长度可以根据所得到的催化制品100的要求而改变。在一些实施方案中，水解催化剂110从入口端54延伸至基材50的长度的约50%。在一个或多个实施方案中，水解催化剂110延伸与邻近的气体通道的入口塞子58相同的长度。在各种实施方案中，水解催化剂110从入口端54延伸至在基材50的长度的约5%至约50%的范围内，或在基材50的长度的约1/4英寸至约50%的范围内，或在基材50的长度的约5%至约10%的范围内的长度，或约1/4英寸的长度，或大于约1/4英寸的长度，或大于基材50的长度的约5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%或45%的长度，或小于基材50的长度的约70%、60%、50%、40%、30%、20%或10%的长度。在一个或多个实施方案中，水解催化剂110从基材50的入口端54延伸至在约四分之一英寸到基材的长度L的约10%的范围内的长度。
水解催化剂110具有有效确保基本上所有的水解催化剂110保留在入口壁65的表面上的粒度。如该说明书和所附的权利要求书中使用的，术语"基本上所有的水解催化剂保留在表面上"意指小于约20%的水解催化剂110透过基材50的多孔壁53。
水解催化剂可以是本领域技术人员已知的任何合适的水解催化剂。在一些实施方案中水解催化剂包括二氧化钛、γ-氧化铝和过渡金属氧化物中的一种或多种。这些材料中的任一种可以是被稳定的或未被稳定的。稳定剂可以是任何合适的稳定剂，包括但不限于，二氧化铈、氧化锆、氧化镧、二氧化钛、钨和二氧化硅。
基材50包括透过气体可渗透的壁53的选择性的催化还原催化剂120(SCR催化剂)。SCR催化剂120在过量氧气的存在下有效促进气体流中的NOX转化为氮气。术语"SCR功能"或"SCR反应"将在本文用于指由化学计量方程式1描述的化学过程。
4NOX+4NH3+(3-2x)O2→4N2+6H2O方程式1
更通常，其将是指其中NOX和NH3或其他还原剂组合以优选地产生N2的任何化学过程。术语"SCR组合物"是指有效催化SCR功能或有效促进NOX的转化的材料组合物。如本文使用的，术语"渗透"当用于描述催化剂在基材上的分散时，意指催化剂组合物分散遍及基材的壁。透过壁的组合物不同于包覆在壁的外部且没有驻留在遍及基材的壁的孔内的组合物。在一些实施方案中，SCR组合物具有烟灰氧化功能。
为了确保整个废气流经过SCR催化剂120(即，为了避免绕过催化剂)，SCR催化剂沿着壁流式过滤器的基本上整个长度延伸。如本文使用的，术语"基本上整个长度"意指SCR催化剂120延伸整个长度的至少约95%，且不包括SCR催化剂120的任何部分位于沿着基材50的长度的任何地方。
在一些实施方案中，SCR组分包括金属助催化的分子筛。即，来自周期表的VB、VIB、VIIB、VIIIB、IB或IIB族中的一个的金属已经被沉积在分子筛的外表面上的外骨架部位上或在分子筛的通道、腔或笼内。金属可以是以若干形式中的一种，包括但不限于，零价金属原子或簇、分离的阳离子、单核或多核氧阳离子或作为扩展的金属氧化物。在一个或多个实施方案中，金属包括铁、铜和其混合物或组合。
分子筛可以是具有由International Zeolite Association(IZA)出版的Database of Zeolite Structures中列出的骨架结构中的任何一种的微孔性硅酸铝沸石。骨架结构包括但不限于，CHA、FAU、BEA、MFI、MOR类型的那些。具有这些结构的硅酸铝沸石的非限制性实例包括菱沸石、八面沸石、沸石Y、超稳定的沸石Y、β沸石、丝光沸石、硅沸石（silicalite）、沸石X和ZSM-5。
在一个或多个实施方案中，SCR组分包括具有CHA晶体骨架类型、大于约15的SAR和超过约0.2wt%的铜含量的硅酸铝分子筛。在更具体的实施方案中，SAR是至少约10，且铜含量是约0.2wt%至约5wt%。具有CHA结构的沸石包括但不限于，天然的菱沸石、SSZ-13、LZ-218、Linde D、Linde R、Phi、ZK-14和ZYT-6。其他合适的沸石还描述在标题为"Copper CHA Zeolite Catalysts"的美国专利号7,601,662中，该专利的全部内容通过引用并入本文。在一个或多个实施方案中，SCR组合物包括铜菱沸石。
具有沸石骨架结构但在骨架结构中包含其他组分例如磷的分子筛组合物，可以利用在根据本发明的实施方案的SCR组分中。适合作为SCR组分的其他分子筛组合物的非限制性实例包括磷酸硅铝（sillicoaluminophosphate）SAPO-34、SAPO-37、SAPO-44。SAPO-34的合成形式的合成被描述在美国专利号7,264,789中，该专利据此通过引用并入。
