TW202337550A - 壓縮天然氣燃燒及排氣系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種壓縮天然氣燃燒及排氣系統，其包含：(i)天然氣燃燒機及(ii)排氣處理系統，其包含用於接收來自燃燒機之排氣之進氣口及經配置以接收並處理該排氣之觸媒物品，其中該觸媒物品包含：具有至少第一塗層及第二塗層之基材，該第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁及該第二塗層包含含鈀沸石，其中該第一塗層經配置以在第二塗層之前接觸排氣；且其中該系統經組態來以以下模式選擇性操作：(a)第一貧模式，其中硫被捕集在第一塗層上；及(b)第二富模式，藉此硫自第一塗層釋放。本發明進一步關於一種方法。

Description

壓縮天然氣燃燒及排氣系統
本發明係關於壓縮天然氣燃燒及排氣系統及特定言之，具有改善之硫耐性者。
天然氣作為傳統上使用汽油及柴油燃料之車輛及固定式發動機之替代燃料越來越受關注。天然氣主要由甲烷(通常70至90%)與變化比例之其他烴，諸如乙烷、丙烷及丁烷(於一些沉積物中，至多20%)及其他氣體組成。其可自油或天然氣領域商業產生及廣泛用作用於發電、工業汽電共生及家用供暖之燃燒能量源。其亦可用作車輛燃料。
天然氣可用作以壓縮天然氣(CNG)及液化天然氣(LNG)之形式之運輸燃料。CNG於加壓至3600 psi (約248巴)之槽中裝載且具有約35%汽油/單位體積之能量密度。LNG具有2.5倍於CNG之能量密度及主要用於重型車輛。將其在-162℃下冷卻至液體形式及結果，體積減少600 倍，意味著LNG較CNG更易於運輸。Bio-LNG可為天然(化石)氣之替代，自生物氣體產生，藉由自有機物質(諸如填埋廢物或糞便)之厭氧消化衍生。
天然氣具有許多環境效益：其為通常含有少量雜質之更清潔燃燒燃料，其含有較傳統烴燃料更高能量(Bti)/碳，導致低二氧化碳排放(少25%的溫室氣體排放)，及其與柴油及汽油相比，具有更低PM及NO x排放。生物氣體可進一步減少此類排放。
採用天然氣之另外驅動因素包括高豐度及與其他化石燃料相比之更低成本。
天然氣發動機與重型及輕型柴油機相比排放極低PM及NO x(各自為少至多95%及70%)。然而，藉由NG發動機產生之排氣通常含有顯著量之甲烷(所謂之「甲烷逃逸」)。限定來自此等發動機之排放之法規目前包括Euro VI及美國環境保護局(EPA)溫室氣體立法。此等對甲烷、氧化氮(NOx)及顆粒物質(PM)施加排放限制。
用於甲烷燃料發動機之兩種主要操作模式為化學計量條件(λ = 1)及貧燃條件(λ ≥ 1.3)。鈀基觸媒作為在兩種條件下甲烷氧化之最活躍類型之觸媒係熟知的。針對化學計量及貧燃壓縮天然氣發動機二者之規定之排放限制可藉由各自應用鈀-銠三元觸媒(TWC)或鉑-鈀氧化觸媒來滿足。
此Pd基觸媒技術之增長取決於克服就由於硫、水及熱老化之成本及觸媒失活而言的挑戰 。
甲烷為最少反應性烴及需要高能量以將主要C–H鍵斷裂。烷烴之點火溫度一般隨著增加燃料與空氣比率及增加烴鏈長度而降低，其與C–H鍵強度相關。已知利用Pd基觸媒，甲烷轉化之起燃溫度較其他烴更高(其中「起燃溫度」意指轉化達到50%之溫度)。
當以化學計量條件(λ = 1)操作時，TWC係用作有效及成本有效後處理系統以燃燒甲烷。由於此烴之極低反應性及觸媒經由熱及化學效應之失活，針對高程度甲烷轉化，需要具有＞200 gft –3之高總鉑族金屬(pgm)負載之主要雙金屬Pd-Rh觸媒以滿足生命末期總碳氫化合物(THC)法規。高pgm負載之使用將提高化學計量CNG發動機中之總體HC轉化率。然而，高甲烷轉化可利用基於發動機校準之相對低pgm達成，即，控制空氣燃料比率以便在化學計量附近或富化學計量下操作；該pgm負載亦可對應於關於甲烷及非甲烷轉化之地區立法要求而變化。
