JP3348276B2 - 廃ガスの浄化方法及び装置 - Google Patents
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ゼル機関,発電所等において生じる廃ガスの浄化方法に
関する。
するため、一般化学式、金属(I)金属(II)Al2
O3又は金属(I)酸化物・金属(II)酸化物・Al
2O3を持つ触媒活性のあるスピネル及び/又はスピネ
ル状組成を使用することが公知である。しかしその触媒
作用は、大抵は約150℃以上ではじめて始まる。この
ような材料が例えば特に内燃機関の排気ガスの浄化に使
用されると、始動段階における窒素酸化物の減少は僅か
で、この物質の排出は大きい。更にこれらの材料は、水
及び/又は水蒸気の存在下で、窒素酸化物に関して少な
くとも減少した効果を示す。
細書から、亜酸化窒素を分解するため使用される銀含有
担体触媒及びその製造方法が公知である。窒素酸化物に
関する使用特に200℃以下の温度におけるその貯蔵
は、この刊行物から公知ではない。
中の有害物質特に窒素酸化物の全割合を、場合によつて
は水及び/又は水蒸気の存在下でなるべく200℃以下
の温度で減少できる方法及び装置を開発することであ
る。
ば、請求項1の特徴によって解決される。
られる。ガスからの窒素酸化物の取出し即ち抜取りは、
好都合なように多孔質でその内部にガス流通路を持つ一
時貯蔵装置によつて行うのが有利で、この一時貯蔵装置
は少なくとも2つの材料即ち窒素酸化物用貯蔵材料及び
担体材料から形成されている。
窒素酸化物を貯蔵する温度範囲で炭化水素に関して貯蔵
作用を持つと共に、窒素酸化物に関して物質に特有な反
応温度の値以上で触媒活性作用を持つている。これは、
炭化水素で運転される内燃機関、発電所又はガソリン機
関又はデイーゼル機関において、本発明による方法又は
一時貯蔵装置を使用する際、特に有利である。
利用して窒素酸化物の触媒還元が行われる反応温度以上
の温度で、貯蔵されている炭化水素が再びガスへ放出即
ち引渡される。
物を貯蔵する温度範囲又はその上限以下にあると、貯蔵
材料の貯蔵作用が低下する時に窒素酸化物の還元作用が
増大するので、好都合である。
て、化学式CuxMeyAl2O4によるスピネル及び
/又はスピネル状の組成を使用するのが有利である。な
ぜならばこのようなスピネル及び/又はスピネル状の組
成は、約150℃以上の高い温度で、窒素酸化物に関し
てかなりの触媒作用を持つているからである。この場合
低い温度では、ガスから窒素酸化物のみならず炭化水素
も少なくとも一部抜取られ、それにより全有害物質排出
の減少が実現される。
は有利なようにフイルタ体として使用され、担体材料の
反応温度以下の温度ではNOx及び炭化水素の貯蔵を行
い、反応温度以上の温度では炭化水素の酸化及び窒素酸
化物の還元を行い、後者の温度範囲で、前もつて貯蔵さ
れている炭化水素及び窒素酸化物のガスへの引渡しが行
われる。
貯蔵は、場合によつては前記の物質及び/又は元素とは
別の物質及び/又は元素を持つ担体材料により引継が
れ、NOxの一時貯蔵は貯蔵材料により行われる。
かる。更に図面に示されている実施例に基いて、本発明
を以下に説明する。
され、そのフイルタ体として構成される一時貯蔵装置2
は、特に乗用車のガソリン機関の排気ガス管路9に組込
まれている。多孔質一時貯蔵装置2は、とりわけ貯蔵材
