采用分级银/氧化铝催化剂系统来还原NO_x排放物的制作方法

专利名称：采用分级银/氧化铝催化剂系统来还原NO_x排放物的制作方法
技术领域：
本申请涉及来自稀燃汽油和柴油发动机的废气的处理，其中将NOx转化 为氮气。更具体的，本发明涉及使用多级催化反应器烃辅助选择性催化还原 富氧废气中的氮氧化物，多级催化反应器包含氧化铝载银催化剂作为用于转 化NO为N02以及部分氧化烃类的第一级，和用于将N02转化为氮气的第二 级催化剂。
背景技术：
稀燃(lean-burn)汽油和柴油发动机是在高于化学计量比的空气/燃料 (A/F)质量比下运行，用于节约燃料。与化学计量比的汽油发动机相比，它 们还提供了好的驾驶性能并减少二氧化碳的排放。这样的稀燃发动机产生的 热废气中含有相对高浓度的氧气和氮氧化物(NOx)。来自于已经预热后的柴 油发动机的废气温度通常是200。C至40(rC，并具有如下的典型组成以体积 计，约10-17%的氧气，3。/。的二氧化碳，0.1%的一氧化碳，180ppm的烃，235ppm 的NO、和余量的氮气和水。由于在热废物流中存在高含量的氧气(02)和7K， 使得这些通常包含一氧化氮(NO)和二氧化氮(N02)的NOx气体难于被还 原成氮气(N2)。
传统的釆用化学计量比汽油发动机的三元催化剂不能非常有效地处理稀 燃废气。研究者试图找到能够使用发动机出口的烃来选择性还原NOx (HC-SCR)(而不管与废气中氧含量的竞争性燃烧反应)的耐用催化剂。因 为其低活性，窄的操作温度窗口以及候选催化剂材料不够耐久，使得这样的 催化剂开发并不成功。
用于稀燃汽油或柴油发动机的NOx排放控制的技术之一是采用选择的燃 料成分烃加入到废气物流中来还原NOx。提供该烃以产生用于将氮氧化物还 原为氮的化学组分。在这种烃辅助SCR中，乙醇被认为是具有类似烃的还原 剂效用，因为它能够在废气中转化成在还原NOx中有用的化学组分。乙醇可 以作为燃料添加剂提供，以及如果需要的话，乙醇可以从燃料简单蒸馏出并储存在车辆的独立储罐中。
在一个由本发明的受让人开发的HC-SCR的改进中，环境空气ilil一^N氐 温等离子发生器以产生臭氧，并将臭氧引入到废气物流之中用于将NO氧化成 为更容易转化成N2的N02。在废气中，臭氧和氧气一起促进烃有限制地氧化成 醛和醇， 转化为包含多于两个碳原子的化合物。在等离子辅助的HC-SCR 系统中，部分氧化的HC例如醛和醇(>C2)，在JIil由BaY沸石(上游床层) 和CuY沸石(下游床层)催化剂组成的,层上，能非常有效的还原NOx。然 而只有釆用大体积的此类催化剂才能获得高NOx转化效率，其导致了封装问题 和预热缓慢。
由银微粒分散在高表面积"氧化铝颗粒(Ag/Al203)上组成的催化剂， 在釆用各种烃组分，例如发动机出口HC,部分氧化的HC和燃料成分的HC， 来还原NOx的方面显示出适中的效果。对于较低成本的工艺，优选使用非贵 金属催化剂用于NOx转化。此外，Ag/Al203能在比碱金属阳离子交换的沸石 催化剂更高的空速下还原NOx。然而，单独使用银催化剂不足以将全部的NO 转化为N2，并且在废气中会产生不期望的副产物。
因此，本发明的目的在于提供一种改进的方法，在该方法中使这种富氧 和含氮氧化物的废气混合物中进行烃辅助选择性催化还原。本发明的更具体 的目的在于提供一种在进行HC-SCR中使用银催化剂的改进方法。
发明概述
稀燃发动机废气包含如上所述的气体成分，还有含碳和不完全燃烧的烃 的微粒物质。废气可以通过合适的过滤器或氧化反应器，在进行选择性催化 还原NOx组分之前，来降低颗粒和不完全燃烧的气态烃含量。