NO x之還原及甲烷之氧化在極氧化條件下亦更困難。針對貧燃CNG應用，針對在較低溫度下之甲烷燃燒需要高總pgm負載(＞200 gft –3)之Pd-Pt。與化學計量發動機不同，還原劑亦需要注入排氣系統中以能在存在過量氧氣下還原NO x。此通常以氨水(NH 3)之形式，及因此貧燃應用需要與化學計量之彼等完全不同觸媒體系，其中有效NO x還原可利用在稍富或化學計量條件下使用CO或HC達成。
由於甲烷在較低溫度下之非反應性(或差的反應性)，增加之甲烷排放可在冷啟動及怠速情況期間產生。為提高甲烷在較低溫度下之反應性，選項之一為使用高pgm負載，其增加成本。
天然氣觸媒(尤其Pd基觸媒)可遭受被水(5至12%)及硫(於潤滑油中＜0.5 ppm SO 2)之中毒，尤其在貧條件下，其導致觸媒之轉化率隨時間推移急劇下降。由於羥基、碳酸鹽、甲酸鹽及其他中間體在觸媒表面上之形成，由於水之失活係顯著的。活性係可逆及若移除水，則可完全恢復。然而，此係不切實際，因為甲烷燃燒進料通常含有高含量之水，此是由於甲烷中之高含量H。
H 2O可為抑制劑或促進劑，取決於空氣燃料比率，即，λ。在化學計量及還原條件，λ＞1下，H 2O可於CNG及汽油發動機二者中充當烴透過蒸汽重整反應之氧化之促進劑。然而，針對在λ＞1下之貧燃CNG操作，H 2O充當甲烷氧化之抑制劑。理解水抑制效應及設計對H 2O之存在更耐受之觸媒係關鍵。當試圖控制來自貧燃CNG之甲烷排放時，此將允許改善。
儘管硫含量於發動機排氣中極低，但是Pd基觸媒在硫暴露後顯著失活，這是由於穩定硫酸鹽之形成。為了硫中毒後恢復活性，觸媒之再生具挑戰性及通常將需要高溫、富操作或二者。此於化學計量操作中可容易達成，但是於貧燃中更困難。貧燃車輛以較化學計量車輛高得多的空氣燃料比率操作及將需要注入高得多濃度的還原劑以切換至富操作。自由於差的發動機瞬時控制及點火系統之高水平之失火事件所致之熱失活破壞觸媒及相應導致高水平的廢氣排放。
含鈀觸媒在貧及化學計量條件二者下失活，但是硫中毒具有較貧操作中之熱老化更劇烈的影響。硫中毒可藉由添加少量Pt至Pd觸媒中來改善。此係因為由於硫酸鈀之形成之硫抑制可在添加Pt後顯著降低。然而，Pt之添加進一步增加成本。
因此，存在對提供改善之天然氣燃燒及排氣處理系統的需求以藉由控制(諸如因硫、水及熱老化之)觸媒失活而不增加觸媒成本來減少甲烷排放。本發明之目標為解決此問題，控制與先前技術相關聯之缺點，或至少提供其商業可用替代方案。
根據第一態樣，提供一種壓縮天然氣燃燒及排氣系統，其包含： (i)天然氣燃燒機及 (ii) 排氣處理系統，該排氣處理系統包含用於接收來自該燃燒機之排氣之進氣口及經配置以接收並處理該排氣之觸媒物品，其中該觸媒物品包含： 具有至少第一塗層及第二塗層之基材，該第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁及該第二塗層包含含鈀沸石， 其中該第一塗層經配置以在該第二塗層之前接觸該排氣；且其中該系統經組態以以下模式選擇性操作： (a)第一貧模式，其中硫被捕集在該第一塗層上；及 (b)第二富模式，藉此硫自該第一塗層釋放。
於下列段落中，更詳細定義不同態樣/實施例。除非相反明確指定，否則如此定義之各態樣/實施例可與任何其他態樣/實施例組合。特定言之，指定為較佳或有利之任何特徵可與指定為較佳或有利之任何其他特徵組合。
本發明係關於壓縮天然氣燃燒及排氣系統。
天然氣燃燒機為用於燃燒天然氣之發動機。天然氣燃燒機可為行動式發動機，其意指其一般適用於汽車或其他車輛(例如，越野車)——於此類系統中，在操作期間在燃料供應及需求方面可存在變化，取決於操作者要求，諸如加速。於行動式應用中，天然氣燃燒可經組態以以貧或化學計量組態運行。於行動式應用中，一般可以富模式暫時運行該系統。雖然發動機被描述為「行動式」，但是應瞭解，其可跨一系列不同應用使用。
