DE102010040808A1 - Catalyst for use in selective NOx reduction - Google Patents

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Abstract

Ein Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen weist einen Grundkörper eine auf dem Grundkörper aufgebrachte Trägerschicht aus Zirkoniumoxid, einen auf der Trägerschicht aufgebrachten Promoter aus Wolframoxid und eine auf der Trägerschicht aufgebrachte aktive Komponente auf. Die aktive Komponente besteht aus Palladium.A catalyst for use in a selective NOx reduction in NOx-containing exhaust gases with the supply of hydrogen to the exhaust gases has a base body, a carrier layer made of zirconium oxide applied to the base body, a promoter made of tungsten oxide and an active component applied to the carrier layer on. The active component consists of palladium.

Description

Die Erfindung betrifft einen Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 sowie eine Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen.The invention relates to a catalyst for use in a selective reduction of NO x in NO x -containing exhaust gases while supplying hydrogen to the exhaust gases according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for producing a catalyst for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases according to the preamble of claim 5 and a device for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases and a method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases.

Durch die immer schärfer werdenden Emissionsvorschriften wird es in Zukunft mit großer Wahrscheinlichkeit erforderlich sein, insbesondere bei von Dieselmotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen, jedoch auch bei Industrieanlagen, in denen NOx-haltige Abgase entstehen, zur Entfernung von Stickstoffoxiden das Abgas nachzubehandeln. Unter dem Sammelbegriff der Stickstoffoxide werden verschiedene Oxidationsstufen des Stickstoffs, wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), zusammengefasst. Die Gase sind für den Menschen sehr giftig. Neben Schwefeldioxid tragen die Stickstoffoxide zum Sauren Regen bei, da durch die Reaktion von Stickstoffdioxid mit Wasser Salpetersäure und Salpetrige Säure entstehen. Dieser Saure Regen ist mitverantwortlich für das durch das Auswaschen der Nährstoffe im Boden verursachte Waldsterben und für Schäden an Gebäuden mit säureempfindlichen Baustoffen. Des Weiteren spielen die Stickstoffoxide eine zentrale Rolle bei der Bildung von Ozon in bodennahen Schichten. Das Ozon kann beim Menschen zu Reizungen und Entzündungen der Atemwege führen und wirkt bei Pflanzen als Zellgift. In der Stratosphäre dagegen wird das Ozon durch Stickstoffmonoxid zerstört, was zur Entstehung des Ozonlochs beiträgt. Der Ausstoß der Stickstoffoxide kann sowohl natürlichen Ursprungs, zum Beispiel aus mikrobiellen Vorgängen und Vegetationsbränden, als auch anthropogenen Ursprungs, wie zum Beispiel aus Kraftwerken, Industrie, Kleinfeuerungsanlagen im Haushalt und dem Verkehr, sein.Due to the increasingly stringent emission regulations, it will be necessary in the future, in particular in the case of motor vehicles powered by diesel engines, but also in industrial plants, in which NO x -containing exhaust gases, to treat the exhaust gas to remove nitrogen oxides. Under the generic term of nitrogen oxides, various oxidation states of nitrogen, such as nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), are summarized. The gases are very toxic to humans. In addition to sulfur dioxide, the nitrogen oxides contribute to the acid rain, since the reaction of nitrogen dioxide with water produces nitric acid and nitrous acid. This acid rain is partly responsible for the forest dying caused by the washing out of nutrients in the soil and for damage to buildings with acid-sensitive building materials. Furthermore, nitrogen oxides play a central role in the formation of ozone in layers close to the ground. Ozone can cause irritation and inflammation of the respiratory tract in humans and acts as a cytotoxin in plants. In the stratosphere, on the other hand, ozone is destroyed by nitrogen monoxide, which contributes to the formation of the ozone hole. The emission of nitrogen oxides may be of natural origin, for example from microbial and vegetative fires, as well as of anthropogenic origin, such as power plants, industry, domestic and commercial small combustion plants.

Um eine Reduktion dieser Stickstoffoxide zu erreichen, sind aus der WO 2007/020035 A1 ein gattungsgemäßer Katalysator, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für denselben sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen bekannt.To achieve a reduction of these nitrogen oxides are from the WO 2007/020035 A1 a generic catalyst, a corresponding manufacturing method for the same and an apparatus and a method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases known.

Allerdings kann mit dem dort beschriebenen Katalysator noch keine für die Praxis ausreichende selektive Umsetzung der Stickstoffoxide erreicht werden. Insbesondere wird bei dem dort durchgeführten Verfahren ein relativ großer Anteil an Lachgas erzeugt, was sehr nachteilig ist, da Lachgas ca. 310-mal stärker zum Treibhauseffekt beiträgt als beispielsweise CO2. Ein weiterer Nachteil des dort beschriebenen Katalysators besteht darin, dass für das aus Zirkoniumoxid bestehende Trägermaterial nur die tetragonale Kristallmodifikation verwendet werden kann, was einen sehr großen fertigungstechnischen Aufwand erfordert. Auch das für die aktive Komponente verwendete Platin stellt einen relativ großen Kostenfaktor dar und verteuert den gesamten Katalysator erheblich.However, with the catalyst described there, it is still not possible to achieve any selective conversion of the nitrogen oxides which is sufficient for practice. In particular, in the process carried out there, a relatively large proportion of nitrous oxide is produced, which is very disadvantageous, since nitrous oxide contributes about 310 times more to the greenhouse effect than, for example, CO 2 . Another disadvantage of the catalyst described therein is that only the tetragonal crystal modification can be used for the zirconia existing carrier material, which requires a very large manufacturing effort. Also, the platinum used for the active component is a relatively large cost factor and increases the cost of the entire catalyst considerably.

Aus der EP 1 475 149 A1 ist ein Katalysator für die Reduktion von NOx zu N2 mit Wasserstoff unter O2-reichen Bedingungen bekannt. Dieser bekannte Katalysator basiert auf Platin, welches in einer Menge zwischen 0,1 und 2 Gewichtsprozent auf einem aus Magnesium- oder Ceroxid oder einem Vorläufer davon bestehenden Trägermaterial verteilt ist. Zwar werden mit diesem Katalysator bereits recht gute Ergebnisse bei der NOx-Reduktion erzielt, bei zukünftigen Schadstoffgrenzwerten könnte jedoch auch dieser Katalysator an seine Grenzen stoßen.From the EP 1 475 149 A1 For example, a catalyst for the reduction of NO x to N 2 with hydrogen under O 2 -rich conditions is known. This known catalyst is based on platinum, which is distributed in an amount between 0.1 and 2 percent by weight on a carrier material consisting of magnesium or cerium oxide or a precursor thereof. Although quite good results in the NO x reduction are already achieved with this catalyst, with future pollutant limit values, however, this catalyst could also reach its limits.

Ein Verfahren zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus einem Abgasstrom ist in der EP 0 666 099 B1 beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator adsorbiert die sich in dem Abgas befindlichen Stickoxide, woraufhin dem Katalysator ein Gas mit einem bestimmten Gehalt einer reduzierenden Substanz in vorgegebenen Zeitabständen und für gewisse Zeitdauern zugeführt wird. Derartige Speicherkatalysatoren, bei denen basische Komponenten, wie Lithiumoxid, Kaliumoxid, Natriumoxid, Bariumoxid oder ähnliche Oxide eingesetzt werden, erfordern jedoch eine verhältnismäßig komplizierte Ansteuerung und haben meist einen hohen Regenerationsbedarf.A method of removing nitrogen oxides from an exhaust gas stream is disclosed in US Pat EP 0 666 099 B1 described. The catalyst used in this case adsorbs the nitrogen oxides present in the exhaust gas, whereupon the catalyst is supplied with a gas having a specific content of a reducing substance at predetermined time intervals and for certain periods of time. Such storage catalysts, in which basic components such as lithium oxide, potassium oxide, sodium oxide, barium oxide or similar oxides are used, however, require a relatively complicated control and usually have a high regeneration requirement.

