DE102007061440A1 - Use of aqueous guanidinium formate solution, optionally with urea and-or ammonia or ammonium salt, for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in motor vehicle exhaust gas - Google Patents

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Abstract

The use of aqueous guanidinium formate (GF) solutions (optionally in combination with urea and/or ammonia or ammonium salts) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in motor vehicle exhaust gas. An independent claim is included for aqueous compositions containing 5-85 wt.% GF (optionally in combination with urea and/or ammonia as above) as material for the selective reduction of nitrogen oxide with ammonia in exhaust gas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Fahrzeugen, wobei aus den entsprechenden Guanidiniumformiat-Lösungen durch Verdampfung und katalytische Zersetzung Ammoniak erzeugt wird und dieses als Reduktionsmittel für die anschließende selektive katalytische Reduktion der Stickoxide dient.The The present invention relates to the use of aqueous Guanidinium solutions for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gases of vehicles, taking from the corresponding Guanidiniumformiat solutions by Evaporation and catalytic decomposition ammonia is produced and this as a reducing agent for the subsequent one Selective catalytic reduction of nitrogen oxides is used.

Gemäß dem Stand der Technik dient Ammoniak (NH3) bei der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen von Fahrzeugen als Reduktionsmittel, das vor einem speziellen SCR-Katalysator oder vor einer in einem Schalldämpfer integrierten Gruppe von parallel durchströmbaren SCR-Katalysatormodulen in die Abgasleitung von Verbrennungsanlagen und -kraftmaschinen, insbesondere die von Verbrennungskraftmaschinen von Fahrzeugen, eingeleitet wird und in den SCR-Katalysatoren die Reduktion der im Abgas enthaltenen Stickoxide bewirkt. SCR bedeutet Selective Catalytic Reduction von Stickoxiden (NOx) in Gegenwart von Sauerstoff.According to the prior art, ammonia (NH 3 ) is used in the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in exhaust gases of vehicles as a reducing agent, in front of a special SCR catalyst or in front of a built-in silencer group of parallel-flow SCR catalyst modules in the exhaust pipe of Combustion systems and internal combustion engines, in particular those of internal combustion engines of vehicles, is initiated and causes the reduction of the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in the SCR catalysts. SCR means selective catalytic reduction of nitrogen oxides (NO x ) in the presence of oxygen.

Für die Erzeugung von Ammoniak, speziell in Fahrzeugen, sind bisher verschiedene flüssige und feste Ammoniakvorläufersubstanzen bekannt geworden, die nachfolgend näher beschrieben werden.For the generation of ammonia, especially in vehicles, are so far different liquid and solid Ammonia precursors become known, which are described in more detail below.

Bei Nutzfahrzeugen hat sich die Verwendung einer wässrigen, eutektischen Lösung von Harnstoff in Wasser (AdBlueTM) mit einem Gehalt von 32,5 Gew.-% Harnstoff, einem Gefrierpunkt von –11°C und einem Ammoniakbildungspotential von 0,2 kg/kg als Ammoniakvorläufersubstanz durchgesetzt. Zum Betrieb der SCR-Anlage bei Temperaturen bis –30°C, d. h. bis zum Cold Flow Plugging Point (CFPP, untere Betriebstemperatur) des Dieselkraftstoffs in Winterqualität ist eine vergleichsweise aufwendige und gegen Betriebsstörungen anfällige Zusatzheizung von Tank, Leitungen und Ventilen für den AdBlue-Einsatz und für die AdBlue-Logistik in kalten Klimata im Winter erforderlich.For commercial vehicles, the use of an aqueous, eutectic solution of urea in water (AdBlue ) containing 32.5% by weight of urea, a freezing point of -11 ° C. and an ammonia formation potential of 0.2 kg / kg has been described Enforced ammonia precursor substance. For operation of the SCR system at temperatures down to -30 ° C, ie up to the cold flow plugging point (CFPP, lower operating temperature) of the winter quality diesel fuel, a comparatively expensive supplementary heating of the tank, lines and valves for the AdBlue is prone to malfunctioning. Use and for AdBlue logistics in cold climates in winter required.

Das für die katalytische Reduktion des NOx erforderliche Ammoniak wird bei der thermischen Zersetzung des Harnstoffs gebildet. Hierfür sind folgende Reaktionen relevant: Harnstoff lässt sich nicht verdampfen, sondern zerfällt beim Erhitzen primär in Isocyansäure (HNCO) und Ammoniak (NH3) gemäß Gleichung [1]. (H2N2)CO → HNCO + NH3 [1] The ammonia required for the catalytic reduction of NO x is formed during the thermal decomposition of the urea. The following reactions are relevant for this: Urea can not be vaporized, but decays on heating primarily in isocyanic acid (HNCO) and ammonia (NH 3 ) according to equation [1]. (H 2 N 2 ) CO → HNCO + NH 3 [1]

Die Isocyansäure kann leicht zu nichtflüchtigen Stoffen, wie Cyanursäure polymerisieren. Hierbei können betriebsstörende Ablagerungen an Ventilen, an Einspritzdüsen und im Abgasrohr entstehen.The isocyanic can easily become non-volatile Substances, such as cyanuric acid polymerize. Here you can operational disturbing Deposits on valves, on injection nozzles and in the exhaust pipe arise.