在烃辅助选择性催化还原稀燃发动机废气中的NO和N02时，向废气中 加入合适的燃料成分的烃，以提供用于还原NOx成分的组分。例如烃辅助物 质可以是汽油馏分或低分子量的柴油馏分，和/或氧化的烃如G至C3的醇， 如乙醇。烃按照废气中氮的含量成比例加入。通常，在较高氧含量和和较高 废气或催化剂温度下，需要更高的烃量。
温度可能根据发动机运行在很广的范围内变化的废气然后穿过并接触选 择性还原催化剂材料。催化剂通常用作涂层(washcoat)，涂覆于一个或多个陶 瓷(例如堇青石)整料石砖的蜂窝壁。废气通过整料蜂窝的空速通常在约25Kh—1至约50Kh—1的范围内。竞争性氧化反应和还原反应可能同时在气相中和催化剂颗粒上发生。烃裂变成更小的烷烃或烯烃分子，并部分氧化成醇和醛。N0氧化成N02，以及 NO和N02都希望被还原成氮气。也可能形成一些含氧和含氮的碳化合物。包含分散在高表面积较大颗粒上的细颗粒银，Y-氧化铝(Ag/Al203)的 催化剂，即使是在相对低的废气温度下裂解烃作为还原组分并用于转化NO 为N02和N2，也是有效的。但是银催化剂的最佳用法是和下游的二级催化剂 联合使用，以促进将NOx成分选择性催化还原为氮气。例如基于氧化铝或BaY沸石之类的第二级催化剂位于Ag催化剂的下游， 以促进N02和部分氧化的烃(如醛)的反应。该下游催化剂床层可以由适合 促进NOx和碳以及含氧还原物质反应的材料制成。当废气以相对高的空速接触Ag催化剂床层时，NO和烃或C^醇会快速转 化成N02和醛。废气接着流入，触第二级床层，例如包含氧化铝或合适的金 属阳离子交换过的Y沸石的第二级床层，在这里完成N02被醛还原成N2。如果在双层床反应器中形成了显著量的氨或其它含氮类物质，没有在还原 NCb时被消耗，贝何以使用用于NH3还原NOx的已知催化剂(例如铜交换ZSM 沸石或Cu/TKD2)的第三级催化剂床层。因此，本发明所述的分级烃辅助选择性催化还原系统包括银催化剂的第 一级床层(例如位于第一整料壁上的涂层)，包含i顿醛还原N02为氮气的催化 剂的第二级床层(例如位于下游的第二整料壁上的涂层)，以及可选地包含^ffi 氨还原N02的催化剂的第三级床层。这种低成本分级反应器系统在宽废气^j^范围内，能有效地获得Na成分转化为氮气的高转化率。本发明的其它目的和优点将通过如下4腿的实施方案的具体描述来展现。 附图简述附

图1是当初始含有NO和乙醇添加齐啲模拟稀燃发动机废气物流，以100k h—1的空速和在225"C至35(TC范围内增加的相对低的催化剂温度下，ilil分级 Ag/Al2CM崔化剂床结构时，来自NO和N02的N2生成率(％)的图表。附图2是当初始含有NO和正辛烷添加剂的模拟稀燃发动机废气物流，以 100k h"的空速和在225X:至35(TC范围内增加的相对低的催化剂温度下， 分级Ag/Al203催化剂床结构时，来自NO和N02的N2生成率(％)的图表。附图3是当初々始有NO和正辛烷添加齐啲模拟稀燃发动机废气物流，以 100k h—1的空速和在325。C至475。C范围内增加的催化剂温度下，通过分级 Ag/Al203+BaY催化剂床结构，相对于其物理混合物，来自NO和N02的N2生
成率(％)的图表。
优选实施方案的描述
制备银催化剂和示例的第二级催化剂，用于在模拟来自稀燃发动机废气组 合物的选择性催化还原中的使用和测试。在本发明{，实施方式中，使用银催 化剂作为第一级催化剂和Y-氧化铝催化剂或BaY沸石催化剂作为第二级催化剂 的双层床催化反应器。这些实施例中所用的催化齐啲制备如下。
催化剂制备及表征