Bei diesen NOx-Speicherkatalysatoren wird das hauptsächlich emittierte NO an einem Platin aufweisenden Katalysator zu NO2 oxidiert, welches nachfolgend an speziellen Speichermedien, beispielsweise BaCO3, adsorbiert wird. Wenn die Speicherkapazität dieses Katalysators erschöpft ist, wird eine motorinduzierte Regeneration des Katalysators eingeleitet, bei welcher die eingeleiteten Stickstoffoxide in Stickstoff überführt werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten NOx-Speicherkatalysatoren besteht in der Gefahr der Vergiftung der NOx-Sorbenzien durch die im Abgas enthaltenen Schwefeloxide SO2 und SO3. Um diese Problematik zu umgehen, sind meist aufwändige Motormanagementstrategien erforderlich.In these NO x storage catalysts, the mainly emitted NO on a platinum-containing catalyst is oxidized to NO 2 , which is subsequently adsorbed to specific storage media, such as BaCO 3 . When the storage capacity of this catalyst is exhausted, a motor-induced regeneration of the catalyst is initiated, in which the introduced nitrogen oxides are converted into nitrogen. Another disadvantage of the known NO x storage catalysts is the risk of poisoning of the NO x sorbents by the sulfur oxides SO 2 and SO 3 contained in the exhaust gas. To circumvent this problem, usually complex engine management strategies are required.

Aus der EP 0 960 649 B1 ist ein Abgasreinigungskatalysator bekannt, bei welchem die verwendeten Materialien Ceroxid und/oder Zirkoniumdioxid Mischoxide aufweisen, die dazu dienen, gesättigte Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Als Reduktionsmittel für die in dem Abgas enthaltenen Stickoxide wird Ammoniak eingesetzt. Die bei solchen SCR-Katalysatoren häufig eingesetzte aktive Komponente V2O5 ist jedoch toxikologisch bedenklich und kann außerdem bei sehr hohen Abgastemperaturen schmelzen bzw. verdampfen. From the EP 0 960 649 B1 For example, an exhaust gas purification catalyst is known in which the materials used comprise ceria and / or zirconia mixed oxides which serve to remove saturated hydrocarbons from the exhaust gas. As a reducing agent for the nitrogen oxides contained in the exhaust gas, ammonia is used. However, the active component V 2 O 5 frequently used in such SCR catalysts is of toxicological concern and may also melt or vaporize at very high exhaust gas temperatures.

Die EP 0 763 380 A1 beschreibt Schalenkatalysatoren, welche aus einem Kern und mindestens einer äußeren Schale oder aus einem Träger, mindestens einer inneren und mindestens einer äußeren Schale bestehen, wobei die äußeren Schalen Oxide bestimmter Elemente enthalten. Des weiteren wird ein Verfahren zur katalytischen Entfernung von Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen aus den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben. Hierbei weist das Abgas eine Temperatur von 50 bis 800°C und einen Druck von 0,01 bis 200 bar auf und es wird wiederum Ammoniak als Reduktionsmittel eingesetzt.The EP 0 763 380 A1 describes shell catalysts, which consist of a core and at least one outer shell or of a carrier, at least one inner and at least one outer shell, wherein the outer shells contain oxides of certain elements. Furthermore, a method for the catalytic removal of nitrogen oxides, carbon monoxide and hydrocarbons from the exhaust gases of internal combustion engines is described. Here, the exhaust gas has a temperature of 50 to 800 ° C and a pressure of 0.01 to 200 bar and it is again ammonia used as a reducing agent.

Ein Nachteil der bekannten Lösungen zur NOx-Entfernung aus O2-reichen Abgasen besteht in den meisten Fällen außerdem darin, dass die Stickstoffoxide erst oberhalb von 200°C wirkungsvoll umgesetzt werden. Dadurch, dass aufgrund der kontinuierlichen Optimierung des Wirkungsgrads der Verbrennungskraftmaschinen die Temperatur der Abgase ständig reduziert wird, ergibt sich bei den bekannten Lösungen ein großes Problem hinsichtlich ihrer Wirksamkeit. Beispielsweise liegt bei modernen, nach dem Dieselprinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschinen für PKW die Abgastemperatur im relevanten Zertifizierungszyklus der EU zu rund 60 der Zeit unterhalb von 150°C und zu ca. 75% der Zeit unterhalb von 200°C.A disadvantage of the known solutions for NO x removal from O 2 -rich exhaust gases is in most cases also the fact that the nitrogen oxides are effectively implemented only above 200 ° C. The fact that due to the continuous optimization of the efficiency of internal combustion engines, the temperature of the exhaust gases is constantly reduced, results in the known solutions, a major problem in terms of their effectiveness. For example, in modern, diesel-powered internal combustion engines for passenger cars, the exhaust gas temperature in the relevant EU certification cycle is around 60 ° C below 150 ° C and approximately 75% of the time below 200 ° C.

Die DE 102 16 748 A1 beschreibt modifizierte Katalysatoren für die selektive Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen mit sperrigen oder verzweigten Substituenten. Eine NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen ist mit diesen Katalysatoren jedoch nicht durchführbar.The DE 102 16 748 A1 describes modified catalysts for the selective hydrogenation of aromatic hydrocarbons having bulky or branched substituents. A NO x reduction in NO x -containing exhaust gases is not feasible with these catalysts.

In der DE 44 36 890 A1 ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Verminderung der im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide beschrieben. Der dabei eingesetzte Katalysator weist ein Aluminiumsilikat als hochoberflächiges Trägermaterial auf.In the DE 44 36 890 A1 is a method for the simultaneous reduction of the hydrocarbons contained in the exhaust gas of an internal combustion engine, carbon monoxide and nitrogen oxides described. The catalyst used in this case has an aluminum silicate as a high surface area support material.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen und ein Verfahren zur Herstellung desselben sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen zu schaffen, mit denen Stickstoffoxide bereits bei sehr niedrigen Temperaturen mit hohen Umsatzraten reduziert werden können.It is an object of the present invention to provide a catalyst for use in a selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases while supplying hydrogen to the exhaust gases and a method of manufacturing the same, as well as an apparatus and method for selective NO x reduction NO x -containing exhaust gases with which nitrogen oxides can be reduced even at very low temperatures with high conversion rates.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für den Katalysator durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved for the catalyst by the features mentioned in claim 1.

Die Erfinder haben festgestellt, dass überraschenderweise mit dem für die aktive Komponente eingesetzten Palladium eine sehr gute Umwandlung von Stickstoffoxiden zu Stickstoff erzielt werden kann, obwohl eine Kombination der Trägerschicht aus Zirkoniumoxid mit dem auf der Trägerschicht aufgebrachten Promoter aus Wolframoxid an sich für Platin als aktive Komponente zugeschnitten war. Diese mit Palladium als aktiver Komponente erreichbare hohe selektive Umsetzung in Verbindung mit einer sehr hohen Aktivität ist umso überraschender, als die Aktivität der aktiven Komponente sehr stark von dem Material der Trägerschicht und dem verwendeten Promoter abhängt und der Literatur hierfür keinerlei Hinweise zu entnehmen sind.The inventors have found that, surprisingly, with the palladium used for the active component, a very good conversion of nitrogen oxides to nitrogen can be achieved, although a combination of the carrier layer of zirconium oxide with the promoter of tungsten oxide applied on the carrier layer per se for platinum as the active component was tailored. This achievable with palladium as an active component high selective reaction in conjunction with a very high activity is all the more surprising, since the activity of the active component is very much dependent on the material of the carrier layer and the promoter used and the literature for this no reference can be found.

