专利名称：纯化燃烧废气的方法
技术领域：
本发明涉及燃烧废气的纯化方法及该方法中所用的设备。具体地说，本发明涉及一种能有效地消除燃烧废气如内燃机、锅炉和炉子所产生的燃烧废气中的HC、CO和NOx组分，以及NH3组分的方法，以及适用于该方法的设备(在本说明书中，术语NOx指任何氮的氧化物，如NO、NO2、N2O和N3O4，此外，术语“消除”指从废气中除去某些组分，例如，通过化学反应将这些组分转化为其他组分)。
例如，在日本未审专利申请公开No.53-86917中，公开了一种同时消除一种燃烧废气中的三种污染物，即烃组分(HC)、一氧化碳组分(CO)和氧化氮组分(NOx)的方法。、在该专利申请所公开的方法中，在空气—燃料比低于空气—燃料化学计量比(即富空气—燃料比)的条件下，将从内燃机产生的废气送入三向还原—氧化催化剂，在废气通过三向还原—氧化催化剂后，向废气中送入二次空气，使废气中的空气—燃料比变得比空气—燃料化学计量比更高(即贫空气—燃料比)。然后，将该贫空气—燃料比废气送入氧化催化剂。也就是说，在该专利申请所公开的方法中，从内燃机排出的燃烧废气先在还原气氛下送入三向还原—氧化催化剂，通过三向还原—氧化催化剂后，将废气调节为氧化气氛。然后，将该氧化气氛废气送入氧化催化剂。
如本领域的技术人员所知，当废气中的空气—燃料比处于空气—燃料化学计量比附近很窄的范围内时，三向还原—氧化催化剂能同时氧化废气中的HC和CO组分并还原NOx组分。但是，当与上述空气—燃料比范围相比时，废气的空气—燃料比处于贫空气—燃料比状态(即处于氧化气氛)时，三向还原—氧化催化剂还原NOx组分的能力迅速降低。此外，当与上述最佳范围相比，废气的空气—燃料比处于富空气—燃料比状态(即处于还原气氛)时，三向还原—氧化催化剂氧化HC和CO组分的能力迅速降低。因此，当采用三向还原—氧化催化剂以同时消除HC、CO和NOx组分时，需控制内燃机，使内燃机总是在空气—燃料比接近空气—燃料化学计量比的很窄范围内操作。在内燃机的实际c操作中，很难使内燃机严格地在所有操作条件下都在如此窄的空气—燃料比范围内操作，而且在某些情况下，当废气的空气—燃料比偏离最佳空气—燃料比范围时，这些组分的排放会增加。
为解决这个问题，在上述No.53-86917专利申请所公开的方法中，内燃机在空气—燃料比低于空气—燃料化学计量比的条件下操作，而且与空气—燃料化学计量比相比较，废气的空气—燃料比保持在富空气—燃料比范围内，无论内燃机的操作条件如何变化。该富空气—燃料比废气被送入三向还原—氧化催化剂。因为当废气的空气—燃料比为富空气—燃料比时，三向还原—氧化催化剂还原NOx组分的能力强，几乎所有废气中的NOx组分被还原—氧化催化剂所还原。此外，废气中的一部分HC、CO组分被还原—氧化催化剂所氧化。废气通过三向还原—氧化催化剂后，向废气中加入二次空气，以调节废气的空气—燃料比，使得废气的空气—燃料比变为贫空气—燃料比，然后将该贫空气—燃料比废气送入氧化催化剂。因此，在氧化气氛下，用氧化催化剂将废气中所含的未被三向还原—氧化催化剂氧化的HC、CO组分氧化。
根据该专利申请所公开的方法，通过将内燃机所产生的废气在还原气氛下与三向还原—氧化催化剂相接触，消除NOx组分和部分HC、CO组分，在废气通过三向还原—氧化催化剂之后，通过将废气在氧化气氛下与氧化催化剂相接触，消除余下的HC、CO组分。由于产生自内燃机的废气的空气—燃料比进行了调节，在该专利申请所述的方法中，空气—燃料比先为富空气—燃料比(还原气氛)，然后为贫空气—燃料比(氧化气氛)，也就是说，无需将废气的空气—燃料比保持在很窄的最佳范围内，废气中的HC、CO和NOx组分可高效地消除，不论内燃机在何种条件下操作。
然而，当采用该No.53-86917专利申请的方法消除HC、CO和NOx组分时，会产生一个问题。尽管三向还原—氧化催化剂在还原气氛下还原NOx组分的能力很强，该催化剂还能在还原气氛下将废气中的部分NOx组分转化为NH3组分(氨)。在该专利申请所述的方法中，由于富空气—燃料比废气被送入三向还原—氧化催化剂，从三向还原—氧化催化剂排出的废气流含少量的NH3。当废气在氧化气氛下送入氧化催化剂时，这些废气中的NH3被氧化并再次生成NOx。因此，当采用该NO.53-86917专利申请的方法时，很难完全消除废气中的NOx组分，因为在氧化催化剂作用下，又产生了NOx组分。
鉴于相关技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种纯化燃烧废气的方法和设备，该方法能基本消除废气中的所有HC、CO和NOx组分，以及NH3组分，同时防止废气中所含的NH3被氧化而生成NOx。
上述目的是通过下述方法达到的。该方法通过使含NH3组分的燃烧废气在氧化气氛下，于预定温度范围内与NH3分解催化剂相接触来消除燃烧废气中的NH3组分。如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能消除氧化气氛下的废气中的NH3组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂。
如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能够消除氧化气氛下的废气中的NH3组分。因此，通过在氧化气氛下，于预定的温度范围内将含NH3组分的废气送入NH3分解催化剂，基本上所有的废气中的NH3组分被NH3分解催化剂所消除，而不会生成NOx组分。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中的污染物的方法，该方法包括在还原气氛下，使内燃机废气与NH3合成催化剂相接触，该催化剂在还原气氛下，将废气中的NOx组分转化为NH3组分，在与NH3合成催化剂接触后，调节废气的条件，使废气处于氧化气氛下并且其温度处于预定的温度范围内，调节其气氛和温度后，使废气与NH3分解催化剂相接触。如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能消除氧化气氛下的废气中的NH3组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂。
根据本发明的这一方面，内燃机废气在还原气氛下与NH3合成催化剂相接触。因此，废气中的NOx组分被转化为NH3组分。此外，与NH3合成催化剂接触后，在氧化气氛并于预定的温度范围内，废气与NH3分解催化剂相接触。因此，基本上所有的由NH3合成催化剂产生的NH3组分被NH3分解催化剂所消除，从NH3分解催化剂流出的废气完全不含NOx和NH3组分。
此外，当废气处于还原气氛时(即废气中的氧浓度低)，本发明中的NH3合成催化剂能消除大部分废气中的污染物。例如，当废气处于还原气氛时，NH3合成催化剂能按下述反应将废气中的污染物如HC、CO和NO消除。
(1)(2)(3)然而，当废气处于还原气氛下时，其氧浓度较低，一部分废气中的CO和HC未通过上述反应(1)和(2)消除，而且，少量的CO和HC通过下述反应消除。
(4)(5)(6)当通过上述反应(4)至(6)生成H2时，废气中的NO与H2反应，而且通过下述反应生成少量的NH3。
NO＋(5/2)H2→NH3＋H2O
与反应(1)至(3)相比，反应(4)至(6)的反应速度较低，而且如果废气中的氧浓度较低(例如，废气的过量空气比λ低于O.95)，反应(4)至(6)不会发生，这种情况下，CO和HC通过NH3合成催化剂而不被消除。因此，为了使NH3合成催化剂产生NH3组分，废气的过量空气比λ必须比1.0稍低，例如，λ的值应为λ＝0.95－1.0，优选0.98至1.0。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中的NH3组分的设备。该设备包括设置于内燃机废气通道上的NH3分解催化剂，如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能消除氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NH3组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂；供氧装置，该供氧装置向流入NH3分解催化剂的废气供氧以使流入NH3分解催化剂的废气变为氧化气氛；以及保温装置，该保温装置将流入NH3分解催化剂的废气温度保持在预定的温度范围内，而不受自内燃机排出的废气温度变化的影响。