在商用Y-Al203粉体(Sasol， CataloxSBa-200，表面积200m2/g)上，采用 AgN03 (JT Baker)作为前驱体，采用初湿含浸法制备含有1.0和2.0wto/o的Ag 的Ag/M03。催化齐〖底11(TC下干燥一整夜，然后于50(TC煅烧4h。 Sasol公司 的Y-Al203粉体含98+。/。的^203和低含量的杂质(例如他20、 Ti02和Si02)， 并且在使用之前于55(TC煅烧4h。
含Ba 17.0wt。/。的BaY由NaY挤出物(Zeolyst， CBV-100， 10wt% Na, Si/Al=5.1)，在室温下用Ba (N03) 2 (JTBaker)作为前驱体，通过离子交换24 小时制得。样品然后在120。C干燥4小时，并于55(TC煅烧4小时。将离子交换 和煅烧步骤重复四次。
含Cu 2.6wt。/。的Cu-ZSM-5 NH4-ZSM-5粉体(Tosoh， HSZ-830A， Si/Al=14)，在室温下用Cu (N03) 2 (Aldnch)作为前驱体，Mil同样的离子交 换方法，离子交换24小时制得。样品然后在110。C干燥一整夜，并于450。C煅 烧4小时。
Ag， Ba和Cu的浓度M电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量得到。 催化剂评价
如下全部实验均是在一个垂直的微反应器系统中进行，其中气体向下通过。 60-80目的催化齐孵品装在一个外径为3/8"的石英管中，然后装入电炉中。反应 温度S51位于略高于催化剂床层的入口处的热电偶测得。除另行规定外，采用 包含500ppmNO， 15%02， 10%H2O以及余量的He的进料气体测量活性。烃 还原剂采用 1200ppm的C2H5OH或 400ppm的n-CsHls。对乙醇而言计算出的d/N比为4.8，对正辛烷为6.4。纯水和液态烃采用同样的方法，用独立 的注射泵和吸液芯注入。注入的液体然后汽化并沿着气体管线加热到120°C以 上。总气体流量固定在272ml/mm (STP)，通过使用不同的催化剂用量来改 变气时空速。系统内部的压力控制在940torr，全部气流被导向分析仪器。必 要的时候，反应物和产物的浓度通过NicoletNexus 670红外光谱(FT-IR)和 带有Agilent 5973质谱仪的Agilen 6890气相色谱(GC-MS)测得。
通过烃(HC)转化率、NCX转化率、NO氧化率和N2生成率来评价催化 剂的活性。烃(HC)转化率和NOx转化率基于它们通过催化剂前后的浓度差 计算。另一方面，NO氧化率定义为NO转化为N02的转化率，于此同时N2 的生成率定义为NO^又转化为N2的转化率。
%HC转化率4HC(入口)-HC(出口)〗/HC(入口) X100 %N2生成率[N2(出口)X2]/[NO(入口)^N02(入口)] X100 Ag/Al203样品作为NOx还原催化剂在模拟稀燃it^混合物中测试。如上所 述的模拟进料气体物流由500ppmNO， 15%02， 10%H2O以及剩余量的He组 成。烃还原剂采用 1200ppm的C2H5OH或 400ppm的n-C8Hls。发现即使 是在低废气温度下银催化剂也很好地促进了 NO氧化成N02，以及乙醇和正 辛烷氧化成乙醛。根据本发明，通过N02与醛和烃反应来促进N02还原成 N2的催化剂与银催化剂一起使用并评价。迸行测试来评价其中在第一催化剂 床中使用Ag/Al203和在下游的第二催化剂床中使用氧化铝或BaY沸石催化剂 的分级催化还原反应器针对NOx的性能。 实施例1
