JP5618542B2 - 排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としてのギ酸グアニジニウム含有水溶液の使用 - Google Patents

排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としてのギ酸グアニジニウム含有水溶液の使用 Download PDF

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Description

本発明は、乗り物の排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元のためのギ酸グアニジニウム含有水溶液の使用に関し、その際、相応するギ酸グアニジニウム含有溶液から、蒸発および接触分解によってアンモニアが作製され、かつ、これは還元剤として引き続く窒素酸化物の選択的接触還元のために用いられる。
従来技術によれば、アンモニア(NH)は乗り物の排ガス中の窒素酸化物の選択的接触還元の際に還元剤として用いられ、該還元剤は、特殊なSCR触媒の上流で、またはマフラーに組み込まれる並行して流通可能なSCR触媒モジュールのクラスターの上流で、燃焼システムおよび内燃機関の排ガスライン、殊に自動車の内燃機関の排ガスラインに導入され、かつSCR触媒中で、排ガス中に含有される窒素酸化物の還元をもたらす。SCRは、酸素の存在下での窒素酸化物(NO)の選択的接触還元を意味する。
特に自動車において、アンモニアを作製するために、これまで様々な液体および固体のアンモニア前駆体物質が公知となっており、それらは以下でより詳細に説明される。
商用車の場合、32.5質量%の含有率の尿素、−11℃の凍結点および0.2kg/kgのアンモニア生成能(Ammoniakbildungspotential)を有する、水に溶解した尿素の水性共融溶液(AdBlueTM)の使用がアンモニア前駆体物質として定着している。−30℃までの温度で、すなわち冬特性におけるディーゼル燃料の低温流動性目詰まり点(CFPP、下方の運転温度)までの温度でSCRシステムを作動させるために、タンク、ラインおよびバルブの比較的煩雑かつ運転障害を起こしやすい追加加熱が、冬の寒冷気候におけるAdBlue使用およびAdBlueロジスティクスにおいて必要とされる。
NOの接触還元のために必要とされるアンモニアは、尿素の熱分解に際して形成される。これには以下の反応が関連している:尿素は蒸発され得ず、加熱に際して、化学反応式[1]
(H2)CO→HNCO+NH [1]
の通り、主としてイソシアン酸(HNCO)とアンモニア(NH)とに分解する。
イソシアン酸は、シアヌル酸のような不揮発性物質へと容易に重合し得る。この際、運転障害を起こす付着物が、バルブ、噴射ノズルおよび排ガス管中に生じ得る。
イソシアン酸(HNCO)は、水(HO)の存在において、化学反応式[2]
HNCO+HO→NH+CO [2]
に従って、アンモニア(NH)と二酸化炭素とに加水分解する。
反応[2]は、気相中で非常に緩慢に行われる。他方で該反応は、金属酸化物触媒および/またはゼオライト触媒上では非常に速く進行し、それらのWO含有量により強い酸性の金属酸化物触媒、例えば酸化バナジウム、酸化タングステンおよび酸化チタンからの混合酸化物をベースとするSCR触媒上ではいくらかより緩慢である。
自動車との組み合わせにおいて公知の尿素SCR触媒システムが適用される場合、一般にエンジン排ガスは、反応[1]に従った、尿素を熱分解するその熱含有量の利用下で用いられる。原則的に、反応[2]が触媒により促進されなければならない一方で、反応[1]はすでにSCR触媒の上流で進行し得る。原則的に、反応[1]および[2]はSCR触媒上でも進行し得、該触媒のSCR活性はそれによって減少される。