根据本发明的这一方面，供氧装置调节废气的条件以使废气变为氧化气氛，保温装置使废气的温度保持在预定的温度范围之内。因此，废气在氧化气氛下并于预定的温度范围内被送入NH3分解催化剂，废气中的NH3组分被NH3分解催化剂所消除。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中的NH3组分的设备。该设备包括设置于内燃机废气通道上的一系列以连续方式排列的NH3分解催化剂，其中，如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，每种NH3分解催化剂能消除氧化气氛下的废气中的NH3组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂；供氧装置，该供氧装置选择性地向流入每种NH3分解催化剂的废气供氧；温度检测装置，该温度检测装置检测每种NH3分解催化剂的温度；以及选择装置，该选择装置控制供氧装置，使供氧装置向流入温度处于预定温度范围之内的NH3分解催化剂的废气供氧。
根据本发明的这一方面，多于一种NH3分解催化剂以连续方式设置于内燃机的废气通道上。由于废气沿着废气通道流动而通过废气通道壁发生热耗散，从内燃机出来的废气的温度变低，流入每种NH3分解催化剂的废气的温度随催化剂的位置不同而变化。因此，每种NH3分解催化剂的温度也不同。选择装置选出其温度处于预定温度范围之内的NH3分解催化剂，并且控制供氧装置，使氧供入其温度处于预定温度范围之内的NH3分解催化剂。因此，向其温度处于预定的温度范围之内的NH3分解催化剂供入处于氧化气氛的废气，并且废气中的NH3组分被NH3分解催化剂有效地消除，即使由于内燃机的操作条件的改变而使内燃机出口废气温度变化。
本发明的另一方面是提供一种使用NH3分解催化剂消除燃烧废气中的NOx组分的方法，如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能在NH3组分的存在下，消除氧化气氛下的废气中的NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂，该方法包括向内燃机废气提供NH3，在氧化气氛并于预定的温度范围内，将废气与NH3分解催化剂相接触。
根据本发明的这一方面，通过在氧化气氛下并于预定的温度范围内，使NH3组分与废气中的NOx组分相接触，NH3分解催化剂消除了NOx组分。由于根据本发明的这一方面，在废气送入NH3分解催化剂之前，向废气中加入NH3，流入处于氧化气氛并于预定的温度范围之内的NH3分解催化剂的废气中含有NOx和NH3，废气中的NOx组分在NH3分解催化剂上与NH3组分反应而被消除。
本发明的另一方面是提供一种消除于空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比的条件下操作的内燃机废气中的NOx组分的设备，该设备包括设置于内燃机废气通道上的NH3分解催化剂，如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，该催化剂能在NH3组分的存在下，消除氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂；供NH3装置，该供NH3装置向流入NH3分解催化剂的废气提供NH3；以及保温装置，该保温装置将流入NH3分解催化剂的废气的温度保持在预定的温度范围内，而不论自内燃机排出的废气的温度如何变化。
根据本发明的这一方面，内燃机在贫空气—燃料比的条件下操作，排出的废气为氧化气氛。在废气流入NH3分解催化剂之前，向废气中加入NH3。此外，废气的温度保持在预定的温度范围之内。因此，在氧化气氛并于预定的温度范围之内，含NOx组分和NH3组分的废气送入NH3分解催化剂，废气中的NOx组分与NH3组分在NH3分解催化剂上反应而被消除。
本发明的另一方面是提供一种消除于空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比的条件下操作的内燃机废气中的NOx组分的设备，该设备包括设置于内燃机废气通道上的一系列以连续方式排列的NH3分解催化剂，其中，如果NH3分解催化剂的温度在预定的温度范围内，每种NH3分解催化剂能在NH3组分的存在下，消除氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度高于预定的温度范围，该催化剂能将氧化气氛下的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，如果NH3分解催化剂的温度低于预定的温度范围，氧化气氛下的废气中的NH3组分通过该催化剂；供NH3装置，该供NH3装置选择性地向流入每种NH3分解催化剂的废气供NH3；温度检测装置，该温度检测装置检测每种NH3分解催化剂的温度；以及选择装置，该选择装置控制供NH3装置，使供NH3装置向流入温度处于预定温度范围之内的NH3分解催化剂的废气供NH3。
根据本发明的这一方面，多于一种NH3分解催化剂设置于发动机的废气通道上。由于当废气沿废气通道流动时温度变低，每种NH3分解催化剂的温度随NH3分解催化剂的位置而变化。因此，即使废气的温度由于内燃机操作条件的变化而变化，一些NH3分解催化剂的温度总保持在预定的温度范围之内。选择装置控制供NH3装置，使供NH3装置向流入温度处于预定温度范围之内的NH3分解催化剂的废气供NH3。因此，含NH3和NOx的处于氧化气氛的废气送入其温度在预定温度范围之内的NH3分解催化剂。结果，废气中的NOx组分与NH3组分在NH3分解催化剂上反应并被消除。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中NOx组分的设备，该内燃机的空气—燃料运行比围绕空气—燃料化学计量比上下波动，但该内燃机的平均空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括设置于内燃机废气通道上的NH3合成催化剂，其中，如果内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比，该NH3合成催化剂将从内燃机排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分；以及设置于NH3合成催化剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，其中，如果内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比，NH3分解催化剂吸附由NH3合成催化剂所产生的NH3组分，如果内燃机的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比，通过使NOx组分与吸附在NH3分解催化剂上的NH3组分反应，NH3分解催化剂将从内燃机排出并已通过NH3合成催化剂的废气中的NOx组分还原。
根据本发明的这一方面，内燃机的空气—燃料运行比围绕空气—燃料化学计量比上下波动。如果内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比(即富空气—燃料比)，NH3合成催化剂将从内燃机排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分。该NH3组分被设置于NH3合成催化剂下游的NH3分解催化剂所吸附。因此，NH3组分未被排放到大气中。如果内燃机的空气—燃料运行比变得高于空气—燃料化学计量比(即贫空气—燃料比)，从内燃机排出的废气中的NOx组分通过NH3合成催化剂而不被转化为NH3和N2组分。但是，通过NH3合成催化剂的废气中的NOx组分通过与吸附在NH3分解催化剂上的NH3组分反应而被NH3分解催化剂所还原。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中NOx组分的设备，该内燃机的空气—燃料运行比围绕空气—燃料化学计量比上下波动，但该内燃机的平均空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括设置于内燃机废气通道上的NH3合成催化剂，其中，如果内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比，该NH3合成催化剂将从内燃机排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分；设置于内燃机NH3合成催化剂下游的废气通道上的NOx吸附剂，其中，如果内燃机的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比，NOx吸附剂吸附从内燃机排出并已通过NH3合成催化剂的废气中的NOx组分，如果内燃机的空气—燃料运行比变得低于空气—燃料化学计量比，该NOx吸附剂释放出吸附的NOx组分；以及设置于NOx吸附剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，其中，如果内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比，通过使NOx组分与由NH3合成催化剂产生的NH3组分反应，NH3分解催化剂将从NOx吸附剂释放出来的NOx组分还原。
