[发明专利]具有氨生成和SCR催化剂的排气处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及具有氨生成和SCR催化剂的排气处理系统，以及用于还原废气流中，特别是含有氮氧化物(NOx)的废气流中污染物的方法。更具体地，本发明关注含有如与选择性催化还原(SCR)催化剂结合的NOx储存还原(NSR)催化剂或稀NOx捕获(LNT)催化剂的氨生成催化剂的排气处理系统，和在包括柴油机和稀燃汽油机的稀燃发动机中使用它们的方法。

技术背景

操作稀燃发动机(例如柴油机和稀燃汽油机)为使用者提供良好的燃料燃烧效率，并由于在燃料稀缺条件下以高空气/燃料比例对其操作，其排放非常低量的气相烃和一氧化碳。特别地，柴油机在耐久性和能够在低速下生成高的转矩的方面也明显比汽油机更具优势。很难做到从稀燃发动机中有效减少NOx，因为高NOx转化率通常需要富含还原剂的条件。通常需要在燃料稀缺条件下使用专门的减少NOx的操作措施将排气流的NOx成分转化成无害成分。

用于减少来自稀燃发动机的废气流中NOx的这种措施之一是使用NOx储存还原(NSR)催化剂，其也是本领域已知的“稀NOx捕获(LNT)”。NSR催化剂含有能够在稀缺条件下吸附或“捕获”氮氧化物的NOx吸附剂材料和铂族金属成分以提供具有氧化和还原功能的催化剂。在操作中，NSR催化剂促进下述等式1至5的一系列基本步骤。在氧化环境中，NO氧化成NO₂(等式1)，其是储存NOx的重要步骤。低温下，该反应通常由铂族金属成分，例如铂成分催化。该氧化过程并未在此停止。NO₂与原子氧结合进一步氧化成硝酸盐也是催化反应(等式2)。即使在NO₂作为NOx的来源的时候，在铂族金属成分不存在的条件下只有极少硝酸盐形成。铂族金属成分具有氧化和还原的双重作用。就其还原作用来说，铂族金属在例如CO(一氧化碳)或HC(烃)的还原剂引入废气时首先催化释放NOx(等式3)。这一步骤恢复了NOx储存位点，却诱导NOx类的释放。然后在富余环境中将该释放的NOx进一步还原成气态N₂(等式4和5)。在纯氧化环境中通过还原剂也可以诱导NOx释放。然而，通过CO对释放NOx的有效还原需要富余条件。温度峰值也可以触发NOx释放，因为金属硝酸盐在高温下稳定性较差。NOx捕获催化作用循环操作。金属化合物被认为是在稀缺/富余操作中进行碳酸盐/硝酸盐的转化的主导路径。

NO氧化成NO₂

NO+I/2O₂→NO₂                    (1)

NOx储存为硝酸盐

2NO₂+MCO₃+1/2O₂→M(NO₃)₂+CO₂     (2)

NOx释放

M(NO₃)₂+2CO→MCO₃+NO₂+N0+CO₂     (3)

NOx还原成N₂

NO₂+CO→NO+CO₂                   (4)

2NO+2CO→N₂+2CO₂                 (5)

在等式2和3中，M表示二价金属阳离子。M也可以是一价或三价金属化合物，这种情况下需要重新平衡该等式。

当富余时在NSR催化剂存在下发生NO和NO₂还原成N₂时，已经观察到氨(NH₃)也可能作为NSR催化剂的富脉冲再生的副产物形成。例如，下列等式(6)中示出了通过CO和H₂O还原NO。

NO还原成NH₃

CO+H₂O→H₂+CO₂            (6a)

2NO+3H₂+2CO→2NH₃+2CO₂    (6b)

NSR催化剂的该特性要求在废气排入大气前现在也必须将原本为有害成分的NH₃转化成无毒种类。