寒冷気候における国々では、凍結防止性のアンモニア前駆体物質を使用できることが好ましい。水に溶解した尿素の溶液にギ酸アンモニウムを添加することによって、凍結点を明らかに低下させることができる。そのため追加加熱は余計なものとなり、かつ製造コストおよびロジスティクスコストにおいて著しい節約が達成される。ギ酸アンモニウム26.2%および尿素20.1%が水に溶解した溶液は、−30℃の凍結点を有し、かつ商業的にDenoxium−30の名称で入手可能であり、かつ好ましくは寒冷の季節においてAdBlueTMの代わりに使用され得る(SAE technical papers 2005−01−1856)。
水に溶解した尿素の溶液にギ酸アンモニウムを添加することによって、ギ酸アンモニウム35%および尿素30%が水に溶解した溶液の場合、アンモニア生成能は0.2kg/kgから0.3kg/kgへ高められ得る。そのためアンモニア前駆体物質の充填材を有する乗り物の到達範囲は半分高められ、かつ乗用車の場合、概して検査間隔の間の長期充填の可能性がもたらされる。この措置の欠点は、溶液の凍結点が−11〜−15℃の範囲に上昇することである(Denoxium January 2005,www.kemira.com)。
EP487886A1の中では、160〜550℃の温度範囲内でのアンモニア(NH)と二酸化炭素(CO)とへの加水分解による、水に溶解した尿素の水溶液の定量的な分解についての方法が提案され、その際、結果的に、不所望なイソシアン酸の形成およびその一連の固体生成物の形成が防止される。この公知の方法の場合、尿素溶液はまずノズルによって排ガス中または排ガスの外側に存在する蒸発器/触媒上に噴霧される。その際に生じるガス状の生成物は、後処理のために加水分解触媒に通され、そうしてアンモニアの定量的な形成が達成される。
EP555746A1から、蒸発装置がその構造に基づき、尿素溶液を、液滴と分解触媒のチャネル壁との接触を保証するように均一に分散する方法が公知である。均一な分散によって、触媒上の付着物が防止され、かつ過剰な還元剤の漏れが減らされる。尿素計量供給は、160℃からの排ガス温度でのみ作動されるべきである。なぜなら、この温度を下回ると不所望な付着物が形成されるからである。
アンモニア前駆体物質としてのギ酸アンモニウムアンモニアへの変換、高温排ガス中該水溶液噴射することによる、特別な前処理なしの単純な昇華を経ることで可能である。欠点なのは、非常に腐食性のギ酸が同時に解離し、かつ250℃より下の排ガス温度にてSCR触媒の表面上にギ酸アンモニウムが再形成することがあり得る点である。SCR触媒の細孔系は、温度可逆的に閉塞する。
それゆえ本発明の基礎をなしている課題は、従来技術に相応する上記の欠点を有さず、SCR法に従うNO減少のためのアンモニアの技術的に簡単な作製を可能にし、かつ分解に際して不所望な副生成物を形成しない、適したアンモニア前駆体物質を提供することであった。
この課題は、本発明により、乗り物の排ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のためにギ酸グアニジニウム水溶液を使用することによって解決された。
本発明により、有利には、ギ酸グアニジニウム水溶液は、場合により尿素および/またはアンモニアおよび/または後述する一般式(I)で表されるような化合物との組み合わせにおいて使用される。
すなわち意想外にも、本発明により使用されるギ酸グアニジニウムは、従来技術と比較してより高いアンモニア生成能を有することが明らかになった。それだけではなく、相応するギ酸グアニジニウム水溶液は、技術的に容易に、かつ排ガス系においてスケール形成および閉塞を引き起こしかねない固体の分解生成物を形成せずに蒸発され得る。
場合により酸素を含有する乗り物の排ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のために、本発明により好ましくは、5〜85質量%、殊に30〜80質量%、有利には55〜60質量%の固体含有率(ギ酸グアニジニウム含有率)を有し、かつ場合により尿素および/またはアンモニアもしくは後述する一般式(I)で表されるような化合物と組み合わされるギ酸グアニジニウム水溶液が使用される。ギ酸グアニジニウムと尿素ならびにアンモニアもしくは後述する一般式(I)で表されるような化合物との混合比は、幅広い限界範囲内で変化され得るが、しかしながらギ酸グアニジニウムと尿素との混合物は、5〜60質量%のギ酸グアニジニウム含有率と5〜35質量%、殊に10〜30質量%の尿素含有率とを有することが特に好ましいと判明した。さらに、5〜60質量%の含有率のギ酸グアニジニウムと5〜40質量%、殊に10〜35質量%の含有率のアンモニアもしくは後述する一般式(I)で表されるような化合物の含有率とを有するギ酸グアニジニウムとアンモニアもしくは後述する一般式(I)で表されるような化合物との混合物が有利であると見なされる。