根据本发明的这一方面，从空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比的内燃机排出的NOx组分被NOx吸附剂所吸附。因此，当内燃机空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时，NOx组分不会排放到大气中。当内燃机空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时，被NOx吸附剂吸附的NOx组分从NOx吸附剂释出。但当内燃机的空气—燃料运行比变得低于空气—燃料化学计量比时，NH3合成催化剂将从内燃机排出的NOx组分转化成NH3和N2组分。因此，从NOx吸附剂释出的NOx组分和由NH3合成催化剂产生的NH3组分同时流到NH3分解催化剂中。这些NOx和NH3组分彼此反应并生成N2和H2O组分。这样NOx和NH3组分都不会排到大气中。
本发明的另一方面是提供一种消除内燃机废气中的NOx组分的设备，内燃机的空气—燃料运行比在空气—燃料化学计量比附近波动，使得内燃机平均的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括设置在内燃机废气通道上的NH3合成催化剂，其中，当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时，NH3合成催化剂将从内燃机中排出的废气中的NOx组分转化成NH3和N2组分；设置在NH3合成催化剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，在内燃机的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时，NH3分解催化剂吸附从内燃机中排出并流经NH3合成催化剂的废气中的NOx组分，当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时，NH3分解催化剂通过将NOx组分与由NH3合成催化剂产生的NH3组分反应来还原吸附的NOx组分。
根据本发明的这一方面，当内燃机空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时，NH3分解催化剂能吸附流入NH3分解催化剂中的废气中的NOx组分。这样，当内燃机空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时，NOx组分不会排放到大气中。当内燃机空气—燃料运行比变得低于空气-燃料化学计量比时，在NH3分解催化剂上游的NH3合成催化剂产生NH3组分。但该NH3组分在NH3分解催化剂上通过与被NH3分解催化剂吸附的NOx组分反应而被氧化。因此，当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时，NOx和NH3组分也不会排放到大气中。
参照附图从下面描述中更好地理解本发明。
图1是本发明用于汽车发动机的一个实施方案的示意图。
图2是本发明另一个实施方案的示意图。
图3是本发明另一个实施方案的示意图。
图4是本发明另一个实施方案的示意图。
图5是本发明另一个实施方案的示意图。
图6是NH3分解催化剂特性随温度变化而变化的示意图。
图7是本发明另一个实施方案的示意图。
在下面将解释的实施方案中，NH3分解催化剂用来消除燃烧废气中的NOx和NH3，因此在解释各个实施方案前，先解释NH3分解催化剂。
本发明的实施方案中的NH3分解催化剂使用，例如，由堇青石制成的蜂窝体类基质，起催化剂载体作用的氧化铝层涂到该蜂窝体基质的蜂窝表面。至少一种选自元素周期表第IVB族或VIII族的元素如铜(Cu)、铬(Cr)、钒(V)、钛(Ti)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)和铱(Ir)作为催化剂承载在该载体上。
NH3分解催化剂能将流入该NH3分解催化剂的废气中的所有NH3组分转化成N2组分，只要该废气是氧化气氛且催化剂的温度在一特定范围内，该特定的范围由用作催化剂的物质来确定。因此，当废气是含NH3组分的氧化气氛且在流过处于该温度范围的NH3分解催化剂时，废气中的NH3组分几乎完全被消除，这样，从NH3分解催化剂流出的废气不再含NH3组分。在下面的解释中，NH3分解催化剂能消除废气中所有的NH3组分的温度范围被称为最佳温度范围。
当NH3分解催化剂的温度高于最佳温度范围时，流入NH3分解催化剂中的废气中的NH3组分被NH3分解催化剂氧化，产生NOx组分。
也就是说，当NH3分解催化剂的温度高于最佳温度范围时，NH3组分的氧化反应即，和/或在NH3分解催化剂上成为主要的化学反应，因而从NH3分解催化剂中流出的废气中NOx组分(即NO和NO2)的量增加。
此外，当NH3分解催化剂的温度低于最佳温度范围，NH3组分的氧化反应降低，从NH3分解催化剂中流出的废气中的NH3组分的量增加。
图6图示性地说明NH3分解催化剂的特性随温度变化而变化。图6表明当流入NH3分解催化剂中的废气是氧化气氛且废气中NH3的浓度为一不变值时，从NH3分解催化剂中流出的废气中NH3和NOx组分的浓度随NH3分解催化剂温度的变化。图6中的竖轴和横轴分别表示废气中各个组分的浓度和NH3分解催化剂的温度。图6中实线和点划线代表从NH3分解催化剂中流出的废气中NH3组分和NOx组分的浓度。
如图6所示，只要流入NH3分解催化剂中的废气中的NH3组分浓度保持不变，在低温区(图6中I区)流出废气中NH3组分的浓度几乎与流入废气中的NH3组分浓度相同。在该温度区，流出废气中NOx组分浓度几乎为零。这意味着当温度低时(图6中I区)经过NH3分解催化剂的废气中的所有NH3组分没有发生反应。
当温度高于上述低温区时，流出废气中NH3组分的浓度随温度的升高而下降，而NOx组分的浓度几乎相同(图6中II区)。即在该温度区，废气中转化成N2组分的NH3组分的量随温度的升高而增加。
随着温度进一步升高，如图6III区所示，流出废气中NH3组分浓度进一步下降，且NH3和NOx组分浓度几乎为零。即在该温度区(图6中III区)，流入NH3分解催化剂中的废气中的所有NH3组分被该催化剂消除而没有NOx组分形成。
但当温度高于该区温度时，流出废气中NOx组分的浓度随温度上升而增加(图6中IV区)，在高温区(图6中V区)，废气中所有NH3组分被NH3分解催化剂转化成NOx组分。
在本说明书中，NH3分解催化剂的最佳温度范围被定义为这样一个温度范围，在该温度范围内废气中所有NH3组分被转化成N2组分而不形成任何NOx组分，即该温度范围是图6中III区所示的范围。
NH3分解催化剂的最佳温度范围随用作催化组分的物质而变化，且与例如三向还原—氧化催化剂的活化温度相比，通常从比较低的温度开始。例如，当使用物质如铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)时，最佳温度范围近似地在100至400℃(当使用铂(Pt)时，优选100℃到300℃，最优选100℃到250℃，在使用铑(Rh)或钯(Pd)时，优选150℃到400℃，最优选150℃到300℃)。当使用物质如铜(Cu)、铬(Cr)或铁(Fe)时，最佳温度范围约为150℃到650℃(优选150℃到500℃)。因此，如果使用两种类型催化组分而形成复式化合物型NH3分解催化剂，即如果催化组分如铂(Pt)承载在基质的下游部分而催化组分如铬(Cr)承载在基质的上游部分，这样，总的NH3分解催化剂的最佳温度范围将变宽。
