用于处理废气的经催化的过滤器的制造方法
【专利说明】用于处理废气的经催化的过滤器
[0001]发明背景
1.发明领域
[0002]本发明涉及用于处理燃烧废气的制品。更具体地，本发明涉及用于从贫燃燃烧废气中减少烟灰和其它不期望的组分的涂覆有催化剂的颗粒物过滤器。
2.
【背景技术】
[0003]大多数燃烧废气的绝大部分包含相对良性的氮气(N2)、水蒸气(H20)和二氧化碳(C02);但是所述废气还以相对小的份额包含有害和/或毒性物质，如来自不完全燃烧的一氧化碳(C0)、来自未燃烧的燃料的烃(HC)、由于燃烧温度过高的氮氧化物(N0X)，和颗粒物质(绝大部分为烟灰)。为了减轻释放至大气中的废气的环境影响，期望的是消除这些不期望的组分或减少其量，优选通过不产生其它有害的或毒性物质的方法进行。
[0004]某些贫燃发动机如柴油机，倾向于产生具有可观量的烟灰和其它颗粒物质的废气。烟灰排放可以通过使含烟灰的废气通过柴油颗粒物过滤器(DFP)如壁流式过滤器来补救。
[0005]为了减少废气系统所需空间的量，经常期望设计单独的废气部件以实现执行多于一种功能。例如，将催化剂涂层施加至壁流式过滤器基材通过使一种基材具有两种功能(即除去烟灰并作为非均相催化剂的基材)而起到减小废气处理系统的整体尺寸的作用。然而，用可操作量的催化剂涂覆过滤器可能不期望地增加穿过所述过滤器的背压，这又降低了发动机性能和燃油经济性。对于高性能催化剂载体涂层，如包含经过渡金属促进的沸石的选择性催化还原(SCR)催化剂而言尤其如此。
[0006]已进行许多尝试，以制备具有合适地高的量的催化剂和合适地低的背压的经载体涂覆的DPF。然而，仍然存在对在用有效量的SCR催化剂涂覆时产生相对低的背压的DFP的需求。
[0007]发明简述
[0008]申请人已令人惊讶地发现，穿过壁流式过滤器的背压可以通过仅用催化剂载体涂层从入口侧涂覆过滤器而降低，只要所述载体涂层包含比过滤器的平均孔径小的催化剂颗粒。更具体地，用小颗粒的载体涂层仅从过滤器的入口侧涂覆与具有仅从过滤器的入口侧施加的等量的相同催化剂涂层或具有从所述过滤器的入口侧和出口侧二者均匀施加的等量的相同催化剂涂层的相同过滤器相比，意料不到地减少穿过过滤器的烟灰负载的背压。该结果也是令人惊讶的，因为仅施加至相同过滤器的入口侧的大颗粒载体涂层并不产生相当的益处，并且实际上导致较高的背压。
[0009]因此，提供了柴油颗粒物过滤器，其包括(a)具有平均孔径、入口侧、出口侧和介于入口与出口侧之间的多孔内部的壁流式过滤器基材；和(b)从所述基材的入口侧涂覆的催化剂组合物，其中所述催化剂组合物具有d5。粒度分布，其中所述d5。粒度分布小于所述平均孔径除以4.9 ± 0.1，并且其中所述出口侧基本上不存在催化剂涂层。
[0010]在本发明的另一方面，提供了用于处理贫燃废气的系统，其包括(a)本文中所描述的柴油颗粒物过滤器；和(b)与所述柴油颗粒物过滤器流体连通的至少一个排气系统部件，其中所述排气系统部件选自设置在所述柴油颗粒物过滤器上游的NOjg、设置在所述柴油颗粒物过滤器上游的还原剂源、ΑΜ0Χ催化剂、N0X阱、NO x吸收催化剂、柴油氧化催化剂和SCR催化剂。
[0011]在本发明的又一方面，提供了用于减少贫燃废气中的烟灰的方法，所述方法包括以下步骤:(a)使携带烟灰并且任选地包含N0X的废气物流与本文中所述的柴油颗粒物过滤器接触；(b)在所述柴油颗粒物过滤器上和/或在所述柴油颗粒物过滤器中捕获所述烟灰的至少一部分，同时使得所述废气穿过所述柴油颗粒物过滤器；(c)周期性地和/或连续地燃烧所捕获的烟灰以再生所述过滤器；和任选地(d)使所述废气与从所述过滤器的出口侧涂覆的SCR催化剂接触，以降低废气中的NOx浓度。
[0012]附图简述
[0013]图1A为柴油颗粒物过滤器；
[0014]图1B为柴油颗粒物过滤器的横截面视图；
[0015]图2A为柴油颗粒物过滤器的多孔薄壁的图；
[0016]图2B为根据本发明的实施方案的具有催化剂涂层的柴油颗粒物过滤器的多孔薄壁的图；和
[0017]图3为根据本发明的实施方案的具有催化剂涂层的柴油颗粒物过滤器的横截面图。
[0018]图4为说明本发明的实施方案的烟灰负载的背压曲线与对比数据的图。
[0019]本发明的优选实施方案的详述
[0020]本发明部分地涉及用于改进环境空气质量且尤其是用于改进由柴油和其它贫燃发动机产生的废气排放的催化过滤器。废气排放至少部分地通过减少一种或多种气态组分如N0JPNH3和降低贫燃废气中的颗粒物质浓度得以改进。因此，优选的催化过滤器包括多孔基材，如柴油颗粒物过滤器(DFP)，其既起到从穿过所述多孔基材的废气物流中机械除去颗粒物质的作用，又起到负载可用于除去废气中的不期望的气态组分的催化剂组合物的作用。