殊に本発明により使用される水溶液は、該溶液の全質量に対して、≧5質量%、有利には≧10質量%の含水率を有する。有利には、水はただ一つの溶剤または少なくとも主溶剤であり、該溶液中の溶剤の全質量に対して、≧50質量%、有利には≧80質量%および、それより有利には≧90質量%の割合を有する。
上述の混合物において、上記のギ酸グアニジニウムとともに用いられる化合物として、この際、なかでも一般式(I)
Figure 0005618542
[式中、
R=H、NH、C〜C12−アルキル、
Figure 0005618542
=アセテート、カーボネート、シアネート、ホルメート、ヒドロキシド、メトキシドおよびオキサレートを意味する]
の化合物が有効であることが実証された。
本発明により本質的であると見なされるのは、ギ酸グアニジニウム水溶液ならびに場合によりさらに別の成分が、150〜350℃の有利な温度範囲内での接触分解に供される点であり、その際、さらに別の成分として二酸化炭素ならびに場合により一酸化炭素が形成される。好ましくは、ギ酸グアニジニウムからアンモニアへのこの分解は、二酸化チタン、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素ならびにその混合物の群から選択された酸化物、または/および完全にまたは部分的に金属交換されている熱水安定性のゼオライト、殊にZSM 5−またはBEA型の鉄ゼオライトからの触媒活性の、酸化活性ではないコーティングの存在下で行われる。この際、金属として、殊に副族元素および、好ましくは鉄または銅が考慮に入れられる。相応するFeゼオライト材料は、例えばFeClを用いた、例えば固体状態交換法のような公知の方法に従って製造され、引き続きスラリーの形で基体(例えばコージエライトモノリス)上に施与、乾燥もしくはより高い温度(約500℃)でか焼される。
酸化チタン、酸化アルミニウムならびに二酸化ケイ素のような金属酸化物は、好ましくは、金属性担体材料、例えば熱導体合金(殊にクロム−アルミニウム鋼)上に施与される。
代替的に、ギ酸グアニジニウム溶液もしくはその他の成分はまた、アンモニアおよび二酸化炭素へと接触分解され得、その際、二酸化チタン、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素ならびにその混合物の群から選択された酸化物、または/および完全にまたは部分的に金属交換されている熱水安定性のゼオライトからの触媒活性コーティングが使用され、該コーティングは酸化活性成分としての金および/またはパラジウムで含浸されている。好ましくは、活性成分としてのパラジウムおよび/または金を有する相応する触媒は、0.001〜2質量%、殊に0.01〜1質量%の貴金属含有率を有する。このような酸化触媒を用いて、すでにアンモニア作製に際してのグアニジン塩の分解の際の副生成物として一酸化炭素の不所望な形成を防止することが可能である。
有利には、ギ酸グアニジニウムならびに場合によりさらに別の成分の接触分解のために、0.001〜2質量%、殊に0.01〜1質量%の貴金属含有率を有する活性成分としてのパラジウムまたは/および金を有する触媒コーティングが使用される。
本発明の範囲内で、2つの部分から成る触媒を使用することが可能であり、その際、第一の部分は酸化活性ではないコーティングを、かつ第二の部分は酸化活性コーティングを含有する。好ましくは、この触媒の5〜90体積%が酸化活性ではないコーティングから成り、かつ10〜95体積%が酸化活性コーティングから成る。代替的に、接触分解は2つの連続して配置された触媒の存在下でも実施され得、その際、第一の触媒は酸化活性ではないコーティングを含有し、かつ第二の触媒は酸化活性コーティングを含有する。