选择性的催化还原催化剂120可以适合于有效促进从气体流除去NOX而不会对系统背压造成明显不利的影响的任何装载量存在。在各种实施方案中，SCR催化剂120具有在约0.25g/in3至约2.5g/in3的范围内，或在约0.38g/in3至约2.0g/in3的范围内，或在约0.5g/in3至约1.5g/in3的范围内，或在约0.63g/in3至约1.25g/in3的范围内的装载量。
再次参考图3和图4，催化制品100包括出口通道66的出口壁67上的氨氧化催化剂130。氨氧化催化剂130（还被称为氨氧化组合物）有效促进气体流中的氨的氧化。术语"NH3氧化功能"将在本文用于指通过方程式2描述的化学过程。
4NH3+3O2→2N2+6H2O方程式2
更通常，其将是指其中NH3与氧气反应以产生NO、NO2、N2O、或优选地N2的过程。术语"NH3氧化组合物"或"氨氧化催化剂"是指有效催化NH3氧化功能的材料组合物。
氨氧化催化剂130包覆出口壁67的整个长度或出口壁67的长度的一部分。可以不需氨氧化催化剂130包覆出口壁67的整个长度来有效地促进气体流中的氨的氧化。当包覆出口壁67的整个长度时，系统中的背压可以增加至不期望的水平。在一些实施方案中，氨氧化催化剂130延伸直到催化制品的总长度的约50%。一些实施方案中的氨氧化催化剂130从氧化催化剂140(以下所讨论的)延伸直到催化制品的总长度的约50%。在各种实施方案中，氨氧化催化剂130延伸在基材50的总长度的约5%至约75%，或约10%至约65%，或约15%至约60%，或约20%至约55%的范围内，或在约25%至约50%的范围内的长度。在各种实施方案中，氨氧化催化剂130延伸在基材50的长度的约1/12至约1/4的范围内。
氨氧化催化剂130可以是本领域技术人员已知的任何合适的催化剂。根据一个或多个实施方案，氨氧化催化剂130包括沸石或非沸石分子筛，其可以具有由International Zeolite Association(IZA)出版的Databaseof Zeolite Structures中列出的骨架结构中的任何一种。骨架结构包括但不限于，CHA、FAU、BEA、MFI、MOR类型的那些。在一些实施方案中，分子筛可以与分布在分子筛的外表面上或分子筛的通道、腔或笼中的金属组分交换。
氨氧化催化剂具有两种组分：SCR催化剂组分和氧化催化剂组分。两种组分通常存在两层中，且外涂层(即，气体流所遇到的第一层)是SCR催化剂组分，且底层(即，气体流所遇到的第二层)具有氧化催化剂组分。然而，还可以提供包括SCR催化剂组分和氧化催化剂组分的混合物的单层氨氧化催化剂。在一些实施方案中，氧化组分层包含负载在氧化铝或其他载体上、直接在基材上的铂族金属。在一些实施方案中，氨氧化催化剂包括SCR催化剂和含铂族金属的催化剂两者且不能基本上不含任一种。如本说明书和所附的权利要求中使用的，术语"不能基本上不含"当是指氨氧化催化剂时，意指所讨论的组分有意地存在组合物中。例如，如果已知组合物具有铂族金属，则组合物不是基本上不含铂族金属的，与铂族金属被有意地加入还是固有地存在无关。
仅使用铂族金属可以导致具有氨氧化活性的组合物。然而，该种类的组合物对于分子氮的生产不是选择性的且可以产生不期望的产物。在一些实施方案中，氨氧化催化剂具有在300℃下大于约70%的针对N2的选择性。在各种实施方案中，氨氧化催化剂具有当在300℃下测量时大于约50%、55%、60%、65%、75%、80%、85%或90%的针对N2的选择性。
再次参考图3和图4，催化制品100包括包覆在基材50的出口通道66的出口壁67的一部分上的氧化催化剂140。氧化催化剂140包覆在基材的从基材50的出口端56朝向入口端延伸的一部分上。一些实施方案的氧化催化剂140有效促进气体流中的一氧化碳和烃的氧化。
氧化催化剂140的长度可以根据催化制品100的需要而改变。在各种实施方案中，氧化催化剂140从出口通道67的出口端56延伸直至约3英寸，或约2英寸，或约1英寸，或约1/2英寸，或约1/4英寸的长度。在一个或多个实施方案中，氧化催化剂140延伸基材50的与出口塞子60延伸的长度相等的长度。这确保扩散通过多孔壁53的气体流在氧化催化剂140之前接触氨氧化催化剂130。