排氣處理系統為適用於處理來自燃燒機之排氣之系統。該排氣處理系統包含用於接收來自該燃燒機之排氣之進氣口及經配置以接收並處理該排氣之觸媒物品。該進氣口可為經組態以自燃燒機引導排氣至觸媒物品之導管或管。
觸媒物品為適用於排氣系統之組件。通常，此等物品為蜂窩體單塊，其亦可稱作「磚」。此等具有適用於接觸待用觸媒材料處理之氣體以實現排氣之組分之轉換或轉化的高表面積組態。其他形式之觸媒物品係已知及包括板組態，以及經纏繞之金屬觸媒基材。本文中所述之觸媒物品適用於所有此等已知形式，但是尤佳地其採取蜂窩體單塊之形式，因為此等提供成本及製造簡便之間之良好平衡。
該觸媒物品係用於處理來自天然氣燃燒機之排氣。即，該觸媒物品係用於催化處理來自天然氣燃燒機之排氣以在氣體之組分排放至大氣之前將其轉化或轉換以滿足排放法規。當天然氣燃燒時，其將產生二氧化碳及水二者，但是排氣亦含有一定量之需要在將排氣排放至大氣之前催化移除之另外甲烷(及其他短鏈烴)。排氣亦通常含有顯著量之可積聚並使觸媒失活之水及硫。
該觸媒物品包含具有至少第一塗層及第二塗層之基材。較佳地，該第一塗層以基材上之表面塗層提供及/或該第二塗層以基材上之表面塗層提供。較佳地，兩個塗層均以基材上之表面塗層提供。較佳地，該基材為流通型單塊。
第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁。該第一塗層有效用於在貧條件(λ＞1)下吸附或捕集存在於自CNG發動機接收之排氣中的硫及可於富條件(λ＜1)下歷時短時間段再生(即，硫自此釋放)。有利地，硫自第一塗層之釋放及因此第一塗層之再生可藉由降低由觸媒物品接收之排氣之氧濃度及視情況藉由亦注入烴至由觸媒物品接收之排氣中來以化學方式誘導，如關於本申請案之圖2中所示之數據所討論。換言之，第二富模式之富條件可藉由降低由觸媒物品接收之排氣之氧濃度及視情況藉由亦注入燃料或烴至由觸媒物品接收之排氣中來達成。
該氧化鋁可為任何類型之氧化鋁，諸如α或γ氧化鋁。此外，該氧化鋁可經摻雜，如此項技術中已知。例如，以至多15重量%，諸如1至10重量%及較佳地約5重量%之量摻雜Si或La可提供熱穩定性之改善。較佳地，第一塗層中之氧化鋁為γ氧化鋁。較佳地，第一塗層具有1至50 g/ft 3，更佳地5至40g/ft 3及最佳地10至30g/ft 3之表面塗層負載。
第二塗層包含含鈀沸石。此含鈀沸石證實用於處理來自CNG發動機之排氣之優異活性，不管排氣內之水之存在，但是易於硫抑制。當在第二富模式期間暴露於富條件時，此含鈀觸媒具有高穩定性及可耐受對高濃度之硫之週期性暴露，諸如在第二富模式期間。如由本申請案之圖1中之數據所示及後來於本說明書所討論，在第二富模式期間於排氣中之SO 2之存在暫時降低含鈀沸石之活性。然而，因為當暴露於SO 2中持續短週期時(在此期間該系統以第二富模式操作)，含鈀沸石不顯著儲存SO 2，所以當第一貧模式恢復時，含鈀沸石之活性實質上恢復。換言之，含鈀沸石不會藉由在系統以第二富模式間歇操作期間自第一塗層釋放之硫而去穩定。此與其他含鈀觸媒(諸如氧化鋁載鈀)相反，如藉由以下進一步詳細討論之圖1中之數據所示。
較佳地，沸石具有≥ 1200，較佳地≥ 1300，諸如 ≥ 1500 (例如，≥ 1700)，更佳地≥ 2000，諸如≥ 2200之SAR。較佳地，該第二塗層具有1至50 g/ft 3，更佳地5至40g/ft 3及最佳地10至30g/ft 3之表面塗層負載。
該第一塗層經配置以在第二塗層之前接觸排氣。此配置使第一塗層能捕集排氣中之硫使得在第一貧模式期間由第二塗層接收之排氣具有降低之硫含量。因此，第二塗層之含鈀沸石在第一貧模式期間藉由硫之失活減少。
較佳地，第一塗層於分區組態中為第二塗層之上游。此允許第一塗層在第二塗層之前接觸排氣。
較佳地，該基材具有入口端及出口端，視情況其中該第一塗層自該入口端延伸及該第二塗層自該出口端延伸。此允許第一塗層在第二塗層之前接觸排氣。