为什么NH3分解催化剂仅在特定的温度范围内基本上将废气中的NH3组分转化成N2组分而不产生任何NOx组分目前是不清楚的。但据信这种现象是由于下列原因。
当NH3分解催化剂处于最佳温度范围时，在NH3分解催化剂上除了发生上述氧化反应和/或外，还发生下列脱硝反应
由于这些脱硝反应，由氧化反应形成的NOx组分立即转化成N2组分。即在最佳温度范围内，流入NH3分解催化剂中的废气中的部分NH3通过氧化反应转化成NOx，该NOx立即与废气中余下的NH3反应并通过脱硝反应转化成N2。当催化剂在最佳温度范围内时，通过这些顺序反应，废气中几乎所有的NH3被转化成N2。
当NH3分解催化剂的温度高于最佳温度范围时，催化剂中氧化反应占主导且被催化剂氧化的NH3的量增加。这样，由于废气中缺乏NH3组分，脱硝反应很难发生，从而由氧化反应生成的NOx从NH3分解催化剂流出而没有被脱硝反应还原。
另一方面，当NH3分解催化剂的温度低于最佳温度范围时，由于温度低难以发生氧化反应。这样，由于废气中缺乏NOx废气中NH3流过NH3分解催化剂而没有被NOx氧化。
如上所述，NH3分解催化剂的最佳温度范围是NH3的氧化反应和NOx脱硝反应彼此平衡的范围，这样由NH3的氧化反应生成的NOx立即与废气中的NH3反应而没有过剩的NOx和NH3。因此，NH3分解催化剂的最佳温度范围是由催化剂的氧化能力和其温度关系决定的。当使用高氧化能力的催化剂组分如铂(Pt)，则最佳温度范围低于使用氧化能力比较低的催化剂组分如铬(Cr)的最佳温度范围。
如上所述，虽然该现象的机理不完全清楚，但在最佳温度范围内，NH3分解催化剂实际上将处于氧化气氛的废气中的所有NH3转化掉。此外，当NH3分解催化剂处在最佳温度范围时，发现了与上述现实有关的下列事实(a)当流入NH3分解催化剂中的废气处于氧化气氛下时，即当与空气—燃料化学计量比相比废气中空气—燃料比为贫空气—燃料比时，废气中几乎所有的NH3都转化成N2而不会生成任何NOx。当废气处于氧化气氛中(即贫空气—燃料比)时，不管废气中空气—燃料比贫度如何，总会使几乎所有的NH3转化成N2而不会生成NOx。(在本说明书中，在某一点的废气的空气—燃料比被定义为供到燃烧室或该点废气通道上游的空气和燃料的比。因此，当在所述点的废气通道上游没有供入空气或燃料时，在该点的废气的空气—燃料比便与燃烧室的空气—燃料混合物的空气—燃料比相同)。
(b)当流入NH3分解催化剂中的废气除含NH3外还含NOx时，则废气中所有的NOx和NH3被转化成N2，废气中NOx组分的浓度变为零。在这种情况下，对于脱硝反应NOx组分和NH3组分的浓度比没必要是化学计量比(即4∶3或1∶1)。唯一需要的是废气中NH3量大于还原废气中NOx(NO2和NO)所需的量。如上所述，因为当废气处于氧化气氛时，废气中过剩的NH3全都转化成N2，这时从NH3分解催化剂中流出的废气没有多余的NH3。
(c)当流入NH3分解催化剂中的废气含HC和CO组分时，只要与空气—燃料化学计量比相比废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比所有的HC和CO组分被NH3分解催化剂氧化。
但当流入NH3分解催化剂中的废气含NH3和NOx时，发现图6温度区IV，即流出废气中NOx组分的浓度随催化剂温度升高而增加的温度区，与流入NH3分解催化剂的废气中仅含NH3组分情况相比向低温一侧移动。这是因为当废气中含NOx及NH3时，在流入废气中的NOx及由NH3氧化反应形成的NOx必然被废气中的NH3还原。因此，在较低温度容易发生NH3短缺。这样当废气中含NH3和NOx时，NH3分解催化剂的最佳温度范围变窄。
关于上述(b)，常规的脱硝催化剂，如氧化钒—氧化钛(V2O5-TiO2)型催化剂在一定条件下也能消除废气中的NH3和NOx。但对于常规的脱硝催化剂，NH3和NOx组分的量必须为严格的化学计量以使NH3与NOx反应而不产生剩余的NH3和NOx。即当废气中含NO2和NO时，废气中NH3的量(摩尔数)必须与废气中NO2的摩尔数乘以 和废气中NO的摩尔数总和相等，以使NH3和NOx反应而不会产生任何过剩的NH3和NOx。但对本发明的实施方案中的NH3分解催化剂来说，如果NH3的量相对NOx的量大于化学计量，且废气的空气—燃料比是贫空气—燃料比，所有的NH3和NOx均被转化成N2而无过剩的NH3和NOx。这是本发明的NH3分解催化剂与常规的脱硝催化剂之间的重要区别。
如图6所示，虽然NH3分解催化剂在最佳温度范围内转化掉废气中所有的NH3，但当温度低于最佳温度范围时仍有一些NH3流过。为防止在低温区NH3的这类流出，可以使用酸性无机物。在本领域中众所周知，当温度低时酸性无机物(包括布朗期台德酸如沸石，二氧化硅(SiO2)，二氧化硅—氧化铝(SiO2-Al2O3)和氧化钛(TiO2)及路易斯酸包括过渡金属如铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的氧化物)吸附NH3。因此，这些酸性无机物的一种或多种可承载在NH3分解催化剂的基质上，或基质本身可用由这类酸性无机物制成的多孔材料形成以防止在低温区NH3的流出。在这种情况下，在低温没有转化成N2组分的NH3组分被NH3分解催化剂中的酸性无机物吸附，从而能使低温区从NH3分解催化剂中流出的NH3的量下降。当NH3分解催化剂温度升高时或当废气中NH3组分的浓度变低时，由酸性无机物吸附的NH3释出。这样当被酸性无机物吸附的NH3从酸性无机物中释出时，被NH3分解催化剂转化成N2。当流入NH3分解催化剂的废气的温度在宽范围变化时，使用这些酸性无机物以防止在低温区NH3的流出是适宜的。
下面解释使用NH3分解催化剂的本发明的实施方案。
图1示例性地说明了适用于内燃机的本发明的实施方案。图1中，数字1表示内燃机，2表示内燃机1的废气通道。在废气通道上，从上游端起顺序布置有三向还原—氧化催化剂3，消音器5和NH3分解催化剂7。图6中数9表示二次空气供应单元，它在消音器5和NH3分解催化剂7之间和部位向废气通道中注射空气。
三向还原—氧化催化剂3是公知的使用例如蜂窝状型基质的催化剂。在该基质上，涂敷有起催化组分载体作用的氧化铝层。在该实施方案中，贵金属如铂(Pt)、钯(Pd)和铑(Rh)的催化剂组分及添加剂如铈(Ce)被载负到氧化铝载体。众所周知，当废气的空气—燃料比接近空气—燃料化学计量比时，三向还原—氧化催化剂3能有效地消除HC、CO和NOx组分。另一方面，当与空气—燃料化学计量比相比，废气的空气—燃料比为富空气—燃料比时，三向还原—氧化催化剂基本上还原废气中所有的NOx，但这种情况下，废气中的部分NOx同时转化成NH3。即当流入催化剂中的废气的空气—燃料比与空气—燃料化学计量比相比为富空气—燃料比时，该三向还原—氧化催化剂3起NH3合成催化剂的作用。
消音器5是常规的通过膨胀废气降低声压值的消音器，且在该实施方案中，也用来通过膨胀废气来降低废气的温度。此外，因为消音器5有比较大的热容量，消音器5的下游的废气温度的变化可保持在较小的范围内，即使由于发动机1的操作条件变化引起消音器5的上游的废气的温度变化。
如前所述，当流入催化剂7的废气处于氧化气氛且催化剂7的温度处于最佳温度范围时，NH3分解催化剂7能消除废气中所有的NH3。但催化剂的温度低于最佳温度范围时，发生NH3的流出。为防止在低温区NH3的流出，可将酸性无机物载负到NH3分解催化剂的基质上或基质本身用由该酸性无机物制成的多孔材料形成。
二次空气供应单元9包括加压空气源9a如空气泵，将空气注入NH3分解催化剂7上游的废气通道中的喷嘴9和安装在连结空气源9a和喷嘴10的管线上的关闭阀11。如下所述，能调节从喷嘴10中注入的空气量的流量控制阀可用来代替关闭阀11。
在该实施方案中，内燃机1在接近空气—燃料化学计量比的空气—燃料比下操作且内燃机1的废气的空气—燃料比通常维持在空气—燃料化学计量比下。因为三向还原—氧化催化剂3在空气—燃料比接近空气—燃料化学计量比时能高效地消除废气中的HC、CO和NOx组分，因而从三方还原—氧化催化剂3中流出废气通常不含任何HC、CO和NOx组分。然而即使内燃机1的空气—燃料运行比维持在接近空气—燃料化学计量比下，由于内燃机空气—燃料运行比的波动，与空气—燃料化学计量比相比，废气的空气—燃料比偶尔也会成为富空气—燃料比。在这样的情况下，废气中部分NOx被三向还原—氧化催化剂3转化成NH3。这样，从三向还原—氧化催化剂3中流出的废气有时含少量NH3。
