JP2006527647A - 自動車用NOx吸着剤触媒と一緒に使用するための一酸化炭素を生成する触媒系 - Google Patents

自動車用NOx吸着剤触媒と一緒に使用するための一酸化炭素を生成する触媒系 Download PDF

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Abstract

本発明はNOx吸着剤触媒を再生するために使用できる触媒系を提供する。本発明はこれらの触媒を使用する方法を提供する。本発明により炭化水素を金属イオン交換ゼオライト触媒の上流で排ガス流に導入し、COを発生する。金属イオン交換ゼオライト触媒は有利に高い銅の負荷を有するCu−ZSM−5触媒である。炭化水素を一酸化炭素に酸化し、一酸化炭素を引き続きNOx吸着剤触媒にさらし、前記NOx吸着剤触媒がCu−ZSM−5触媒の再生を促進する。

Description

本発明はNOx吸着剤触媒の再生、メタン燃焼触媒およびNOx被覆ディーゼル微粒子フィルターに関する。
標準的運転条件下で自動車エンジンは一酸化炭素(CO)、炭化水素および窒素酸化物(NOx)のような好ましくないガスを発生する。これらのガスの大気中の排出を減少するために、自動車製造者は長い間これらの物質のあまり有毒でない化合物への変換を促進する触媒を使用した。
多くの異なる種類の触媒が存在し、異なる種類の触媒は個々にまたは特定の場合は組み合わせて使用できる。所定の用途に使用する1種の触媒または複数の触媒の種類の選択はある程度触媒が使用されるエンジンが運転される条件に依存する。
自動車エンジンはリッチ条件またはリーン条件下でまたはリッチ条件とリーン条件の時間を交互に行うことで運転できる。リッチ運転条件は標準化された空気:燃料比が1未満である条件に関する。反対にリーン運転条件は標準化された空気:燃料比が1より大きい条件に関する。ディーゼルエンジンは例えば典型的にリーン条件下で運転する。反対にガソリンエンジンは典型的に化学量の条件、すなわち標準化された空気:燃料比がほぼ1である条件下で運転する。リッチ運転条件およびリーン運転条件の発想は当業者に周知である。
自動車エンジンに使用され、当業者に周知である1つの種類の触媒は三元触媒である。三元触媒は化学量の条件下で運転する場合に、CO、炭化水素およびNOxの処理に効果的である。これらの条件下で三元触媒はCO、炭化水素およびNOxをCO、HOおよびNに効果的に変換することができる。しかし三元触媒は化学量の条件下で、リーン条件下で前記のすべての物質を有効に処理するにもかかわらず、NOxをNに有効に変換しない。
窒素酸化物をリーン条件下で処理できる所定のNOx触媒が存在する。これらの種類の触媒には当業者に周知である金属イオン交換ゼオライト材料が含まれる。これらの種類の触媒において、NOxからNへの選択的還元が存在する。しかし金属イオン交換ゼオライト材料はNOxからNへの変換があまり有効でなく、COおよび炭化水素から有害でない物質への変換が有効でない。
リーン条件中にNOxを除去する他の種類の触媒はNOx貯蔵触媒であり、NOxトラップまたはNOx吸着剤触媒と呼ばれる。NOx吸着剤触媒は典型的に二段階で運転する。まずリーン燃焼運転中に、窒素酸化物が、NOに酸化された後に、例えば硝酸バリウムの形で貯蔵される。第2にリッチ運転中に、窒素酸化物が排出され、処理される。この種の触媒は硝酸塩の形の触媒へのNOの吸着に依存する。しかしリーン運転条件下で、排ガスのNO部分はNOに対して小さく、NO:NOは約1:9であり、NOx吸着剤触媒はNOを効果的に吸着できない。
NOx吸着剤触媒の運転を改良するために、NOx貯蔵触媒に、典型的に貴金属触媒の形で酸化機能を組み込み、NOをNOに酸化する。付加的にNOからNOへの変換を更に促進するために酸化触媒をNOx吸着剤触媒の上流に設置することができる。
