[发明专利]使用三个串联的SCR催化剂区处理尾气中NOX

说明书

本发明涉及一种改进的排气后处理系统，特别是涉及一种用于柴油(压缩点火)发动机的后处理系统。

柴油发动机目前广泛使用于私家车及轻型商用车，以及更多的传统应用，如公共汽车和卡车中，因为其比以汽油为燃料的车辆具有更低的油耗。柴油发动机的工作方式导致排气中仍含有大量的氧气，以及燃烧产物和副产物包括CO₂，H₂O，NO_X和颗粒物。还有少量的未燃烧的碳氢化合物(HC)和CO存在于排气中。

大多数国家已推出了车辆尾气排放法规，以改善空气质量，特别是在城镇和城市。规定的排放中，柴油机尾气中的NO_X是特别难以处理的，因为在过量氧气的存在下排气中气体成分的化学还原很困难。NOx的某种程度的控制，可以通过发动机的设计实现，虽然通常以增加其他污染物作为代价，或通过NO_X存储在催化剂组分上和发动机管理以提供丰富的偏移以释放存储的NOx并引起NOx的化学还原。目前最新的排气后处理系统包括选择性催化还原(SCR)阶段。SCR涉及添加还原剂，通常为在使用中会产生氨的尿素，以在气体通过SCR催化剂的同时将NO_X还原为N₂。避免了车载存储和供应，以及相关的基础设施的额外复杂性外，许多SCR催化剂仅具有相当窄的操作温度窗口。如果可以使用另一种还原剂，特别是柴油燃料本身，车载存储和供应以及相关的基础设施的问题也可以避免。这样的“HC SCR”已被提出，并建议包括使用沸石来存储未燃的HC用于在SCR催化剂的操作窗口中释放。尽管它有许多优点，HC SCR已经被证明，在现实生活中的发动机的工作情况下太难以操作。

烃重整形成合成气(H₂和CO)，可以结合到水煤气变换反应中，以提高H₂的产量，是一个众所周知的、在工业规模上实施的工艺。

已有一些建议涉及与汽车相关的燃料重整。可能最早的建议涉及制造H₂用于给燃料电池汽车加装燃料。其复杂之处在于，需要避免大量的CO进给到燃料电池中，因为燃料电池中所用的Pt催化剂会被CO毒化。最近，已有建议出于以下一个或两个目的改善燃料和/或尾气：(a)回收热量并提高效率(伴随减少燃料消耗等)，通过将燃料和排气组分转换成更高热值的燃料，伴随着减少发动机排放；(b)生成H₂和CO用于尾气的催化后处理，以减少规定的排放物。

来自两种主要类型的内燃发动机(火花点火或汽油燃料，以及压缩点火或柴油发动机)的尾气都含有大量的水蒸汽，但在其他方面有很大的不同。汽油发动机排出的尾气温度高，达到600～800℃，并含有相对较少的氧气。柴油机尾气温度低(在城市条件下操作的轻型柴油发动机有时低至150℃)，和相对高的含氧量。柴油尾气的低温对催化后处理设备提出了挑战，因为所有的化学反应的速度随温度变化，它证明“点亮”所有所需的不同反应的催化剂是困难的。“点亮”温度被认为是在该温度下发生50％的反应。

与温度和其它参数如生产量被控制的大型工业重整不同，汽车尾气的体积和物质处理量以及温度都可以在很宽的范围内变化。因此，已被证明设计和运行一个有效的柴油机后处理与尾气重整结合是非常困难的，虽然已经有一些，但基本都是学术性的建议。

已知的是，在发动机汽缸本身内，通过燃料注射和燃烧控制生产氢，以改善后续的后处理排放控制。

Energy&Fuels 2005，19，744-752公开了一种排气辅助柴油燃料重整系统。该文主要关心的是回收重整产物到发动机的入口侧。虽然在导言中提到了将重整产物用于后处理，但是没有详细给出如何有效地实现这一目标。

已知在相对低的温度下，氢气在Pt基催化剂下还原NO是有效的(这代表汽油冷启动条件)：J Catalysis 208，435-447(2002)。还已知添加氢到NO/O₂/丙烷混合物中以在某些，但不是所有的，银基催化剂下辅助HC SCR：参见Applied Catalysis B：Environmental 51(2004)261-274。US5921076(戴姆勒-奔驰公司)描述了一种排气系统，其利用氢和/或烃类的添加，以协助柴油发动机尾气中的NOx的还原。虽然提到了一个或多个额外催化剂的可能性，而且预见该催化剂(们)可能储存和释放烃，但是不能认为公开或建议了在本发明的范围之内的任何实施方案。

仍然需要改进柴油发动机尾气的催化后处理，特别是为了满足在实际使用条件下推出的越来越具有挑战性的排放法规。