Die Isocyansäure (HNCO) wird in Anwesenheit von Wasser (H2O) zu Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2) gemäß Gleichung [2] hydrolysiert. HNCO + H2O → NH2 + CO2 [2]. The isocyanic acid (HNCO) is hydrolyzed in the presence of water (H 2 O) to ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) according to equation [2]. HNCO + H 2 O → NH 2 + CO 2 [2].

Die Reaktion [2] erfolgt in der Gasphase sehr langsam. Sie verläuft dagegen sehr schnell an Metalloxid- und/oder Zeolithkatalysatoren, etwas langsamer an den durch ihren WO3-Gehalt stark sauren Metalloxidkatalysatoren, wie den SCR-Katalysatoren auf Basis eines Mischoxids aus Vanadiumoxid, Wolframoxid und Titanoxid.The reaction [2] takes place very slowly in the gas phase. On the other hand, it proceeds very rapidly to metal oxide and / or zeolite catalysts, somewhat more slowly to the metal oxide catalysts which are strongly acidic due to their WO 3 content, such as the SCR catalysts based on a mixed oxide of vanadium oxide, tungsten oxide and titanium oxide.

Bei den in Verbindung mit Kraftfahrzeugen bekannten Anwendungen von Harnstoff-SCR-Katalysatorsystemen wird in der Regel das Motorabgas unter Ausnutzung von dessen Wärmeinhalt zur thermischen Zersetzung des Harnstoffs nach Reaktion [1] genutzt. Prinzipiell kann die Reaktion [1] bereits vor dem SCR-Katalysator ablaufen, während die Reaktion [2] katalytisch beschleunigt werden muss. Prinzipiell können die Reaktionen [1] und [2] auch am SCR-Katalysator ablaufen, dessen SCR-Aktivität dadurch vermindert wird.at the known in connection with motor vehicles applications of Urea SCR catalyst systems will usually be the engine exhaust taking advantage of its heat content used for the thermal decomposition of urea after reaction [1]. In principle, the reaction [1] can already take place before the SCR catalyst expire while the reaction [2] must be catalytically accelerated. in principle can the reactions [1] and [2] also take place on the SCR catalyst whose SCR activity is reduced thereby.

Für Länder in einem kalten Klima ist es vorteilhaft, eine einfriersichere Ammoniakvorläufersubstanz verwenden zu können. Durch Zusatz von Ammoniumformiat zur Lösung von Harnstoff in Wasser kann der Gefrierpunkt deutlich abgesenkt werden. Damit werden Zusatzheizungen überflüssig und bei den Herstell- und Logistikkosten erhebliche Ersparnisse erzielt. Eine Lösung von 26,2% Ammoniumformiat und 20,1% Harnstoff in Wasser besitzt einen Gefrierpunkt von –30°C und ist kommerziell unter der Bezeichnung Denoxium-30 verfügbar und kann vorteilhaft in der kalten Jahreszeit das AdBueTM ersetzen ( SAE technical papers 2005-01-1856 ).For countries in a cold climate, it is advantageous to be able to use a freeze-proof ammonia precursor substance. By adding ammonium formate to the solution of urea in water, the freezing point can be lowered significantly. This additional heaters are superfluous and achieved considerable savings in manufacturing and logistics costs. A solution of 26.2% ammonium formate and 20.1% urea in water has a freezing point of -30 ° C and is commercially available under the designation Denoxium-30 and can advantageously replace the AdBue in the cold season ( SAE technical papers 2005-01-1856 ).

Durch den Zusatz von Ammoniumformiat zur Lösung von Harnstoff in Wasser kann bei einer Lösung von 35% Ammoniumformiat und 30% Harnstoff in Wasser das Ammoniakbildungspotential von 0,2 kg/kg auf 0,3 kg/kg erhöht werden. Damit wird die Reichweite des Fahrzeugs mit einer Füllung der Ammoniakvorläufersubstanz um die Hälfte erhöht und bei Personenkraftwagen generell die Möglichkeit einer Dauerfülllung zwischen den Inspektionsintervallen geschaffen. Ein Nachteil dieser Maßnahme ist das Ansteigen des Gefrierpunkts der Lösung auf den Bereich von –11 bis –15°C ( Denoxium January 2005, www.kemira.com ).By adding ammonium formate to the solution of urea in water, in a solution of 35% ammonium formate and 30% urea in water, the ammonia formation potential can be increased from 0.2 kg / kg to 0.3 kg / kg. Thus, the range of the vehicle with a filling of the ammonia precursor substance is increased by half and created in passenger cars generally the possibility of a permanent filling between the inspection intervals. A disadvantage of this measure is the rise in the freezing point of the solution to the range of -11 to -15 ° C ( Denoxium January 2005, www.kemira.com ).

In der EP 487 886 A1 wird ein Verfahren für die quantitative Zersetzung einer wässrigen Lösung von Harnstoff in Wasser durch Hydrolyse von Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2) in einem Temperaturbereich von 160 bis 550°C vorgeschlagen, bei der im Ergebnis die Bildung unerwünschter Isocyansäure und von deren fester Folgeprodukte vermieden wird. Bei dieser bekannten Methode wird die Harnstofflösung zunächst mittels einer Düse auf einen im oder außerhalb des Abgases befindlichen Verdampfer/Katalysator gesprüht. Die dabei entstehenden gasförmigen Produkte werden zur Nachbehandlung über einen Hydrolysekatalysator geleitet, um eine quantitative Bildung von Ammoniak zu erreichen.In the EP 487 886 A1 A method for the quantitative decomposition of an aqueous solution of urea in water by hydrolysis of ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in a temperature range of 160 to 550 ° C is proposed, resulting in the formation of undesirable isocyanate acid and its solid secondary products is avoided. In this known method, the urea solution is first sprayed by means of a nozzle on a located in or outside of the exhaust gas evaporator / catalyst. The resulting gaseous products are passed for aftertreatment over a hydrolysis catalyst to achieve a quantitative formation of ammonia.