本発明により使用されるギ酸グアニジニウムならびに場合によりさらに別の成分のアンモニアへの接触分解は、好ましくは、排ガス内部で乗り物の排ガスのメインフロー、パーシャルフローまたはバイパスフローにおいてか、または排ガス外部で自己圧力式(autobar)のかつ外部加熱される配置において行われ得る。
本発明のさらに別の一対象は、乗り物の排ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のための剤としての、場合により尿素および/またはアンモニアもしくは上記式(I)で表されるような化合物との組み合わせにおける、5〜85質量%、好ましくは30〜80質量%の濃度を有するギ酸グアニジニウムならびに残分として水とから成る水性組成物である。好ましくは、ギ酸グアニジニウムと尿素との混合物は、5〜60質量%のギ酸グアニジニウム含有率と5〜35質量%の尿素含有率とを有する。ギ酸グアニジニウムとアンモニアもしくは上記式(I)で表されるような化合物との混合物は、好ましくは、含有率が5〜60質量%のギ酸グアニジニウムと5〜40質量%のアンモニアもしくは上記式(I)で表されるような化合物とを有する。
本発明により提案されるギ酸グアニジニウム水溶液によって、約90%での乗り物の排ガス中の窒素酸化物の還元を達成することが可能である。そのうえ、本発明により提案されるギ酸グアニジニウム溶液を用いて、グアニジン塩1リットル当たり、従来技術に相応する0.2kgから0.4kgまでのアンモニア生成能の増加が、耐凍性(−25℃より下の凍結点)と一緒に可能である。最後に、本発明により使用されるギ酸グアニジニウムの溶液の腐食リスクも、ギ酸アンモニウムを有する溶液と比較して明らかに減少している。
次の実施例は、本発明をより詳細に説明するものである。
アンモニア発生装置中でのアンモニア前駆体物質としてのギ酸グアニジニウム水溶液の使用を示す図
実施例1
図1に描写されたものに相応する自己圧力式のアンモニア発生装置中でのアンモニア前駆体物質としての40質量%のギ酸グアニジニウム水溶液(GF)(Fp.<−20℃)の使用
乗用車エンジン1が200Nm/hの排ガス流を生み出し、該排ガス流は中間管2を介して白金酸化触媒3とパティキュレートフィルター4とを通って排ガス中間管6の中に入る。FTIRガス分析装置5を用いて測定された中間管6の中の排ガス組成は:窒素酸化物、NO 150ppm;二酸化窒素、NO 150ppm;二酸化炭素、CO 7%;水蒸気 8%、一酸化炭素、CO 10ppmである。
タンク容器7の中にはGF溶液8が存在し、該溶液を計量供給ポンプ9によって供給ライン10およびノズル12を介して反応器11の中に噴霧導入する。反応器11は、オーステナイトステンレス鋼製の内径51mmを有する、250℃に加熱され、垂直に配置された管から成り、かつ加熱ジャケット15を有する。反応器11の中には触媒13および14が存在する。該触媒はSuedchemie AG(Heufeld、Germany)社の二酸化チタンによりコーティングされた金属担体(直径50mm、長さ200mm;該金属担体の製造元:Emitec GmbH、D−53797 Lohmar)である。触媒13は、粗セルの担体タイプMX/PE 40 cpsi、長さ100mmに基づく。下流側の触媒14は、微細セルの担体タイプMX/PE 200 cpsi、長さ100mmから成る。粗セルの触媒13の端面に、ノズル12から圧力調整ポンプ9によってGF溶液8を噴霧する。ノズル12は反応器11の中で軸方向にあり、かつ粗セルの触媒13の上流側に配置している。触媒13上でGF溶液8の含水量を蒸発させ、かつ触媒13および14上でGFを熱加水分解的に、中間生成物の尿素およびイソシアン酸、HNCOの形成が防止されるように分解する。
アンモニア、二酸化炭素、一酸化炭素および水蒸気からの生じる混合物を、供給管16を介して排ガス中間管6の中にSCR触媒18の上流側で300℃にて触媒3およびフィルター4で前処理された乗用車エンジン1の排ガス(Nm/h)中に導入する。