在该实施方案中，NH3分解催化剂7设置在三向还原—氧化催化剂3的废气通道下游以消除在三向还原—氧化催化剂3中形成的NH3。即从三向还原—氧化催化剂3流出的废气沿废气通道2流动并流过消音器5。另外，在废气流到NH3分解催化剂7中之前用二次空气供应单元9将空气加到废气中。
通常在内燃机1的出口废气的温度高于NH3分解催化剂7的最佳温度。但随着废气沿废气通道的流动，由于经过废气通道2的壁的热耗攻，废气的温度降低。此外，当经过消音器5时，废气被消音器5冷却。因而，到达NH3分解催化剂7时的废气温度低于在内燃机1的出口处的温度。在该实施方案中，在内燃机1和NH3分解催化剂7之间的废气通道的长度及消音器5的容量以这样的方式确定使得在NH3分解催化剂7进行处的废气的温度落在最佳温度范围，即使内燃机1在最高废气温度条件下操作。通过这种布置，流入NH3分解催化剂7中的废气温度及相应的NH3分解催化剂7的温度总维持在最佳温度范围而不管内燃机1的操作条件是否变化。
此外，流入NH3分解催化剂7的废气的空气—燃料比通过用二次空气供应单元9供入空气来调节，从而使得与空气—燃料化学计量比相比废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比。如前所述，当流入NH3分解催化剂7中的废气处于氧化气氛(即贫空气—燃料比)，则NH3分解催化剂7能消除废气中几乎所有的NH3，不管废气的空气—燃料比的贫度如何。因此，在本实施方案中，没必要控制来自二次空气供应单元9供应的空气量以严格控制流入NH3分解催化剂7的废气中的空气—燃料比。二次空气供应单元9供入的空气量应使得即使内燃机1的空气—燃料运行比与空气—燃料化学计量比相比波动到富空气—燃料比，该供入量能保持流入NH3分解催化剂7中的废气的空气—燃料比与空气—燃料化学计量比相比为贫空气—燃料比。
借上述方案，供到NH3分解催化剂7中的废气总为氧化气氛并且温度在最佳温度范围内。因此，即使在三向还原—氧化催化剂3中形成NH3，NH3也能被NH3分解催化剂7消除掉。此外，当空气—燃料比为富空气—燃料比时，三向还原—氧化催化剂3消除废气中HC和CO的能力下降。但按照本实施方案，流过三向还原—氧化催化剂3的HC和CO组分也能被NH3分解催化剂7消除掉。因此，按照本实施方案，当内燃机的空气—燃料运行比波动到富空气—燃料比时，也可防止HC、CO和NH3组分排放的增加。
在本实施方案中，虽然废气的温度可通过废气通道2的壁的热耗散和消音器5的冷却来调节，但也可使用其他用来调节废气温度的设备。例如，也可在废气通道2的外壁安装热辐射片以代替消音器5，或者仍保留该消音器5，或将废气通道2的壁水冷以提高废气通道2的冷却能力。此外，在本实施方案中，用流量控制阀代替关闭阀11，根据废气的温度调节由二次空气供应单元9供入的空气量以维持流入NH3分解催化剂7中的废气温度在最佳温度范围内。另外冷却废气通道壁的冷却水的流量或用二次空气供应单元供入的空气量可根据探测NH3分解催化剂7的催化床层的温度传感器输出的信号的反馈来控制，从而使NH3分解催化剂维持在最佳温度范围内。
在上述实施方案中，如果内燃机1的空气—燃料运行比波动到与空气—燃料化学计量比相比为贫空气—燃料比时，在三向还原—氧化催化剂3中不会形成NH3，且用来还原NOx的三向还原—氧化催化剂3的能力也下降。在这种情况下，含NOx但不含NH3的废气流入NH3分解催化剂7中，使得废气中NOx流经NH3分解催化剂7而未被还原。因此，当空气—燃料运行比为贫空气—燃料比时，为防止NOx排出，可在三向还原—氧化催化剂3和NH3分解催化剂7之间废气通道2上设置能吸收贫空气—燃料比的废气中的NOx的NOx吸附剂或甚至在氧化气氛中能选择性地还原废气中NOx的NOx还原催化剂。图7示出了本发明一个实施方案，其中NOx吸附剂或NOx还原催化剂设置在三向还原—氧化催化剂3和NH3分解催化剂7之间的废气通道2上。在图7中，与图1相同的数字表示相同的元件。在图7中数字8表示设置在三向还原—氧化催化剂3和NH3分解催化剂7之间的废气通道上的NOx吸附剂或NOx还原催化剂(在图7中，NOx吸附剂8或NOx还原催化剂设置在三向还原—氧化催化剂3和消音器5之间，但NOx吸附剂8或NOx还原催化剂可设置在消音器5和NH3分解催化剂7之间)。在该实施方案中，当内燃机的空气—燃料运行比波动到贫空气—燃料比时，流过三向还原—氧化催化剂3的NOx被NOx吸附剂8吸附或被NOx还原催化剂8还原。因此，即使内燃机的空气—燃料运行比波动到贫空气—燃料比时，流入NH3分解催化剂7中的废气也不含NOx。虽然在本实施方案中，NOx吸附剂单独设置在废气通道2上，也可以将这种吸附和释出NOx的能力赋予NH3分解催化剂的基质上。这可通过将NOx吸附物(下面将解释)及催化组分载负到NH3分解催化剂的基质上来实现。
下面详细解释NOx吸附剂和NOx还原催化剂。
下面解释本发明的另一个实施方案。虽然在前面的实施方案中，内燃机在接近空气—燃料化学计量比下操作，但本实施方案的内燃机可在略富的空气—燃料比下操作，从而使得过量空气比λ在0.95和0.98之间。因为本实施方案的设备的布置与前面实施方案的布置相同，因而本实施方案也参照图1解释。
在前面的实施方案中，由于操作条件的改变，内燃机的空气—燃料运行比波动到贫空气—燃烧比及富空气—燃料比。当内燃机的空气—燃料运行比为贫空气—燃料比时，废气中的NOx组分流过三向还原—氧化催化剂3而没被还原。此外，因为废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比时，三向还原—氧化催化剂3不会产生NH3，NH3分解催化剂7不能消除废气中的NOx组分。为防止这种现象，本实施方案中的内燃机1在略富的空气—燃料比下操作，因而，即使内燃机1的空气—燃料运行比在一定范围内波动，也不地使空气—燃料运行比与空气—燃料化学计量比相比变为贫空气—燃料比。
因为在正常操作中，内燃机1在富空气—燃料比下操作，在内燃机1正常操作中在三向还原—氧化催化剂3上会形成NH3，且在本实施方案中，在内燃机1的正常操作中，废气中的HC，CO组分的量也会增加。但在本实施方案中，在三向还原—氧化催化剂3上形成的NH3和流过三向还原—氧化催化剂3的HC、CO组分都被NH3分解催化剂7消除。因此在本实施方案中，不会发生NH3及HC和CO的排出。如前所述，按照本实施方案，通过内燃机1在略富的空气—燃料比下操作可减少NH3、HC和CO的排出。
下面参照图2解释另一个实施方案。
在图2中，与图1相同的数字表示相同的元件。图2的实施方案与图1的实施方案不同之处在于NOx吸附剂8设置在NH3分解催化剂7下游的废气通道2上。当与空气—燃料化学计量比相比，废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比时，NOx吸附剂吸附废气中的NOx。在本实施方案中，NOx吸附剂8使用，例如，氧化铝作载体，且在该载体上，承载贵金属如铂(Pt)、铑(Rh)和至少一种选自碱金属如钾(K)、钠(Na)、锂(Li)和铯(Cs)；碱土金属如钡(Ba)和钙(Ca)和稀土金属如镧(La)和钇(Y)的物质。当废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比时，NOx吸附剂8吸附废气中的NOx，当流入NOx吸附剂的废气的氧浓度变低时，释出吸附的NOx。
虽然目前NOx吸附剂的这种吸附和释出操作机理不清楚，据信吸附和释出过程是按下列机理进行的。虽然NOx吸附剂的吸附和释出过程机理是针对铂(Pt)和钡(Ba)承载在载体上的情况作为例子解释的，可认为使用其他贵金属，碱金属，碱土金属或稀土金属时，类似的机理也适用。
当废气中O2浓度增加时，即当废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比时，废气中的氧(O2)以O2-或O2-形成沉积在铂(Pt)表面上。废气中的NO和在铂(Pt)表面上形成的O2-或O2-反应并形成NO2()。然后，废气中的NO2与在铂(Pt)上形成的NO2在铂(Pt)表面上进一步氧化并吸附到NOx吸附剂上，同时与氧化钡(BaO)结合并以硝酸离子NO3-形式在吸附剂内扩散。这样，当废气的空气—燃料比为贫空气—燃料比时，废气中的NOx被NOx吸附剂8吸附。