料及び貯蔵材料用担体材料から形成されている。
I族の金属が使用可能である。
Ag・CuAl2O 4 の銀を含む組成物であり、国際出
願公開第WO94/02244号明細書から公知の方法
により担体材料から製造される。ここで貯蔵材料として
銀が使用され、CuAl2O4が担体材料である。一時
貯蔵装置2は、窒素酸化物含有ガスには145℃以下の
温度で窒素酸化物が恐らく吸着により貯蔵され、145
℃以上で再び放出される、という性質を持つている。
する場合にも、この過程が行われる、という事情は特に
興味のあることである。この驚くべき効果は、図4によ
る線図から明らかである。
及び担体材料から成りかつペレツトで押出される多孔質
組成物が、加熱可能な反応装置内で、約30000l/
hの流速を持つガス流にさらされた。ガスの組成は次の
通りであつた。即ちAr+800ppm NO+800
ppm C3H6+100%H2O。比較のため水の存
在下で他のスピネル挙動も示している線図から、145
℃以下でNOの貯蔵が明らかに認められる。更に145
℃以上でNO濃度が導入された800ppmNOの割合
を越えて増大していることは、前に貯蔵されていたNO
が再び放出されることを示している。燃焼の際水が生ず
るので、貯蔵材料のこの性質は重要な意味を持つてい
る。
べき排気ガスがこの流通路4を通つて流れ、わかり易く
するためここでは流通路4が直線通路として示されてい
る。
け炭化水素を含み、触媒作用する担体材料の特定の反応
温度以上でこの炭化水素は、同様に排気ガス中に存在す
る窒素酸化物、この場合特にNO及びNO2に対する還
元剤として役立つ。しかし特定の処理区間後に炭化水素
は消費されるので、一時貯蔵装置2は有害物質に対する
触媒作用に関して飽和せしめられる。
引続く還元が可能であるようにするため、触媒として作
用する担体材料及び貯蔵材料から成る一時貯蔵装置2
が、2つの流通路4の間に、還元剤用供給装置の添加通
路3を持つている。添加通路3は供給装置の図示しない
貯蔵槽に接続されている。添加通路3は目的にかなうよ
うに適当な安全手段を介して自動車のタンク通気部に接
続されているので、特にタンクのガス空間が貯蔵槽を形
成している。
1に見て、ガス流入側で閉鎖されており、ガス流出側で
貯蔵槽に接続されている。有効な還元剤としてアンモニ
アがよく、自動車に使用するのに炭化水素がよいことが
わかつた。
側で流入し、多孔質で毛管作用のある一時貯蔵装置2を
通つて流通路4へ拡散し、そこで蒸発し、それにより一
部浄化されている排気ガスにおいて還元剤の濃度が高め
られる。
度の増大により、前浄化された排気ガス中に残つている
有害物質は、一時貯蔵装置2を排気ガスが更に通る間に
更に還元され、それにより浄化装置全体において排気ガ
スが一層よく浄化される。有害物質の減少は、一酸化炭
素及び/又は炭化水素の濃度に関しても有利に行われ
る。
するため、供給装置が計量装置(図示せず)例えば容積
形ポンプを持つのがよく、それにより還元剤の添加を精
確に計量することができる。
始まつて、排気ガスの流れ方向1に対して直角に一時貯
蔵装置2の中心まで形成することもできる。この図示し
ない実施例は、ただ1つの添加通路3で複数の流通路4
へ同時に還元剤を供給することができる。更にここで、
1つ又は複数の添加通路3へ一時貯蔵装置2の外周から
還元剤を簡単に供給できることが有利である。
好ましいように、供給装置が一時貯蔵装置2の周曲側に