NOx吸着剤触媒を運転する場合に、この触媒を周期的に再生しなければならない。再生の間に貯蔵された硝酸塩がNOx吸着剤触媒からNOxの形で脱着され、排ガス中で還元剤との反応により窒素に変換される。多くの公知方法において、再生の現象は約10%の時間行われ、リッチ運転条件下で行われる。これらの再生工程の間に、貴金属上で、従来の三元触媒に典型的であるような触媒中で、NOがNに還元される。
残念ながらリーン燃焼エンジンでリッチ環境を生じることは容易でない。1つの公知方法はリーン燃焼エンジンをリッチ条件下で内部処理だけにより運転することである。しかしこの方法は複雑であり、高価なエンジンの再測定を必要とする。更に強力なディーゼルエンジンの場合に個々に試験して調べることができる。従って取り扱いにくく、費用がかかる。
他の知られた方法は排ガス流にNOx吸着剤触媒の上流に二次的反応物質を注入することである。二次的反応物質を適当な場所に注入することにより、エンジンの測定を妨害せずにリッチ環境を達成できる。
NOx吸着剤触媒に関して、有利な還元剤は、有効性に関する好ましさが減少する順序でH>CO>炭化水素である。しかし多くの量のHおよびCOを自動車に貯蔵することは実施できない。従って実際の要求は還元剤として燃料機能として自動車に炭化水素を貯蔵することを指示する。
NOx吸着剤触媒を再生する前記方法の限界により、これらの種類の触媒を再生するための改良された運転装置および方法を開発する要求が存在する。より厳しい環境規制が適用されるにつれてこの要求が高まる。本発明はより厳しい環境規制に従うことができる方法によりNOx吸着剤触媒を再生する解決手段を提供する。
本発明はNOx吸着剤触媒の再生を促進する触媒系およびNOx吸着剤触媒を再生する方法を提供する。触媒系の使用または以下に記載される方法により、NOx吸収剤触媒の上流でCOを発生することが可能である。このCOを使用してNOx吸着剤触媒に貯蔵される化合物を還元し、触媒を再生することができる。本発明は更に硫酸化されたメタン燃焼触媒およびNOx被覆ディーゼル粒子フィルターと組み合わせて使用できる。
1つの構成において本発明は(a)金属イオン交換ゼオライト触媒、(b)炭化水素添加装置、および(c)窒素酸化物吸収剤触媒からなる触媒系を提供し、前記炭化水素添加装置は前記金属イオン交換ゼオライト触媒の上流に配置され、前記窒素酸化物吸収剤触媒は前記金属イオン交換ゼオライト触媒の下流に配置されている、この構成において、有利に金属イオン交換ゼオライト触媒はCu−ZSM触媒である。
第2の構成において本発明は排ガス流のCO含量を高め、COを使用してNOx吸着剤触媒を再生する方法を提供する。この方法は(a)炭化水素を排ガス流に添加し、(b)前記排ガス流を金属イオン交換ゼオライト触媒にさらし、および(c)NOx吸着剤触媒を再生することからなる。
この構成において、炭化水素を一酸化炭素に酸化する。この高めた濃度の一酸化炭素を引き続き使用してNOx吸着剤触媒を再生する。一酸化炭素は炭化水素より好ましい還元剤であるので、本発明はNOx吸着剤触媒の再生効率を改良する。
図1は4つの異なる運転条件下の本発明の触媒系の性能を示す。図1aは個々の触媒の温度の関数としての一酸化炭素の変換を示す。図1bは反応器出口で測定したこれらの試験での相当する酸素濃度を示す。
本発明は排ガス触媒上のプライマーであることを意図しない。基本構想は当業者に周知であり、ここで繰り返さない。
本発明はNOx吸着剤触媒を再生するために使用する触媒系および自動車エンジンの排ガス流に炭化水素を直接または間接的に添加することによるNOx吸着剤触媒を再生できる方法を提供する。排ガス流はディーゼルエンジンまたは標準的ガソリンエンジンから製造することができ、添加される炭化水素は一酸化炭素に変換され、一酸化炭素が更にNOx吸着剤触媒の再生を促進する。本発明は天然ガスエンジンと組み合わせて使用することができ、前記ガスエンジンはメタン燃焼触媒を脱硫する場合に特に有利である。