Aus der EP 555 746 A1 ist eine Methode bekannt, wobei der Verdampfer aufgrund seiner Ausgestaltung die Harnstofflösung homogen so verteilt, dass der Kontakt der Tröpfchen mit den Kanalwandungen des Zersetzungskatalysators sichergestellt ist. Durch eine homogene Verteilung werden Ablagerungen auf den Katalysatoren vermieden und der Schlupf von überschüssigem Reduktionsmittel vermindert. Die Harnstoffdosierung sollte nur bei Abgastemperaturen ab 160°C aktiviert werden, da beim Unterschreiten dieser Temperatur unerwünschte Ablagerungen gebildet werden.From the EP 555 746 A1 a method is known, wherein the evaporator due to its design, the urea solution homogeneously distributed so that the contact of the droplets is ensured with the channel walls of the decomposition catalyst. Homogeneous distribution prevents deposits on the catalysts and reduces the slip of excess reducing agent. The urea dosing should be activated only at exhaust gas temperatures above 160 ° C, as below this temperature unwanted deposits are formed.

Die Überführung von Ammoniumformiat als Ammoniakvoräufersubstanz in Ammoniak ist durch Eindüsen der wässrigen Lösung in das heiße Abgas durch einfache Sublimation ohne besondere Vorbehandlung möglich. Nachteilig ist eine gleichzeitige Freisetzung der sehr korrosiven Ameisensäure und die mögliche Rückbildung von Ammoniumformiat auf der Oberfläche des SCR-Katalysators bei Abgastemperaturen unter 250°C. Das Porensystem des SCR-Katalysators wird temperaturreversibel verstopft.The transfer of Ammonium formate as Ammoniakvoräufersubstanz in ammonia is by injection the aqueous solution in the hot Exhaust gas possible by simple sublimation without special pretreatment. adversely is a simultaneous release of very corrosive formic acid and the possible degeneration of ammonium formate on the surface of the SCR catalyst Exhaust gas temperatures below 250 ° C. The pore system of the SCR catalyst is clogged with temperature reversibility.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, geeignete Ammoniakvorläufersubstanzen bereitzustellen, welche die genannten Nachteile entsprechend dem Stand der Technik nicht aufweisen, sondern eine technisch einfache Erzeugung von Ammoniak für die NOx-Verminderung nach dem SCR-Verfahren ermöglichen und keine unerwünschten Nebenprodukte bei der Zersetzung bilden.The present invention therefore an object of the invention to provide suitable ammonia precursors, which do not have the disadvantages mentioned in the prior art, but allow a technically simple production of ammonia for NO x reduction according to the SCR process and no unwanted by-products in the Form decomposition.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass man wässrige Guanidiniumformiat-Lösungen ggf. in Kombination mit Harnstoff und/oder Ammoniak und/oder Ammoniumsalzen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak in Abgasen von Fahrzeugen einsetzt. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass das erfindungsgemäß eingesetzte Guanidiniumformiat ein im Vergleich zum Stand der Technik höheres Ammoniak-Bildungspotential aufweist. Darüber hinaus lassen sich die entsprechenden wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen technisch einfach und ohne Bildung fester Zersetzungsprodukte verdampfen, die möglicherweise zu Verkrustungen und Verstopfungen im Abgassystem führen könnten.These Task was inventively characterized solved, that one is watery Guanidinium solutions optionally in combination with urea and / or ammonia and / or ammonium salts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia used in exhaust gases from vehicles. It has surprisingly showed that the invention used Guanidiniumformiat a higher compared to the prior art ammonia formation potential having. About that In addition, the corresponding aqueous guanidinium formate solutions can be technically evaporate easily and without formation of solid decomposition products, possibly could lead to encrustations and blockages in the exhaust system.

Zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak in ggf. sauerstoffhaltigen Abgasen von Fahrzeugen werden erfindungsgemäß wässrige Guanidiniumformiat-Lösungen eingesetzt, die vorzugsweise einen Feststoff-Gehalt von 5 bis 85 Gew.-%, insbesondere 30 bis 80 Gew.-%, aufweisen und ggf. mit Harnstoff und/oder Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen kombiniert werden. Die Mischungsverhältnisse von Guanidiniumformiat mit Harnstoff sowie Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen können in weiten Grenzen variiert werden, es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Mischung von Guanidiniumformiat und Harnstoff einen Guanidiniumformiat-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einen Harnstoff-Gehalt von 5 bis 35 Gew.-% besitzt. Des Weiteren sind Mischungen von Guanidiniumformiat und Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen mit einen Gehalt an Guanidiniumformiat von 5 bis 60 Gew.-% und von Ammoniak bzw. Ammoniumsalz von 5 bis 40 Gew.-% als bevorzugt anzusehen.to selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia In optionally oxygen-containing exhaust gases from vehicles, aqueous guanidinium formate solutions are used according to the invention preferably a solids content of 5 to 85 wt .-%, in particular 30 to 80 wt .-%, and optionally with urea and / or ammonia or ammonium salts are combined. The mixing ratios of guanidinium formate with urea and ammonia or ammonium salts can can be varied within wide limits, but it has proven to be special proved advantageous that the mixture of guanidinium formate and Urea a Guanidiniumformiat content of 5 to 60 wt .-% and a Urea content of 5 to 35 wt .-% has. Furthermore are Mixtures of guanidinium formate and ammonia or ammonium salts with a content of guanidinium formate of 5 to 60% by weight and of Ammonia or ammonium salt of 5 to 40 wt .-% to be regarded as preferred.

