KR20010040844A - 배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 과잉 공기로 작동되는 내부 연소 엔진(1)의 배기 가스를 정화하기 위한 촉매 컨버터(4) 및 그 방법에 관한 것이다. 상기 촉매 컨버터(4)는 산화 TiO2, V2O5, CaO 및 SiO2또한 WO3및/또는 MoO3로 이루어진 활성 물질을 포함한다. 상기 활성 물질은 SCR 방법에 따라, 질소 산화물 및 탄화수소가 동일하게 감소되는 특징을 지닌다. 상기 물질의 CO 산화 활성화는 임의의 무기 형태의 Pt, Pd, Rh, Ru 및 Ir 중 원소의 부가에 의해 상승될 수 있다.

Description

배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터 및 그 방법 {CATALYST AND METHOD FOR PURIFYING EXHAUST GASES}
연료, 예컨대 디젤 연료의 연소시, 공지된 바와 같이 다수의 상이한 유해 물질 그룹이 생성된다. 상기 유해 물질 그룹을 제거 또는 감소시키기 위해, 상이한 촉매 변환 및 상이한 촉매 컨버터 또는 활성 물질이 요구된다. 배기 가스내 방출물을 줄이기 위해서, 일반적으로 다수의 특수한 작용을 하는 정화 시스템이 연달아 연결되거나 또는 병렬로 연결된다. 이 경우 예컨대 NOX-화합물의 감소를 위해, 탄화수소 화합물의 산화 변환을 위해 사용되는 것과는 다른, 촉매 컨버터 시스템이 사용된다.
산소 함유 배기 가스 내의 선택적 촉매 NOX- 환원을 위한 방법은 예컨대 EP 0 487 886 B1 에 기술되어 있다. 배기 가스 흐름은 도우징 장치에 의해 질소가 함유된 환원제와 혼합된다. 이어서 상기 혼합물은 SCR 촉매 컨버터와 접촉되고, 상기 촉매 컨버터는 선택적 촉매 환원(SCR) 방법에 따라, 환원제에 의해 배기 가스 내에 함유된 질소 산화물을 분자 질소와 물로 분해한다. 휘발성 또는 가스 형태의 유기 화합물(HVOC 및 VOC) 및 입자에 결합된 잘 휘발되지 않는 화합물(SOF)은 낮은 온도 범위에서 SCR 촉매 컨버터에 의해 충분히 변환되지 못한다. 이러한 방출물을 줄이기 위해, 추가의 촉매 컨버터 시스템이 필요하다. 따라서 SCR 촉매 컨버터에는 대개 예컨대 EP 0 692 301 A2 에 기술된 산화 촉매 컨버터가 뒤에 연결된다. 장치 기술 비용 및 그에 따른 경비는 NOX및 탄화수소 방출물의 감소를 위한 종래의 촉매 컨버터 시스템에서보다 비교적 많이 든다. 또한 배기 가스 흐름은 적절하게 추가의 정화 과정을 받게 되지만, 이것은 장치 비용 및 경비를 상승시킨다.
본 발명은 과잉 공기로 작동되는 엔진, 특히 자동차 엔진의 배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다. 이 경우 도면은 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치 내의 벌집형 촉매 컨버터 바디를 도시한다.
본 발명의 목적은 과잉 공기로 작동되는 엔진의 배기 가스를 매우 효과적으로 정화시키기 위한, 기술적으로 간단한 촉매 컨버터를 제공하는 것이다. 또한, 상기 촉매 컨버터에 의한 매우 효과적인 정화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 상기 촉매 컨버터와 관련하여, 청구항 제 1 항 및 제 3 항의 특징에 의해 달성된다. 상기 방법과 관련하여 상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 9 항의 특징에 의해 달성된다.
이 경우 보조제 또는 충전제 중에서, 세라믹 물질에 대해 통상적인 충전제, 보조제 및 결합제, 예컨대 세라믹 섬유 또는 유리 섬유가 충전제/지지제로서, 수지, 셸락 또는 섬유소가 다공 형성 물질로서, 부틸글리콜, 이소프로파놀 또는 폴리에틸렌 산화물이 필름 형성 보조제로 파악된다.
본 발명에 따른 활성 물질에 의해, 배기 가스 내의 휘발성 유기질 화합물뿐만 아니라 질소 산화물이 -질소가 남아있을 경우 함유된 환원제- 매우 효과적으로 감소될 수 있다. 상기 유기 화합물은 저온 범위에서 화학적 수착식으로 상기 활성 물질에 결합된다. ; 상기 유기 화합물은 비교적 높은 온도에서 주로 이산화 탄소 및 물로 산화된다. 동시에 상기 활성 물질 및 NOX화합물과 배기 가스로 공급된 환원제 사이의 반응이 촉매 작용을 한다.
