KR20220133443A - Method and Apparatus for Reducing NOX with First and Second Catalysis - Google Patents

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KR20220133443A
KR20220133443A KR1020210038543A KR20210038543A KR20220133443A KR 20220133443 A KR20220133443 A KR 20220133443A KR 1020210038543 A KR1020210038543 A KR 1020210038543A KR 20210038543 A KR20210038543 A KR 20210038543A KR 20220133443 A KR20220133443 A KR 20220133443A
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조성환
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Abstract

The present invention relates to a device and a method for catalytic treatment of a passing gas stream to reduce NOx present in the gas stream. The device includes: a first catalyst which is applied to the catalytic treatment of a gas stream in a first temperature zone and is composed of silver-containing alumina; and a second catalyst which is positioned on the downstream side of the first catalyst, is composed of copper-containing zeolite, and is applied to catalytic treatment of a gas stream in a second temperature zone lower than the first temperature zone.

Description

1차 및 2차 촉매작용으로 NOX를 저감시키기 위한 장치 및 방법{Method and Apparatus for Reducing NOX with First and Second Catalysis}Apparatus and method for reducing NX by primary and secondary catalysis {Method and Apparatus for Reducing NOX with First and Second Catalysis}

본 발명은 내연소엔진, 용광로, 파워 플랜트 등의 작동시의 연소 과정에서 형성되는 배기 가스 스트림으로부터 유해 가스를 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 연소 과정에서 생성되는 배기 가스로부터 질소산화물(NOX)을 제거하는 데 사용되는 촉매에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and method for removing noxious gases from an exhaust gas stream formed during combustion during operation of internal combustion engines, furnaces, power plants, and the like. In particular, it relates to catalysts used to remove nitrogen oxides (NOX) from exhaust gases produced during combustion.

연소 장치에서 생성되는 배기 가스로부터 유해 가스를 제거하는 방법 및 시스템을 개발하려는 지속적인 노력이 수년간 계속되어 왔다. 최근 몇 년간 세계 각국에서는, 연소 장치로부터 대기로 배출되는 유해 배기 가스를 저감하기 위한 노력의 일환으로 환경 규제가 법으로 제정되었다There has been an ongoing effort for many years to develop methods and systems for removing harmful gases from exhaust gases produced by combustion devices. In recent years, environmental regulations have been enacted in countries around the world as part of an effort to reduce harmful exhaust gases emitted into the atmosphere from combustion devices.

가장 문제가 되는 것은 가솔린 엔진, 특히 디젤 엔진과 같은 내연소 엔진으로 운행되는 차량에 의한 질소산화물(NOX)의 생성이다. 공장에 설치된 용광로, 산업용 또는 가정용 난방기구, 파워 플랜트 장치 등의 연소 장치도 물론 문제이다.The most problematic is the production of nitrogen oxides (NOX) by vehicles running on internal combustion engines such as gasoline engines, especially diesel engines. Combustion devices such as factory-installed furnaces, industrial or domestic heating appliances, and power plant units are of course also a problem.

이러한 장치에서의 연소 과정 중에는, 연소실(예를 들면 내연소 엔진의 실린더) 내부에 일반적으로 존재하는 고온고압하에서 공기 중의 질소와 연소실의 산소가 반응할 때 질소 산화물이 생성된다. 이러한 질소 산화물은 NOX 배기라고 일컬어지며, 일산화질소, 이산화질소, 또는 이들의 혼합물을 포함한다. NOX 배기는 스모그나 산성비를 초래하는 대표적인 대기 오염물이다. 전세계 대표적 선진국가들은 NOX 배기 저감에 관한 규제를 제정해 두었다.During the combustion process in such an apparatus, nitrogen oxides are produced when nitrogen in the air reacts with oxygen in the combustion chamber under the high temperature and pressure normally present inside the combustion chamber (eg, the cylinder of an internal combustion engine). These nitrogen oxides are referred to as NOx emissions and include nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, or mixtures thereof. NOX exhaust is a typical air pollutant that causes smog and acid rain. Leading developed countries around the world have enacted regulations on NOX emission reduction.

그 결과, 연소 장치로부터의 배기 가스에 의한 대기로의 질소 산화물이나 NOX의 방출을 실질적으로 제거하기 위한 방법 및 시스템을 개발하기 위한 장기간에 걸친 많은 노력이 진행되고 있다. 자동차 배기가 공기 오염의 주요 원인인 것을 깨닫고, 캘리포니아 주는 캘리포니아에서 판매된 1966년형 자동차에 대해, 차량에 배기 컨트롤 시스템의 사용을 요구하는 법안을 통과시켰다. 유사한 법안이 1968년형 자동차부터에 대하여 미국에서 제정되었다.As a result, many long-term efforts are underway to develop methods and systems for substantially eliminating the emissions of nitrogen oxides or NOx to the atmosphere by exhaust gases from combustion devices. Realizing that automobile exhaust is a major cause of air pollution, the state of California passed a law requiring the use of an exhaust control system on vehicles for 1966 models sold in California. Similar legislation was enacted in the United States for 1968 cars onwards.

