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
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
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
Ein Verfahren zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus einem Abgasstrom ist in der
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
Die
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
In der
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
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
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
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
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
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:
Auf dem Grundkörper
Auf der dem Grundkörper
Bei der in
Bei der Ausführungsform des Katalysators
In den
So zeigt
In
Schließlich ist in
Durch die beiden Sensoren
Um ein zusätzliches Tanken von Wasserstoff überflüssig zu machen, kann die Wasserstoffzuführeinrichtung
Wenn der Grundkörper
In
In der nachfolgenden Tabelle sind einige beispielhafte Zusammensetzungen des Katalysators
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
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:
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.
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.
Für die Katalysatorzusammensetzung mit der Katalysator-Kurzbezeichnung 0,41 Pd/8,7 W/ZrO2 sind in den
Bei Vergleich der TPR-Untersuchung gemäß
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