另一方面，当废气中的氧浓度变低时，即当废气的空气—燃料比变为富空气—燃料比时，在铂(Pt)表面上形成的NO2的量降低并且反应向相反方向进行(NO3--NO2)，这样，在吸附剂中的硝酸离子NO3-从NOx吸附剂8中以NO2形式释出。
在这种情况下，如果废气中存在还原物质如NH3和CO或诸如HC和CO2的物质，释出的NOx在铂(Pt)上被这些组分还原。即NOx吸附剂8对废气中的NOx进行吸附和释出，其中当废气的空气—燃料比是贫空气—燃料比时，NOx吸附剂吸附废气中的NOx，而当空气—燃料比为富空气—燃料比时，从NOx吸附剂上释出NOx。
如图6所示，当温度高于最佳温度范围时，NH3分解催化剂7使废气中的NH3转化为NOx。因此，如果内燃机1出口处的废气温度在内燃机的极限运行条件下变高，温度维持设备如消音器5可能不足以使废气温度降到NH3分解催化剂7的最佳温度范围。在这种情况下，由于流入NH3分解催化剂7的废气温度超过最佳温度范围，在NH3分解催化剂7上形成NOx并排放到大气中。
在此实施方案中，NOx吸附剂8被置于NH3分解催化剂7下游的废气通道2上以防止在极高的废气温度条件下NOx放出。由于NOx吸附剂8可吸附处于氧化气氛的废气中的NOx，在极高的废气温度条件下在NH3分解催化剂7上形成的NOx被NOx吸附剂8所吸附，NOx不会排放到大气中。
如上所述，按照本实施方案，甚至当废气温度变得极高时废气的排放也能一直保持很低。
虽然上述实施方案中的NOx吸附剂8被单独置于废气通道2上，但是有可能赋予NH3分解催化剂基质吸附和释放NOx的能力。这是通过除催化组分之外使NOx吸附物质如碱金属和碱土金属附着到NH3分解催化剂7的基质上来实现的。
下面阐述本发明的另一实施方案。在此实施方案中，NOx还原催化剂而不是NOx吸附剂8被置于NH3分解催化剂7下游的废气通道上(图2)。本实施方案的其它结构同图2。因此，略去用图说明本实施方案。
本实施方案中的NOx还原催化剂具有由例如沸石ZSM-5组成的基质，用离子交换法使金属如铜(Cu)和铁(Fe)附着到基质上。另外，由沸石如丝光沸石组成的基质和其上附着的贵金属如铂(Pt)也能用作NOx还原催化剂。NOx还原催化剂可将废气中的NH3、HC和CO组分捕集于多孔沸石的孔中，并且甚至在氧化气氛中也可用这些捕获的组分选择性还原NOx。
在本实施方案中，设置于NH3分解催化剂7下游的NOx还原催化剂(图2)可捕集废气中的NH3组分(当废气温度低于最佳温度范围时，捕获的NH3组分通过NH3分解催化剂7)以及废气中的HC和CO组分。此外，当废气温度高于最佳温度范围时，NOx还原催化剂用捕获的NH3、HC和CO组分选择性还原在NH3分解催化剂上形成的NOx。因此，按照本实施方案，在高废气温度条件下，在NH3分解催化剂上形成的NOx不排放到大气中并且不管内燃机的工作条件如何变化，废气的排放始终维持在低水平上。
下面参照图3阐述本发明的另一实施方案。在图3中，与图1相同的参考号表示相同的元件。
在本实施方案中，不使用冷却废气装置如图1中的消音器5。此外，多种NH3分解催化剂设置于三向还原—氧化催化剂3下游的废气通道2上(图3显示了使用三种NH3分解催化剂7a～7c的情况)。而且，本实施方案中的二次空气供给单元9具有多个喷嘴10a～10c，这些喷嘴在废气通道2中分别设置在各个NH3分解催化剂7a～7c的进口处。图3中的参考号30表示内燃机1的控制回路。控制回路30可包括，例如，已知类型的微机并执行对内燃机1的基本控制如燃料喷射控制和点火计时控制。在本实施方案中，控制回路30也可充当选择装置，根据从内燃机1排放出的废气温度选择二次空气供给单元9的喷嘴以供给处于最佳温度范围内的NH3分解催化剂空气。为了进行这些控制，代表内燃机1的运行条件如进口空气流量和内燃机1的转速的信号从图中未显示的各个传感器送入控制回路30。此外，控制回路30与关闭阀11a～11c相连以控制这些关闭阀的工作，关闭阀11a～11c设置在连接加压空气源9a和各个喷嘴10a～10c的管线上。
当废气沿着废气通道2向下流动时，由于在内燃机运转期间热量通过通道壁耗散，废气的温度变得较低。由于在本实施方案中，多种NH3分解催化剂按顺序排列设置于废气通道2上，流入各个NH3分解催化剂的废气温度是不同的。因此，各个NH3分解催化剂的温度在本实施方案中彼此间也是不同的。此外，内燃机1与各个NH3分解催化剂之间的废气通道2的长度以这样的方式确定，即在内燃机1的整个运行范围内至少一种NH3分解催化剂的温度应落入最佳温度范围。也就是说，在本实施方案中，不管内燃机1的运行条件如何变化，至少一种NH3分解催化剂维持在最佳温度范围内的某一温度下。
在内燃机1运行期间，控制回路30根据内燃机的运行条件来决定各个NH3分解催化剂的温度，并通过激活与NH3分解催化剂进口处的喷嘴相连的关闭阀给温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂提供空气。因此，只供给温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂二次空气。各个NH3分解催化剂的温度根据内燃机1出口处的废气温度(即，发动机负载)和废气流量(即，发动机转速)而变化。在本实施方案中，用真正的发动机在不同的发动机负荷和转速条件下预先测量各个NH3分解催化剂的温度，供给其空气的NH3分解催化剂(即，温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂)根据发动机负荷和转速预先确定并储存于控制回路30的存储器中。控制回路30在发动机运行期间根据发动机负荷和转速决定应供给其空气的NH3分解催化剂，并打开与那些NH3分解催化剂进口处的空气喷嘴相连的关闭阀。
因此，按照本实施方案，不管在发动机出口处的废气温度如何变化，都能使用温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂有效地消除废气中的NOx和NH3。此外，已知NH3分解催化剂的催化组分是贵金属如铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)，当其温度高于最佳温度范围时也可充当三向还原—氧化催化剂。因此，这些贵金属催化组分可用于位于上游的NH3分解催化剂(例如，图3中的NH3分解催化剂7a和7b)。在这种情况下，当温度高于最佳温度范围时，上游的NH3分解催化剂可作为补充的三向还原—氧化催化剂，而位于下游的NH3分解催化剂可消除废气中的NH3和NOx。
虽然在本实施方案中使用三种NH3分解催化剂，但是NH3分解催化剂的数目并不限于三种，即，根据发动机的类型和废气系统的排布可以使用两种或多种NH3分解催化剂。此外，用于NH3分解催化剂的催化组分对于所有NH3分解催化剂可以是相同的，或者可以使用对于各个NH3分解催化剂不同的组分。而且，在本实施方案中也能使用冷却废气的装置如图1的实施方案中所用的消音器5以降低废气温度。
再者，虽然控制回路30根据发动机1的运行条件选择温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂，但是可以根据由设置于各个NH3分解催化剂进口处的废气通道上的温度传感器，或通过设置于各个NH3分解催化剂的催化剂床上的温度传感器测量的真实温度来选择NH3分解催化剂。
下面参照图4阐述本发明的另一实施方案。在上述的实施方案中，本发明被应用于其中内燃机在空气—燃料比接近空气—燃料化学计量比，或低于空气—燃料化学计量比(即，富空气—燃料比)下运转的系统。然而，在本实施方案中，本发明被应用于在空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比下运转的发动机(即所谓的贫燃机)。
在图4中，参考号41表示在空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比下运转的贫燃机，42表示内燃机41的废气通道。消音器45和NH3分解催化剂47分别与图1中的消音器5和NH3分解催化剂7相似，设置在气通道42上。然而，在本实施方案中未配置如图5所示的三向还原—氧化催化剂3。此外，在本实施方案中配有包括与图1中相似的喷嘴50和关闭阀51的NH3供给单元49和NH3供给源49a如含有气态或液态NH3的瓶，而没有如图1的二次空气供给装置9。