연소과정에서 연료와 공기의 #8220#완전한 혼합#8221#은 열역학적으로 #8220#화학량론(stoichiometric)#8221#이라고 칭한다. 이것은 공기의 양이 연료 전부를 연소하기에 딱 맞는 양이어서, 초과 산소량을 남기지 않는다는 것이 포인트이다. 많은 이유로 내연소 기관은 화학량론적으로 작동되지 않고, 화학량론 조건에 비해 연료 대비 산소량이 초과하는 희박(lean)연소에서 작동된다. 가솔린 및 디젤 내연소 엔진 모두 희박연소에서 작동되지만, 주로는 디젤 엔진이 희박연소에서 작동되고, 이러한 엔진의 배기 가스로부터 원하지 않는 양의 NOX배기가 이루어진다. 가끔 엔진은 과잉(rich)연소로 작동되고, 산소에 비해 연료가 풍부한 상태가 된다. 가솔린에 있어서 화학량론적 혼합은 14.6:1이다. 이러한 조건일지라도 대기 중의 약간의 질소는 산소와 반응하여 NOX를 형성한다.The #8220#complete mixing of fuel and air #8221# in the combustion process is thermodynamically called #8220#stoichiometric#8221#. The point is that the amount of air is just the right amount to burn all of the fuel, leaving no excess oxygen. For many reasons, internal combustion engines do not operate stoichiometrically, but run on lean combustion in which the amount of oxygen to fuel exceeds the stoichiometric conditions. Both gasoline and diesel internal combustion engines operate in lean burn, but mainly diesel engines are operated in lean burn, and unwanted amounts of NOx emissions are produced from the exhaust gases of these engines. Occasionally the engine runs on rich combustion and becomes fuel rich relative to oxygen. For gasoline the stoichiometric mixing is 14.6:1. Even under these conditions, some nitrogen in the atmosphere reacts with oxygen to form NOx.

린번엔진으로부터의 배기 가스 스트림은 상당한 양의 산소를 포함하기 때문에, #8220#쓰리-웨이(3-way) 촉매#8221#와 같은 전통적인 배기 촉매를 사용하여 가스 스트림으로부터 NOX를 효율적으로 제거하는 것을 방해한다. 그 결과, NOX트랩이나 NOX저장/환원 시스템은 현재의 린번엔진으로부터의 NOX를 제거하는 것을 돕는 방향으로 발전되어 왔다. 그러나 이러한 시스템들은 배기 가스 스트림의 과잉 연소와 희박 연소 컨디션의 교대를 위하여 클로즈 엔진 컨트롤(close engine control)에 의존해야만 한다. 희박 연소 상태에서 채용된 촉매는 NOX를 저장한다. 과잉 연소 상태에서 촉매는 NOX를 N2로 환원시킨다. 또한, HC-SCR 시스템은 내연소 엔진의 배기가스로부터 NOX를 환원시키는데 사용하기 위하여 개량되어 왔으나, 이들 시스템은 사용상 한계가 발견되었다.Because exhaust gas streams from lean burn engines contain significant amounts of oxygen, the efficient removal of NOx from the gas stream using traditional exhaust catalysts such as #8220#3-way catalyst #8221# is not recommended. interfere As a result, NOx traps or NOx storage/reduction systems have been developed to help remove NOx from current lean burn engines. However, these systems must rely on close engine control to alternate between overburning and lean burn conditions of the exhaust gas stream. Catalysts employed in lean burn conditions store NOx. In excess combustion conditions, the catalyst reduces NOX to N2. HC-SCR systems have also been improved for use in reducing NOx from exhaust gases of internal combustion engines, but these systems have been found to be limited in use.

따라서 내연소 기관과 같은 연소 장치의 배기 가스로부터 NOX를 제거하기 위한 장치 및 방법을 발전시킬 기술이 필요하다.Accordingly, there is a need for techniques that will advance apparatus and methods for removing NOx from exhaust gases of combustion devices such as internal combustion engines.

상세설명detailed description

본 발명은 가스 스트림에 존재하는 NOX 화합물을 제거하거나 적어도 실질적으로 감소시키기 위한 촉매 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for catalytic treatment to remove or at least substantially reduce NOx compounds present in a gas stream.

본 발명에 따른 장치는 내연소 엔진에 의해 발생하는 배기가스의 NOX 화합물을 저감시키거나 제거하기 위한 효율적인 수단을 제공한다. 특히, 본 발명에 따른 장치는, 예를 들면 상대적으로 큰 산소 포션을 나타내는 디젤엔진과 같은 린번 엔진으로부터의 배기가스에 효율적으로 작용된다. 본 발명은 시너지 효과를 얻기 위해, 상대적으로 높은 온도에서 NOX 변환 활동을 나타내는 1차 촉매와, 낮은 온도에서 적어도 유사한 활동을 나타내는 2차 촉매의 혼합물(combination)을 사용한다. 본 발명은 넓은 작용 온도 범위와 강화된 가스 스트림 처리 용량으로 특징지을 수 있다. 특히, 본 발명은, 1차 촉매로 중간 질소 화합물의 적합한 조합을 생성하고, 2차 촉매로 이들을 환원시킴으로써, 각 촉매의 부분의 합보다 나은 시너지 효과를 얻을 수 있는 촉매 혼합물을 사용한다.The device according to the invention provides an efficient means for reducing or eliminating NOx compounds in exhaust gases generated by internal combustion engines. In particular, the device according to the invention works efficiently on exhaust gases from, for example, lean-burn engines, such as diesel engines which exhibit a relatively large oxygen potion. In order to obtain a synergistic effect, the present invention uses a combination of a primary catalyst exhibiting NOx conversion activity at a relatively high temperature and a secondary catalyst exhibiting at least similar activity at a lower temperature. The present invention is characterized by a wide operating temperature range and enhanced gas stream processing capacity. In particular, the present invention uses catalyst mixtures that can produce a suitable combination of intermediate nitrogen compounds with a primary catalyst and reduce them with a secondary catalyst, resulting in a synergistic effect better than the sum of the parts of each catalyst.