制备采用相同含量的Ag和^203或BaY的三种不同催化剂配置(A) 0.12glwt%Ag/Al2O3; (B)先0.06g2wt。/。Ag/Al203，接着0.068"203; (C)先 0.06g2wt% Ag/Al203，接着0.048gBaY。选择催化剂的总量使得每个催化剂床 (在本例中即装有催化剂粉体的石英管)的空速为100kh'1。在这些第一系列的 实验中，1200ppm乙醇加入到气流(500ppmNO， 15%02， 10%H2O， He)中 作为"烃"添加剂。催化剂的测试的温度配置分别是275°C、 300°C、 325"C和 350°C。
在100kh"条件下，NO被乙醇还原过程中，三种不同的配置均能获得类似 的％乙醇转化率。尽管Ag的含量在三种配置中都是相同的，由于Ag颗粒聚集在催化剂床的前部，分层的催化剂构型(即隨B和C)的乙醇转化率启动(light
ofi)稍決。如图1所示，在包括Al203和BaY作为可选的第二级催化剂的分层构 型中，N2生成率显著增加。在全部温度范围内，分级催化剂的NOx还原性能改 善两倍。另一方面，单独使用银催化剂只能促进约40。/。的NO和NO2转化。
畐ij产物例如氨，乙醛和氰化氢可以在催化剂上形成，并能在催化反应器出 口处检测到。使用银催化剂或银和氧化铝或BaY之一联合使用时，氨、乙醛和 氰化氢的产物分布有相当大的差别。HCN随分级催化剂上的纟驢增加更容易消 失。且在配置B中产生更多NH3。在高温度下(425。C至50(TC)，不管怎样的 催化齐(」配置均能获得基本相同的N2生成率，这可能是因为随着、驢的增加， 仅有催化剂床层的前部(Ag/Al203)被使用了。
实施例2
采用如下催化剂通过向废气中添加正辛垸来还原NO: (A) 0.06g 2wt% Ag/Al203 (200kh"); (B)先0.06g2wto/oAg/Al203，接着0.06gAl203 (100kh");
(C)先0.06g2wt。/oAg/Al203 (100kh—1)，接着0.048gBaY。当^f虫使用银催化 剂时(A)时，采用更高的空速(即200kh")，这是由于采用lwt。/。的Ag的催 化齐树于正辛貌的启动温度太低而不能与分级催化剂(B)和(C)进行公平的 比较。
由于催化剂的前部Ag的量相同，正辛烷转化反应在催化剂A和B上以类 似的、鹏启动。然而，如图2所示，当添加A1203置于Ag催化齐i」下游时(即， 配置B)， XN2生成率显著改善。有趣的是，添加Al203后既没有发现NH3也没 有发现HCN。另外一方面，配置C在、鹏低于40(TC时，启动、鹏降低了约50 。C并且获得了更高的N(^还原水平。通过BaY 5姆NOx的还原性能可以M如 下事实来解释BaY本身在更低温度下也能还原NOx;即BaY确实起到了比双 功能机理提出的第二级催化剂更多的作用。
实施例3
八^\1203+变化的^203用量
期望找到Ag/Al203和第二级催化剂的用量的最适宜的比例。于是在保持 2\^%八 ^203用量固定在0.068(即2001^-1)， j顿两个不同Al203用量(0.06g 和1.5X0.06g)来检查Al203用量的效果。在使用乙醇还原NO时，增加Al203 用量，仅仅在275-35(TC时NO、,转化率和N2生成斜肖有增加；在425-50(TC下仍是相同水平的转化率。釆用正辛烷还原NO，实际上所有温度下均得到相同水平
的转化率，显示出在分层构型中〗顿额外Al203的蹄艮递减。
实施例4
Ag/Al203+变化的BaY用量