Als Ammoniumsalze haben sich hierbei vor allem Verbindungen der allgemeinen Formel (I) bewährt R–NH3 X (I)wobei
R = H, NH2, C1-C12-Alkyl,
X = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat und Oxalat bedeuten.
In particular, compounds of the general formula (I) have proven to be suitable as ammonium salts R-NH 3 X (I) in which
R = H, NH 2 , C 1 -C 12 -alkyl,
X = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate and oxalate.

Es ist als erfindungswesentlich anzusehen, dass die wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen sowie ggf. die weiteren Komponenten einer katalytischen Zersetzung zu Ammoniak im bevorzugten Temperaturbereich von 150 bis 350°C unterzogen werden, wobei als weitere Komponenten Kohlendioxid sowie ggf. Kohlenmonoxid gebildet werden. Diese Zersetzung von Guanidiniumformiat zu Ammoniak wird vorzugsweise in Gegenwart von katalytisch aktiven, nicht oxidationsaktiven Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, insbesondere Eisenzeolithen vom ZSM 5- oder BEA-Typ, vorgenommen. Als Metalle kommen hierbei insbesondere die Nebengruppen-Elemente und vorzugsweise Eisen oder Kupfer in Frage. Das entsprechende Fe-Zeolith-Material wird nach bekannten Methoden wie z. B. der solid-state-exchange-Methode bspw. mit FeCl2 hergestellt, anschließend in Form einer Slurry auf das Substrat (wie z. B. Cordierit-Monolith) aufgebracht, getrocknet bzw. bei höheren Temperaturen (ca. 500°C) calciniert.It is to be regarded as essential to the invention that the aqueous guanidinium formate solutions and, if appropriate, the further components are subjected to catalytic decomposition to ammonia in the preferred temperature range from 150 to 350 ° C., carbon dioxide and possibly carbon monoxide being formed as further components. This decomposition of guanidinium formate to ammonia is preferably carried out in the presence of catalytically active, non-oxidation-active coatings of oxides selected from the group consisting of titanium dioxide, aluminum oxide and silicon dioxide and mixtures thereof, hydrothermally stable zeolites which are completely or partially metal-exchanged, in particular iron zeolites from ZSM 5. or BEA type. Suitable metals in this case are in particular the subgroup elements and preferably iron or copper. The corresponding Fe zeolite material is prepared by known methods such. B. the solid-state exchange method, for example. Made with FeCl 2 , then applied in the form of a slurry on the substrate (such as, for example, cordierite monolith), dried or at higher temperatures (about 500 ° C) calcined.

Die Metalloxide wie Titanoxid, Aluminiumoxid sowie Siliciumdioxid werden vorzugsweise auf metallischen Trägermaterialien wie z. B. Heizleiter-Legierungen (insbesondere Chrom-Aluminium-Stähle) aufgebracht.The metal oxides such as titanium oxide, alumina and silica are preferably supported on metallic support materials such. B. Heizlei ter alloys (especially chromium-aluminum steels) applied.

Alternativ kann die katalytische Zersetzung der Guanidiniumformiat-Lösungen bzw. der übrigen Komponenten auch zu Ammoniak und Kohlendioxid erfolgen, wobei katalytisch aktive Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Mischungen, hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, eingesetzt werden, die mit Gold und/oder Palladium als oxidationsaktive Komponenten imprägniert sind. Die entsprechenden Katalysatoren mit Palladium und/oder Gold als Aktivkomponenten weisen vorzugsweise ein Edelmetallgehalt von 0,001 bis 2 Gew.-% auf. Mit Hilfe derartiger Oxidationskatalysatoren ist es möglich, die unerwünschte Bildung von Kohlenmonoxid als Nebenprodukt bei der Zersetzung der Guanidinsalze bereits bei der Ammoniakerzeugung zu vermeiden.alternative can the catalytic decomposition of Guanidiniumformiat solutions or the remaining components also take place to ammonia and carbon dioxide, wherein catalytically active Coatings of oxides selected from the group consisting of titanium dioxide, aluminum oxide and silica and mixtures thereof, hydrothermally stable Zeolites that are completely or partially metal exchanged, can be used with Gold and / or palladium are impregnated as oxidation-active components. The corresponding catalysts with palladium and / or gold as Active components preferably have a precious metal content of 0.001 up to 2% by weight. With the help of such oxidation catalysts it is possible the unwanted Formation of carbon monoxide as a byproduct in the decomposition of Guanidine salts already in the ammonia production to avoid.

Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass man einen Katalysator, bestehend aus zwei Abschnitten einsetzt, wobei der erste Abschnitt nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Abschnitt oxidationsaktive Beschichtungen enthält. Vorzugsweise bestehen 5 bis 90 Vol.-% dieses Katalysators aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und 10 bis 95 Vol-% aus oxidationsaktiven Beschichtungen. Alternativ kann man die katalytische Zersetzung auch in Gegenwart von zwei hintereinander angeordneten Katalysatoren durchführen, wobei der erste Katalysator nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Katalysator oxidationsaktive Beschichtungen enthält.It In the context of the present invention, it is possible to use a catalyst consisting of two sections, the first section non-oxidation-active coatings and the second section oxidation-active Contains coatings. Preferably, 5 to 90% by volume of this catalyst does not consist oxidation-active coatings and 10 to 95% by volume of oxidation-active Coatings. Alternatively, one can see the catalytic decomposition also in the presence of two catalysts arranged one behind the other carry out, wherein the first catalyst is not oxidation active coatings and the second catalyst contains oxidation active coatings.

Die katalytische Zersetzung des erfindungsgemäß eingesetzten Guanidiniumformiats sowie ggf. den weiteren Komponenten zu Ammoniak kann vorzugsweise abgasintern im Haupt-, Teil- oder Nebenstrom der Fahrzeugabgase oder abgasextern in einer autobaren und fremdgeheizten Anordnung vorgenommen werden.The catalytic decomposition of the guanidinium formate used according to the invention and optionally the other components to ammonia may preferably internal combustion gas in the main, partial or secondary flow of the vehicle exhaust gases or exhausts in an autobar and externally heated arrangement be made.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind wässrige Zusammensetzungen, bestehend aus Guanidiniumformiat mit einer Konzentration von 5 bis 85 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 80 Gew.-%, ggf. in Kombination mit Harnstoff und/oder Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen sowie als Rest Wasser als Mittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak in Abgasen von Fahrzeugen. Vorzugsweise weisen die Mischungen von Guanidiniumformiat und Harnstoff einen Guanidiniumformiat-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einen Harnstoff-Gehalt von 5 bis 35 Gew.-% auf. Die Mischungen von Guanidiniumformiat mit Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen besitzen vorzugsweise einen Gehalt an Guanidiniumformiat von 5 bis 60 Gew.-% und an Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen von 5 bis 40 Gew.-%.One Another object of the present invention are aqueous compositions, consisting of guanidinium formate with a concentration of 5 to 85 wt .-%, preferably 30 to 80 wt .-%, optionally in combination with Urea and / or ammonia or ammonium salts and the remainder water as a means for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in exhaust gases of vehicles. Preferably, the Mixtures of guanidinium formate and urea have a guanidinium formate content from 5 to 60 wt .-% and a urea content of 5 to 35 wt .-% on. The mixtures of guanidinium formate with ammonia or ammonium salts preferably have a guanidinium formate content of 5 to 60% by weight and of ammonia or ammonium salts of 5 to 40% by weight.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgeschlagenen wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen ist es möglich, eine Reduktion der Stickoxide in Abgasen von Fahrzeugen um ca. 90% zu erzielen. Außerdem ist mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Guanidiniumformiat-Lösungen eine Erhöhung des Ammoniak-Bildungspotentials von 0,2 kg entsprechend dem Stand der Technik bis auf 0,4 kg Ammoniak pro Liter Guanidinsalz bei gleichzeitiger Winterfestigkeit (Gefrierpunkt unter –25°C) möglich. Schließlich ist auch die Korrosionsgefahr der erfindungsgemäß eingesetzten Guanidiniumformiat-Lösungen im Vergleich zu Lösungen mit Ammoniumformiat deutlich verringert.With Help the invention proposed aqueous Guanidinium solutions Is it possible, a reduction of nitrogen oxides in vehicle exhaust gases by approx. 90% to achieve. Furthermore is with the inventively proposed guanidinium formate solutions a increase the ammonia formation potential of 0.2 kg according to the state the technique up to 0.4 kg of ammonia per liter of guanidine salt at the same time Winter resistance (freezing point below -25 ° C) possible. Finally is also the risk of corrosion of the guanidinium formate solutions used in the invention Comparison to solutions significantly reduced with ammonium formate.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.The The following examples are intended to explain the invention in more detail.

BeispieleExamples

Beispiel 1example 1

Verwendung einer wässrigen, 40 Gew.-%igen Guanidiniumformiat-Lösung, (GF) (Fp. < –20°C) als Ammoniakvorläufersubstanz im autobaren Ammoniakgenerator entsprechend der Beschreibung gemäß 1 Use of an aqueous, 40% strength by weight guanidinium formate solution, (GF) (mp <-20 ° C.) as ammonia precursor substance in the autobaric ammonia generator as described in US Pat 1

Ein Pkw-Motor 1 erzeugt einen Abgasstrom von 200 Nm3/h, der über das Zwischenrohr 2 über einen Platinoxidationskatalysator 3 und einen Partikelfilter 4 in das Abgaszwischenrohr 6 geleitet wird. Die mit dem FTIR-Gasanalysator 5 gemessene Abgaszusammensetzung im Zwischenrohr 6 ist:
150 ppm Stickoxid, NO; 150 ppm Stickstoffdioxid, NO2; 7% Kohlendioxid, CO2; 8% Wasserdampf, 10 ppm Kohlenmonoxid, CO.
A car engine 1 generates an exhaust gas flow of 200 Nm 3 / h, which passes through the intermediate pipe 2 via a platinum oxidation catalyst 3 and a particle filter 4 in the exhaust intermediate pipe 6 is directed. The one with the FTIR gas analyzer 5 Measured exhaust gas composition in the intermediate pipe 6 is:
150 ppm nitric oxide, NO; 150 ppm nitrogen dioxide, NO 2 ; 7% carbon dioxide, CO 2 ; 8% water vapor, 10 ppm carbon monoxide, CO.