본 발명에 따른 장치는 일반적으로, 최적의 1차 온도에서 작용하는데 적용되는 1차 촉매와, 1차 온도에 비해 낮은 최적의 2차 온도에서 작용하는데 적용되는 2차 촉매로 구성된다. 가스 스트림 형태의 배기 가스가 1차 촉매로부터 2차 촉매로 흐르도록, 1차 촉매는 2차 촉매의 상류측에 위치한다. 1차 촉매와 2차 촉매는 연이어 배열될 수도 있고 간격을 두고 배열될 수도 있다.The device according to the invention generally consists of a primary catalyst adapted to operate at an optimal primary temperature and a secondary catalyst adapted to operate at an optimal secondary temperature lower than the primary temperature. The primary catalyst is located upstream of the secondary catalyst so that exhaust gas in the form of a gas stream flows from the primary catalyst to the secondary catalyst. The primary catalyst and the secondary catalyst may be arranged consecutively or may be arranged at intervals.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 선택적 탄화수소 촉매 환원작용(HC-SCR)을 통하여 NOX 제거 활동을 강화하기 위하여, 탄화수소 화합물 형태의 환원제가 가스 스트림에 도입 된다.According to one embodiment of the present invention, a reducing agent in the form of a hydrocarbon compound is introduced into the gas stream to enhance the NOx removal activity through selective hydrocarbon catalytic reduction (HC-SCR).

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 1차 촉매는 금속 함유 알루미나 물질로 구성되고, 2차 촉매는 금속 함유 제올라이트 물질로 구성된다. 작동 중에, 배기 가스는 장치를 통과하고 1차 촉매와 2차 촉매에 순차적으로 작용한다. 1차 촉매와 2차 촉매는 서로 혼합하여, 간단하고 비용 효율적인 방법으로, NOX 화합물을 제거하거나 또는 적어도 실질적으로 저감시키고 친환경 부산물로 변환시키는데 작용된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the primary catalyst consists of a metal containing alumina material and the secondary catalyst consists of a metal containing zeolitic material. During operation, the exhaust gases pass through the device and act sequentially on the primary and secondary catalysts. The primary and secondary catalysts are mixed with each other and act to remove or at least substantially reduce NOx compounds and convert them into environmentally friendly by-products in a simple and cost-effective manner.

본 발명의 한 면 따르면, 가스 스트림에 존재하는 NOX의 존재를 저감시키기 위해, 가스 스트림이 통과하는 촉매 처리를 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 최적 처리 온도 대역을 가지는 1차 촉매와, 상기 1차 촉매의 하류측에 위치하고, 상기 1차 촉매에 수반하는 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 최적 처리 온도 대역을 가지는 2차 촉매로 구성된다.According to one aspect of the present invention, there is provided an apparatus for catalytic treatment through which a gas stream is passed to reduce the presence of NOx present in the gas stream. The apparatus comprises a first catalyst having a first optimum treatment temperature zone for gas stream catalytic treatment, and a first temperature zone for gas stream catalytic treatment accompanying the first catalyst, located downstream of the first catalyst. It is composed of a secondary catalyst having a lower secondary optimum processing temperature range compared to .

본 발명의 특별한 면에 따르면, 가스 스트림에 존재하는 NOX의 존재를 저감시키기 위해, 가스 스트림이 통과하는 촉매 처리를 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는, 금속 함유 알루미나로 구성되고, 가스 스트림의 촉매 처리를 위한 1차 최적 처리 온도 대역을 가지는 1차 촉매와, 1차 촉매의 하류측에 위치하고 금속 함유 제올라이트로 구성되고, 상기 1차 촉매에 수반하는 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 최적 처리 온도 대역을 가지는 2차 촉매로 구성된다.According to a particular aspect of the present invention, there is provided an apparatus for catalytic treatment through which a gas stream is passed to reduce the presence of NOx present in the gas stream. The apparatus comprises: a primary catalyst composed of metal-containing alumina and having a first optimum processing temperature zone for catalytic treatment of a gas stream; and a metal-containing zeolite located downstream of the primary catalyst; It is composed of a secondary catalyst having a second optimum processing temperature zone lower than the primary temperature zone for the gas stream catalytic treatment accompanying the

본 발명의 다른 면에 따르면, 가스 스트림에 존재하는 NOX를 저감시키기 위한 촉매 처리를 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 가스 스트림의 촉매 처리를 위한 1차 최적 처리 온도 대역을 가지는 1차 촉매로 가스 스트림을 보내는 단계와, 상기 1차 촉매로부터의 가스 스트림을, 상기 1차 촉매에 수반하는 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 최적 처리 온도 대역을 가지는 2차 촉매로 전달하는 단계로 구성된다.According to another aspect of the present invention, a method for catalytic treatment for reducing NOx present in a gas stream is provided. The method comprises the steps of directing a gas stream to a first catalyst having a first optimal treatment temperature zone for catalytic treatment of the gas stream, and directing the gas stream from the first catalyst to a gas stream catalyst entraining the first catalyst. and transferring to a second catalyst having a second optimum treatment temperature zone lower than the first temperature zone for treatment.