在本实施方案中，来自贫燃机41的处于氧化气氛的废气被消音器45冷却并流入温度在最佳温度范围内的NH3分解催化剂47。此外，NH3被加到NH3分解催化剂47上游部分的废气中。来自贫燃机41的废气含有相当大量的NOx。因此应调节流入NH3分解催化剂的废气以使其变为氧化气氛且温度在最佳温度范围内。废气还含有NOx和NH3。因此，废气中的NOx和NH3都能被NH3分解催化剂47完全消除。
如前所述，当废气在氧化气氛中时，三向还原—氧化催化剂还原NOx的能力变得极小。因此，使用三向还原—氧化催化剂很难消除贫燃机废气中的NOx。然而，按照本发明，来自贫燃机的废气中的NOx能被NH3分解催化剂47完全消除。
此外，通过向废气中加入NH3组分和使用常规的氧化矾—二氧化钛(V2O5-TiO2)型脱硝催化剂消除处于氧化气氛的废气中的NOx的方法是本领域中已知的。在以上常规方法中，NOx和NH3经脱硝反应被转化为N2和H2O(和/或)。然而，如前所述，在该常规方法中，必须调节NOx组分和NH3组分的量使得NOx与NH3的摩尔比严格为化学计量比(即，4∶3或1∶1)以便使NOx与NH3反应而不造成任何过剩NOx和NH3。
然而，在发动机真正运行时，废气中NOx组分的浓度根据发动机的运行条件变化极大，根据NOx在废气中的浓度很难控制加到废气中的NH3的量。因此，如果将此常规方法用于真正的发动机，在某些情况下NOx或NH3会排放到大气中。
然而，就本实施方案中的NH3分解催化剂47而言，无需严格控制加到废气中的NH3的量，因为只要废气在氧化气氛中，NH3分解催化剂就能转化废气中所有的NH3。在本实施方案中，只需要加到废气中的NH3的量大到足以还原废气中的所有NOx，同时使废气维持在氧化气氛中。因此，按照本实施方案，贫燃机废气中的NOx可通过简单控制NH3供给单元49而完全消除，防止NH3排放。
图5显示了与图3中的实施方案相似的本发明的另一实施方案，在本实施方案中，多种NH3分解催化剂(图5中的47a～47c)和NH3供给喷嘴(图5中的50a～50c)设置在废气通道42上。与图3的实施方案相似，控制回路30根据发动机41的运行条件选择处于最佳温度范围内的NH3分解催化剂，并且通过位于这些NH3分解催化剂进口处的NH3喷嘴供给这些NH3分解催化剂NH3。由于本实施方案的操作与图3中实施方案的操作基本上相同，在此不做详述。
从以上描述可以看出，按照本发明，燃烧废气中所含的NH3和NOx组分能够被NH3分解催化剂选择性消除。虽然用针对内燃机的实施方案阐述了本发明，但是本发明的用途不限于内燃机。本发明也能被用于消除从除内燃机外的燃烧设备排放的废气中的NH3和NOx组分。也就是说，本发明也能应用于，例如，排放燃烧废气的锅炉，炉子等。
权利要求
1.一种消除燃烧废气中NH3组分的方法，该方法包括在预定范围内的某一温度下，在氧化气氛中使含有NH3组分的燃烧废气与NH3分解催化剂接触，当催化剂的温度在所说的预定温度范围内时，其在氧化气氛中可消除废气中的NH3组分；当催化剂的温度高于所说的预定温度范围时，在氧化气氛中使废气中的NH3组分转化为NOx组分；当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，在氧化气氛中的废气中的NH3组分通过该催化剂。
2.一种消除内燃机废气中污染物的方法，该方法包括在还原气氛中使内燃机的废气与NH3合成催化剂接触，该催化剂在还原气氛中使废气中的NOx组分转化为NH3组分；在废气与NH3合成催化剂接触后，调节废气的状态使之处于氧化气氛中和预定温度范围内；在调节废气的气氛和温度后使所说的废气与NH3分解催化剂接触，当催化剂的温度在所说的预定温度范围内时，该催化剂可消除处于氧化气氛的废气中的NH3组分，当催化剂的温度高于所说的预定温度范围时，使处于氧化气氛的废气中的NH3组分转化为NOx组分，当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂。
3.根据权利要求2的方法，其中所说的内燃机在空气—燃料比接近于空气—燃料化学计量比的条件下运行，并且其中使用三向还原—氧化催化剂作为所说的NH3合成催化剂。
4.根据权利要求2的方法，其中所说的内燃机在空气—燃料比低于空气—燃料化学计量比的条件下运行，并且其中使用三向还原—氧化催化剂作为所说的NH3合成催化剂。
5.根据权利要求2的方法，还包括使用吸附处于氧化气氛的废气中的NOx组分的NOx吸附剂，并且进一步包括在废气与NH3合成催化剂接触后和在废气与NH3分解催化剂接触前使所说的废气与NOx吸附剂接触的步骤。
6.根据权利要求2的方法，还包括使用选择性还原处于氧化气氛的废气中的NOx组分的NOx还原催化剂，并且进一步包括在废气与NH3合成催化剂接触后和在废气与NH3分解催化剂接触前使所说的废气与NOx还原催化剂接触的步骤。
7.一种消除内燃机废气中所含NH3组分的设备，该设备包括置于内燃机废气通道中的NH3分解催化剂，当催化剂的温度在预定温度范围内时，所说的NH3分解催化剂可消除处于氧化气氛中的流入催化剂的废气中的NH3组分，当催化剂的温度高于所说的预定温度范围时，使处于氧化气氛中的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂；给流入所说的NH3分解催化剂的废气提供氧气从而使流入所述NH3分解催化剂的废气处于氧化气氛的供氧装置；和不管从内燃机中排出的废气温度如何变化，使流入所说的NH3分解催化剂的废气温度维持在所说的预定温度范围内的保温装置。
8.根据权利要求7的设备，进一步包括NOx吸附剂，该吸附剂可吸附处于氧化气氛的废气中的NOx组分，该吸附剂被置于所说的NH3分解催化剂下游的废气通道上。
9.根据权利要求7的设备，进一步包括NOx还原催化剂，该催化剂可选择性还原处于氧化气氛的废气中的NOx组分，该催化剂被置于所说的NH3分解催化剂下游的废气通道上。
10.一种消除内燃机的废气中所含NH3组分的设备，该设备包括以顺序排列形式置于内燃机废气通道中的多种NH3分解催化剂，每种所说NH3分解催化剂当催化剂的温度在预定温度范围内时，可消除处于氧化气氛的流入催化剂的废气中的NH3组分，当催化剂的温度高于所说的预定温度时，可使处于氧化气氛的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂；向流入每种NH3分解催化剂的废气选择性供氧的供氧装置；检测每种NH3分解催化剂温度的温度检测装置；和控制所说的供氧装置以使该供氧装置给流入温度在所说的预定温度范围内的NH3分解催化剂的废气供氧气的选择装置。
11.一种使用NH3分解催化剂从燃烧废气中消除NOx组分的方法，当催化剂的温度在预定温度范围内时，该催化剂在NH3组分存在下可消除处于氧化气氛的废气中的NOx组分；当催化剂的温度高于所说的预定温度范围时，可使处于氧化气氛的废气中的NH3组分转化为NOx组分；当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂，该方法包括给燃烧废气供NH3；和在氧化气氛中和在所说的预定温度范围内的某一温度下使废气与NH3分解催化剂接触。
12.一种消除在空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比条件下运行的内燃机废气中的NOx组分的设备，该设备包括置于内燃机废气通道上的NH3分解催化剂，所说的NH3分解催化剂当催化剂的温度在预定温度范围内时，在NH3组分存在下可消除处于氧化气氛中的流入催化剂的废气中的NH3组分；当催化剂的温度高于所说的预定温度范围时，使处于氧化气氛中的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分；当催化剂的温度低于所说的预定温度范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂；给流入所说的NH3分解催化剂的废气提供NH3的NH3供给装置；和不管从内燃机中排出的废气温度如何变化，使流入所说的NH3分解催化剂的废气温度维持在所说的预定温度范围的保温装置。
13.一种消除在空气—燃料比高于空气—燃料化学计量比条件下运行的内燃机废气中的NOx组分的设备，该设备包括以顺序排列形式置于内燃机废气通道中的多种NH3分解催化剂，每种所说NH3分解催化剂当催化剂的温度在预定温度范围内时，可消除处于氧化气氛的流入催化剂的废气中的NH3组分，当催化剂的温度高于所说的预定温度时，在NH3组分存在下，可使处于氧化气氛的流入催化剂的废气中的NH3组分转化为NOx组分，当催化剂的温度低于所说的预定范围时，处于氧化气氛的废气中的NH3组分通过催化剂；向流入每种NH3分解催化剂的废气选择性供给NH3的NH3供给装置；检测每种NH3分解催化剂温度的温度检测装置；和控制所说的NH3供给装置以使NH3供给装置给流入温度在所说的预定温度范围内的NH3分解催化剂的废气提供NH3的选择设备。