1つの構成において、本発明はNOx吸着剤触媒の再生を促進する触媒系を提供する。前記触媒系は金属イオン交換ゼオライト触媒、炭化水素添加装置およびNOx吸着剤触媒からなる。
金属イオン交換ゼオライト触媒は当業者に周知であり、例えば銅、鉄およびコバルトからなる群から選択される少なくとも1種の金属を含有する。本発明に関して有用である金属イオン交換ゼオライト触媒のタイプはZSM−5、ZSM−11、βフェリエライトおよびモルデナイトを含むが、これらに限定されない。有利にゼオライト中のSi/Alモル比は10〜200、より有利に20〜80である。付加的に有利に金属は銅であり、より有利に触媒はCu−ZSM−5触媒である。Cu−ZSM−5触媒および他の金属イオン交換ゼオライト触媒の使用および製造は当業者に周知である。金属イオン交換ゼオライト触媒の一般的な議論はCatalytic removal of NO、Parvulescu等、Catalysis Today、46、233−316、277−286(1998)に記載され、引用により本発明に含まれる。
金属イオン交換ゼオライト触媒中の金属イオンの量は所定の金属イオンによりゼオライト中のイオンの%交換として表現できる。例えば200%交換ゼオライト触媒はゼオライト中のイオン交換部位の濃度にもとづく理論的最大値の二倍の交換に関する。本発明により約50%〜約400%の金属イオン負荷範囲が有利であり、約100%〜約300%がより有利である。約125%〜約275%が最も有利である。
金属イオン交換ゼオライト触媒は2つの機能を満たす。第1にCO発生用触媒であり、下流のNOx吸着剤触媒の再生を促進するために使用できる。第2にNOx還元用触媒であり、還元剤として炭化水素を使用する。金属イオン交換ゼオライト触媒によりCOに変換される炭化水素はエンジンからの未燃焼または部分燃焼排ガスとして存在するおよび/または前記のように排ガス流に直接添加することができる。金属イオン交換ゼオライト触媒と接触する前に炭化水素が燃焼しない場合はNOx貯蔵触媒の再生の効率が増加する。金属イオン交換ゼオライト触媒を設置する方法は現在知られているかまたはこの開示内容を読むことから当業者が本発明と一緒に使用することが有益であると認識する方法を含む。
本発明の触媒系はエンジンの排ガス流に直接または間接的に炭化水素の導入を可能にする炭化水素添加装置を有する。公知であるかまたは公知になり、この開示内容を読むことから当業者が本発明と一緒に使用するために有益であると認識する、炭化水素を排ガス流に添加する任意の装置を使用することができる。有利に炭化水素添加装置は金属イオン交換ゼオライト触媒の上流に配置される。炭化水素添加装置の例は遅いサイクルの注入装置を有するインシリンダーおよび排ガス流内部に配置された二次的燃料注入装置を含むが、これらに限定されない。前者の場合は炭化水素の一部がエンジンにより燃焼し、すなわち部分的燃焼であるが、残りは排ガス流に導入する。炭化水素添加装置を設置する方法は知られているかまたはこの開示内容を読むことから本発明と一緒に使用することが有益であることが明らかになる任意の方法を含む。
触媒系の前記の2つの部品は自動車エンジンの排ガス流の内部におよびNOx吸収剤触媒の上流に配置される。NOx吸収剤触媒は当業者に周知であり、公知の方法から合成できるかまたは通常の業者から入手できる。典型的に部品の間の距離は間隔の要求に左右され、部品はエンジン室および/または自動車の下に十分な空間がある所に配置される。NOx吸収剤触媒を設置する方法は当業者に周知である。