본 발명은 가스 스트림에 존재하는 NOX 화합물의 제거 또는 적어도 실질적인 저감을 위한 촉매 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 내연소 엔진으로부터 생산되는 배기가스의 NOX 화합물을 제거하거나 저감시키는데 효과적인 수단을 제공한다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은, 배기 가스에 존재하는 NOX 화합물을 친환경 물질로 촉매적으로 변환시키는 것을 촉진시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 일반적으로 탄화수소 형태의 환원제가 존재하는 조건하에서, 최소한의 패킹 공간을 사용하여, 1차 촉매와 2차 촉매를 혼합 사용하여 시너지 효과를 나타내는 것으로 관찰되었다. 본 명세서에 개시된 장치는, 희박(lean) NOX 배기 후처리 시스템에서의 사용에 적합한 것으로 생각된다.The present invention relates to a method and apparatus for catalytic treatment for the removal or at least substantial reduction of NOx compounds present in a gas stream. The apparatus and method according to the present invention provide an effective means for removing or reducing NOx compounds in exhaust gases produced from internal combustion engines. The apparatus and method according to the present invention are intended to promote the catalytic conversion of NOx compounds present in exhaust gases into environmentally friendly substances. It was observed that the device according to the present invention exhibits a synergistic effect by using a mixture of the primary catalyst and the secondary catalyst, using a minimum packing space, under the condition that a reducing agent in the form of a hydrocarbon is generally present. The apparatus disclosed herein is believed to be suitable for use in lean NOx exhaust aftertreatment systems.

본 발명은, 암모니아, 마인, 니트릴(nitriles) 및 기타 유기 질소 종을 생산하여, 중간생성 반응종을 테일러링(tailoring)함으로써, 서로 다른 촉매의 혼합으로부터 시너지 효과를 촉진시키기 위한 것이다. 본 발명에 따르면 동일한 패킹 영역과 공간 속도(space velocity)를 유지하면서, 높은 NOX 환원 결과를 얻는 것이 가능하다.The present invention aims to promote synergy from the mixing of different catalysts by tailoring intermediate reactive species to produce ammonia, mine, nitriles and other organic nitrogen species. According to the present invention, it is possible to obtain a high NOx reduction result while maintaining the same packing area and space velocity.

도 1에, 디젤 엔진에서의 린번 엔진(12)에 결합된 본 발명에 따른 장치(10)의 개략도가 도시되어 있다. 여기에서 #8220#린번 엔진#8221#이란, 산소 풍부(oxygen-rich) 배기를 생산하는 엔진을 가리킨다. 산소 풍부 배기란, CO, 수소, 탄화수소와 같은 환원 화합물의 총 몰비보다 높은 몰비의 산소를 가지는 배기를 말한다. 당 배기는 산화적(oxidative) 환경을 가진다. 이와 같은 엔진 시스템의 예로는, 디젤 엔진 시스템, 스파크 점화 천연 가스 또는 대체 연료 엔진 시스템, 액화 또는 가스 연료 터빈 엔진 및 다양한 린번 가솔린 엔진 시스템을 들 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같은 디젤 엔진 시스템은, 적재 조건과 디젤 엔진의 러닝 모드에 따라, 일반적으로 4% 내지 16%의 산소 함량을 가지는 배기를 생산한다.1 , there is shown a schematic view of a device 10 according to the invention coupled to a lean burn engine 12 in a diesel engine. Here, #8220#lean-burn engine#8221# refers to an engine that produces oxygen-rich exhaust. The oxygen-rich exhaust means exhaust having oxygen in a molar ratio higher than the total molar ratio of reducing compounds such as CO, hydrogen and hydrocarbons. Sugar exhaust has an oxidative environment. Examples of such engine systems include diesel engine systems, spark-ignited natural gas or alternative fuel engine systems, liquefied or gas-fueled turbine engines, and various lean-burn gasoline engine systems. A diesel engine system as shown in FIG. 1 produces exhaust typically having an oxygen content of 4% to 16%, depending on the loading conditions and the running mode of the diesel engine.

산소 풍부 배기(13)는 엔진(12)에 존재하고, 장치(10)로 향한다. 바람직하게는, 이 배기에 원자화된 탄화수소 또는 탄화수소의 혼합물(18)이 추가로 보충된다. 도시한 예에서는, 이들 탄화수소의 한 소스로서, 디젤 엔진(12)용 주연료 소스로 사용되는, 탱크(2)안의 디젤 연료(15)가 가능하다. 탄화수소 환원제로, 엔진 사이클 중 연소 과정 후의 배기에 남겨진 잔류 탄화수소가 가능하다. 또는, 보조 탄화수소가, 포스트 분사(post injection)로서, 바람직하게는 4-사이클 디젤엔진의 동력 행정 또는 배기 행정 중에 도입될 수 있다. 또는, 도시한 바와 같이, 엔진 컨트롤 모듈(ECM)(19)에 의해 제어되는 보조 분사장치(17)를 이용하여, 엔진 실린더의 하류 측에 위치한 배기 시스템의 보조 탄화수소를 도입한다. 디젤 주연료 이외에 탄화수소를 이용하는 것도 널리 알려져 있다.An oxygen rich exhaust 13 is present in the engine 12 and is directed to the device 10 . Preferably, this exhaust is further supplemented with atomized hydrocarbons or mixtures of hydrocarbons 18 . In the example shown, as one source of these hydrocarbons, diesel fuel 15 in tank 2 is possible, which is used as the main fuel source for diesel engine 12 . As a hydrocarbon reducing agent, residual hydrocarbons left in the exhaust after the combustion process during the engine cycle are possible. Alternatively, the auxiliary hydrocarbon may be introduced as post injection, preferably during the power stroke or exhaust stroke of a four-cycle diesel engine. Alternatively, as shown, an auxiliary hydrocarbon of the exhaust system located downstream of the engine cylinder is introduced using the auxiliary injector 17 controlled by the engine control module (ECM) 19 . It is also widely known to use hydrocarbons other than diesel main fuel.