Ein großer Vorteil des Einsatzes von Palladium als aktive Komponente des erfindungsgemäßen Katalysators besteht darin, dass im Gegensatz zu einem Platin als aktive Komponente aufweisenden Katalysator die Trägerschicht aus Zirkoniumoxid nicht in einer bestimmten Kristallmodifikation bzw. Kristallstruktur vorliegen muss, sondern dass jede beliebige Kristallmodifikation eingesetzt werden kann, was den Herstellungs- und Kostenaufwand gegenüber bekannten Lösungen erheblich verringert. Der Kostenaufwand für den erfindungsgemäßen Katalysator wird noch dadurch erheblich verringert, dass der Rohmaterialpreis von Palladium sehr viel niedriger ist als der von Platin.A major advantage of the use of palladium as the active component of the catalyst according to the invention is that in contrast to a catalyst having platinum as active component, the carrier layer of zirconium oxide does not have to be present in a specific crystal modification or crystal structure, but any desired crystal modification can be used , which significantly reduces the manufacturing and cost compared to known solutions. The cost of the catalyst according to the invention is significantly reduced by the fact that the raw material price of palladium is much lower than that of platinum.

Des weiteren ist vorteilhaft, dass der erfindungsgemäße Katalysator bereits bei sehr niedrigen Temperaturen eine hohe Aktivität zeigt, sodass er auch bei zukünftigen Verbrennungskraftmaschinen, bei denen sehr viel niedrigere Abgastemperaturen zu erwarten sind, problemlos eingesetzt werden kann. Insbesondere ist diese Eigenschaft auch bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Katalysators in Industrieanlegen vorteilhaft, da dort der zu reinigende Luftstrom häufig erwärmt werden muss, um eine NOx-Reduktion erreichen zu können.Furthermore, it is advantageous that the catalyst according to the invention shows a high activity even at very low temperatures, so that it can be used without problems even in future internal combustion engines, where much lower exhaust gas temperatures are to be expected. In particular, this property is also advantageous when using the catalyst according to the invention in industrial applications, since there the air stream to be cleaned frequently has to be heated in order to be able to achieve a NO x reduction.

Zu der hohen Aktivität bei niedrigen Temperaturen trägt insbesondere auch die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel bei, wodurch an dem erfindungsgemäßen Katalysator NOx bereits bei Temperaturen ab 120°C wirkungsvoll umgesetzt wird. Durch die direkte Umsetzung von NOx mit H2 zu N2 und H2O werden die bei NOx-Speicherkatalysatoren auftretenden Nachteile vermieden. Die Verwendung von Wasserstoff als Reduktionsmittel ist dabei toxikologisch vollkommen unbedenklich, da als Reaktionsprodukt Wasser, entsteht. In particular, the use of hydrogen as a reducing agent contributes to the high activity at low temperatures, as a result of which NO x is effectively reacted on the catalyst according to the invention already at temperatures above 120 ° C. The direct conversion of NO x with H 2 to N 2 and H 2 O avoids the disadvantages associated with NO x storage catalysts. The use of hydrogen as a reducing agent is toxicologically completely harmless, since the reaction product is water.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht eine monokline Kristallmodifikation aufweist.In a very advantageous development of the invention it can be provided that the zirconium oxide of the carrier layer has a monoclinic crystal modification.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht eine kubische Kristallmodifikation aufweist.Alternatively, it may be provided that the zirconium oxide of the carrier layer has a cubic crystal modification.

Beide der genannten Kristallmodifikation, monoklin oder kubisch, sind verhältnismäßig einfach herzustellen und bringen daher gegenüber einer tetragonalen Kristallmodifikation, wie sie beispielsweise bei der WO 2007/020035 A1 erforderlich ist, erhebliche Kostenvorteile mit sich.Both of the mentioned crystal modification, monoclinic or cubic, are relatively easy to prepare and therefore bring about a tetragonal crystal modification, as for example in the WO 2007/020035 A1 is required, significant cost advantages.

Eine besonders gute selektive Umsetzung und eine hohe Aktivität des Katalysators konnten beobachtet werden, wenn das Massenverhältnis der aktive Komponente aus Palladium zu dem Promoter aus Wolframoxid 1:150 bis 1:10, insbesondere 1:100 bis 1:25, beträgt.A particularly good selective conversion and a high activity of the catalyst could be observed when the mass ratio of the active component of palladium to the promoter of tungsten oxide is 1: 150 to 1:10, in particular 1: 100 to 1:25.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Katalysators ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 5.A process for the preparation of the catalyst according to the invention results from the features of claim 5.

Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich der erfindungsgemäße Katalysator besonders einfach herstellen.With the aid of this process, the catalyst according to the invention can be produced particularly easily.

Aus Anspruch 8 ergibt sich eine Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen mit einem in einer Abgasleitung angeordneten, erfindungsgemäßen Katalysator.From claim 8, an apparatus for selective NO x reduction results in NO x -containing exhaust gases with a arranged in an exhaust pipe, catalyst according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht einen optimalen Einsatz des Katalysators zur selektiven NOx-Reduktion von Abgasen, wobei der Wasserstoff in einfacher Weise mittels einer Wasserstoffzuführeinrichtung in die Abgasleitung eingebracht werden kann. Durch die Kombination der Verwendung von Zirkoniumoxid für die Trägerschicht, Wolframoxid für den Promoter und Palladium für die aktive Komponente kann im Vergleich zu bekannten Lösungen eine sehr hohe DeNOx-Aktivität und eine sehr hohe N2-Selektivität erreicht werden, wozu insbesondere auch die Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen beiträgt. Die Verwendung von Wolframoxid als Promoter, der sowohl die Aktivität der aktiven Komponente aus Palladium als auch die Selektivität bei der Reduktion von NOx zu N2 erhöht, ist besonders vorteilhaft, da es sich hierbei um einen toxikologisch unbedenklichen Stoff handelt, der weder in der Herstellung noch bei einer eventuell späteren Entsorgung Probleme bereitet.The device according to the invention enables optimal use of the catalyst for selective NO x reduction of exhaust gases, wherein the hydrogen can be introduced into the exhaust pipe in a simple manner by means of a hydrogen supply. The combination of the use of zirconium oxide for the carrier layer, tungsten oxide for the promoter and palladium for the active component, a very high DeNO x activity and a very high N 2 selectivity can be achieved compared to known solutions, including in particular the supply of hydrogen contributes to the exhaust gases. The use of tungsten oxide as a promoter, which increases both the activity of the active component of palladium and the selectivity in the reduction of NO x to N 2 , is particularly advantageous, since this is a toxicologically harmless substance that is neither in the Production even with a possible later disposal problems.

Ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen mit einer derartigen Vorrichtung ist in Anspruch 9 angegeben. Mit Hilfe dieses Verfahrens werden die oben erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders gut genutzt, wodurch sich eine sehr hohe Umsetzung von NOx ergibt. Das Verfahren ist darüber hinaus mit einfachen Mitteln durchführbar und führt zu einer sehr hohen N2-Selektivität.A method for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases with such a device is given in claim 9. With the aid of this method, the above-explained advantages of the device according to the invention are used particularly well, resulting in a very high conversion of NO x . The method is also feasible by simple means and leads to a very high N 2 selectivity.

Besonders gut lässt sich dieses Verfahren einsetzen, wenn die Temperatur der Abgase 120–200°C beträgt.This method can be used particularly well when the temperature of the exhaust gases is 120-200 ° C.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.Further advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the remaining dependent claims. Embodiments of the invention are shown in principle with reference to the drawings.