金属イオン交換ゼオライト触媒がCu−ZSM−5触媒である場合は、運転温度は有利に300〜550℃、より有利に350〜500℃、特に有利に400〜500℃である。CO濃度を高める方法は有利にほぼ大気圧で、約5000〜500000h−1、より有利に30000〜100000h−1のガス時間空間速度を可能にする運転条件下で実施する。ガス空間時間速度の用語は1時間当たりの触媒の体積を通過するガスの体積に関する。
第2の構成により、炭化水素添加装置により排ガス流中の一酸化炭素の量を増加する方法が提供される。炭化水素添加装置は排ガス流に炭化水素を添加する。これらの炭化水素は金属イオン交換ゼオライト触媒にさらされ、この触媒が炭化水素を一酸化炭素に酸化する。この一酸化炭素を引き続きNOx貯蔵触媒に搬送し、これにより脱着および貯蔵されたNOからNへの還元が促進されるが、COそれ自体はCOに酸化する。
使用できる炭化水素のタイプはディーゼル燃料およびガソリンを含むが、これに限定されず、例えば化学物質、例えば1〜18個の炭素原子を有するアルカン、アルケン、およびアルキンであってもよい。有利に炭化水素が金属イオン交換ゼオライト触媒にさらされる時点で純粋のリッチ燃料ガス混合物を得るために十分な炭化水素を使用する。同時に許容できない量のCOおよび炭化水素を大気に排出することを回避するために、排ガスがあまりにリッチになることを避けることが好ましい。更に燃料を保存するために、炭化水素添加装置から排出される炭化水素の量を、窒素酸化物吸着剤触媒を再生するために十分である最小の量に制限することが好ましい。
有利に炭化水素添加装置から排出される炭化水素の少なくとも50%、より有利に50〜70%、特に有利に60〜70%がCOに変換することによりCOの量が増加する。
増加した一酸化炭素は窒素吸着剤触媒に貯蔵される窒素酸化物の排出を促進する。排出中に窒素酸化物が処理され、Nに変換される。
前記触媒系および方法はNOx吸着剤触媒が現在使用される自動車装置におよび他のディーゼル運転に使用することができ、バックアップ発生器用生成セットのような用途を含むが、限定されない。本発明は特に後注入を有するシリンダーにある炭化水素添加装置が存在する強力な用途に有効である。
当業者が認めるように、NOx吸着剤触媒は一本脚装置(single leg system)または二本脚装置(dual leg system)中で運転できる。一本脚装置において典型的にシリンダーに炭化水素を注入してエンジン運転をリッチにすることにより吸着剤触媒を再生する。二本脚装置において排ガスをそれぞれNOx触媒を有する2つの半体に分割する。一方が触媒を吸着し、他方が再生できる。従って一方が排ガスの5%を再生触媒に送り、炭化水素を添加してリッチにするが、他方の触媒は標準条件下で運転する。二本脚(または二本の通路)装置の例はSAE Technical Paper 2001−01−3619、High Efficiency NOx and PM Exhaust Emission Control for Heavy Duty On Highway Diesel Engines、第2部、2001年9月24−27に記載され、引用により本発明に含まれる。本発明はいずれかの装置で使用できる。
付加的に本発明をNOx吸着剤触媒の上流に挿入され、NOをNOに酸化する酸化触媒と組み合わせて使用できる。しかし酸化触媒が同時に全部COからCOに変換しないことが保証される必要がある。
本発明を一般的に説明したが、同じことは以下の実施例により容易に理解される。これらの例は本発明の範囲をいかなる方法でも限定しない。

比較例1
1)Cu−ZSM−5参考触媒の製造