상기 엔진 배기는 촉매 유니트(14)로 구성된 장치(10)를 향하고 있다. 촉매 유니트(14)에 디포지션된 것은, 본 명세서에 개시된 조정된 물리적 및 화학적 특성을 지니는 금속 함유 촉매 혼합물로서, 이들은 다른 유리한 희박 NOX 촉매 수행 특성뿐만 아니라, 높은 NOX 제거 성과를 거둔다. 촉매 반응과 함께, 금속 함유 촉매의 혼합 구성비의 상세는 아래에 나타낸다.The engine exhaust is directed to a device 10 consisting of a catalyst unit 14 . Deposited in catalyst unit 14 are metal containing catalyst mixtures having the tuned physical and chemical properties disclosed herein, which yield high NOX removal performance, as well as other advantageous lean NOX catalyst performance properties. The details of the mixing composition ratio of the metal-containing catalyst together with the catalytic reaction are shown below.

도 2에 도시한 바와 같이, 장치(10)는, 배기관(16)을 따라 린번 엔진(12)의 하류측에 위치한 촉매 유니트(14)를 포함한다. 가스 스트림의 형태로 존재하는 엔진(12)으로부터의 배기(13)(화살표로 표시)는, 도 2의 화살표가 나타내는 방향으로 배기관(16)을 따라 이동한다. 본 발명의 하나의 실시예에서는, 장치(10)는, 촉매 유니트(14)가 점유하는 패킹 영역(30)을 정의하는 기밀한 하우징(24)과, 일단에 위치한 인렛 포트(inlet port)(26)와, 타단에 위치한 아웃렛 포트(outlet port)(28)를 포함한다. 패킹 영역(30)은 인렛 포트(26)와 아웃렛 포트(28)사이를 각각 유체 연통(fluid communication)한다. 인렛 포트(26)는 연소 엔진으로부터 배기(13)를 공급하고, 아웃렛 포트(28)는 정화된 배기 가스 스트림(21)을 밖으로 빼낸다.As shown in FIG. 2 , the device 10 includes a catalyst unit 14 located downstream of the lean burn engine 12 along an exhaust pipe 16 . Exhaust 13 (indicated by arrows) from engine 12 in the form of a gas stream travels along exhaust pipe 16 in the direction indicated by the arrow in FIG. 2 . In one embodiment of the present invention, the device 10 comprises a hermetic housing 24 defining a packing area 30 occupied by the catalyst unit 14 and an inlet port 26 located at one end. ), and an outlet port (28) located at the other end. Packing area 30 is in fluid communication between inlet port 26 and outlet port 28, respectively. An inlet port 26 supplies exhaust 13 from the combustion engine, and an outlet port 28 draws out the purified exhaust gas stream 21 .

상기 장치(10)의 촉매 유니트(14)는, 배기(13) 가스 스트림의 촉매 처리를 위한 1차 최적 처리 온도 범위를 가지는 1차 촉매(20)와, 1차 촉매(20)의 하류측에 위치한 2차 촉매(22)를 포함한다. 2차 촉매(22)는 1차 촉매(20)에 수반되는 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 온도 범위에 비해 낮은 2차 최적 처리 온도 범위를 나타낸다. 특히, 1차 촉매(20)는, NOX의 탄화수소와의 반응을 촉진하여, 아민(amines), 암모니아, 유기 질소종과 같은 질소 포함 중간 생성물 및 산소(oxygenates)를 생산한다. 이들 중간 생성종은 활성 NOX종과 함께 기상(gas phase)으로 탈착한다. 2차 촉매(22)는 이들 중간 생성물이 N2로 환원하는 반응을 촉진한다. 본 발명자는, 1차 촉매가, NOX의 일부를 직접 N2로 변환시킬 뿐 아니라, 나머지 NOX로부터, 나중에 2차 촉매와 반응하여 N2를 형성하는 중간 생성종을 생산한다는 것을 알았다.The catalyst unit 14 of the apparatus 10 comprises a primary catalyst 20 having a first optimum treatment temperature range for catalytic treatment of an exhaust 13 gas stream, and downstream of the primary catalyst 20 . a secondary catalyst 22 located therein. The secondary catalyst 22 exhibits a lower secondary optimum processing temperature range compared to the primary temperature range for treating the gas stream catalyst accompanying the primary catalyst 20 . In particular, the primary catalyst 20 promotes the reaction of NOx with hydrocarbons to produce nitrogen-containing intermediate products such as amines, ammonia, organic nitrogen species, and oxygenates. These intermediate species desorb into the gas phase together with the active NOX species. The secondary catalyst 22 promotes the reduction of these intermediates to N2. The inventors have found that the primary catalyst not only converts some of the NOx directly to N2, but also produces an intermediate species from the remainder of the NOx that later reacts with the secondary catalyst to form N2.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 1차 촉매(20)는 촉매적 활성 금속을 함유한 알루미나(AL2O3) 물질, 바람직하게는 금속 함유 감마상 알루미나 물질로 구성되고, 2차 촉매(22)는 촉매적 활성 금속을 함유한 제올라이트 물질, 바람직하게는 금속 함유 ZSM-5 물질이다. 1차 촉매(20)와 2차 촉매(22)는, 분말, 펠렛, 입자, 와시코팅 또는 허니콤과 같은 모노리스(monoliths) 성형체로 촉매층에 구조적으로 배열되어 있다In a preferred embodiment of the present invention, the primary catalyst 20 is comprised of a catalytically active metal-containing alumina (AL2O3) material, preferably a metal-containing gamma-phase alumina material, and the secondary catalyst 22 is a catalytically active metal-containing alumina (AL2O3) material. a zeolitic material containing an active metal, preferably a ZSM-5 material containing a metal. The primary catalyst 20 and the secondary catalyst 22 are structurally arranged in the catalyst layer as monoliths shaped bodies such as powders, pellets, particles, washer coatings or honeycombs.