14.一种消除内燃机废气中的NOx组分的设备，内燃机的空气—燃料运行比在空气—燃料化学计量比附近波动，波动方式使得内燃机的空气—燃料平均运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括置于内燃机的废气通道上的NH3合成催化剂，其中所说的NH3合成催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时使从内燃机排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分；和置于NH3合成催化剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，其中所说的NH3分解催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时可吸附由NH3合成催化剂产生的NH3组分；其中所说的NH3分解催化剂当内燃机的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时通过使NOx组分与吸附于NH3分解催化剂中的NH3组分反应使从内燃机排出的废气中的NOx组分还原并通过NH3合成催化剂。
15.一种消除内燃机废气中的NOx组分的设备，内燃机的空气—燃料运行比在空气—燃料化学计量比附近波动，波动方式使得内燃机的空气—燃料平均运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括置于内燃机的废气通道上的NH3合成催化剂，其中所说的NH3合成催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时使从内燃机中排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分；和置于NH3合成催化剂下游的废气通道上的NOx吸附剂，其中所说的NOx吸附剂当内燃机的空气—燃料运行比高于空气—燃料化学计量比时可吸附从内燃机排出的废气中的NOx组分并通过NH3合成催化剂；当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时可释放所吸附的NOx组分；和置于NOx吸附剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，其中，当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时，所说的NH3分解催化剂通过使所说的NOx组分与由NH3合成催化剂产生的NH3组分反应使从NOx吸附剂中释放的NOx组分还原。
16.一种消除内燃机废气中的NOx组分的设备，内燃机的空气—燃料运行比在空气—燃料化学计量比附近波动，波动方式使得内燃机空气—燃料平均运行比高于空气—燃料化学计量比，该设备包括置于内燃机的废气通道上的NH3合成催化剂，其中所说的NH3合成催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时使从内燃机排出的废气中的NOx组分转化为NH3和N2组分；置于NH3合成催化剂下游的废气通道上的NH3分解催化剂，其中所说的NH3分解催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时可吸附从内燃机排出的废气中的NOx组分并通过NH3合成催化剂，并且其中所说的NH3分解催化剂当内燃机的空气—燃料运行比低于空气—燃料化学计量比时通过使所说的NOx组分与由NH3合成催化剂产生的NH3组分反应使所吸附的NOx组分还原。
17.根据权利要求1的方法，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
18.根据权利要求2的方法，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
19.根据权利要求11的方法，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
20.根据权利要求7的设备，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
21.根据权利要求10的设备，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
22.根据权利要求12的设备，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
23.根据权利要求13的设备，其中所说的NH3分解催化剂含有可吸附废气中的NH3组分的NH3吸附剂。
24.根据权利要求17的方法，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
25.根据权利要求18的方法，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
26.根据权利要求19的方法，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
27.根据权利要求20的设备，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
28.根据权利要求21的设备，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
29.根据权利要求22的设备，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
30.根据权利要求23的设备，其中所说的NH3吸附剂当温度低于所说的预定温度范围时可吸附废气中的NH3组分。
31.根据权利要求20的设备，其中所说的NH3吸附剂包含酸性无机物。
32.根据权利要求21的设备，其中所说的NH3吸附剂包含酸性无机物。
33.根据权利要求22的设备，其中所说的NH3吸附剂包含酸性无机物。
34.根据权利要求23的设备，其中所说的NH3吸附剂包含酸性无机物。
35.根据权利要求20的设备，其中所说的NH3吸附剂包含至少一种选自沸石、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅-氧化铝(SiO2-Al2O3)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的物质。
36.根据权利要求21的设备，其中所说的NH3吸附剂包含至少一种选自沸石、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅-氧化铝(SiO2-Al2O3)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的物质。
37.根据权利要求22的设备，其中所说的NH3吸附剂包含至少一种选自沸石、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅-氧化铝(SiO2-Al2O3)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的物质。
38.根据权利要求23的设备，其中所说的NH3吸附剂包含至少一种选自沸石、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅—氧化铝(SiO2-Al2O3)、铜(Cu)、钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)的物质。
全文摘要
本发明的纯化燃烧废气的方法使用NH
文档编号F01N13/02GK1139020SQ9610124
公开日1997年1月1日 申请日期1996年1月26日 优先权日1995年1月27日
发明者衣笠幸夫, 五士岚幸平, 伊藤隆晟, 高冈俊文, 大桥通宏, 横田幸治 申请人:丰田自动车株式会社