較佳地，該第一塗層延伸該基材之軸長之20至80%，較佳地60至80%及/或其中該第二塗層延伸該基材之軸長之20至80%，較佳地20至40%，及/或其中該第一塗層及該第二塗層一起實質上覆蓋該基材。
較佳地，該第一塗層及該第二塗層重疊該基材之軸長之至少10%。較佳地，該第一塗層及該第二塗層重疊該基材之軸長之至多25%。
或者，該第一塗層可以分層組態配置在第二塗層上。此允許第一塗層在第二塗層之前接觸排氣。
該系統經組態以以下模式選擇性操作：(a)第一貧模式，其中硫被捕集在該第一塗層上；及(b)第二富模式，藉此硫自該第一塗層釋放。在第一貧模式期間，系統利用貧燃條件，即，(λ ＞ 1)操作及在第二富模式期間，系統利用富燃條件(即， λ ＜ 1)操作。
在第一貧模式期間，第一塗層捕集存在於排氣中之硫使得由第二塗層接收之排氣具有降低之硫含量。此減少存在於第二塗層中之含鈀沸石觸媒之失活/中毒，從而在以第一貧模式操作系統期間維持其高氧化性能。為使觸媒(特定言之觸媒之第一塗層)再生，系統以第二富模式週期性/間歇性操作，藉此硫自第一塗層釋放。
在第二富模式期間，由觸媒物品接收之排氣中之氧氣之濃度可(例如)藉由注入惰性氣體(諸如氬氣)減少。系統可包含觸媒物品上游之注入器，該注入器經組態以在系統以第二富模式操作期間將惰性氣體(諸如氬氣)注入排氣中。
在第二富模式期間，由觸媒物品接收之排氣中之烴之濃度可藉由注入一或多種烴至排氣中來增加。例如，系統可包含觸媒物品上游之注入器，該注入器經組態以在系統以第二富模式操作期間將一或多種烴(諸如丙烯)注入排氣中。
藉由降低排氣中之氧氣之濃度及視情況亦增加烴含量，造成硫自第一塗層釋放從而使第一塗層再生之富條件可達成。換言之，系統以第二富模式操作可藉由降低由觸媒物品接收之排氣中之氧氣之濃度及視情況亦注入一或多種烴達成。有利地，此化學誘導之硫釋放不要求增加排氣之溫度。換言之，排氣之溫度可在第一貧模式及第二富模式期間保持實質上相同。相比之下，用於已知硫捕集配置之再生之典型技術涉及儲存之硫之熱釋放，其要求自其操作溫度之實質溫度增加(即，高幾百攝氏度)。此可對應用具極端挑戰性，由於增加之所需發動機控制，觸媒物品之熱失活之潛力及發動機之組件(諸如渦輪增壓器)之潛在熱降解。
如上所討論，排氣之溫度可在第一貧模式及第二富模式期間保持實質上相同。例如，在第一貧模式期間之排氣之溫度可於第二富模式期間之排氣溫度之20℃內，較佳地於10℃內，更佳地於5℃內。在第一貧模式及第二富模式期間之排氣之溫度可低於750℃，較佳地低於650℃，最佳地介於500與600℃之間。
於替代方案中，但是較不佳配置中，在第二富模式期間，排氣之溫度可增加。在第一貧模式期間，排氣之溫度可低於750℃。較佳地，在第二富模式期間，排氣之溫度不超過850℃。
較佳地，在一個循環期間，系統經組態以以第二富模式操作少於5分鐘，較佳地少於3分鐘，更佳地少於或等於1分鐘及以第一貧模式操作超過10分鐘，較佳地超過30分鐘，較佳地超過或等於60分鐘。換言之，系統可間歇切換以以第二富模式操作。藉由以第二富模式間歇操作，用作硫捕集器之第一塗層可再生而不使第二塗層之含鈀沸石之性能去穩定。換言之，下游第二塗層可承受在第二富模式期間經歷之富條件及高硫濃度持續此等短時間段。因為系統使第一塗層能歷時此短時間段有效再生，所以再生間隔之間之時間(即，系統以第一貧模式操作所歷經之時間)可增加。
較佳地，系統進一步包含觸媒物品下游的硫捕集器，其用於接收在該第二富模式期間自該第一塗層釋放之硫。該硫捕集器可捕集在第二富模式期間自第一塗層釋放之硫，從而減少自系統之硫排放。
視情況，該系統包含第二塗層下游之SO 2感測器及控制器，該控制器經組態以切換該系統以在藉由該感測器檢測到排氣料流SO 2含量高於臨限值時以該第二富模式操作。此係有利的，因為藉由量測第二塗層下游之排氣中之SO 2含量，SO 2感測器可監測由第一塗層之SO 2吸附及確定第一塗層是否需要再生。例如，若排氣中之SO 2含量顯著增加，則此將證實排氣中之硫未充分被第一塗層捕集/吸附及因此第一塗層需要藉由以第二富模式操作系統來再生。SO 2感測器可定位於觸媒物品之下游。