In einem Tankbehälter 7 befindet sich eine GF-Lösung 8, die mittels einer Dosierpumpe 9 über eine Zuführleitung 10 und einer Düse 12 in einen Reaktor 11 eingesprüht wird. Der Reaktor 11 besteht aus einem auf 250°C beheizten, vertikal angeordneten Rohr mit Innendurchmesser 51 mm aus austenitischem Edelstahl und besitzt einen Heizmantel 15. Im Reaktor 11 befinden sich die Katalysatoren 13 und 14. Die Katalysatoren sind mit Titandioxid von der Fa. Südchemie AG, D-Heufeld beschichtete Metallträger, Durchmesser 50 mm, Länge 200 mm; Hersteller der Metallträger: Emitec GmbH, D-53797 Lohmar. Der Katalysator 13 basiert auf einem grobzelligen Trägertyp MX/PE 40 cpsi, 100 mm lang. Stromabwärts besteht der Katalysator 14 aus dem feinzelligen Trägertyp MX/PE 200 cpsi, 100 mm lang. Die Stirnfläche des grobzelligen Katalysators 13 wird aus einer Düse 12 mittels Druckdosierpumpe 9 mit einer GF-Lösung 8 besprüht. Die Düse 12 ist im Reaktor 11 axial und stromaufwärts des grobzelligen Katalysators 13 angeordnet. Am Katalysator 13 wird der Wasseranteil der GF-Lösung 8 verdampft und an den Katalysatoren 13 und 14 wird das GF thermohydrolytisch so zersetzt, dass die Bildung der Zwischenprodukte Harnstoff und Isocyansäure, HNCO vermieden wird.In a tank container 7 there is a GF solution 8th by means of a metering pump 9 via a supply line 10 and a nozzle 12 in a reactor 11 is sprayed. The reactor 11 consists of a 250 ° C heated, vertical tube with 51 mm inner diameter made of austenitic stainless steel and has a heating jacket 15 , In the reactor 11 are the catalysts 13 and 14 , The catalysts are coated with titanium dioxide from the Fa. Südchemie AG, D-Heufeld coated metal support, diameter 50 mm, length 200 mm; Manufacturer of metal carriers: Emitec GmbH, D-53797 Lohmar. The catalyst 13 Based on a large-cell carrier type MX / PE 40 cpsi, 100 mm long. Downstream is the catalyst 14 made of the fine-celled carrier type MX / PE 200 cpsi, 100 mm long. The face of the large-cell catalyst 13 gets out of a nozzle 12 by means of pressure metering pump 9 with a GF solution 8th sprayed. The nozzle 12 is in the reactor 11 axially and upstream of the large-particle catalyst 13 at orderly. At the catalyst 13 becomes the water content of the GF solution 8th evaporated and on the catalysts 13 and 14 the GF is thermohydrolytically decomposed so that the formation of the intermediates urea and isocyanic acid, HNCO is avoided.

Das entstehende Gemisch aus Ammoniak, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserdampf wird über das Zuleitungsrohr 16 in das Abgaszwischenrohr 6 stromaufwärts eines SCR-Katalysators 18 bei 300°C in das mit dem Katalysator 3 und dem Filter 4 vorbehandelte Abgas (200 Nm3/h) des Pkw-Motors 1 eingeleitet. Die Dosierung der GF-Lösung 8 wird so mit der Druckdosierpumpe 9 reguliert, dass mit dem FTIR-Gasanalysator 17 eine Ammoniakkonzentration von 270 ppm gemessen werden kann. Hierbei erfolgt gleichzeitig ein Anstieg der CO-Konzentration um 90 auf 100 ppm durch die Zersetzung des Formiatanteils der GF-Lösung 8. Der Anstieg des CO2- und Wasserdampfgehalts durch die Verdampfung und Zersetzung von der GF-Lösung 8 ist erwartungsgemäß gering und fast nicht messbar. Die katalytische Hydrolyse des GF ist vollständig, da mit dem Gasanalysator 17 keine Isocyansäure, HNCO detektiert werden kann und keine Ablagerungen von Harnstoff und dessen Zersetzungsprodukten festgestellt werden können.The resulting mixture of ammonia, carbon dioxide, carbon monoxide and water vapor is supplied via the supply pipe 16 in the exhaust intermediate pipe 6 upstream of an SCR catalyst 18 at 300 ° C in the with the catalyst 3 and the filter 4 pretreated exhaust gas (200 Nm 3 / h) of the passenger car engine 1 initiated. The dosage of GF solution 8th This is how it works with the pressure metering pump 9 that regulates with the FTIR gas analyzer 17 an ammonia concentration of 270 ppm can be measured. At the same time, the CO concentration increases by 90 to 100 ppm due to the decomposition of the formate portion of the GF solution 8th , The increase in CO 2 and water vapor content due to evaporation and decomposition of the GF solution 8th is expected to be low and almost impossible to measure. The catalytic hydrolysis of GF is complete, as with the gas analyzer 17 no isocyanic acid, HNCO can be detected and no deposits of urea and its decomposition products can be detected.