Es zeigt:It shows:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Aufbaus des Katalysators der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 a schematic representation of a first embodiment of the structure of the catalyst of the device according to the invention;

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Aufbaus des Katalysators der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 a schematic representation of a second embodiment of the structure of the catalyst of the device according to the invention;

3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Katalysators als Pellet; 3 a schematic representation of an embodiment of the catalyst as a pellet;

4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Katalysators als Wabenkörper; 4 a schematic representation of an embodiment of the catalyst as a honeycomb body;

5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Katalysators als Extrudat; 5 a schematic representation of an embodiment of the catalyst as an extrudate;

6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion bei einer Verbrennungskraftmaschine; 6 a schematic representation of the inventive device for selective NO x reduction in an internal combustion engine;

7 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur selektiven NOx-Reduktion bei einer industriellen Anwendung; 7 a schematic representation of the inventive device for selective NO x reduction in an industrial application;

8 ein Schaubild, das den Umsatz und die Selektivität einer ersten Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Katalysators zeigt; und 8th a graph showing the conversion and the selectivity of a first composition of the catalyst according to the invention; and

9 ein Schaubild, das den Umsatz und die Selektivität einer zweiten Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Katalysators zeigt. 9 a graph showing the conversion and the selectivity of a second composition of the catalyst according to the invention.

1 zeigt in einer sehr schematischen, insbesondere nicht maßstabsgetreuen, und erheblich vergrößerten Darstellung eine erste Ausführungsform eines Katalysators 1, welcher zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen einer in 6 dargestellten, vorzugsweise nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden Verbrennungskraftmaschine 2 dient. Der Katalysator 1 weist einen die Steifigkeit desselben erzeugenden Grundkörper 3 auf, der beispielsweise als Wabenkörper ausgebildet sein und aus einem keramischen Material bestehen kann. Der Grundkörper 3 kann auch als Rußfilter ausgeführt sein, um eventuell in den Abgasen enthaltene Rußpartikel herauszufiltern. Alternativ kann der Grundkörper 3 beispielsweise auch aus einem Metallsubstrat gebildet sein. 1 shows in a very schematic, in particular not to scale, and greatly enlarged representation of a first embodiment of a catalyst 1 , which for selective NO x reduction in the exhaust gases of an in 6 illustrated, preferably operating on the diesel principle internal combustion engine 2 serves. The catalyst 1 has a rigidity generating same basic body 3 on, which may be formed for example as a honeycomb body and may consist of a ceramic material. The main body 3 can also be designed as a soot filter to filter out any soot particles contained in the exhaust gases. Alternatively, the main body 3 for example, be formed from a metal substrate.

Auf dem Grundkörper 3 ist eine Trägerschicht 4 aufgebracht, welche aus Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht. Die Trägerschicht 4 ist vorzugsweise äußerst porös, kann aus einem hydrophilen Material bestehen und weist eine Oberfläche von mindestens 50 m2/g, vorzugsweise von mindestens 100 m2/g, der Trägerschicht 4 auf. Das Zirkoniumoxid kann dabei eine monokline oder eine kubische, gegebenenfalls jedoch auch eine tetragonale Kristallmodifikation aufweisen.On the main body 3 is a carrier layer 4 applied, which consists of zirconium oxide (ZrO 2 ). The carrier layer 4 is preferably highly porous, may consist of a hydrophilic material and has a surface area of at least 50 m 2 / g, preferably of at least 100 m 2 / g, of the carrier layer 4 on. The zirconium oxide may have a monoclinic or a cubic, but optionally also a tetragonal crystal modification.

Auf der dem Grundkörper 3 abgewandten Seite der Trägerschicht 4 ist dieselbe mit einer Beschichtung 5 versehen, die einen Promoter 5a und eine aktive Komponente 5b aufweist. Die aktive Komponente 5b besteht aus Palladium und der Promoter 5a besteht aus Wolframoxid. Die Beschichtung 5 der Trägerschicht 4 ist so aufgebaut, dass an der dem Grundkörper 3 abgewandten, also an der äußeren Oberfläche 1a des Katalysators 1 sowohl Palladium als auch Wolframoxid vorliegen.On the body 3 opposite side of the carrier layer 4 is the same with a coating 5 provided a promoter 5a and an active component 5b having. The active component 5b consists of palladium and the promoter 5a consists of tungsten oxide. The coating 5 the carrier layer 4 is constructed so that at the base body 3 facing away, so on the outer surface 1a of the catalyst 1 both palladium and tungsten oxide are present.

Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Katalysators 1 werden zur Herstellung desselben die aktive Komponente 5b und der Promoter 5a gemeinsam auf die Trägerschicht 4 aufgebracht, wodurch es zu einer gewissen Vermischung der aktiven Komponente 5b und dem Promoter 5a kommt, d. h. das Palladium liegt in Form einzelner Partikel in dem Wolframoxid vor. Das Wolframoxid und das Palladium liegen dabei als Wolframsalz bzw. Palladiumsalz in einer wässrigen Lösung vor, welche auf die Trägerschicht 4 aufgebracht und anschließend getrocknet wird. Zur Herstellung des Katalysators 1 eignen sich außerdem auch eine chemische oder elektrochemische Abscheidung.At the in 1 illustrated embodiment of the catalyst 1 are used to make the same the active component 5b and the promoter 5a together on the carrier layer 4 applied, causing some mixing of the active component 5b and the promoter 5a comes, ie the palladium is in the form of individual particles in the tungsten oxide. The tungsten oxide and the palladium are present as tungsten salt or palladium salt in an aqueous solution, which is on the support layer 4 applied and then dried. For the preparation of the catalyst 1 In addition, a chemical or electrochemical deposition are also suitable.

Bei der Ausführungsform des Katalysators 1 gemäß 2 wird zunächst der Promoter 5a und anschließend die aktive Komponente 5b auf die Trägerschicht 4 aufgebracht. Das Wolframoxid liegt dabei als Wolframsalz in einer wässrigen Lösung vor, welche auf die Trägerschicht 4 aufgebracht wird. Konkret kann pro Gramm des die Trägerschicht 4 bildenden Zirkoniumoxids eine Lösung bestehend aus 0,776 g Ammoniummetawolframat (Fluka, W-Gehalt: 67%) und 0,32 g destilliertem Wasser hergestellt und aufgebracht werden. Nach der Imprägnierung des Trägers mit der Ammoniummetawolframatlösung wird 5 h bei 100°C getrocknet. Nach dem Trocknen der Trägerschicht 4, gegebenenfalls gefolgt von einem Kalzinieren und Reduzieren in einem reduktionsmittelhaltigen Gasstrom, wird das ebenfalls in einer wässrigen Lösung vorliegende Palladiumsalz auf die mit dem Wolframoxid beschichtete Trägerschicht 4 aufgebracht und anschließend nochmals getrocknet. Zur Aktivierung der Palladiumkomponente wird die Substanz zum Beispiel mit einer Heizrate von 100 K/h in einem Volumenstrom (500 ml/min bestehend aus 10 Vol.-% Wasserstoff und 90 Vol.-% Stickstoff auf 300°C aufgeheizt und 30 min bei dieser Temperatur gehalten. Dabei wird lediglich das Palladiumsalz zum Metall umgesetzt. Wolframoxid und Zirkondioxid dagegen werden nicht reduziert. Anschließend wird das Material 5 h lang bei 500°C in statischer Atmosphäre kalziniert, wobei die Aufheizrate wiederum 100 K/min beträgt. Diese abschließende Konditionierung dient dem Zweck, den Katalysator typischen Abgastemperaturen auszusetzen. Dadurch können bei den nachfolgenden Aktivitätsuntersuchungen temperaturabhängige Veränderungen des Katalysators und damit verbundene Artefakte ausgeschlossen werden. Die eingesetzten Nitrate werden bei der Konditionierung vollständig unter NOx-Abgabe in die entsprechenden Oxide überführt. Die in 2 dargestellte Vorgehensweise erfordert demnach zwei Trocknungsschritte, wohingegen bei der Herstellung des Katalysators 1 gemäß 1 lediglich ein Trocknungsschritt erforderlich ist.In the embodiment of the catalyst 1 according to 2 first becomes the promoter 5a and then the active component 5b on the carrier layer 4 applied. The tungsten oxide is present as a tungsten salt in an aqueous solution, which is on the support layer 4 is applied. Specifically, per gram of the backing layer 4 a solution consisting of 0.776 g of ammonium metatungstate (Fluka, W content: 67%) and 0.32 g of distilled water are prepared and applied to forming zirconia. After impregnation of the carrier with the ammonium metatungstate solution, it is dried at 100.degree. C. for 5 hours. After drying the carrier layer 4 optionally followed by calcination and reduction in a reducing agent-containing gas stream, the palladium salt also present in an aqueous solution is applied to the tungsten oxide-coated carrier layer 4 applied and then dried again. To activate the palladium component, the substance is heated, for example, at a heating rate of 100 K / h in a volume flow (500 ml / min consisting of 10 vol .-% hydrogen and 90 vol .-% nitrogen to 300 ° C and 30 min at this Only tungsten oxide and zirconium oxide are not reduced, then the material is calcined for 5 hours at 500 ° C. in a static atmosphere, the heating rate once again being 100 K / min In order to expose the catalytic converter to typical exhaust gas temperatures, the following activity studies may show temperature - dependent changes in the catalytic converter Catalyst and related artifacts are excluded. The nitrates used are completely converted into the corresponding oxides during the conditioning with release of NO x . In the 2 The procedure described therefore requires two drying steps, whereas in the preparation of the catalyst 1 according to 1 only one drying step is required.