根據本發明之另一態樣，提供一種處理來自天然氣燃燒機之排氣之方法，該方法包括： 使該排氣與排氣處理系統之觸媒物品接觸； 其中該觸媒物品包含： 具有至少第一塗層及第二塗層之基材，該第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁及該第二塗層包含含鈀沸石， 其中該第一塗層經配置以在該第二塗層之前接觸該排氣； 該方法進一步包括以第一貧模式操作該排氣系統，其中硫被捕集在該第一塗層上；及以第二富模式間歇操作該排氣系統，藉此硫自該第一塗層釋放。
較佳地，此態樣中所述之方法可適用於本文中所述之系統。因此，如較佳地針對該系統所述之所有特徵同樣適用於方法態樣。
實例本發明現將關於下列非限制性實例進一步描述。
實例 1實例1之觸媒為具有2至3重量%之鈀含量之含鈀高矽質(SAR ＞ 1500)沸石的觸媒。
實例1之觸媒藉由習知初期潤濕技術藉由將矽質沸石(SAR ＞ 1500)之粉末樣品用硝酸鈀之溶液浸漬來製備。於浸漬後，將樣品在80℃下乾燥5小時及於空氣中在500℃下於靜態烘箱中煆燒2小時。
將包含預先形成之含Pd矽質沸石、氧化鋁黏合劑及二氧化矽黏合劑之表面塗層施覆至陶瓷基材，然後使用真空將表面塗層推倒在基材。將物品乾燥及在約500℃下煆燒約1小時。物品上之Pd之負載為120 g/ft 3。
實例 2實例2之觸媒為具有3重量%之鈀含量之氧化鋁載鈀的觸媒。
將包含硝酸鈀、γ-氧化鋁、氧化鋁黏合劑及檸檬酸之表面塗層施覆至陶瓷基材，然後使用真空將表面塗層推倒在基材。將物品乾燥及在約500℃下煆燒約1小時。物品上之Pd之負載為120 g/ft 3。
實例1及實例2之觸媒之硫耐性藉由量測其在模擬之穩態反應器條件下在550℃下之甲烷轉化率來測試，其中每小時將具有1分鐘持續時間之50 ppm SO 2之脈衝引入流經觸媒之合成氣體混合物中。合成氣體混合物具有下列組成：1000 ppm CH 4，25 ppm C 2H 6，5 ppm C 3H 8，1000 ppm CO，500 ppm NO，12% O 2，8% H 2O，7.2% CO 2，其餘為N 2，具有100,000 h -1之空間速度。圖1之上圖中顯示來自硫耐性之數據。
此測試模擬由於硫自第一塗層之釋放，將在本發明之系統以第二富模式週期性操作期間發生之硫之增加，其中各循環操作第二富模式1分鐘及操作第一貧模式59分鐘。
實例1之觸媒具有與本發明之第二塗層之組成相同之組成(含鈀沸石)。因此，此測試比較本發明之第二塗層在系統以第二富模式週期性操作(持續1分鐘/循環)期間之硫耐性與代之包含氧化鋁載鈀之實例2之硫耐性。
於圖1中，實例1之觸媒(其為含鈀沸石)之甲烷轉化性能藉由均在90與100%之間之一系列峰證實。實例2之觸媒(其為氧化鋁載鈀)之甲烷轉化性能藉由連續減少至小於80%之一系列峰證實。如圖1中所示，針對實例1之觸媒，雖然性能之急劇減少在各SO 2脈衝期間由於含鈀沸石因排氣中之硫失活發生，但是性能之下降在自氣體料流移除硫後快速恢復，及性能於多個循環後在大於95%甲烷轉化率下穩定。相比之下，針對實例2之觸媒(氧化鋁載鈀)，觸媒之性能隨各SO 2脈衝連續降低且於多個循環後不會穩定。性能恢復之對比行為可藉由監測在硫耐性測試期間來自實例1及實例2之觸媒之SO 2逃逸來解釋，其於圖1之中圖及下圖中所示。如圖1之中圖中所示，氧化鋁載鈀在SO 2脈衝期間儲存顯著量之SO 2。相比之下，如圖1之下圖中所示，SO 2在SO 2脈衝期間通過實例1之含鈀沸石，如藉由更高SO 2逃逸所證實。因為實例1之含鈀沸石在SO 2脈衝期間不顯著儲存硫，所以其在此等短時間段之高硫濃度下不藉由硫失活。