設けられるノズル特に環状ノズルを持ち、このノズルを
通つて還元剤が、一時貯蔵装置2を通る排気ガスの流れ
方向1に対してなるべく直角に流出可能である。多孔質
一時貯蔵装置2の細孔を通つて流れる排気ガスの方向に
おけるなるべくガス状の還元剤の移送も、同様に一時貯
蔵装置2の細孔を通して行われる。
に相当する処理区間の後で行われるのがよく、この飽和
長はガスの通る区間に相当し、流れ方向1に見てこの区
間の後で、一時貯蔵装置2の担体材料に有害物質減少の
飽和特に窒素酸化物の還元の飽和がおこる。
貯蔵装置2も同様に内燃機関特にガソリン機関又は希薄
混合気で運転されるガソリン機関の排気ガス管路9に設
けられている。しかし余分な反覆を避けるため、この実
施例と図1による実施例との相違にのみ立入ることにす
る。
ガスを通される一時貯蔵装置2の前でガス流入側に設け
られて還元剤を霧化する霧化ノズル5を持つている。こ
の霧化ノズル5は、少なくとも飽和長に相当する特定の
深さだけ一時貯蔵装置2へ侵入した後に始めて滴が一時
貯蔵装置2中で完全に蒸発するような大きさの滴で還元
剤が霧化されるように、霧化ノズル5が寸法を定められ
ている。このような滴の大きさは例えば経験的に求める
ことができる。従つて一時貯蔵装置2内における還元剤
の再度の添加は、一時貯蔵装置2内における滴の蒸発に
よつて行われる。
いるが、余分な反覆を避けるため、この実施例と図1に
よる実施例との相違について立入ることにする。
フイルタカスケードのように3分割して構成されてい
る。排気ガスを通されかつ多孔質に構成される一時貯蔵
装置2の部分体7,7′,7″は空間的に互いに離さ
れ、排気ガスの流れ方向1に前後に設けられている。流
れ方向1に測つた部分体7,7′,7″の長さは、有利
なように一時貯蔵装置2の担体材料の飽和長に相当して
いる。
間に設けられる中間空間8,8′には、供給装置に付属
するノズル5及び6が設けられている。第1の中間空間
8では縁側に設けられて半径方向内方へ流出を行う環状
ノズル6、及び第2の中間空間8′では中心に開口する
霧化ノズル5から、還元剤がそれぞれの中間空間8,
8′へ流入し、既に一部浄化された排気ガスと混合す
る。従つて中間空間8,8′は一種の混合室と解釈する
ことができる。中間空間8,8′で還元剤を添加される
排気ガスは、有害物質を更に減少するため次の部分体
7′又は7″へ送られる。
ネルであり、本発明においてスピネルとは、一般化学式
AaBbO4の材料を意味し、この材料は、少なくとも
微視的に、面心に設けられる酸素イオン及び四面体及び
八面体の空格子点を持つ結晶又は結晶状の立方格子構造
を持ち、四面体空格子点にはA粒子及び50%までのB
粒子が設けられ、八面体空格子点には残りのB粒子が設
けられている。ここでA粒子又はB粒子はその結晶学的
配置のみを意味する。
及び/又は組成物もスピネルとみなされ、BbO3がマ
トリツクスとして、機能し、x線スペクトルにおいてこ
れらの化合物及び/又は組成物は特有のスペクトル線を
持ち、正式の組成AaBbO4のスピネルはBbO3マ
トリツクス中に存在するので、正式にAa(1−x)B
bO4の化学量論比が生ずる。物質的な点でA粒子及び
B粒子は互いに異なつていてもよい。
て、A粒子はA群Mg,Ca,Mn,Fe,Ni,C
o,Cu,Zn,Sn及びTiの1つ以上の元素であ
り、B粒子はB群Al,Ga,In,Co,Fe,C