在一些实施方案中，氧化催化剂140基本上没有重叠在氨氧化催化剂130上。如本说明书和所附的权利要求中使用的，术语"基本上没有重叠"当是指氧化催化剂140时，意指氧化催化剂140的长度的小于约10%，或约5%重叠氨氧化催化剂130。在一个或多个实施方案中，氧化催化剂140重叠氨氧化催化剂130的一部分。
氧化催化剂140可以是本领域技术人员已知的任何合适的氧化催化剂。在一些实施方案中，氧化催化剂140包括负载在高表面积载体(例如，耐火金属氧化物)上的铂族金属。在一个或多个实施方案中，高表面积耐火金属氧化物是氧化铝或被稳定的氧化铝。氧化催化剂140可以是单一区或多个区，且每个区占据基材的不同长度。在一个或多个实施方案中，氧化催化剂包括两个区：入口区和出口区。
参考图4，在一些实施方案中，催化制品100可以包括在SCR催化剂120之前的烟灰氧化催化剂150。当废气流通过催化制品100时，烟灰氧化催化剂150，如名称隐含的，有效促进烟灰层，或在入口通道64的入口壁65上形成的烟灰饼的氧化。
烟灰氧化催化剂150可以包覆在入口通道64的入口壁65上或可以透过基材53的壁53的入口通道64侧。在一些实施方案中，烟灰氧化催化剂150包覆在入口通道64的入口壁65上。当包覆在入口壁65上时，烟灰氧化催化剂150可以延伸基材的整个长度或基材的部分长度。当烟灰氧化催化剂150延伸基材的整个长度时，其形成在水解催化剂110下方的层。当烟灰氧化催化剂150延伸基材的部分长度时，其可以从大约水解催化剂110的端部延伸至出口塞子60，或在它们之间的任何部分。
在一些实施方案中，形成透过多孔壁53的层的烟灰氧化催化剂150具有与SCR催化剂120的组成不同的组成。当烟灰氧化催化剂150透过基材50的壁53时，其可以在壁53的入口侧上形成层，或可以与SCR催化剂120密切混合，或可以是与SCR催化剂120相同的组合物。在一些实施方案中，烟灰氧化催化剂150层透过气体可渗透的壁53的入口侧至壁厚度T的小于约50%的深度。在各种实施方案中，烟灰氧化催化剂150层透过壁53的入口侧至壁厚度T的小于约45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%或5%的深度。在各种实施方案中，烟灰氧化催化剂150层延伸在壁厚度T的约10%至约40%的范围内，或在约20%至约30%的范围内的深度。在一个或多个实施方案中，烟灰氧化催化剂150层延伸壁厚度T的约25%的深度。
烟灰氧化催化剂150可以是任何合适的烟灰氧化催化剂组合物。通常，烟灰氧化催化剂150是高度选择性的材料。尽管铂族金属能够氧化烟灰，但这些材料还可以氧化氨，这是不期望的。因此，在一些实施方案中，烟灰氧化催化剂150包括小于约40%的铂族金属，或小于约30%的铂族金属或小于约20%的铂族金属或小于约10%的铂族金属。
在一个或多个实施方案中，烟灰氧化催化剂150是氧化锆稳定的氧化铈。烟灰氧化催化剂可以是具有一些烟灰氧化性质的SCR催化剂，例如氧化钒。在一些实施方案中，烟灰氧化催化剂150是负载在二氧化钛或稳定的二氧化钛或铈/锆混合物或磷酸铈或尖晶石上的氧化钒。
基材
与本发明的实施方案一起使用的合适的基材包括壁流式过滤器。这些过滤器，如图1和图2所示的和上文所描述的，通常具有沿着基材的纵轴延伸的多个细的、基本上平行的气体流动通路。通常，每个通路在基材主体的一端处被堵塞，且交替的通道在相对端面被堵塞。通路可以具有任何形状，包括但不限于，矩形、正方形、圆形、卵形、三角形、六边形、或其他多边形形状。壁的厚度可以根据所得到的催化制品的所需性质而改变。一般而言，当孔尺寸相似时，更大的壁厚度将导致对系统背压的更大的影响。壁厚度通常在约0.002至约0.1英寸的范围内。
合适的壁流式过滤器基材主要由陶瓷样材料组成，例如堇青石、α-氧化铝、碳化硅、氮化硅、氧化锆、莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅-氧化镁或硅酸锆，或主要由多孔耐火金属组成。壁流基材还可以由陶瓷纤维复合材料形成。合适的壁流基材由堇青石和碳化硅形成。这些材料能够经得起处理废气流中遇到的环境，尤其是高温。
与本发明的实施方案一起使用的壁流式过滤器可以具有各种孔隙率和平均孔径。在各种实施方案中，壁流式过滤器具有至少约40%或在约40%至约80%的范围内的孔隙率。一些实施方案的壁流式过滤器具有至少5微米或在约5微米至约30微米的范围内的平均孔径。在一个或多个实施方案中，基材是高过滤效率过滤器。高过滤效率过滤器除去以质量计85%或更多的烟灰颗粒。