In den 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausformungen des Katalysators 1 dargestellt, neben denen jedoch noch andere Ausführungsformen denkbar sind.In the 3 . 4 and 5 are different forms of the catalyst 1 shown, in addition to which, however, other embodiments are conceivable.

So zeigt 3 eine Ausführungsform des Katalysators 1 in Form eines Pellets. Solche Pellets, die wie dargestellt kugelförmig, jedoch auch stabförmig oder in ähnlicher Form ausgebildet sein können, können in einer geeigneten Anzahl insbesondere bei stationären Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden, da dort die Anströmfläche des Katalysators 1 annähernd frei gewählt werden kann. Die Größe der Pellets kann dabei in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. In dieser Ausführungsform kann die Trägerschicht 4 die Funktion des Grundkörpers 3 übernehmen, d. h. es kann auf den eigentlichen Grundkörper 3 verzichtet werden, da dieser durch die Trägerschicht 4 gebildet wird. Dadurch kann es möglich sein, einen größeren Anteil der aktiven Komponente 5b in einem volumenmäßig gleich großen Katalysator 1 einzubringen, wodurch höhere Stickstoffoxid-Umsätze erzielt werden können.So shows 3 an embodiment of the catalyst 1 in the form of a pellet. Such pellets, which may be spherical as shown, but also rod-shaped or formed in a similar form, can be advantageously used in a suitable number, especially in stationary applications, since there the inflow surface of the catalyst 1 can be chosen almost freely. The size of the pellets may vary depending on the application. In this embodiment, the carrier layer 4 the function of the basic body 3 take over, ie it can affect the actual body 3 be waived, as this by the carrier layer 4 is formed. This may allow a larger proportion of the active component 5b in a catalyst of equal size in volume 1 contribute, whereby higher nitrogen oxide conversions can be achieved.

In 4 ist der Katalysator 1 in einer bereits oben erwähnten Form eines Wabenkörpers 17 dargestellt, die insbesondere bei Abgasen mit hohen Volumenströmen vorteilhaft eingesetzt werden können, da sie einen sehr geringen Abgasgegendruck erzeugen. Auf dem Wabenkörpers 17 ist ein sogenannter Washcoat 18 aufgebracht, zu dessen Aufbringung prinzipiell auf bekannte Techniken zurückgegriffen werden kann. Der Washcoat 18 kann in einer ersten Ausgestaltung nur das Zirkoniumoxid sein und es wird in diesem Fall Wolframoxid und Palladium auf den Washcoat 18 aufgetragen. Des weiteren ist es möglich, dass der Washcoat 18 aus Zirkoniumoxid und Wolframoxid besteht und Palladium auf den Washcoat 18 aufgetragen wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Washcoat 18 aus Zirkoniumoxid, Wolframoxid und Palladium besteht, welches dann vorzugsweise als Pulver aufgetragen wird. Der Washcoat 18 kann demnach wie gemäß 1 oder gemäß 2 aufgebaut sein, oder als Pulver. Zum Aufbringen des Washcoats 18 können zusätzlich an sich bekannte Bindemittel verwendet werden.In 4 is the catalyst 1 in an already mentioned form of a honeycomb body 17 represented that can be advantageously used in particular in exhaust gases with high flow rates, since they produce a very low exhaust back pressure. On the honeycomb body 17 is a so-called washcoat 18 applied, the application of which can be used in principle on known techniques. The washcoat 18 In a first embodiment, only the zirconium oxide can be used, and in this case tungsten oxide and palladium are applied to the washcoat 18 applied. Furthermore, it is possible that the washcoat 18 consists of zirconium oxide and tungsten oxide and palladium on the washcoat 18 is applied. Another possibility is that the washcoat 18 consists of zirconium oxide, tungsten oxide and palladium, which is then preferably applied as a powder. The washcoat 18 can therefore according to 1 or according to 2 be constructed, or as a powder. For applying the washcoat 18 In addition known binders can be used.

Schließlich ist in 5 der Katalysator 1 als Extrudat 19, also als ein durch Extrudieren hergestelltes Produkt, dargestellt. Dabei übernimmt die Trägerschicht 4 wiederum die Funktion des Grundkörpers 3, d. h. es kann wie bei der Ausführungsform von 3 auf den eigentlichen Grundkörper 3 verzichtet werden. Prinzipiell ist der Verzicht auf den Grundkörper 3 auch bei sämtlichen anderen Ausführungsformen denkbar, wenn es möglich ist, dass die Trägerschicht 4 die Funktion des Grundkörpers 3 übernimmt. Das Extrudat besteht vollständig aus dem „fertigen” Katalysatormaterial, der Grundkörper 3 bzw. das Material der Trägerschicht 4 ist also das Katalysatorpulver selbst. Aus dem Katalysatorpulver wird demnach der keramische Körper, z. B. ein Wabenkörper, hergestellt. Zum Herstellen des Extrudats 19 können zusätzlich an sich bekannte Bindemittel verwendet werden.Finally, in 5 the catalyst 1 as an extrudate 19 , ie as a product made by extrusion. The carrier layer takes over 4 again the function of the basic body 3 , ie it can be as in the embodiment of 3 on the actual body 3 be waived. In principle, the waiver of the body 3 also conceivable in all other embodiments, if it is possible that the carrier layer 4 the function of the basic body 3 takes over. The extrudate consists entirely of the "finished" catalyst material, the main body 3 or the material of the carrier layer 4 So is the catalyst powder itself. From the catalyst powder is therefore the ceramic body, for. As a honeycomb body made. For making the extrudate 19 In addition known binders can be used.