r,Mn,Cu,Zn,Sn,Ti及びNiの1つ以上
の元索である。しかし注意すべきことは、排除群Mn,
Fe及びCoの元素のいずれも同時にA粒子及びB粒子
であり得ないことである。
が特に目的にかなつていることがわかつた。(MgC
u)Al2O4,(CuCu)Al2O4,(CuZ
n)Al2O4,(CoZn)CuAl2O4,(Zn
Cu)Al2O4とWO3及び/又はV2O5及び/又
はTiO2との混合物、この場合特にMg0.5Cu
0.5Al2O4,Cu0.5Cu0.5Al2O4,
Cu0.5Zn0.5Al2O4,Co0.25Zn
0.25Cu0.5Al2O4の組成、又はその10%
WO3及び/又は6%V2O5及び/又は84%TiO
2及び/又はAl2O3との混合物。
に、触媒活性元素パラジウム、白金、ロジウム、ルテニ
ウム、オスミウム、イリジウム、レニウム及び/又はラ
ンタン及びセリウムのような稀土類元素、バナジウム、
チタン、ニオブ、モリブデン、タングステン及び/又は
その塩及び/又はその酸化物を添加するとよいことがわ
かつた。
いて、以下の例で更に説明する。
0.5Al2O4の銅を含浸される銅−アルミニウムス
ピネルが使用される。スピネルの製造は、ドイツ連邦共
和国特許出願公開第4301470号明細書から公知の
ような方法で行われる。温度に関係するNOx−CO2
線図を記録するために、銅で含浸されるCuAl2O4
のスピネルの10gの破片が、垂直に設けられる石英反
応器(直径20mm,高さ約500mm)へ入れられ、
試料を露出するためその中央にガス透過性フリツトが設
けられる。堆積高さは約15mmである。石英反応器の
周りに炉が設けられて、反応器中間部分を約100mm
の長さにわたつて加熱し、その際550℃までの温度が
得られる。
の空間速度で、1000ppmのNO、1000ppm
のプロペン、10%の酸素及び残部は担体ガスとしての
アルゴンから成る混合ガスが導かれる。反応器の下でガ
ス検出器によりNO濃度が測定され、検出の前に万一形
成されるNO2はコンバータで酸化窒素NOに還元され
る。同時にCO2への炭化水素の酸化が、ガス検出器に
よるCO2含有量の測定によつて観祭される。
びCO2割合の推移が温度の関数として得られる。温長
の上昇と共にNOx(NO)濃度の著しい減少が認めら
れ、この濃度は276ないし294℃で最低点に達し、
続いて再び増大する。銅を含浸されるCuAl2O4に
ついては、約200℃以上でNOx濃度の著しい減少が
観察され、同時に、CO2濃度の増大で示されるよう
に、炭化水素がCO2に分解される。NOxの還元が行
われる温度区間は、材料の組成に応じて200ないし4
00℃である。
て、不必要な反覆を避けるため、生ずる相違についての
み述べる。
0.5Al2O4の組成のマグネシウム−銅−アルミニ
ウムスピネルが使用される。スピネルの製造は、ドイツ
連邦共和国特許出願公開第4301470号明細書から
公知の方法と同じように有利に行われる。
濃度の著しい減少を示し、この濃度は約320℃で最低
点に達する。
16%CuO及び64%Al2O3の混合物が使用さ
れ、この混合物は以下の例3乃至7で単にZnCuOA
l2O4スピネルと称され、1.6重量%のCeO2を
含浸されている。
して、温度の上昇と共にNOx(NO)濃度の著しい減
少が生じ、この濃度は約430℃で最低点に達し、続い
て再び増大する。ZnCuOAl2O4スピネル+1.