圖2為展示來自實例2之觸媒(氧化鋁載鈀)之儲存之硫之以化學方式誘導之釋放的圖，該觸媒為與本發明之觸媒之第一塗層相同之組合物。合成氣體混合物流經實例2之觸媒，該合成氣體混合物具有以下組成：0.5 ppm SO 2及1000 ppm CH 4，25 ppm C 2H 6，5 ppm C 3H 8，1000 ppm CO，500 ppm NO，12% O 2，8% H 2O，7.2% CO 2，其餘為N 2，在100,000 h -1之空間速度下，在550℃之溫度下。氣體混合物之氧濃度藉由週期性每小時循環1分鐘注入丙烯至氣體混合物來降低。換言之，各循環提供貧氣體混合物至觸媒中持續59分鐘及提供富氣體混合物至觸媒中持續1分鐘。
圖2展示氧化鋁載鈀在貧操作期間有效吸收硫及在週期性富脈衝期間釋放硫。在各富脈衝期間釋放之硫之濃度隨時間增加(即，在15.5小時時之富脈衝期間較在9.5小時時之富脈衝釋放更大量之硫)。預計此係因為氧化鋁載鈀至氣體混合物之更長暴露導致其上吸收更多硫，其然後可在富脈衝期間釋放。
圖2展示週期性富脈衝可藉由同時降低氧濃度及增加由觸媒接收之氣體之烴濃度來產生。換言之，圖2展示SO 2自氧化鋁載鈀之釋放可經化學誘導及因此排氣之溫度可在氧化鋁載鈀之再生期間維持在550℃。
因此，圖2展示氧化鋁載鈀(其為本發明之第一塗層之組合物)可在貧操作期間吸收硫及可經再生而無實質上溫度增加，而是代之以化學誘導。換言之，圖2之數據展示在本發明之系統以第二富模式操作期間降低氧濃度及增加由觸媒接收之排氣之烴濃度造成硫自第一塗層釋放而不需要增加排氣之溫度。此係有利的，因為儲存之硫之熱釋放通常需要自其操作溫度之實質上溫度增加(即，高數百攝氏度)，其就發動機控制、潛在觸媒熱失活及組件(諸如渦輪增壓器)之潛在熱降解而言可對應用具極端挑戰性。
富脈衝對實例1及實例2之觸媒之效應藉由當使合成氣體混合物流經觸媒時，量測其在模擬穩態反應器條件下在550℃下之甲烷及乙烷轉化來測試。該合成氣體混合物包含1000 ppm CH 4、25 ppm C 2H 6、5 ppm C 3H 8、1000 ppm CO、500 ppm NO、12% O 2、8% H 2O、7.2% CO 2，其餘為N 2，在100,000 h -1之空間速度下。富脈衝(其中合成混合物內之氧氣之濃度經由注入丙烯減少)在4.5、10.5及16.5小時時發生持續1分鐘。NO氣體至合成氣體混合物之供應在7.5小時時關閉及在14小時時切換回來，使得NO在7.5小時與14小時之間不存在於合成氣體混合物中。來自此測試之數據示於圖3中。
於圖3中，實例1及實例2二者之乙烷轉化率保持在90與100%之間。實例1之觸媒(含鈀沸石)之甲烷轉化率在100%下開始及在貧操作期間保持在90與100%之間，但是顯示在各富脈衝期間約20至25%之急劇減少。實例2之觸媒(含鈀沸石)之甲烷轉化率在100%下開始及顯示在各富脈衝之前及之後逐漸減少。針對實例1及實例2二者，在入口處之排氣之溫度於2小時後自700至710℃減少及然後保持在約560℃及在出口處之排氣之溫度於2小時後自650℃減少，保持在約570至580℃，其中在富脈衝期間急劇增加至約610℃。
如圖3中所示，藉由實例2之觸媒(其為氧化鋁載鈀)進行之轉化在各富脈衝之前及之後二者隨時間逐漸減少。預計此係由於水誘導之觸媒之失活。然而，於富脈衝後及當NO不存在於合成氣體混合物中時，實例2之觸媒之失活率顯示急劇增加。此表明觸媒之鈀發生顯著變化及甲烷氧化活性取決於進料中之NO之存在。預計實例2之觸媒之鈀之變化為PdO還原為金屬Pd及此評估得到樣品之顏色之視覺觀察支持。相比之下，圖3之圖證實，實例1之觸媒(其為含鈀沸石)之性能在富脈衝之前及之後均極其穩定，且不受來自進料之NO之存在/移除影響。總之，彼等結果表明，不管富脈衝如何，含鈀沸石與氧化鋁載鈀相比高得多的穩定性。應注意，當採用此觸媒作為本發明之第二塗層時，此更高穩定性係特別有利，因為當本發明之系統以第二富模式操作以再生第一觸媒塗層時，其可承受富條件。