排放物处理系统
本发明的一个方面涉及用于处理废气的排放物处理系统。图5示出本发明的实施方案，其中上述催化制品100位于发动机10的下游且与发动机10流动通信。在本发明的一个或多个实施方案中，排放物处理系统基本上由发动机10和在发动机10的下游且与发动机10流动通信的所述催化制品100组成。如本说明书和所附的权利要求书中使用的，术语"基本上由…组成"意指可以包括另外的组分，只要它们不加入其他催化剂。例如，图6示出基本上由发动机10和如上所述的下游催化制品100组成的排放物处理系统。还原剂注射器11系统位于发动机10和催化制品100之间的废气流之间和与废气流流动通信。包括还原剂注射器11不会向系统加入其他催化剂，仅加入反应物。
图7示出本发明的另一个实施方案，其中柴油机氧化催化剂12定位在发动机10的下游且与发动机10流动通信。柴油机氧化催化剂12定位在催化制品100的上游且与催化制品100流动通信。离开发动机10的废气通过柴油机氧化催化剂12转到如上所述的催化制品100。在一个或多个实施方案中，排放物处理系统基本上由在发动机的下游和如本文描述的催化制品的上游且与两者流动通信的柴油机氧化催化剂组成。
图8示出本发明的实施方案。来自发动机10的废气经过定位在发动机10的下游且与发动机10流动通信的柴油机氧化催化剂12。离开柴油机氧化催化剂12的废气与来自定位在柴油机氧化催化剂12的下游和本文描述的催化制品100的上游的还原剂注射器11的还原剂组合。该流出物经过催化制品100，之后从废气系统排出。还原剂注射器11可以配置成注射例如，烃、机载燃料、还原剂、空气、脲或氨。加热器、燃烧器或点火源还可以包括在还原剂注射器11中。在一些实施方案中，还原剂注射器11包括计量装置13，计量装置13配置成控制在催化制品100的上游被注射入废气流中的材料的量。
废气流的处理
本发明的另外的实施方案涉及处理包括烟灰、脲、氨、NOX、CO和烃的废气流的方法。再次参考图3和图4，脲的水解通过位于催化制品100的入口通道64的入口端54的水解催化剂110来促进。通过使气体流穿过气体可渗透的壁53在水解催化剂110之后从气体流过滤出烟灰。过滤气体流导致在入口通道64的入口壁65上形成滤饼。氨和NOX在透过催化制品100的气体可渗透的壁53的选择性的催化还原催化剂120的存在下且由选择性的催化还原催化剂120促进进行反应以形成N2。离开气体可渗透的壁53的气体流中的氨在包覆在出口壁67上的氨氧化催化剂130的存在下且由氨氧化催化剂130促进而被氧化。CO和烃在包覆在催化制品的出口端56处的出口壁67上的氧化催化剂140的存在下且由氧化催化剂140促进而被氧化以形成二氧化碳和水。在一些实施方案中，参考图4，一些烟灰在选择性的催化还原催化剂120之前在烟灰氧化催化剂150的存在下且由烟灰氧化催化剂150促进而被氧化。在一些实施方案中，烟灰在形成滤饼之后被氧化。
尽管已经着重于优选的实施方案描述了本发明，但对本领域普通技术人员将明显的是，可以使用优选的装置和方法的变化形式，且意图本发明可以不同于如本文特别地描述的来实践。因此，本发明包括涵盖在如由下面的权利要求界定的本发明的精神和范围内的所有修改。

Claims (26)

1.一种从气体流除去排放物的催化制品，所述气体流包含烟灰、氨、氨前体NOX、CO和烃，所述制品包括：
壁-流式过滤器，其用于捕集所述气体流中的烟灰，所述过滤器具有界定总长度的入口端和出口端、具有形成为多个轴向延伸的入口通道和出口通道的厚度的气体可渗透的壁，每个入口通道具有入口壁、开放入口端和被堵塞的出口端，每个出口通道具有出口壁、被堵塞的入口端和开放出口端，且每个入口通道具有邻近的出口通道；
任选的水解催化剂，其促进所述氨前体的水解，所述水解催化剂包覆在从所述入口端延伸的所述入口通道的所述入口壁的一部分上；
选择性的催化还原催化剂，其透过所述气体可渗透的壁，所述选择性的催化还原催化剂在过量氧气的存在下促进所述气体流中的NOX转化为N2；
氨氧化催化剂，其包覆所述出口通道的所述出口壁的长度，促进所述气体流中的氨选择性氧化为N2；和
氧化催化剂，其包覆在从所述出口端朝向所述入口端延伸的所述出口通道的所述出口壁的一部分上，促进CO和烃氧化为CO2。
2.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述水解催化剂是存在的并从所述入口端延伸至所述壁流式过滤器的所述长度的约50%，且被布置成使得所述气体流首先遇到所述水解催化剂。