[0021 ] 在某些实施方案中，所述过滤器为具有某种平均孔径、入口侧、出口侧和介于入口与出口侧之间的多孔内部的壁流式过滤器基材，和具有d5。粒度分布的仅从所述基材的入口侧涂覆的催化剂组合物，其中所述d5。粒度分布小于所述平均孔径除以4.8,4.9或5.0，并且其中所述出口侧基本上不存在催化剂涂层。
[0022]优选的过滤器基材包括柴油颗粒物过滤器，且用于移动应用的优选的柴油颗粒物过滤器包括壁流式过滤器如壁流式陶瓷整料。其它过滤器基材包括流通式过滤器如金属或陶瓷泡沫或纤维过滤器。除了堇青石、碳化硅和陶瓷以外，可用于多孔基材的其它材料包括，但不限于氧化铝二氧化硅、氮化铝、氮化硅、钛酸铝、α -氧化铝、莫来石、铯榴石、锆石、氧化锆、尖晶石、硼化物、长石、二氧化钛、熔融石英、硼化物、陶瓷纤维复合物、这些中的任意的混合物、或包含其两种或更多种的片段的复合物。尤其优选的基材包括堇青石、碳化硅和钛酸铝(AT)，其中AT为占优势的结晶相。
[0023]转到图1A，其示出了根据本发明的实施方案的壁流式过滤器基材10。所述壁流式过滤器具有前端20和后端22，其中将前端20设计为在过滤之前接收废气21且将后端22设计为允许经清洁的废气29离开过滤器10。
[0024]在图1B中示出了壁流式过滤器的一部分的横截面。壁流式过滤器基材具有许多被薄的多孔壁23分隔的方形平行通道14，所述薄的多孔壁从入口侧被催化剂载体涂层44涂覆。所述通道14在轴向上从所述基材的前端20向所述基材的后端22延伸。所述通道14仅在一端开口。将所述通道的相对端封堵。在前端与后端之间以交替的棋盘图案12布置封堵端，从而使得废气21进入向所述基材前端开口的通道24，穿过薄的多孔壁23，进入向所述基材后端开口的通道26，然后离开所述基材。特别是当与本文所描述的催化剂组合物组合时，所述壁23的孔隙率和孔径对于气体渗透而言足够，但有效捕获颗粒物质的主要部分(包括烟灰)。即，在废气穿过过滤器时，所述废气携带的颗粒物质被薄的多孔壁捕获，由此使得不含颗粒物的废气离开所述过滤器。所述颗粒物质在过滤器上积聚直至再生所述过滤器。
[0025]所述通道的横截面形状没有特别限制，并且例如可以为方形、圆形、椭圆形、矩形、三角形、六边形等。用于柴油发动机的壁流式过滤器基材典型地包含约lOO-SOOcpsi (每平方英寸通道数)，例如约100至约400cpsi，约200至约300cpsi，或约500至约600cps。在某些实施方案中，所述壁具有约0.1至约1.5mm如约0.15至约0.25mm、约0.25至约0.35mm或约0.25至约0.50mm的平均壁厚度。
[0026]转到图2A和2B，多孔壁23具有相对于废气流34穿过所述壁的典型方向的入口侧30和出口侧32。所述入口侧30具有暴露至向所述基材的前端开口的通道24的入口表面40，并且所述出口侧32具有暴露至向所述基材的后端开口的通道26的出口表面42。所述过滤器还具有与出口表面42和入口表面40等距的中心50。如本文中所使用的，关于所述薄的多孔壁的术语“入口侧” 30意指所述入口表面40和从所述入口表面40至入口表面40与出口表面42之间的距离的不大于约10%且更优选约10%、约5%或约1%的深度的壁23的部分。关于所述薄的多孔壁的术语“出口侧”32意指所述出口表面42和从所述出口表面42至出口表面42与入口表面40之间的距离的不大于约10%且更优选约10%、约5%或约1%的深度的壁23的部分。所述多孔壁还具有介于所述入口侧30与所述出口侧32之间的内部部分。在某些实施方案中，所述内部的厚度为总壁厚度的约80%，且更优选约90%。催化剂涂层从所述过滤器基材的入口侧施加并且在入口侧内、在内部部分内和/或在入口表面上形成催化剂涂层梯度44，其中催化剂的最高浓度朝向所述入口表面。
[0027]图3示出了根据本发明的实施方案的负载催化剂的过滤器的横截面图。在此，可以看出废气流处于从入口通道24、穿过催化剂涂层44，并进入出口通道26的方向21。
[0028]过滤器的孔隙率和平均孔径的可用范围没有特别限制，但是关联于，或者用于确定催化剂涂层的粒度。如本文所述，过滤器基材的孔隙率和平均孔径基于未涂覆的过滤器(例如没有催化剂涂层)确定。通常，所述基材的孔隙率为至少约40 %，更优选至少约50 %，例如约50至约80%，约50至约70%，或约55至约65%。孔隙率可以通过任意合适的手段(包括压汞法)测量。通常，所述基材的平均孔径为约8至约40 μ m，例如约8至约12 μ m，约12至约20 μ m，或约15至约25 μ m。在某些实施方案中，所述孔的至少约50%，且更优选至少约75%在这些范