따라서 상기 촉매 컨버터 및 그 방법은 유기 화합물과 하나 및 그와 동일한 활성 물질을 가진 NOX의 변환을 동시에 가능하게 한다. 만약 지금까지 언급된 전환에 있어서 두 개의 분리된 촉매 컨버터 바디가 각각 고유의 하우징 또는 적어도 하우징 파티션을 필요로 하는 경우에, 단지 일체형 촉매 컨버터가 요구된다. 상기 일체형 촉매 컨버터는 필수적인 장치 공간을 줄이고, 이것은 특히 자동차에 있어서 장점이 되며, 또한 제조 비용도 줄어든다.
활성 물질이 70-95 % 의 TiO2, 2-10 % 의 WO3및/또는 MoO3, 0.1-5 % 의 V2O5, 0.1-8 % 의 CaO 및 0.1-10 % 의 SiO2로 이루어지는 경우, 매우 양호한 환원 값이 이루어진다.
또한 활성 물질의 CO-산화 활성이 동시에 일어나는 NOX및 탄화수소의 감소 능력이 현저히 저하되지 않으면서, Pt, Pd, Rh, Ru 및 Ir 중 원소의 혼합, 또는 상기 원소에 의한 도핑에 의해, 향상될 수 있는 것으로 나타났다. 원소의 주기율표(PSE)의 백금속 중 상기 원소는 개별적으로 또는 혼합물로 그리고 임의의 무기 형태로 또는 화합물, 예컨대 산화물로서 첨가될 수 있다.
0.01-5 중량% 의 상기 백금속이 첨가될 경우, 매우 양호한 CO-산화 활성이 이루어진다.
촉매 컨버터의 제조를 위해 상기 활성 물질이 완전 압출 성형된 물질로 압출 성형될 수 있다. 이러한 모놀리식 촉매 컨버터 바디는 예컨대 배기 가스에 의해 관류될 수 있는 다수의 평행 유동 채널에 의해 관통된다. 또 다른 가능성은 예컨대 세라믹 또는 금속으로 이루어진 불활성 촉매 컨버터 바디가 활성 물질로 코팅되는 것이다. 각각의 경우에 있어서, 상기 활성 물질은 산화물 또는 선행 화합물의 믹싱, 분해 및 혼합에 -경우에 따라 통상적인 세라믹 보조제 및 충전제를 첨가하면서- 의해 조성된다. 상기 활성 물질로 이루어진 촉매 컨버터 바디 또는 상기 활성 물질로 코팅된 금속 또는 세라믹 캐리어 바디는 예컨대 벌집형 또는 플레이트형으로, 20℃ -100℃ 사이의 온도에서 건조되고, 200℃-800℃ 온도에서 하소된다.
상기 촉매 컨버터의 BET 표면은 30㎡/g-150㎡/g 의 범위에 놓여야 한다. Hg 침투 방법에 의해 측정된 공극 부피는 단일 또는 폴리 형태의 공극 반경 분할 시 100㎣/g - 1000㎣/g 범위로 놓여야 한다.
도면에 따라, 자세히 나타나지 않은 디젤 엔진(1)의 배기 가스의 촉매 정화를 위한 배기 가스 정화 장치가 제공된다. 이 경우에 상기 디젤 엔진(1)의 배기 가스가 가스 흐름(2)으로써, 배기 가스 라인(3) 및 상기 배기 가스 라인(3)내에 배치된 촉매 컨버터(4)를 관류한다. 상기 촉매 컨버터(4)는 벌집형 바디로 형성된다. ; 상기 촉매 컨버터(4)는 관류할 수 있는 다수의 평행 채널(5)을 포함한다. 상기 촉매 컨버터 바디(4)의 관류 후에, 질소 산화물이 제거된 가스 흐름(2)이 배출구(6)를 통해 주변으로 방출된다.
상기 촉매 컨버터(4)는 85 중량% 의 TiO2, 7 중량%의 WO32 중량% 의 V2O5, 1 중량% 의 CaO , 3 중량% 의 SiO 및 2 중량% 의 Pt를 가진 활성 물질을 포함한다. 상기 촉매 컨버터(4)는 상기 활성 물질로 이루어진 완전 압축 성형물로 제조되고, 40 x 40 셀을 둘러싸고, 720 l의 촉매 컨버터 용적 및 890㎡/㎤ 의 비표면적을 포함한다. 상기 디젤 엔진(1)은 750 l/min 의 회전시, 920 KW의 전력을 갖는 8-실린더-디젤 엔진이다. 표준 조건하에서 표준 입방 미터로 측정하면, 배기 가스 흐름 부피는 720 ㎥/h 에 달한다.