3.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述水解催化剂是存在的并从所述入口端延伸到在约四分之一英寸至所述壁流式过滤器的所述长度的约10%的范围内的长度。
4.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述水解催化剂是存在的并包括二氧化钛。
5.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述选择性的催化还原催化剂沿着所述壁流式过滤器的整个长度延伸。
6.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述选择性的催化还原催化剂具有在约0.25g/in3至约2.5g/in3的范围内的装载量。
7.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述选择性的催化还原催化剂包括金属助催化的分子筛。
8.根据权利要求1所述的催化制品，还包括在所述SCR催化剂之前的烟灰氧化催化剂。
9.根据权利要求8所述的催化制品，其中所述烟灰氧化催化剂透过所述气体可渗透的壁。
10.根据权利要求9所述的催化制品，其中所述烟灰氧化催化剂包括透过所述气体可渗透的壁的入口侧的层。
11.根据权利要求10所述的催化制品，其中所述层透过所述气体可渗透的壁至高达所述壁厚度的约50%的深度。
12.根据权利要求8所述的催化制品，其中所述烟灰氧化催化剂包括所述入口壁上的层。
13.根据权利要求8所述的催化制品，其中所述烟灰氧化催化剂包括氧化锆稳定的氧化铈。
14.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氨氧化催化剂延伸直到所述催化制品的所述总长度的约50%。
15.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氨氧化催化剂从所述氧化催化剂延伸直到所述催化制品的所述总长度的约50%。
16.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氧化催化剂从所述出口通道的所述出口端延伸直到约两英寸的长度。
17.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氧化催化剂重叠所述氨氧化催化剂的一部分。
18.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氧化催化剂基本上没有重叠在所述氨氧化催化剂上。
19.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述氧化催化剂包括负载在高表面积载体上的铂族金属。
20.根据权利要求1所述的催化制品，其中所述壁流式过滤器是高效过滤器。
21.一种处理废气流的方法，所述废气流包括烟灰、脲、氨、NOX、CO和烃，所述方法包括：
用位于催化制品的入口通道的入口端的水解催化剂促进脲的水解；
在所述水解催化剂之后通过使所述气体流穿过所述催化制品中的气体可渗透的壁和在所述入口通道的所述壁上形成滤饼而从所述气体流过滤所述烟灰；
用透过所述催化制品的所述气体可渗透的壁的选择性的催化还原催化剂促进氨和NOX的反应以形成N2；
用包覆在所述催化制品的出口壁上的氨氧化催化剂促进离开所述催化制品的所述气体可渗透的壁的所述气体流中的所述氨的所述氧化；和
用包覆在所述催化制品的出口端处的所述出口壁上的氧化催化剂促进CO和烃的氧化以形成二氧化碳和水。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括在所述选择性的催化还原催化剂之前用烟灰氧化催化剂促进所述烟灰的所述氧化。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述烟灰在形成所述滤饼之后被氧化。
24.一种排放物处理系统，包括发动机和位于所述发动机的下游且与所述发动机流动通信的根据权利要求1所述的催化制品。
25.根据权利要求24所述的排放物处理系统，还包括定位在所述发动机的下游且在所述催化制品的上游并与两者流动通信的柴油机氧化催化剂。
26.根据权利要求24所述的排放物处理系统，还包括在所述催化制品的上游的还原剂注射器。
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