酢酸銅(II)一水和物(40g)、H−ZSM−5(1008g、Si/Al比80)および脱イオン水(158g)の混合物を室温で30分攪拌した。得られた泥状物を120℃で夜通し乾燥した。得られた粉末を空気中、500℃で1時間焼成した。焼成した粉末844gをシリカゾル821g(水中SiO20〜21質量%、pH=9〜10)および脱イオン水968gと混合することによりコーティング分散液が得られた。混合物を湿式微粉砕して泥状物を形成した。1平方インチ当たり400個のセルを有するモノリスセラミック担体を完全に湿るように泥状物に浸漬することにより被覆した。担体に空気を吹き付けることにより過剰の泥状物を除去し、その後乾燥し(120℃、2時間)、空気中で焼成した(600℃、2時間)。この触媒による炭化水素から一酸化炭素への変換は表1に記載する。
2)触媒Aの製造
硝酸銅(II)三水和物(86g)、リン酸二水素アンモニウム(12g)、シリカゾル(1002g、SiO20〜21%、pH=2〜4)および脱イオン水(356g)の攪拌した混合物にH−ZSM−5(580g、Si/Al=80)およびゼオライトβ(231g、アンモニウムイオン形、Si/Al=25)を添加した。混合物を湿式微粉砕してコーティング泥状物を形成した。例1に記載された泥状物でモノリス担体を被覆した。この触媒による炭化水素から一酸化炭素への変換を表1に記載する。
3)触媒Bの製造
硝酸銅(II)三水和物(168g)、リン酸二水素アンモニウム(12g)、シリカゾル(975g、SiO20〜21%、pH=2〜4)および脱イオン水(520g)の攪拌した混合物にZSM−5(591g、Si/Al=70)およびゼオライトβ(225g、アンモニウムイオン形、Si/Al=25)を添加した。混合物を湿式微粉砕して泥状物を形成した。例1に記載された泥状物でモノリス担体を被覆した。この触媒による炭化水素から一酸化炭素への変換を表1に記載する。
4)触媒Cの製造
酢酸銅(II)一水和物(211g)、ZSM−5(1034g、アンモニウムイオン形、Si/Al比70)および脱イオン水(1375g)の混合物を室温で30分攪拌した。得られた泥状物を120℃で夜通し乾燥した。得られた粉末を空気中、500℃で1時間焼成した。焼成した粉末811gをシリカゾル982g(水中SiO20〜21質量%、pH=9〜10)および脱イオン水85gと混合することによりコーティング分散液が得られた。混合物を湿式微粉砕して泥状物を形成した。例1に記載される泥状物でモノリス担体を被覆した。この触媒による炭化水素から一酸化炭素への変換は表1に記載する。
5)触媒Dの製造
酢酸銅(II)一水和物(211g)、ZSM−5(1025g、アンモニウムイオン形、Si/Al比70)および脱イオン水(1384g)の混合物を室温で30分攪拌した。得られた泥状物を120℃で夜通し乾燥した。得られた粉末を空気中、500℃で1時間焼成した。焼成した粉末793gをシリカゾル958g(水中SiO20〜21質量%、pH=9〜10)、硫酸マグネシウム70gおよび脱イオン水452gと混合することによりコーティング分散液が得られた。混合物を湿式微粉砕して泥状物を形成した。例1に記載される泥状物でモノリス担体を被覆した。
以下の表1の老化条件は触媒が550℃で定常状態で老化するように設定された。100時間毎にCO収率を400℃および450℃で測定し、CO測定のために二次的燃料注入により炭化水素を排ガスに供給した。400℃で内部HCが1700ppmおよび内部COが150ppmであった。450℃で内部HCが1850ppmおよび内部COが120ppmであった。HC濃度はC1として測定した。
Figure 2006527647
すべての触媒A〜Dが銅負荷が増加し、以下の表IIに記載される。前記表1に示されるように、400℃で、最初の測定(老化時間=0)を除いて、すべての触媒A〜DがCu−ZSM−5参考触媒より大きい一酸化炭素収率を有する。同様に450℃で、最初の測定および100℃での触媒Cの運転を除いて、すべての触媒A〜DがCu−ZSM−5参考触媒より大きい一酸化炭素収率を有し、同様に触媒Cが大きい一酸化炭素収率を有する。