6 zeigt eine Vorrichtung 6 zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine 2, mit der es möglich ist, ein Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine 2 durchzuführen, wobei den Abgasen Wasserstoff als Reduktionsmittel zugeführt wird. Durch die Zufuhr von Wasserstoff zu den Abgasen ergibt sich an dem in den 1 bis 5 in verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Katalysator 1 eine unmittelbare Umsetzung von NOx mit H2 zu N2 und H2O. Um die Abgase direkt reduzieren zu können, ist der Katalysator 1 in einer von der Verbrennungskraftmaschine 2 ausgehenden Abgasleitung 7 angeordnet. Die Vorrichtung 6 weist des weiteren eine Wasserstoffzuführeinrichtung 8 auf, welche einen beispielsweise in Form eines Druckzylinders ausgebildeten Behälter 9 aufweist, der mit einer Zuführöffnung 10 versehen ist. An die Zuführöffnung 10 ist eine Zuführleitung 11 angeschlossen, welche zu der Abgasleitung 7 führt. Die Zuführöffnung 10 ist mit einem Verschluss 12 versehen, dessen Öffnungszustand mittels einer Steuereinrichtung 13 verändert werden kann. Die Steuereinrichtung 13 ist wiederum mit einem in der Abgasleitung 7 angeordneten NOx-Sensor 14 sowie mit einem Sensor 15 verbunden, der in einer zu der Verbrennungskraftmaschine 2 führenden Ansaugleitung 16 angeordnet ist. Der Sensor 15 ist im vorliegenden Fall als an sich bekannter Luftmassensensor ausgebildet und dient dazu, den zu der Verbrennungskraftmaschine 2 strömenden Luftmassenstrom zu messen. Alternativ könnte der Sensor 15 auch in der Abgasleitung 7 angeordnet sein. Des weiteren wäre es möglich, einen Temperatursensor in der Abgasleitung 7 vorzusehen. Gegebenenfalls könnte auch auf einen der beiden Sensoren 14 oder 15 verzichtet werden. 6 shows a device 6 for selective NO x reduction in the exhaust gases of the internal combustion engine 2 , with which it is possible, a method for selective NO x reduction in the exhaust gases of the internal combustion engine 2 to carry out, wherein the exhaust gases hydrogen is supplied as a reducing agent. By the supply of hydrogen to the exhaust gases results in the in the 1 to 5 in various embodiments described catalyst 1 an immediate reaction of NO x with H 2 to N 2 and H 2 O. In order to reduce the exhaust gases directly, is the catalyst 1 in one of the internal combustion engine 2 outgoing exhaust pipe 7 arranged. The device 6 further comprises a hydrogen supply device 8th on which a trained example in the form of a printing cylinder container 9 having, with a feed opening 10 is provided. To the feed opening 10 is a supply line 11 connected, which to the exhaust pipe 7 leads. The feed opening 10 is with a lock 12 provided, the opening state by means of a control device 13 can be changed. The control device 13 is in turn with one in the exhaust pipe 7 arranged NO x sensor 14 as well as with a sensor 15 connected in one to the internal combustion engine 2 leading suction line 16 is arranged. The sensor 15 is designed in the present case as per se known air mass sensor and serves to the to the internal combustion engine 2 to measure flowing air mass flow. Alternatively, the sensor could 15 also in the exhaust pipe 7 be arranged. Furthermore, it would be possible to have a temperature sensor in the exhaust pipe 7 provided. Optionally, it could also be on one of the two sensors 14 or 15 be waived.

Durch die beiden Sensoren 14 und 15 ist es möglich, einen bestimmten Zustand in der Abgasleitung 7 oder in der Ansaugleitung 16 festzustellen und an die Steuereinrichtung 13 weiterzuleiten. Die Steuereinrichtung 13 ist dadurch in der Lage, den sich in dem Behälter 9 befindlichen Wasserstoff in Abhängigkeit der NOx-Konzentration innerhalb der Abgasleitung 7 oder in Abhängigkeit eines Luftmassenstroms durch die Verbrennungskraftmaschine 2 in die Abgasleitung 7 zu leiten. Auf diese Weise kann zum Beispiel bei einem Beschleunigungsvorgang, bei dem ein höherer NOx-Ausstoß zu erwarten ist, eine größere Menge an Wasserstoff in die Abgasleitung 7 eingeleitet werden. Es ist auch möglich, die erforderlichen Daten in einem Kennfeld in der Steuereinrichtung 13 zu hinterlegen, um zu bestimmten Zeiten eine erhöhte Menge an Wasserstoff zuzuführen. Selbstverständlich kann der Wasserstoff auch kontinuierlich in die Abgasleitung 7 geleitet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine bestimmte Grundmenge an Wasserstoff in die Abgasleitung 7 zu leiten und bei einem durch einen der Sensoren 14 oder 15 festgestellten Bedarf die eingeleitete Wasserstoffmenge zu erhöhen.Through the two sensors 14 and 15 is it possible to have a specific condition in the exhaust pipe 7 or in the suction line 16 and to the controller 13 forward. The control device 13 is thus able to be in the container 9 located hydrogen as a function of the NO x concentration within the exhaust pipe 7 or in dependence of an air mass flow through the internal combustion engine 2 in the exhaust pipe 7 to lead. In this way, for example, in an acceleration process in which a higher NO x emissions is to be expected, a larger amount of hydrogen in the exhaust pipe 7 be initiated. It is also possible to store the required data in a map in the controller 13 deposit in order to supply at certain times an increased amount of hydrogen. Of course, the hydrogen can also continuously into the exhaust pipe 7 be directed. Another possibility is to introduce a certain basic amount of hydrogen into the exhaust pipe 7 to conduct and at one by one of the sensors 14 or 15 identified need to increase the amount of hydrogen introduced.

Um ein zusätzliches Tanken von Wasserstoff überflüssig zu machen, kann die Wasserstoffzuführeinrichtung 8 mit einer nicht dargestellten Einrichtung zur Reformierung von Kohlenwasserstoff oder -derivaten zu Wasserstoff aus dem für die Verbrennungskraftmaschine 2 vorgesehenem Kraftstoff, also einem Reformer oder dergleichen, verbunden sein. Der benötigte Wasserstoff könnte auch mittels einer Elektrolyse einer geeigneten Substanz, z. B. Wasser, hergestellt werden. Diese beiden Möglichkeiten werden hierin unter dem Begriff „HZ-Generator” zusammengefasst. Der Behälter 9 kann in einem solchen Fall entweder weggelassen oder durch einen kleineren Zwischenspeicher ersetzt werden.To make additional fueling of hydrogen superfluous, the hydrogen supply can 8th with a device, not shown, for the reforming of hydrocarbon or derivatives to hydrogen from that for the internal combustion engine 2 be provided fuel, so a reformer or the like, connected. The required hydrogen could also by means of an electrolysis of a suitable substance, for. As water, are produced. These two possibilities are summarized herein by the term "HZ generator". The container 9 can be omitted in such a case either or replaced by a smaller cache.

Wenn der Grundkörper 3 nicht gleichzeitig als Rußfilter ausgebildet ist, wie dies oben kurz beschrieben wird, so kann in Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung 7 ein nicht dargestellter Partikelfilter dem Katalysator 1 vor- oder nachgeschaltet werden. Der Grundkörper 3 dient somit lediglich zum Halten der Trägerschicht 4.If the main body 3 is not formed at the same time as a soot filter, as described briefly above, so may in the flow direction of the exhaust gas in the exhaust pipe 7 an unillustrated particulate filter the catalyst 1 be advanced or downstream. The main body 3 thus serves only to hold the carrier layer 4 ,

In 7 ist die Vorrichtung 6 bei einer industriellen Anwendung, also zur selektiven NOx-Reduktion in den Abgasen einer nur schematisch angedeuteten Industrieanlage 17, beispielsweise einem Kraftwerk, dargestellt. Die Vorrichtung 6, die mit Ausnahme des Verzichts auf den Sensor 15 und die Ansaugleitung 16 ähnlich zu derjenigen gemäß 6 ausgebildet ist, arbeitet dabei im Gegensatz zur Anwendung bei der Verbrennungskraftmaschine 2 in einem stationären Betrieb. Der wichtigste Unterschied zu dem instationären Betrieb des Katalysators 1 bei der Verbrennungskraftmaschine 2 besteht dabei darin, dass sich im stationären Betrieb sehr viel schneller ein Gleichgewicht einstellt, wodurch sich sehr gute Arbeitsbedingungen für den Katalysator 1 ergeben.In 7 is the device 6 in an industrial application, so for selective NO x reduction in the exhaust gases of an industrial plant indicated only schematically 17 , For example, a power plant shown. The device 6 that except for the waiver of the sensor 15 and the suction line 16 similar to that according to 6 is formed, it works in contrast to the application in the internal combustion engine 2 in a stationary operation. The most important difference to the transient operation of the catalyst 1 at the internal combustion engine 2 It consists in the fact that in stationary operation a much faster equilibrium is established, whereby very good working conditions for the catalyst 1 result.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige beispielhafte Zusammensetzungen des Katalysators 1 angegeben: Trägermaterial Wolfram [Massen-%] Palladium [Massen-%] Katalysator-Kurzbezeichnung Zirkoniumoxid 8,7 0,136 0,14 Pd/8,7 W/ZrO2 Zirkoniumoxid 8,7 0,273 0,27 Pd/8,7 W/ZrO2 Zirkoniumoxid 8,7 0,409 0,41 Pd/8,7 W/ZrO2 Zirkoniumoxid 8,7 0,546 0,55 Pd/8,7 W/ZrO2 Zirkoniumoxid 8,7 0,682 0,68 Pd/8,7 W/ZrO2 Zirkoniumoxid 8,7 0,818 0,82 Pd/8,7 W/ZrO2 In the table below are some exemplary compositions of the catalyst 1 stated: support material Tungsten [mass%] Palladium [% by mass] Catalyst abbreviation zirconia 8.7 0,136 0.14 Pd / 8.7 W / ZrO 2 zirconia 8.7 0,273 0.27 Pd / 8.7 W / ZrO 2 zirconia 8.7 0.409 0.41 Pd / 8.7 W / ZrO 2 zirconia 8.7 0.546 0.55 Pd / 8.7 W / ZrO 2 zirconia 8.7 .682 0.68 Pd / 8.7 W / ZrO 2 zirconia 8.7 0.818 0.82 Pd / 8.7 W / ZrO 2