6重量%CeO 2 ついては、約150℃以上でNOx濃
度の激しい減少が観察され、CO2濃度の増大で示され
るように、同時に炭化水素がCO2に分解される。NO
xの還元が行われる温度区間は、材料の組成に応じて1
50ないし500℃である。
に8重量%CeO2を持つ上記のZnCuAl2O4ス
ピネルが使用される。このスピネルを製造するため、Z
nCuAl2O4スピネルから出発し、このスピネルに
8重量%のCeO2が含浸される。
Al2O4スピネルの測定の結果として、温度の上昇と
共にNOx(NO)濃度の著しい減少が生じ、この濃度
は約300℃で最低点に達し、続いて再び増大する。
eO2について、約200℃以上でNOx濃度の激しい
減少が観察され、CO2濃度の増大により示されるよう
に、同時に炭化水素がCO2に変換される。NOxの還
元が行われる温度区間は、材料の組成に応じて200な
いし500℃である。
ングステン、バナジウム及びチタンの酸化物に混合され
る上述のZnCuAl2O4スピネルが使用される。こ
の混合物は50重量%までZnCuAl2O4スピネル
を含み、混合物の残りの50重量%は、5重量%のWO
3、3重量%のV2O5及び42重量%のTiO2から
形成されている。
と共にNOx(NO)濃度の著しい減少が生じ、この濃
度は約240℃で最低点に達し、続いて再び増大する。
xの激しい減少が観察され、CO2濃度の増大により示
されるように、同時に炭化水素がO2に分解される。N
Oxの還元が行われる温度区間は、材料の組成に応じて
150ないし500℃である。
重量%のバナジウムを含浸される公知の組成のZnCu
Al2O4スピネルが使用される。
温度の上昇と共にNOx(NO)濃度の著しい減少が生
じ、この濃度は約300℃で最低点に達し、続いて再び
増大する。
について、約170℃以上でNOx濃度の激しい減少が
観察され、CO2濃度の増大により示されるように、同
時に炭化水素がCO2に分解される。NOxの還元が行
われる温度区間は、材料の組成に応じて170ないし5
00℃である。
重量%のパラジウムを含浸されるZnCuAl2O4ス
ピネルが使用される。例7によるスピネルの測定の結果
として、温度の上昇と共にNOx(NO)濃度の著しい
減少が生じ、この濃度は約280℃で最低点に達し、続
いて再び増大する。
%Pdについて、180℃以上でNOx濃度の激しい減
少が観察され、CO2濃度の増大により示されるよう
に、同時に炭化水素がCO2に分解される。NOxの還
元が行われる温度区域は、材料の組成に応じて180な
いし500℃である。
は、有利なように内燃機関の排気ガス管路に生ずる可能
性のある温度の範囲にある。
比較的低い温度でも良好な反応性能を示し、更にこの反
応温度以下で炭化水素の良好な貯蔵性能を示すので、理
論空燃比で運転される内燃機関のいわゆる三元触媒にお
いて、特にHC及び/又はCO及び/又はNOx排気ガ
ス触媒として使用するのに適している。
究の結果、更にNO2,H2O,CO2及びH2Oに対
して高い安定度のあることもわかつた。
装置を持つ内燃機関の排気ガス浄化装置の縦断面図であ
る。
縦断面図である。
の縦断面図である。
Claims (17)
- 【請求項1】 50ないし300℃の温度範囲でガスの
少なくとも一部を一時貯蔵装置(2)と接触させ、 一時貯蔵装置(2)が貯蔵材料及び貯蔵材料用担体材料
を含み、貯蔵材料が銀から成り、担体材料がスピネルの
結晶構造又はスピネルに類似の結晶構造を持ちかつ一般
式AaBbO4の組成を持ち、ここでAはMg,Ca,
Mn,Fe,Ni,Co,Cu,Zn,Sn及びTiか
ら成る群から選ばれ、BはAl,Ga,In,Co,F
e,Cr,Mn,Cu,Zn,Sn,Ti及びNiから
成る群から選ばれ、a+b≦3であり、a及びbが零よ
り大きく、担体材料が炭化水素の存在下で窒素酸化物に
対して触媒還元作用し、 前記の温度範囲でガスの少なくとも一部から窒素酸化物
を取出して、貯蔵材料に貯蔵し、 貯蔵材料の100℃以上の温度で窒素酸化物の少なくと
も一部を処理すべきガスへ再び放出し、 この放出された窒素酸化物を炭化水素の存在下で触媒還
元することを特徴とする、廃ガスの浄化方法。 - 【請求項2】 50ないし150℃の温度範囲で窒素酸
化物を取出すことを特徴とする、請求項1に記載の方