1차 촉매(20)의 금속은 은, 인듐, 갈리움, 주석(tin), 코발트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택하는 것이 바람직하고, 더 바람직한 것은 은(Ag)이다. 1차 촉매(20)의 금속의 적재(loading)는, 1차 촉매의 총 중량 기준으로 약 1 내지 15wt%가 바람직하고, 더 바람직하게는 약 2 내지 5wt%이다. 배기(13)에서의 환원제 사용이 수반되는 경우 금속의 적재는 적어도 2%가 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 1차 촉매(20)는 은이 함유된 알루미나 촉매(Ag/alumina)를 사용하였다.The metal of the primary catalyst 20 is preferably selected from the group consisting of silver, indium, gallium, tin, cobalt, and mixtures thereof, and more preferably silver (Ag). The metal loading of the primary catalyst 20 is preferably about 1 to 15 wt%, more preferably about 2 to 5 wt%, based on the total weight of the primary catalyst. A metal loading of at least 2% is preferred if the use of a reducing agent in the exhaust 13 is involved. In a preferred embodiment of the present invention, as the primary catalyst 20, silver-containing alumina catalyst (Ag/alumina) was used.

졸겔법(sol-gel method)으로 형성된 알루미나는, 산소 풍부 배기의 희박 NOX 촉매 처리시 이용되는 고유한 특성을 지닌 물질을 생산하는 것이 확인되었다. 알루미나 화합물을 형성하는 다양한 방법이 연구되었다. 하나의 실시예에서는, 착화제 보조 졸겔법에 의해 감마상의 알루미나를 얻었다. 다른 실시예에서는, 착화제를 사용하지 않고, 졸겔법으로 감마상 알루미나 물질(지지체)를 얻었다.It has been confirmed that alumina formed by the sol-gel method produces a material with unique properties used in the treatment of lean NOX catalysts in oxygen-rich exhaust. Various methods of forming alumina compounds have been studied. In one example, gamma-phase alumina was obtained by a complexing agent-assisted sol-gel method. In another example, a gamma-phase alumina material (support) was obtained by a sol-gel method without using a complexing agent.

1차 촉매(20)의 알루미나 화합물은, 2-프로패놀(2-propanol)과 같은 알코올을 채용한 와싱 단계와 함께 착화제를 이용하여 졸겔법을 통해 합성하는 것이 바람직하다. 졸겔법은, 그 결과물이 염기성 pH와 뛰어난 열수(hydrothermal) 안정성을 특징지어진다는 점과, 적재 용량과 균일성을 최대화하기 위한 알루미나 화합물상의 금속 분산을 최적화한다는 점에서 우수하다. 이 때문에 졸겔법은 종래의 제조 방법에 비해 NOX의 환원이 강화된다. 졸겔 프로세스의 상세에 관하여는 이후 실시예 2에서 설명한다. 졸겔 프로세스를 통한 알루미나의 합성의 추가 상세는, 본 명세서와 상충되지 않는 범위에서, 미국 특허 등록 번호 6,703,343 및 6,706,660을 참고할 수 있다.The alumina compound of the primary catalyst 20 is preferably synthesized through a sol-gel method using a complexing agent together with a washing step employing an alcohol such as 2-propanol. The sol-gel method is superior in that the result is characterized by basic pH and excellent hydrothermal stability, and in that it optimizes the metal dispersion on the alumina compound to maximize loading capacity and uniformity. For this reason, the sol-gel method enhances the reduction of NOx compared to the conventional production method. Details of the sol-gel process will be described later in Example 2. For further details of the synthesis of alumina via a sol-gel process, to the extent not in conflict with this specification, reference may be made to US Patent Nos. 6,703,343 and 6,706,660.

알루미나 물질의 금속 도핑(doping)이나 적재(loading)는 두 방법 중 하나로 하는 것이 바람직하다. 한 가지 방법에서는, 해당 금속 도판트는, 상술한 졸겔 프로세스 도중에 겔화를 중지시키는데 사용되는 물 속에 용해된다.Metal doping or loading of the alumina material is preferably done in one of two ways. In one method, the metal dopant is dissolved in water used to stop gelation during the sol-gel process described above.

두 번째 방법에서는, 하소된 졸겔 감마상 알루미나에 초기 습윤 함침법(incipient wetness impregnation method)에 의해 금속이 도핑된다. 바람직한 초기 습윤 함침법에서는, 하소 분말 졸겔 감마상 알루미나는 적당한 금속의 용액과 접촉된다. 금속의 용액은 감마상 알루미나 샘플의 총 기공 부피와 같거나 더 큰 양으로 존재한다. 조제한 감마 알루미나의 총 기공 부피는 알루미나의 약 1.5 에서 약 2.0 cc/g 사이가 바람직하다.In the second method, calcined sol-gel gamma-phase alumina is doped with metal by an incipient wetness impregnation method. In a preferred incipient wet impregnation method, the calcined powder sol-gel gamma-phase alumina is contacted with a solution of a suitable metal. The solution of the metal is present in an amount equal to or greater than the total pore volume of the gamma-phase alumina sample. The total pore volume of the prepared gamma alumina is preferably between about 1.5 and about 2.0 cc/g of alumina.