Prinzipiell kann der Palladiumgehalt zwischen 0,1–1 Massen-%, insbesondere zwischen 0,35–0,55 Massen-% liegen, wobei ein geringerer Palladiumgehalt tendenziell eine höhere Abgastemperatur erfordert, die Kosten des jeweiligen Katalysators 1 jedoch je nach Größe desselben teilweise deutlich reduziert. Des weiteren hat sich ein Massenverhältnis der aktive Komponente 5b aus Palladium zu dem Promoter 5a aus Wolframoxid von 1:150 bis 1:10, insbesondere 1:100 bis 1:25 als besonders vorteilhaft herausgestellt. Im vorliegenden Fall sind die Massen-%-Angaben von Wolfram und Palladium auf 100% des Trägermaterials 4 gerechnet, d. h. es ergeben sich mit dem Trägermaterial 4 insgesamt mehr als 100%. Des weiteren ist zu beachten, dass die genannten 8,7 Massen-% Wolfram ca. 11 Massen-% Wolframoxid entsprechen.In principle, the palladium content may be between 0.1-1% by mass, in particular between 0.35-0.55% by mass, a lower palladium content tending to require a higher exhaust-gas temperature, the cost of the particular catalyst 1 However, depending on the size of the same sometimes significantly reduced. Furthermore, a mass ratio of the active component has 5b from palladium to the promoter 5a from tungsten oxide of 1: 150 to 1:10, especially 1: 100 to 1:25 proved particularly advantageous. In the present case, the mass% of tungsten and palladium is 100% of the support material 4 Calculated, that is, it results with the carrier material 4 in total more than 100%. It should also be noted that the said 8.7 mass% tungsten correspond to about 11 mass% tungsten oxide.

Für die Bestimmung des Aktivitäts- bzw. Selektivitätsverhaltens der verschiedenen Katalysatormaterialien wurde das Verfahren der temperaturprogrammierten Reaktion (TPR) angewendet. Zur Durchführung der Messungen wurde zunächst die Katalysatormasse bei 5 bar gepresst und anschließend auf eine Korngröße von 125–250 μm gebracht. Mit Hilfe zweier geeigneter Siebe wurden Teilchen, die größer als 250 μm und kleiner als 125 μm waren, aussortiert. Anschließend wurden 500 mg des Materials 15 min lang bei 500°C im Argonstrom (500 ml/min) ausgeheizt, um adsorbierte Spezies, wie z. B. Wasser, Kohlenwasserstoffe oder Kohlenstoffdioxid zu entfernen. Dadurch wurden reproduzierbare Versuchsbedingungen sichergestellt. Anschließend wurde synthetisches Diesel-Modellabgas, dessen Zusammensetzung sich an typischen Werten eines realen Abgases orientierte, und Wasserstoff zudosiert. Um einen linearen Temperaturverlauf zu gewährleisten, wurde die Messung mit einer abkühlenden Rampe von 2 K/min im Bereich zwischen 50°C und 500°C durchgeführt. Die Messbedingungen, die in gewissen, in Klammern angegebenen Bereichen variieren können, sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt: Parameter Wert (Bereich) c (NOx) 500 ppm (5–5000) c (O2) 6 Vol.-% (0,5–21) c (H2) 2000 ppm (0,05–5%) Balance Ar (N2) Fluss 500 ml/min (STP) S. V. 80000 h–1 (5.000–200.000) mKat 500 mg dKat 125–250 μm Heizrate 2 K/min, abkühlend Temperaturbereich 50–500°C For the determination of the activity or selectivity behavior of the different catalyst materials, the method of the temperature-programmed reaction (TPR) was used. To carry out the measurements, first the catalyst mass was pressed at 5 bar and then pressed on a Grain size of 125-250 microns brought. With the aid of two suitable sieves, particles larger than 250 μm and smaller than 125 μm were sorted out. Subsequently, 500 mg of the material was baked for 15 minutes at 500 ° C in an argon stream (500 ml / min) to adsorb adsorbed species such. As water, hydrocarbons or carbon dioxide to remove. This ensured reproducible experimental conditions. Subsequently, synthetic diesel model exhaust gas, the composition of which was based on typical values of a real exhaust gas, and hydrogen were added. In order to ensure a linear temperature profile, the measurement was carried out with a cooling ramp of 2 K / min in the range between 50 ° C and 500 ° C. The measurement conditions, which may vary in certain ranges indicated in parentheses, are listed in the following table: parameter Value (range) c (NO x ) 500 ppm (5-5000) c (O 2 ) 6 vol.% (0.5-21) c (H 2 ) 2000 ppm (0.05-5%) balance Ar (N 2 ) River 500 ml / min (STP) SV 80000 h -1 (5,000-200,000) cat 500 mg cat 125-250 μm heating rate 2 K / min, cooling temperature range 50-500 ° C