法。 - 【請求項3】 150℃以上の温度で窒素酸化物を処理
すべきガスへ再び放出することを特徴とする、請求項1
に記載の方法。 - 【請求項4】 窒素酸化物がNO及びNOxから成るこ
とを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 処理すべきガスとして水及び水蒸気のう
ち少なくとも1つを含むガスを使用することを特徴とす
る、請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 多孔質の貯蔵材料又は多孔質の担体材料
を使用することを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 少なくとも一部をガス流中に設けられか
つ貯蔵材料及び貯蔵材料用担体材料から成る一時貯蔵装
置(2)を含み、貯蔵材料が銀であり、担体材料が炭化
水素の存在下で窒素酸化物に対して触媒還元作用し、担
体材料がスピネルの結晶構造又はスピネルに類似の結晶
構造を持ちかつ一般式AaBbO4の組成を持ち、ここ
でAはMg,Ca,Mn,Fe,Ni,Co,Cu,Z
n,Sn及びTiから成る群から選ばれ、BはAl,G
a,In,Co,Fe,Cr,Mn,Cu,Zn,S
n,Ti及びNiから成る群から選ばれ、a+b≦3で
あり、a及びbが零より大きいことを特徴とする、請求
項1ないし6の1つに記載の方法を実施するための装
置。 - 【請求項8】 貯蔵材料及び担体材料から成る一時貯蔵
装置(2)が、スピネルの結晶構造又はスピネルに類似
の結晶構造を持ちかつ一般化学式Ag・CuxMeyA
l2O4の組成を持ち、ここでMeは2価の金属、x及
びyは0と1との間の値で、x+y≦1であることを特
徴とする、請求項7に記載の装置。 - 【請求項9】 担体材料が、少なくとも微視的に、面心
に設けられる酸素原子と四面体および八面体の空格子点
を持つ結晶又は結晶状の立方格子構造を持ち、四面体空
格子点にA粒子及び50%までのB粒子が設けられ、八
面体空格子点に残りのB粒子が設けられていることを特
徴とする、請求項7に記載の装置。 - 【請求項10】 担体材料が触媒活性を持ち、かつBb
O3マトリツクス中に一般化学式Aa(1−x)BbO
4の化学量論比以下の組成を持ち、組成がスピネル又は
スピネル状であり、組成がx線スペクトル中に特有のス
ピネル線を持ち、a+b<3,a,b>0及び0≦x<
1であることを特徴とする、請求項7に記載の装置。 - 【請求項11】 排除群Mn,Fe及びCoのA粒子及
びB粒子に対して、それぞれ使用されるA粒子及びB粒
子が同じでないことを特徴とする。請求項7に記載の装
置。 - 【請求項12】 担体材料が化学式A1a1(1−x)
A2a2(1−x)BbO4の材料であり、A1粒子及
びA2粒子がA群の粒子であり、a1+a2+b≦3,
a1,a2,b>0,0≦x<1であることを特徴とす
る、請求項11に記載の装置。 - 【請求項13】 担体材料が化学式A1a1(1−x)
A2a2(1−x)B2O4の材料であり、A1粒子及
びA2粒子がA群の粒子であり、a1+a2≦1,a
1,a2>0,0≦x<1であることを特徴とする、請
求項7に記載の装置。 - 【請求項14】 担体材料が化学式A1
0.5(1−x)A20.5(1 −x)B2O4の材料
であり、0≦x<1であることを特徴とする、請求項7
に記載の装置。 - 【請求項15】 担体材料から形成される担体本体が不
均一触媒として構成され、担体本体が1つ以上の触媒活
性元素、又は稀土類元素、又はバナジウム、チタン、ニ
オブ、モリブデン、タングステン、又は前記元素の塩、
又は前記元素の酸化物のうち1つ以上を含んでいること
を特徴とする、請求項7に記載の装置。 - 【請求項16】 触媒活性元素がパラジウム、白金、ロ
ジウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウムもしくは
レニウムであり、稀土類元素がランタンもしくはセリウ
ムであることを特徴とする、請求項15に記載の装置。 - 【請求項17】 一時貯蔵装置(2)がその内部にガス
流通路を持つていることを特徴とする、請求項7に記載
の装置。
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