如本文中所用，除非上下文另有明確指定，否則單數形式「一(a/an)」及「該」包含複數個提及物。術語「包括」之使用意欲解釋為包含此等特徵但是不排除其他特徵且亦意欲包含必然受限於所述彼等之特徵之選項。換言之，除非上下文另有明確指定，否則該術語亦包含「基本上由…組成」(意欲意指可存在特定另外組分，只要其不實質上影響所述特徵之基本特性)及「由…組成」(意欲意指可不包含其他特徵，以致若組分按其比例表示為百分比，則此等將加起來為100%，儘管考慮任何不可避免之雜質)之限制。
應瞭解，雖然本文中可能使用術語「第一」、「第二」等來描述各種元件、層及/或部分，但是該等元件、層及/或部分不應受此等術語所限制。此等術語僅用於區分一種元件、層或部分與另一種或另外的元件、層或部分。應瞭解，術語「在…上」意欲意指「直接在…上」，以致在據稱「在另一材料上」之一種材料之間不存在介入層。為了易於描述，本文中可使用空間相對術語，諸如「在…下(under/below/beneath/lower)」、「在…上(over/above/upper)」及類似者以描述一種元件或特徵與另一種或多種元件或特徵之關係。應瞭解，空間相對術語意欲涵蓋除了圖中所述之取向外之於使用或操作中之裝置的不同取向。例如，若將如本文中所述之裝置翻轉，則經描述為「在其他元件或特徵下(under/below)」之元件將經取向為「在其他元件或特徵上(over/above)」。因此，示例性術語「在…下」可包含在…上及在…下之取向二者。裝置可以其他方式取向及據此解釋本文中所用之空間相對描述符。
上述實施方式已經由解釋及說明提供，且不意欲限制隨附申請專利範圍之範圍。本文中所說明之目前較佳實施例之許多變型將對一般技術者顯然，及仍於隨附申請專利範圍及其等效物之範圍內。
本發明將關於下列非限制性圖進一步描述，其中：
圖1之上圖顯示實例1及實例2之觸媒在模擬之穩態反應器條件下在550℃下之甲烷轉化性能，其中每小時將具有1分鐘持續時間之50 ppm SO 2之脈衝引入流經觸媒之合成氣體混合物中。
圖1之中圖顯示來自實例2之觸媒在模擬之穩態反應器條件下在550℃下之SO 2逃逸，該觸媒為含鈀沸石，其中每小時將具有1分鐘持續時間之50 ppm SO 2之脈衝引入流經觸媒之合成氣體混合物中。
圖1之下圖顯示來自實例1之觸媒在模擬之穩態反應器條件下在550℃下之SO 2逃逸，該觸媒為氧化鋁載鈀，其中每小時將具有1分鐘持續時間之50 ppm SO 2之脈衝引入流經觸媒之合成氣體混合物中。
圖2為展示在氧濃度降低及將聚丙烯注入流經觸媒之合成氣體混合物時來自實例2之觸媒之儲存之硫之釋放的圖，該觸媒為氧化鋁載鈀。
圖3顯示實例1及2之觸媒在模擬之穩態反應器條件下在550℃下之甲烷及乙烷轉化性能，其中具有1分鐘持續時間之富脈衝在4.5、10.5及16.5小時時發生持續1分鐘之持續時間。NO氣體至合成氣體混合物之供應在7.5小時時被切換關閉及在14小時時被切換回來使得NO在7.5小時與14小時之間不存在於合成氣體混合物中。上圖展示實例2之觸媒之甲烷及乙烷轉化，該觸媒為氧化鋁載鈀，及下圖展示實例1之觸媒之甲烷及乙烷轉化，該觸媒為含鈀沸石。

Claims (17)

  1. 一種壓縮天然氣燃燒及排氣系統，其包含： (i)天然氣燃燒機，及 (ii)排氣處理系統，其包含用於接收來自該燃燒機之排氣之進氣口及經配置以接收並處理該排氣之觸媒物品，其中該觸媒物品包含： 具有至少第一塗層及第二塗層之基材，該第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁及該第二塗層包含含鈀沸石， 其中該第一塗層經配置以在該第二塗層之前接觸該排氣；且其中該系統經組態而以以下模式選擇性操作： (a)第一貧模式，其中將硫捕集在該第一塗層上；及 (b)第二富模式，藉此自該第一塗層釋放硫。