Stromabwärts des SCR-Katalysators 18 wird mit dem FTIR-Gasanalysator 19 eine Reduktion der Konzentration von NO und NO2 um 90% auf 30 ppm gemessen. Hierbei erfolgt eine vollständige Umsetzung des Ammoniaks, NH3 mit NO und NO2 zu Stickstoff, N2. Die Konzentration des Ammoniaks nach SCR-Katalysator 19 ist < 2 ppm.Downstream of the SCR catalyst 18 comes with the FTIR gas analyzer 19 a reduction in the concentration of NO and NO 2 measured by 90% to 30 ppm. This is a complete implementation of the ammonia, NH 3 with NO and NO 2 to nitrogen, N 2 . The concentration of ammonia after SCR catalyst 19 is <2 ppm.

Die FTIR-Gasanalysatoren 5, 17 und 19 ermöglichen eine simultane Abgasanalyse der Komponenten NO, NO2, CO, CO2, H2O, Ammoniak, NH3 und Isocyansäure, HNCO.The FTIR gas analyzers 5 . 17 and 19 allow simultaneous exhaust gas analysis of the components NO, NO 2 , CO, CO 2 , H 2 O, ammonia, NH 3 and isocyanic acid, HNCO.

Beispiel 2Example 2

Es wird analog Beispiel 1 gearbeitet, der Titandioxid-Katalysator 14 wird jedoch durch einen Palladiumoxid-Titandioxid-Katalysator ersetzt, wobei das Titandioxid mit einer wässrigen Pd(NO3)2-Lösung so imprägniert wurde, dass nach der Trocknung und Calcinierung (5 Stunden bei 500°C) ein Katalysator entsteht, der 1 Gew.-% PdO (= ca. 0,9 Gew.-% Pd) enthält und eine partielle Oxidation des Kohlenmonoxids bewirkt wird. Am FTIR-Gasanalysator 17 ist kein Anstieg der CO-Konzentration messbar.The procedure is analogous to Example 1, the titanium dioxide catalyst 14 However, it is replaced by a palladium oxide titanium dioxide catalyst, wherein the titanium dioxide was impregnated with an aqueous Pd (NO 3 ) 2 solution so that after drying and calcination (5 hours at 500 ° C), a catalyst is formed, the 1 wt .-% PdO (= about 0.9 wt .-% Pd) and a partial oxidation of the carbon monoxide is effected. At the FTIR gas analyzer 17 no increase in CO concentration is measurable.

Claims (17)