在保持2wt% Ag/Al203用量固定在0.06g (即200k)，通过4OT三个不同 BaY用量(0.048g， 0.7X0.048g和1.5X0.048g)，测量BaY用量的效果。在使 用乙醇还原NO时，ffiil增加BaY的用量，在更低温下乙醇和NOx会产生更高 转化率，同时更高温下NOx转化率降低。有趣的是，随着BaY的用量增加，在 更多的乙醛被消耗的同时，产生了更多的NH3;例如在35(TC和1.5X200k h" ^f牛下，产生115ppmNH3和0ppm乙醛。即BaY会消耗乙醛而产生NH3，它 育^I多通过NH3抑制NOx的还原。这提供了另外一种在更低温下改进NOx还原性 能的机会ffi过在BaY下游装入NH3-SCR催化剂(例如Cu/ZSM-5)。然而 在使用正辛烷还原NO时，在所有的温度下均只有非常少量的NH3生成。
实施例5
混合催化剂和分级催化剂的比较
制备0.06g 2wt。/o的Ag/Al203和0.048g BaY的物理混合物(即均为200k h")，
用于比较上游-下游分级安排的两种同样的催化剂。分别采用正辛縦原NO进
4m两种催化剂安排的测试。混合物和分级安排的比 据如图3所示。在所
有温度范围内，物理混合物上的NOx的还原反应在被极大抑制。这可以归结于 在催化剂床前部产生的与氧结合的烃类通过催化剂床后部中的Ag颗粒进行的 燃烧反应。混合物可以认为是添加BaY改性的A^Al203的情况，因此，这显示 出了使用这一分级系统相对于使用添加剂在提高Ag/Al203的NOx还原性能方面 的优势。
多级SCR催化剂系统
由于温度升高而产生的更多的NH3，可以通过添加NH3-SCR催化剂对两级 Ag催化剂系统进行扩展。事实上，顿用乙醇还原NOx过程中，发现顺3、 CH3CN、 HCN、 CO以及CH3CHO形成时，就制备三组分复合催化剂—— Ag/Al203+CuS04/Ti04+PtyTi02以除去不期望的有害副产物。尽管这禾中尝试确实 除去了这些副产物，但它却没有提高N2的生成率。这可能是因为在中心部的 Cu催化剂上通过NH3还原NO由于乙醛而中毒；和域是因为有用的与氧结合的烃类在位于下游的Ag催化剂上燃烧而浪费了。然而，因为乙醛被除去，并且在BaY和A1203作用下产生更多的NH3 ，所以fflil在本研究中讨论的分层催化 剂构型之后，增加NHrSCR催化剂预计增加N2生成。作为对上述实施例的说明，分别通过乙醇和正辛烷作为代表性烃还原剂研 究用烃在Ag/Al203上还原NOx的反应机理。本研究获得的结果显示烃的部分 氧化和NO的氧化是在采用烃在Ag/Al203上还原NOx反应中的初始反应步骤。 随着纟昆度的升高，乙醇同样能在气相中转化为乙醛(不存在催化剂情况下)。正 辛烷开始分裂并氧化成各种更小的烃，包括与氧结合的烃类。这种烃的氧化反 应在A^A1203催化剂床的前部能更有效地发生，其中即使在类似烃和H2的还原 剂存在下，NO也能有效地氧化成N02。但是，从这些更有活性的反应物质形成 N2则可能是发生在主体催化剂材料剩下的部分，可能是在A1203位点上。这些发现和i!31在Ag/Al203催化剂下游放置不同量的A1203的额外实验表明在Ag/Al203上采用烃还原NO可能是fflil^功能反应机理而发生的NO和烃在Ag活性位上分别转化成N02和更活泼的烃类(即更小的烯烃，与氧结 合的烃)；而N2则是M这些中间产物，在包括^203的不同话性位上的随后的反应中产生。上述实施例的证据表明，通过分别优化各个反应步骤，所提出的双功能反 应机理提供了改进Ag/Al203上还原NOx的总体性能的机会。