  2. 如請求項1之系統，其中在該第二富模式期間，藉由該觸媒物品接收之該排氣中之氧濃度減少。
  3. 如請求項1或2之系統，其中該系統進一步包含在該觸媒物品上游之注入器，其中該注入器經組態以在該系統以該第二富模式操作期間將一或多種烴注入該排氣中。
  4. 如請求項1或2之系統，其中該排氣之溫度在該第一貧模式及該第二富模式期間保持實質上相同。
  5. 如請求項1之系統，其中在該第二富模式期間，該排氣之溫度增加，視情況其中在該第一貧模式期間，該排氣之溫度低於750℃，及在該第二富模式期間，該排氣之溫度增加至大於800℃。
  6. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該第一塗層以分區組態配置於該第二塗層之上游。
  7. 如請求項6之系統，其中該基材包含入口端及出口端，視情況其中該第一塗層自該基材之該入口端延伸及該第二塗層自該基材之該出口端延伸。
  8. 如請求項6之系統，其中該第一塗層延伸該基材之軸長之20%至80%，較佳地60%至80%及/或其中該第二塗層延伸該基材之軸長之20%至80%，較佳地20%至40%，及/或其中該第一塗層及該第二塗層一起實質上覆蓋該基材。
  9. 如請求項6之系統，其中該第一塗層及該第二塗層重疊該基材之軸長之至少10%。
  10. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該第一塗層係以分層組態配置於該第二塗層上。
  11. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該第一塗層係作為該基材上之表面塗層(washcoat)提供且具有1至50 g/ft 3之表面塗層負載及/或其中該第二塗層係作為該基材上之表面塗層提供且具有1至50 g/ft 3之表面塗層負載。
  12. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該系統進一步包含用於接收在該第二富模式期間自該第一塗層釋放之硫之位在該觸媒物品下游的硫捕集器。
  13. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其進一步包含控制器及位在該第二塗層下游之SO 2感測器，該控制器經組態以切換該系統以在藉由該感測器檢測到排氣料流SO 2含量高於臨限值時以該第二富模式操作。
  14. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該基材為流通(flow-through)基材。
  15. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中該沸石具有至少1500之SAR及/或其中該氧化鋁為γ氧化鋁。
  16. 如請求項1、2及5中任一項之系統，其中在一個循環期間，該系統經組態來以該第二富模式操作小於5分鐘，較佳地小於3分鐘，更佳地小於或等於1分鐘及以該第一貧模式操作大於10分鐘，較佳地大於30分鐘，較佳地大於或等於60分鐘。
  17. 一種處理來自天然氣燃燒機之排氣之方法，該方法包括： 使該排氣與排氣處理系統之觸媒物品接觸； 其中該觸媒物品包含： 具有至少第一塗層及第二塗層之基材，該第一塗層包含含鈀氧化鋁及/或含基礎金屬之氧化鋁及該第二塗層包含含鈀沸石， 其中該第一塗層經配置以在該第二塗層之前接觸該排氣； 該方法進一步包括以第一貧模式操作該排氣系統，其中硫捕集在該第一塗層上；及間歇地以第二富模式操作該排氣系統，藉此硫自該第一塗層釋放。
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