GF溶液8の計量供給は、FTIRガス分析装置17を用いて270ppmのアンモニア濃度を測定することができるように、圧力調整ポンプ9を用いて制御する。この際、同時にGF溶液8のホルメート部分の分解によってCO濃度90から100ppmへの上昇が生じる。GF溶液8の蒸発および分解によるCO含有量および水蒸気含有量の上昇は期待通り僅かであり、かつ殆ど測定可能ではない。GFの熱加水分解は完全なものである。それというのも、ガス分析装置17を用いてイソシアン酸、HNCOを検出することができず、尿素およびその分解生成物の付着物を確認することができなかったからである。
SCR触媒18の下流側で、FTIRガス分析装置19を用いてNOおよびNO90%で30ppmまでの濃度の減少を測定する。この際、アンモニア、NHとNOおよびNOとを完全に反応させて窒素、Nを得る。SCR触媒19の下流でのアンモニアの濃度は<2ppmである。
FTIRガス分析装置5、17、19は、成分のNO、NO、CO、CO、HO、アンモニア、NHおよびイソシアン酸、HNCOの同時の排ガス分析を可能にする。
実施例2
実施例1と同じように作業するが、しかしながら二酸化チタン触媒14の代わりに、酸化パラジウム−二酸化チタン−触媒を使用し、その際、該二酸化チタンは、Pd(NO水溶液を用いて乾燥およびか焼(500℃で5時間)後に、PdO 1質量%(=約0.9質量%のPd)を含有し、かつ一酸化炭素の部分酸化をもたらす触媒が生じるように含浸した。FTIRガス分析装置17で、CO濃度の上昇は測定可能ではなかった。
1 乗用車エンジン、 2 中間管、 3 白金酸化触媒、 4 パティキュレートフィルター、 5 FTIRガス分析装置、 6 排ガス中間管、 7 タンク容器、 8 GF溶液、 9 調整ポンプ、 10 供給ライン、 11 反応器、 12 ノズル、 13 触媒、 14 触媒、 15 加熱ジャケット、 16 供給管、 17 FTIRガス分析装置、 18 SCR触媒、 19 FTIRガス分析装置

Claims (16)

  1. ギ酸グアニジニウム含有水溶液の使用であって、
    ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としての使用。
  2. 尿素および/またはアンモニアもしくは以下の一般式(I)
    Figure 0005618542
    [式中、
    は、H、NHまたは〜C12−アルキルを意味し、かつ
    Figure 0005618542
    は、アセテート、カーボネート、シアネート、ホルメート、ヒドロキシド、メトキシドまたはオキサレートを意味する]の化合物と組み合わせての、ギ酸グアニジニウム含有水溶液の、請求項1記載の使用。
  3. 前記ギ酸グアニジニウム含有水溶液が、5〜85質量%のギ酸グアニジニウム含有率、または、30〜80質量%のギ酸グアニジニウム含有率を有することを特徴とする、請求項1または2記載の使用。
  4. 前記ギ酸グアニジニウム含有水溶液が、ギ酸グアニジニウムと、尿素とを、ギ酸グアニジニウム含有率が5〜60質量%でかつ尿素含有率が5〜35質量%で、含有することを特徴とする、請求項2記載の使用。
  5. 前記ギ酸グアニジニウム含有水溶液が、ギ酸グアニジニウムと、アンモニアもしくは前記一般式(I)の化合物とを、ギ酸グアニジニウム含有率が5〜60質量%でかつアンモニア含有率もしくは前記式(I)の化合物含有率が5〜40質量%で、含有することを特徴とする、請求項2または4記載の使用。
  6. 前記ギ酸グアニジニウムならびに場合によりさらに別の成分が、排ガス内部での排ガスのメインフロー、パーシャルフローもしくはバイパスフローにおいてか、または排ガス外部で自己圧力式のかつ外部加熱される配置において接触分解によってアンモニアに変換されることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の使用。