Verwendung von wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen ggf. in Kombination mit Harnstoff und/oder Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak in Abgasen von Fahrzeugen.Use of aqueous guanidinium formate solutions, if necessary in combination with urea and / or ammonia or ammonium salts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in exhaust gases of vehicles. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrigen Guanidiniumformiat-Lösungen einen Feststoffgehalt von 5 bis 85 Gew.-%, insbesondere 30 bis 80 Gew.-%, aufweisen.Use according to claim 1, characterized that the watery Guanidinium solutions a solids content of 5 to 85 wt .-%, in particular 30 to 80 % By weight. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrigen Lösungen Mischungen von Guanidiniumformiat und Harnstoff mit einem Guanidiniumformiat-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einem Harnstoff-Gehalt von 5 bis 35 Gew.-% enthalten.Use according to claim 1 or 2, characterized that the watery solutions Mixtures of guanidinium formate and urea with a guanidinium formate content from 5 to 60 wt .-% and a urea content of 5 to 35 wt .-% contain. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrigen Lösungen Mischungen von Guanidiniumformiat und Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen mit einem Gehalt an Guanidiniumformiat von 5 bis 60 Gew.-% und an Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen von 5 bis 40 Gew.-% enthalten.Use according to one of Claims 1 to 3, characterized that the watery solutions Mixtures of guanidinium formate and ammonia or ammonium salts containing guanidinium formate of 5 to 60% by weight and of ammonia or ammonium salts of from 5 to 40% by weight. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniumsalze aus Verbindungen der allgemeinen Formel (I) bestehen R–NH3 X (I)wobei R = H, NH2, C1-C12-Alkyl, X = Acetat, Carbonat, Cyanat, Formiat, Hydroxid, Methylat und Oxalat bedeuten.Use according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ammonium salts consist of compounds of general formula (I) R-NH 3 X (I) wherein R = H, NH 2 , C 1 -C 12 alkyl, X = acetate, carbonate, cyanate, formate, hydroxide, methylate and oxalate. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Guanidiniumformiat sowie ggf. die weiteren Komponenten abgasintern im Haupt-, Teil- oder Nebenstrom der Fahrzeug-Abgase oder abgasextern in einer autobaren und fremdgeheizten Anordnung durch katalytische Zersetzung in Ammoniak umgewandelt wird.Use according to one of claims 1 to 5, characterized that the guanidinium formate and optionally the other components internal to the exhaust gas in the main, partial or secondary flow of the vehicle exhaust gases or exhausts in an autobar and externally heated arrangement is converted into ammonia by catalytic decomposition. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die katalytische Zersetzung des Guanidiniumformiats sowie ggf. der weiteren Komponenten zu Ammoniak, Kohlendioxid und ggf. Kohlenmonoxid in Gegenwart von katalytisch aktiven, nicht oxidationsaktiven Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid bzw. deren Mischungen, hydrothermal stabilen Zeolithen, die vollständig oder teilweise metallausgetauscht sind, vornimmt.Use according to claim 6, characterized that the catalytic decomposition of Guanidiniumformiats as well optionally the other components to ammonia, carbon dioxide and possibly carbon monoxide in the presence of catalytically active, non-oxidation active coatings of oxides, selected from the group titania, alumina and silica or their mixtures, hydrothermally stable zeolites, which are completely or partially metal exchanged, performs. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man für die katalytische Zersetzung des Guanidiniumformiats bzw. der übrigen Komponenten zu Ammoniak und Kohlendioxid katalytisch aktive Beschichtungen aus Oxiden, ausgewählt aus der Gruppe Titandioxid, Aluminiumoxid sowie Siliciumdioxid, hydrothermal stabilen Metallzeolithen und deren Mischungen einsetzt, die mit Gold und/oder Palladium als oxidationsaktive Komponenten imprägniert sind.Use according to claim 6, characterized in that for the catalytic decomposition of the guanidinium formate or the other components to ammonia and carbon dioxide catalytically active coatings of oxides selected from the group titanium dioxide, alumina so such as silica, hydrothermally stable metal zeolites and mixtures thereof, which are impregnated with gold and / or palladium as oxidation-active components. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die katalytische Zersetzung des Guanidiniumformiats sowie ggf. den weiteren Komponenten eine katalytische Beschichtung mit Palladium und/oder Gold als Aktivkomponenten mit einem Edelmetall-Gehalt von 0,001 bis 2 Gew.-% eingesetzt wird.Use according to claim 6, characterized that for the catalytic decomposition of guanidinium formate and possibly the other components a catalytic coating with palladium and / or gold as active components with a noble metal content of 0.001 to 2 wt .-% is used. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Katalysator bestehend aus zwei Abschnitten einsetzt, wobei der erste Abschnitt nicht oxidationsaktive Beschichtungen und der zweite Abschnitt oxidationsaktive Beschichtungen enthält.Use according to one of Claims 6 to 9, characterized that one uses a catalyst consisting of two sections, wherein the first section is not oxidation active coatings and the second section contains oxidation active coatings. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass 5 bis 90 Vol.-% des Katalysators aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und 10 bis 95 Vol.-% aus oxidationsaktiven Beschichtungen besteht.Use according to claim 10, characterized that 5 to 90 vol .-% of the catalyst from not oxidation active Coatings and 10 to 95 vol .-% consists of oxidation-active coatings. Verwendung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass man die katalytische Zersetzung in Gegenwart von zwei hintereinander angeordneten Katalysatoren durchführt, wobei der erste Katalysator aus nicht oxidationsaktiven Beschichtungen und der zweite Katalysator aus oxidationsaktiven Beschichtungen besteht.Use according to one of Claims 6 to 11, characterized that is the catalytic decomposition in the presence of two consecutively arranged catalysts, wherein the first catalyst from non-oxidation active coatings and the second catalyst consists of oxidation-active coatings. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man die katalytische Zersetzung der Guanidiniumformiat-Lösungen bei 150 bis 350°C durchführt.Use according to one of claims 1 to 12, characterized that the catalytic decomposition of Guanidiniumformiat solutions at 150 to 350 ° C performs. Wässrige Zusammensetzungen bestehend aus Guanidiniumformiat mit einer Konzentration von 5 bis 85 Gew.-% ggf. in Kombination mit Harnstoff und/oder Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen sowie als Rest Wasser als Mittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak in Abgasen von Fahrzeugen.aqueous Compositions consisting of guanidinium formate with one concentration from 5 to 85% by weight, if appropriate in combination with urea and / or ammonia or ammonium salts and the balance of water as a means of selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia in exhaust gases of vehicles. Wässrige Zusammensetzungen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Guanidiniumformiats 30 bis 80 Gew.-% beträgt.aqueous Compositions according to claim 14, characterized in that the concentration of the guanidinium formate is 30 to 80% by weight. Wässrige Zusammensetzungen nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Mischungen von Guanidiniumformiat und Harnstoff mit einem Guanidiniumformiat-Gehalt von 5 bis 60 Gew.-% und einem Harnstoff-Gehalt von 5 bis 35 Gew.-% enthalten.aqueous Compositions according to Claim 14 or 15, characterized from mixtures of guanidinium formate and urea with a guanidinium formate content of 5 to 60 wt .-% and a urea content from 5 to 35 wt .-%. Wässrige Zusammensetzungen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mischungen von Guanidiniumformiat und Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen mit einem Gehalt an Guanidiniumformiat von 5 bis 60 Gew.-% und an Ammoniak bzw. Ammoniumsalzen von 5 bis 40 Gew.-% enthalten.aqueous Compositions according to any one of Claims 14 to 16, characterized in that mixtures of guanidinium formate and ammonia or ammonium salts containing guanidinium formate of 5 to 60% by weight and of ammonia or ammonium salts of from 5 to 40% by weight.
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