SCR 방법에 따라 질소 산화물 NOX을 분해하기 위해, 흐름 방향으로 봤을 때 상기 촉매 컨버터(4)앞 쪽 배기 가스 라인(3)에 환원제용 공급 장치가 배치된다. 이 경우 상기 공급 장치(7)는 상기 배가 가스 라인(3)에 연결된 환원제 라인(9)을 가진 환원제 저장기(8)를 포함한다. 상기 환원제 라인(9)은 배기 가스 라인(3)내부에서 분사 노즐(10)내로 통한다. 응축기(12)에 의해 요소 수용액(11)이 환원제로서, 제어 가능한 밸브(13)를 통해, 필요에 따라 상기 배기 가스 라인(3)의 가스 흐름(2)으로 공급된다. 가열된 가스 흐름(2)내에서 요소는 열분해 및/또는 열리에 의해 환원제인 암모니아로 변환된다. 상기 촉매 컨버터(4)에서 SCR 방법에 따라, 상기 가스 흐름(2)에 함유된 산화 질소가 암모니아의 존재 하에분자 질소와 물로 변환된다.
제시된 값에 의해 87.8% 의 NOX변환, 동시에 88.8% 의 탄화수소 변환, 및 43.9 % 의 입자 환원이 이루어진다. 이 경우 상기 촉매 컨버터(4)는 그의 작동 온도로 가열되었다.

Claims (11)

  1. 과잉 공기로 작동되는 엔진, 특히 자동차 엔진(1)의 배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터(4)에 있어서,
    산화물 TiO2, V2O5, CaO 및 SiO2또한 추가로 WO3및/또는 MoO3로 이루어지고, 경우에 따라 보조제 및 충전제가 첨가되는 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 물질이 하기 조성(중량%)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터. :
    TiO2: 70-95 %
    WO3및/또는
    MoO3:2-10 %
    V2O5: 0.1-5 %
    CaO : 0.1-8 %
    SiO2: 0.1-10 %
  3. 과잉 공기로 작동되는 엔진, 특히 자동차 엔진(1)의 배기 가스 정화를 위한 촉매 컨버터(4)에 있어서,
    산화물 TiO2, V2O5, CaO 및 SiO2또한 추가로 WO3및/또는 MoO3및 임의의 무기 형태의 Pt, Pd, Rh, Ru 및 Ir 중 적어도 하나의 원소로 이루어지고, 경우에 따라 보조제 및 충전제가 첨가되는 활성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 활성 물질이 하기 조성(중량%)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터. :
    TiO2: 70-95 %
    WO3및/또는
    MoO3:2-10 %
    V2O5: 0.1-5 %
    CaO : 0.1-8 %
    SiO2: 0.1-10 %
    Pt, Pd, Rh, Ru 및/또는
    Ir : 0.01-5 %
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일체형 촉매 컨버터 바디로 이루어지거나 또는 상기 활성 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 물질이 30㎡/g-150㎡/g 의 BET 표면 및/또는 단일 또는 폴리 형태의 공극 반경 분할 시, Hg 침투 방법에 의해 측정된 100㎣/g - 1000㎣/g 의 공극 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터 바디.
  7. 제 1 - 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터 바디가 상기 활성 물질로 이루어진 완전 압출 성형물인 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터.
  8. 제 1 - 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    불활성 금속으로 이루어진 상기 촉매 컨버터 바디가 활성 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 촉매 컨버터.
  9. 과잉 공기로 작동되는 엔진, 특히 자동차 엔진(1)의 배기 가스 정화를 위한 방법에 있어서,
    - 배기 가스에 질소 함유 환원제가 공급되는 단계, 및
    - 환원제 함유 배기 가스가 제 1 항 내지 제 8 항에 따른 촉매 컨버터(4)를 통해 안내되는 단계를 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    환원제로서 암모니아 또는 요소 용액(11)이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 촉매 컨버터(4)에서, 배기 가스 내에 동일하게 함유된 질소 산화물이 환원제에 의해 분자 질소로 분해되고, 배기 가스에 함유된 유기 화합물은 흡착되거나 및/또는 이산화탄소로 변환되고, 또한 경우에 따라 일산화탄소가 이산화탄소로 산화되는 것을 특징으로 하는 방법.
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