  7. アンモニア、二酸化炭素および場合により一酸化炭素への前記ギ酸グアニジニウムならびに場合によりさらに別の成分の接触分解が、触媒活性でありかつ酸化活性ではないコーティングの存在下で行われ、ここで、該コーティングが、二酸化チタン、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素ならびにそれらの混合物の群から選択された酸化物から構成されているか、かつ/または、該コーティングが、完全にまたは部分的に金属交換されている熱水安定性のゼオライトから構成されていることを特徴とする、請求項6記載の使用。
  8. アンモニアおよび二酸化炭素への前記ギ酸グアニジニウムもしくはその他の成分の接触分解のために、二酸化チタン、酸化アルミニウムおよび二酸化ケイ素の群から選択された酸化物、熱水安定性の金属ゼオライトならびにそれらの混合物からの触媒活性コーティングであって酸化活性成分としての金および/またはパラジウムで含浸されている触媒活性コーティングが使用されることを特徴とする、請求項6記載の使用。
  9. 前記ギ酸グアニジニウムならびに場合によりさらに別の成分の接触分解のために、活性成分としてのパラジウムおよび/または金を有する触媒コーティングであって貴金属含有率が0.001〜2質量%の触媒コーティングが使用されることを特徴とする、請求項6記載の使用。
  10. 2つの部分から成る触媒が使用され、その際、第一の部分は酸化活性ではないコーティングを含有し、かつ第二の部分は酸化活性コーティングを含有することを特徴とする、請求項6から9までのいずれか1項記載の使用。
  11. 前記触媒の5〜90体積%が酸化活性ではないコーティングから成り、かつ10〜95体積%が酸化活性コーティングから成ることを特徴とする、請求項10記載の使用。
  12. 前記接触分解を2つの連続して配置された触媒の存在下で実施し、その際、第一の触媒は酸化活性ではないコーティングから成り、かつ第二の触媒は酸化活性コーティングから成ることを特徴とする、請求項6から11までのいずれか1項記載の使用。
  13. 前記ギ酸グアニジニウム含有水溶液の接触分解を150〜350℃で実施することを特徴とする、請求項から12までのいずれか1項記載の使用。
  14. ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としての水性組成物であって、
    30〜80質量%の濃度を有するギ酸グアニジニウム(場合により尿素および/またはアンモニアもしくは以下の一般式(I)の化合物との組み合わせられる)
    ここで、一般式(I)は、
    Figure 0005618542
    [式中、
    は、H、NHまたは〜C12−アルキルを意味し、かつ
    Figure 0005618542
    は、アセテート、カーボネート、シアネート、ホルメート、ヒドロキシド、メトキシドまたはオキサレートを意味する]で示される、と、
    残分としての水と
    から成る、水性組成物。
  15. ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としての水性組成物であって、
    5〜60質量%の濃度を有するギ酸グアニジニウムと、
    5〜35質量%の濃度を有する尿素と、
    残分としての水と
    から成る、水性組成物。
  16. ガス中でのアンモニアを用いた窒素酸化物の選択的接触還元のためのアンモニア前駆物質としての水性組成物であって、
    5〜60質量%の濃度を有するギ酸グアニジニウムと、
    5〜40質量%の濃度を有するアンモニアもしくは以下の一般式(I)
    Figure 0005618542
    [式中、
    は、H、NHまたは〜C12−アルキルを意味し、かつ
    Figure 0005618542
    は、アセテート、カーボネート、シアネート、ホルメート、ヒドロキシド、メトキシドまたはオキサレートを意味する]の化合物と、
    残分としての水と
    から成る、水性組成物。
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