Die Versuche mit den oben angegebenen Katalysatorzusammensetzungen führte zu folgendem Ergebnis:
Bei der Erhöhung der Pd-Beladung von 0,14 auf 0,27 Massen-% am Katalysatorsystem Pd/8,7 W/ZrO2 nimmt die integrale N2-Selektivität sprunghaft zu. Bei weiterer Erhöhung der Pd-Beladung auf 0,82 Massen-% ist jedoch keine wesentliche Veränderung der Stickstoffselektivität bei der H2-deNOx-Reaktion mehr festzustellen. Während bei einer Pd-Beladung von 0,55 Massen-% Palladium der maximal mögliche NOx-Umsatz (62%) erreicht wird, nimmt der integrale NOx-Umsatz mit zunehmender Pd-Beladung ab. Dabei wird bei 0,41 Massen-% Palladium das Maximum des integralen NOx-Umsatzes erzielt. In Anbetracht der Reproduzierbarkeit der Messungen weisen die Katalysatoren mit Pd-Beladungen von 0,27; 0,41; 0,55; und 0,68 sehr ähnliche X(NOx)int sowie S(N2)int auf. In der nachfolgenden Tabelle sind die wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der einzelnen Katalysatoren im Hinblick auf ihr Aktivitäts- bzw. Selektivitätsverhalten zusammengefasst. Optimale Bedingungen liegen vor, wenn der integrale NOx-Umsatz und die integrale N2-Selektivität möglichst hoch sind. Katalysator-Kurzbezeichnung Beladung [Pd-eq] TXmax [_C] X(NOx)max [%] X(NOx)int [%] S(N2)int [%] 0,14 Pd/8,7 W/ZrO2 1 180 59 40 86 0,27 Pd/8,7 W/ZrO2 2 155 53 36 95 0,41 Pd/8,7 W/ZrO2 3 160 55 38 95 0,55 Pd/8,7 W/ZrO2 4 150 62 34 97 0,68 Pd/8,7 W/ZrO2 5 150 56 34 95 0,82 Pd/8,7 W/ZrO2 6 150 43 30 94
The experiments with the catalyst compositions given above led to the following result:
As the Pd loading increases from 0.14 to 0.27 mass% on the Pd / 8.7 W / ZrO2 catalyst system, integral N 2 selectivity increases dramatically. However, as the Pd loading is further increased to 0.82 mass%, there is no longer any significant change in nitrogen selectivity in the H 2 -deNO x reaction. While at a Pd loading of 0.55% by mass of palladium, the maximum possible NO (62%) is achieved x conversion, the integral NO x takes -Sales with increasing Pd loading. At 0.41 mass% palladium, the maximum of the integral NO x conversion is achieved. Considering the reproducibility of the measurements, the catalysts with Pd loadings of 0.27; 0.41; 0.55; and 0.68 very similar X (NO x ) int and S (N 2 ) int . The following table summarizes the most important criteria for assessing the individual catalysts with regard to their activity or selectivity behavior. Optimal conditions exist when the integral NO x conversion and the integral N 2 selectivity are as high as possible. Catalyst abbreviation Loading [Pd-eq] T Xmax [_C] X (NO x ) max [%] X (NO x ) int [%] S (N 2 ) int [%] 0.14 Pd / 8.7 W / ZrO 2 1 180 59 40 86 0.27 Pd / 8.7 W / ZrO 2 2 155 53 36 95 0.41 Pd / 8.7 W / ZrO 2 3 160 55 38 95 0.55 Pd / 8.7 W / ZrO 2 4 150 62 34 97 0.68 Pd / 8.7 W / ZrO 2 5 150 56 34 95 0.82 Pd / 8.7 W / ZrO 2 6 150 43 30 94

Für die Katalysatorzusammensetzung mit der Katalysator-Kurzbezeichnung 0,41 Pd/8,7 W/ZrO2 sind in den 8 und 9 jeweilige Schaubilder angegeben, in denen der Umsatz und die Selektivität über der Abgastemperatur aufgetragen ist. Dabei sind in 8 der NOx-Umsatz X sowie die N2- und N2O-Selektivität S bei der temperaturprogrammierten H2-deNOx-Reaktion unter Standard-Reaktionsbedingungen wie in der obigen Tabelle angegeben und in 9 der NOx-Umsatz X sowie die N2- und N2O-Selektivität S bei der stationären H2-deNOx-Reaktion unter Standard-Reaktionsbedingungen wie in der obigen Tabelle angegeben dargestellt.For the catalyst composition with the catalyst short name 0.41 Pd / 8.7 W / ZrO 2 are in the 8th and 9 given respective graphs in which the conversion and the selectivity is plotted against the exhaust gas temperature. Here are in 8th the NO x conversion X and the N 2 and N 2 O selectivity S in the temperature-programmed H 2 -deNO x reaction under standard reaction conditions as indicated in the table above and in US Pat 9 the NO x conversion X and the N 2 - and N 2 O selectivity S in the stationary H 2 -deNO x reaction under standard reaction conditions as shown in the table above.

Bei Vergleich der TPR-Untersuchung gemäß 8 mit der stationären Messung gemäß 9 ist erkennbar, dass der NOx-Umsatz und der integrale NOx-Umsatz bei stationärer Reaktionsführung deutlich höher sind. Im Rahmen der Messgenauigkeit sind die Abweichungen in Bezug auf die integrale N2-Selektivität sowie die N2-Selektivität im NOx-Umsatzmaximum aber nur marginal. Dieses Ergebnis zeigt, dass die temperaturprogrammierte Reaktion mit einer Rampe von 2 K/min zu schnell abläuft, so dass die stationären Bedingungen nicht vollständig gegeben sind. When comparing the TPR test according to 8th with the stationary measurement according to 9 It can be seen that the NO x conversion and the integral NO x conversion are much higher for stationary reaction control. However, in terms of measurement accuracy, the deviations in terms of integral N 2 selectivity and N 2 selectivity in the NO x conversion maximum are only marginal. This result shows that the temperature programmed reaction proceeds too fast with a ramp of 2 K / min, so that the steady state conditions are not completely given.

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Claims (10)

Katalysator zur Verwendung bei einer selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen unter Zuführung von Wasserstoff zu den Abgasen, mit einem Grundkörper, einer auf dem Grundkörper aufgebrachten Trägerschicht aus Zirkoniumoxid, einem auf der Trägerschicht aufgebrachten Promoter aus Wolframoxid und einer auf der Trägerschicht aufgebrachten aktiven Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Komponente (5b) aus Palladium besteht.Catalyst for use in a selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases while supplying hydrogen to the exhaust gases, comprising a base body, a support layer of zirconium oxide applied to the base body, a tungsten oxide promoter applied to the support layer and one on the support layer applied active component, characterized in that the active component ( 5b ) consists of palladium. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht (4) eine monokline Kristallmodifikation aufweist.Catalyst according to claim 1, characterized in that the zirconium oxide of the carrier layer ( 4 ) has a monoclinic crystal modification. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkoniumoxid der Trägerschicht (4) eine kubische Kristallmodifikation aufweist.Catalyst according to claim 1, characterized in that the zirconium oxide of the carrier layer ( 4 ) has a cubic crystal modification. Katalysator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis der aktive Komponente (5b) aus Palladium zu dem Promoter (5a) aus Wolframoxid 1:150 bis 1:10, insbesondere 1:100 bis 1:25, beträgt.Catalyst according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the mass ratio of the active component ( 5b ) from palladium to the promoter ( 5a ) of tungsten oxide is 1: 150 to 1:10, in particular 1: 100 to 1:25. Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen, wobei auf einen Grundkörper eine Trägerschicht aus Zirkoniumoxid aufgebracht wird, wobei auf die Trägerschicht ein Promoter aus Wolframoxid und eine aktive Komponente aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als die aktive Komponente (5b) Palladium verwendet wird.A method for producing a catalyst for the selective reduction of NO x in NO x -containing exhaust gases, wherein a support layer of zirconium oxide is applied to a base body, wherein on the support layer a promoter of tungsten oxide and an active component is applied, characterized in that as the active component ( 5b ) Palladium is used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trägerschicht (4) Zirkoniumoxid mit einer monoklinen Kristallmodifikation verwendet wird.Method according to claim 5, characterized in that for the carrier layer ( 4 ) Zirconia having a monoclinic crystal modification is used. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trägerschicht (4) Zirkoniumoxid mit einer kubischen Kristallmodifikation verwendet wird.Method according to claim 5, characterized in that for the carrier layer ( 4 ) Zirconia having a cubic crystal modification is used. Vorrichtung (6) zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen, mit einem in einer Abgasleitung (7) angeordneten Katalysator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und mit einer Wasserstoffzuführeinrichtung (8) zur Einbringung von Wasserstoff in die Abgasleitung (7).Contraption ( 6 ) for selective NO x reduction in NO x -containing exhaust gases, with one in an exhaust pipe ( 7 ) arranged catalyst ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, and with a hydrogen supply device ( 8th ) for the introduction of hydrogen into the exhaust pipe ( 7 ). Verfahren zur selektiven NOx-Reduktion in NOx-haltigen Abgasen mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei in die Abgasleitung (7), welche von den Abgasen durchströmt wird, Wasserstoff eingeleitet wird.Process for the selective reduction of NO x in NO x -containing exhaust gases by means of a device according to claim 8, wherein into the exhaust gas line ( 7 ), which is traversed by the exhaust gases, hydrogen is introduced. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Abgase 120–200°C beträgt.A method according to claim 9, characterized in that the temperature of the exhaust gases is 120-200 ° C.
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