将A1203或BaY置 于Ag催化剂之后的分级催化齐係统的构思已经论证了在较低温下，它能够改 3 用乙醇和正辛^*还原NOx为N2的反应。可以使用其它的第二级或下游催 化剂。例如，其它碱土金属阳离子交换的Y沸石是适用的。或者碱金属阳离子 交换的Y沸石，如Na-、 K-、 Li-交换的Y沸石也是适用的。实际上，银和其它的催化剂都是以涂覆在整料的蜂窝壁上的涂层形式来使 用的。不同的催化齐脾跻阿以被涂覆在不同的整料砖上，并串聯顷序排列使用 (例如在涂覆Ag催化剂的砖之后是涂覆BaY催化剂的砖)。或者，不同催化剂制剂也可以是以不同层的形式涂覆在制虫的整料砖上(例如BaY涂覆作为整料 蜂窝壁的底层，Ag涂覆作为整料蜂窝壁上的顶层)。本发明所述的分级的含银催化剂系统，在无论是否向稀燃发动机废气中添 加等离子情况下的烃辅助选择性催化还原NOx中均非常有用。因此，虽然以一^j纖实施例的方式对本发明进行了阐释，但是可以理解的是这些实施例仅是解释而不是对本发明范围的限制。
权利要求
1、一种将稀燃发动机废气中NOx内容物转化为氮气的方法，其中废气中包含NO和NO2，该方法包括如下步骤向废气中加入燃料成分烃和/或C1至C3醇；以及将废气通过催化反应器，其包括主要由在氧化铝上负载Ag组成的催化剂上游段，和相邻但是分开的用于还原NO2为氮气的催化剂下游段。
2、 如t又利要求1所述的方法，其中下游段主要由氧化铝颗粒组成。
3、 如权利要求1所述的方法，其中下游段主要由碱金属阳离子交换的Y 沸石或碱土金属阳离子交换的Y沸石的颗粒组成。
4、 如权利要求1所述的方法，其中下游段主要由钠交换的Y沸石或钡交 换的Y沸石的颗粒组成。
5、 如权利要求l所述的方法，其中废气的温度范围在20(TC至50(TC。
6、 一种将稀燃发动机废气中NOx内容物转化为氮气的方法，其中废气包 含NO和N02，该方法包括如下步骤向废气中加入燃料成分烃和/或C至C3的醇；将废气接触主要由在氧化铝上负tAg组成的催化剂上游段，将NO氧化为N02，并且将烃或醇氧化为部分氧化 的物质；以及随后，将废气接触相邻但是分开的催化齐l」下游段，用于将,质与N02 反应从而还原N02为氮气。
7、 如权禾腰求6所述的方法，其中下游段主要由氧化铝颗粒组成。
8、 如权利要求6所述的方法，其中下游段主要由碱金属阳离子交换的Y 沸石或碱土金属阳离子交换的Y沸石颗粒组成。
9、 如权利要求6所述的方法，其中下游段主要由钠交换的Y沸石或钡交 换的Y沸石颗粒组成。
10、 如权利要求6所述的方法，其中废气的温度范围在20(TC至5(XTC。
11、 如权利要求6所述的方法，其中氧化铝载银催化剂是以涂覆于第一陶 瓷整料的蜂窝壁的涂层形式，用于,质与N02反应的催化剂是以涂覆于第二 陶瓷整料的蜂窝壁的涂层形式。
12、 如权利要求6所述的方法，其中用于,质与N02反应的催化剂是以涂覆于陶瓷整料的蜂窝壁的第一涂层形式，氧化铝载银催化剂是以涂覆于第一 涂层的上涂层形式。全文摘要
通过将废气通过包含将NO氧化为NO₂和将添加的烃部分氧化成醛的第一级氧化铝载银催化剂的分级催化剂床层，有助于稀燃发动机废气中的NO_x成分的烃辅助选择性催化还原。银催化剂下游是第二催化剂，其被选择用于将烃和醛类与NO₂还原反应成氮气。γ-氧化铝和BaY沸石都是适合作为第二级催化剂的例子。
文档编号B01D53/86GK101304799SQ200680035252
公开日2008年11月12日 申请日期2006年7月19日 优先权日2005年8月5日
发明者李钟桓 申请人:通用汽车环球科技运作公司