초기 습윤 함침법에 의해 인듐 또는 산화인듐이 도핑된 감마상 알루미나를 형성하려면, In(NO3)3 (또는 InCl3)의 적당량을 수용액에 용해시키고, 졸겔 감마상 알루미나에 접촉시킨다. 인듐 또는 산화인듐이 도핑된 감마상 알루미나 촉매는 그 후 600℃에서 5시간 동안 하소된다.To form gamma-phase alumina doped with indium or indium oxide by incipient wet impregnation, an appropriate amount of In(NO3)3 (or InCl3) is dissolved in an aqueous solution and brought into contact with sol-gel gamma-phase alumina. The gamma-phase alumina catalyst doped with indium or indium oxide is then calcined at 600° C. for 5 hours.

주석 또는 산화주석이 도핑된 감마상 알루미나는, 물 대신 에탄올 용액에서, SnCl3를 사용하여 동일한 방법으로 얻는다. 주석 또는 산화주석이 도핑된 감마상 알루미나 촉매는 600℃에서 5시간 동안, 그 후 800℃에서 2시간 동안 하소된다.Gamma-phase alumina doped with tin or tin oxide is obtained in the same manner using SnCl3 in an ethanol solution instead of water. The gamma-phase alumina catalyst doped with tin or tin oxide was calcined at 600° C. for 5 hours and then at 800° C. for 2 hours.

세 번째로 금속 촉진제로 가능하다고 평가된 것은 갈리움 또는 산화갈리움 이다. 갈리움 또는 산화갈리움이 도핑된 감마상 알루미나는, 감마상 알루미나를, 졸겔법에 의한 감마상 알루미나 준비 중 산화알루미늄 겔이 첨가되는 Ga(NO3)3-H20 수용액에 노출시킴으로써 얻는다. 갈리움 또는 산화갈리움이 도핑된 감마상 알루미나 촉매는, 600℃에서 5시간 동안 하소되어 갈리움 함유 알루미나의 산화물을 형성한다.The third possible metal accelerator is gallium or gallium oxide. Gamma-phase alumina doped with gallium or gallium oxide is obtained by exposing gamma-phase alumina to an aqueous solution of Ga(NO3)3-H20 to which aluminum oxide gel is added during preparation of gamma-phase alumina by a sol-gel method. Gamma-phase alumina catalyst doped with gallium or gallium oxide is calcined at 600° C. for 5 hours to form an oxide of gallium-containing alumina.

2차 촉매(22)의 금속은, 구리, 철, 코발트 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 구리(Cu)로부터 선택될 수 있다. 2차 촉매(22)의 금속의 적재는 2차 촉매의 총중량 기준으로 약 2 내지 15wt%가 바람직하고, 더 바람직하게는 약 3 내지 11.5wt%이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 2차 촉매(22)는 구리 함유 제올라이트 촉매(Cu/zeolite)를 사용하였다. 제올라이트 성분은 ZSM-5, ZSM-11, ZSM-35, MCM-22, MCM-49, Beta, MCM-56, ITQ-13, MCM-68와 같은 적당한 제올라이트에서 선택하면 되는데, 이들에 한정하는 것은 아니다. 바람직한 제올라이트는 ZSM-5이다. ZSM-5 성분에의 금속의 도핑이나 적재에 관한 상세는 이후 실시예 1에서 설명한다.The metal of the secondary catalyst 22 is preferably selected from the group consisting of copper, iron, cobalt, or a mixture thereof, and more preferably copper (Cu). The metal loading of the secondary catalyst 22 is preferably about 2 to 15 wt%, more preferably about 3 to 11.5 wt%, based on the total weight of the secondary catalyst. In a preferred embodiment of the present invention, the secondary catalyst 22 used a copper-containing zeolite catalyst (Cu/zeolite). The zeolite component may be selected from suitable zeolites such as ZSM-5, ZSM-11, ZSM-35, MCM-22, MCM-49, Beta, MCM-56, ITQ-13, and MCM-68. not. A preferred zeolite is ZSM-5. Details regarding doping or loading of the metal into the ZSM-5 component are described later in Example 1.

촉매 유니트(14)의 1차 촉매(20)와 2차 촉매(22)는, 1차 촉매(20)가 2차 촉매(22)의 상류에 위치한 상태로, 하우징(24)의 패킹 영역(30)안에 넣어진다. 1차 촉매와 2차 촉매의 양은 약 1:2부터 2:1까지의 비율로 존재하고, 1:1의 비율이 바람직하다. 본 실시예에서는 1차 촉매(20)와 2차 촉매(22)는 병렬적으로 배열된다. 또는, 1차 촉매(20)와 2차 촉매(22)는 각각에 대해 약간의 거리(L)만큼의 간격을 유지한다. 일반적으로 체류 시간이 감소할수록 성과는 증가한다. 2차 촉매(22)와 결합된 1차 촉매(20)는, 배기(13) 가스 스트림을 장치(10)의 인렛 포트(26)를 개재하여 받아 들이고 정화된 형태로 아웃렛 포트(28)로 내보내면서, 배기(13) 가스 스트림에 존재하는 NOX를 변환시키고 환원시키는 기능을 한다.The primary catalyst 20 and the secondary catalyst 22 of the catalyst unit 14 are arranged in a packing region 30 of the housing 24 with the primary catalyst 20 positioned upstream of the secondary catalyst 22 . ) is placed in The amount of the primary catalyst and the secondary catalyst is present in a ratio of about 1:2 to 2:1, with a ratio of 1:1 being preferred. In this embodiment, the primary catalyst 20 and the secondary catalyst 22 are arranged in parallel. Alternatively, the primary catalyst 20 and the secondary catalyst 22 are spaced apart from each other by some distance L. In general, performance increases as dwell time decreases. The primary catalyst 20 combined with the secondary catalyst 22 receives the exhaust 13 gas stream via the inlet port 26 of the apparatus 10 and sends it out in purified form to the outlet port 28 . and serves to convert and reduce NOx present in the exhaust 13 gas stream.