引用により本発明に含まれる、Proc 22nd Int.Vienna Motor Symposium、2001年4月、248−267に記載されるように、一酸化炭素の変換を増加する能力はNOx吸着剤触媒を再生する大きい能力を生じる。
Figure 2006527647
Figure 2006527647
比較例2
前記触媒Aを製造する説明により製造した触媒を表IIIに記載される4つの異なる運転条件下で炭化水素にさらした。表IIIに記載された変数のほかは、以下の条件が一定であった。N残り、NO150ppm、CO7%、HO7%、SO0ppm、炭化水素=C。一酸化炭素変換および酸素濃度を時間の関数として測定し、結果をそれぞれ図1aおよび図1bに示す。
図1aの結果に示されるように、リーン運転条件下で400〜500℃の範囲で炭化水素から一酸化炭素への変換の著しい改良が示される。同様に図1bに示されるように、この範囲でリーンでない運転条件下で触媒を運転した場合より酸素ガス濃度が大きい。
記載されたように、一酸化炭素の変換を高める能力はNOx吸着剤触媒を再生する大きい能力を生じる。
個々の触媒の温度の関数としての一酸化炭素の変換を示す図である。 反応器出口で測定した個々の触媒の相当する酸素濃度を示す図である。

Claims (16)

  1. (a)金属イオン交換ゼオライト触媒、
    (b)炭化水素添加装置および
    (c)窒素酸化物吸収剤触媒からなる触媒系であり、前記炭化水素添加装置は前記金属イオン交換ゼオライト触媒の上流に配置され、前記窒素酸化物吸収剤触媒は前記金属イオン交換ゼオライト触媒の下流に配置されている触媒系。
  2. 前記炭化水素添加装置が遅いサイクルの注入装置を有するインシリンダーからなる請求項1記載の触媒系。
  3. 前記炭化水素添加装置が二次的燃料注入装置からなる請求項1記載の触媒系。
  4. 前記二次的燃料注入装置が排ガスパイプに配置されている請求項3記載の触媒系。
  5. 前記金属イオン交換ゼオライト触媒がCu−ZSM−5触媒である請求項1記載の触媒系。
  6. Cu−ZSM−5触媒が50%〜400%交換された銅負荷物を有する請求項5記載の触媒系。
  7. 銅負荷物が125%〜275%交換されている請求項6記載の触媒系。
  8. a.Cu−ZSM−5触媒、
    b.炭化水素添加装置および
    c.窒素酸化物吸着剤触媒
    からなる触媒系であり、前記Cu−ZSM−5触媒は50%〜400%交換された銅負荷物を有し、前記炭化水素添加装置は前記Cu−ZSM−5触媒の上流に存在し、前記窒素酸化物吸着剤触媒は前記Cu−ZSM−5触媒の下流に存在する触媒系。
  9. 銅負荷物が125%〜275%交換されている請求項8記載の触媒系。
  10. a)炭化水素を金属イオン交換ゼオライト触媒の上流で排ガス流に注入し、
    b)前記炭化水素からCOを発生し、および
    c)前記COをNOx吸着剤触媒にさらし、前記NOx吸着剤触媒を再生する
    NOx吸着剤触媒を再生する方法。
  11. 前記金属イオン交換ゼオライト触媒がCu−ZSM−5触媒である請求項10記載の方法。
  12. 前記注入を遅いサイクルの注入機構を有するインシリンダーにより実施する請求項10記載の方法。
  13. 前記注入を二次的燃料注入装置により実施する請求項10記載の方法。
  14. 前記Cu−ZSM−5タイプの触媒が約50%〜400%交換されて負荷されている請求項11記載の方法。
  15. 前記Cu−ZSM−5タイプの触媒が約125%〜275%交換されて負荷されている請求項14記載の方法。
  16. 前記注入された炭化水素の約50〜70%が一酸化炭素に変換される請求項10記載の方法。
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