상술한 바와 같이, 배기(13)에는, NOX를 NO2로 변환시키는 촉매 반응을 강화하기 위하여, 촉매 유니트(14) 앞에서 환원제가 분사될 수 있다. 환원제는 연소 엔진(12)과 결합된 연로 탱크(15)로부터 꺼내져서, 연료 분사기 또는 다른 적당한 수단에 의해 배기(13)로 분사될 수 있다. 디젤 엔진에 관한 적당한 환원제의 예로는, 도데칸(dodecane), 에탄올, 프로판, 디젤 엔진, 등유, 디젤 레인지(diesel-range) 파라핀, 디젤 레인지 비방향족 스트림 등을 들 수 있다. 가솔린 엔진에 적당한 환원제의 예로는, 가솔린, 프로판, 에탄올, 옥탄 등을 들 수 있다.As described above, a reducing agent may be injected into the exhaust 13 in front of the catalyst unit 14 in order to enhance the catalytic reaction that converts NOx into NO2. The reducing agent may be withdrawn from the fuel tank 15 associated with the combustion engine 12 and injected into the exhaust 13 by a fuel injector or other suitable means. Examples of suitable reducing agents for diesel engines include dodecane, ethanol, propane, diesel engines, kerosene, diesel-range paraffin, diesel range non-aromatic streams, and the like. Examples of reducing agents suitable for gasoline engines include gasoline, propane, ethanol, octane and the like.

본 발명에 따른 장치 및 방법에 의하면, 가스 스트림에 존재하는 NOX 화합물을 제거하거나 적어도 실질적으로 감소시킬 수 있다.The apparatus and method according to the present invention make it possible to remove or at least substantially reduce NOx compounds present in a gas stream.

가스 스트림에 존재하는 NOX를 저감시키기 위해 가스 스트림이 통과하는 촉매 처리를 위한 장치 및 방법에 있어서, 상기 장치는, 1차 온도 대역에서 가스 스트림의 촉매 처리에 적용되는 은 함유 알루미나로 구성된 1차 촉매와, 상기 1차 촉매의 하류측에 위치하고 구리 함유 제올라이트로 구성된, 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 온도 대역에서 가스 스트림의 촉매 처리에 적용되는 2차 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus and method for catalytic treatment through which a gas stream is passed to reduce NOx present in the gas stream, the apparatus comprising: a primary catalyst composed of silver-containing alumina that is applied to the catalytic treatment of a gas stream in a primary temperature zone and a secondary catalyst located downstream of the primary catalyst and composed of a copper-containing zeolite, wherein the secondary catalyst is applied to the catalytic treatment of the gas stream in a secondary temperature zone lower than the primary temperature zone.

배기 가스 스트림, NOX, 환원, 촉매, 알루미나, 제올라이트exhaust gas stream, NOx, reduction, catalyst, alumina, zeolite

본 발명에 따른 장치 및 방법에 의하면, 가스 스트림에 존재하는 NOX 화합물을 제거하거나 적어도 실질적으로 감소시킬 수 있다.The apparatus and method according to the present invention make it possible to remove or at least substantially reduce NOx compounds present in a gas stream.

가스 스트림에 존재하는 NOX를 저감시키기 위해 가스 스트림이 통과하는 촉매 처리를 위한 장치 및 방법에 있어서, 상기 장치는, 1차 온도 대역에서 가스 스트림의 촉매 처리에 적용되는 은 함유 알루미나로 구성된 1차 촉매와, 상기 1차 촉매의 하류측에 위치하고 구리 함유 제올라이트로 구성된, 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 온도 대역에서 가스 스트림의 촉매 처리에 적용되는 2차 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus and method for catalytic treatment through which a gas stream is passed to reduce NOx present in the gas stream, the apparatus comprising: a primary catalyst composed of silver-containing alumina that is applied to the catalytic treatment of a gas stream in a primary temperature zone and a secondary catalyst located downstream of the primary catalyst and composed of a copper-containing zeolite, wherein the secondary catalyst is applied to the catalytic treatment of the gas stream in a secondary temperature zone lower than the primary temperature zone.

배기 가스 스트림, NOX, 환원, 촉매, 알루미나, 제올라이트exhaust gas stream, NOx, reduction, catalyst, alumina, zeolite

Claims (1)

가스 스트림에 존재하는 NOX를 저감시키기 위해, 통과하는 가스 스트림을 촉매 처리하기 위한 장치에 있어서, 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 최적 처리 온도 대역을 가지는 1차 촉매와,상기 1차 촉매의 하류측에 위치하고, 상기 1차 촉매에 수반하는 가스 스트림 촉매 처리를 위한 1차 온도 대역에 비해 낮은 2차 최적 처리 온도 대역을 가지는 2차 촉매로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.An apparatus for catalytically treating a gas stream passing therethrough to reduce NOx present in the gas stream, the apparatus comprising: a primary catalyst having a first optimum processing temperature zone for catalyzing the gas stream; and a secondary catalyst having a second optimum processing temperature zone lower than the primary temperature zone for gas stream catalytic processing accompanying the primary catalyst.
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