[发明专利]双功能催化过滤器

说明书

背景技术

A.)应用领域：

本发明涉及可用于处理废气的催化剂、系统和方法，该废气产生于烃燃料燃烧过程中，特别是由柴油发动机产生的包含烟灰和氮氧化物的贫燃废气。

B.)现有技术描述：

在燃料(例如天然气、汽油、柴油燃料、燃料油或煤)的燃烧过程中产生废气。当该燃烧发生在腔室(例如发动机或炉)中时，通常在经过废气管道、燃料气烟囱等排放到大气中之前对所产生的废气进行处理。废气的最大部分由氮(N₂)、水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)构成；但未经处理的废气还包含相对小部分的不希望的有害和/或有毒物质，例如不完全燃烧产生的一氧化碳(CO)、未燃烧燃料产生的烃(HC)、过高的燃烧温度产生的氮氧化物(NO_x)(例如一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)和一氧化二氮(N₂O))和颗粒物质(不溶的碳烟灰颗粒)、液态烃(例如润滑油和未燃烧的燃料)和可溶性有机馏分。本发明特别涉及的是通常使用高空气/燃料比(即非常贫燃的条件)操作的柴油发动机排放的废气。这种贫燃条件通常导致废气具有较高排放量的颗粒物质和NO_x，这两种组分已经证实难以有效转化为更有利的物质。

柴油发动机通常配备有排气系统，其包括一种或多种催化组分，这些组分单独作用或组合作用以在废气排放到大气中之前对其进行处理。例如，已知通过将废气中的NO_x与NH₃在某些负载催化剂存在下通过通常称作选择性催化还原(SCR)的工艺进行反应能够将NO_x转化为单质氮、N₂和水。已知的SCR催化剂包括在载体上的由氧化铈(CeO₂)和氧化铝(Al₂O₃)的混合物负载的钒(V₂O₅)(参见EP0246859)或负载在TiO₂上的V₂O₅/WO₃(参见WO99/39809)。还已经提出了其他SCR催化剂，例如混合金属氧化物，例如Fe-W/CeZrO₂(WO2009/001131)；和负载有骨架外(extra-framework)金属的硅铝酸盐和硅铝磷酸盐分子筛，例如Cu:SAPO-34(US2010/0290963)。

与NO_x处理不同，废气中的烟灰处置通常包括机械过滤。例如，通过使含烟灰的废气经过柴油颗粒物过滤器(DPF)(例如堇青石壁流式过滤器)，能够减少烟灰排放(US2010/0170230)。然而，烟灰颗粒在过滤器上或过滤器内的积聚能够造成跨越过滤器的背压的不希望的提高，这通常会导致发动机性能和效率的降低。为使过滤器再生，必须从过滤器除去积聚的碳基烟灰，这通常通过周期性燃烧烟灰而实现。一种这种燃烧技术包括通过引入到过滤器(即催化烟灰过滤器(CSF))上的烟灰氧化催化剂对烟灰进行低温催化氧化(US4,902,487)。

常规排气系统包括分别用于NO_x处理(SCR)和烟灰处理(CSF)的组件。通常还是需要设计单一废气组件以实现多于一个功能，以降低排气系统所需的总空间，降低成本等。例如，将SCR催化剂应用于过滤器基体(SCRF)，通过使一个基体实现两种功能(即由SCR催化剂催化转化NO_x和由过滤器除去烟灰)，从而降低废气处理系统的总尺寸。例如，美国专利公开2010/0180580公开了能够应用于壁流式DPF的SCR催化剂。然而，在SCRF中烟灰氧化催化剂的去除需要在过滤器表面处积聚烟灰，以在非常高的温度进行燃烧。高温SCR催化剂(例如Cu:SAPO-34)是可以得到的，但其不溶于水，因此这些催化剂必须作为粘性的修补基面涂层施涂于过滤器。用浓稠的催化剂浆料涂覆过滤器造成背压的显著提高和因此燃料经济性和发动机功率的相应降低。而且，常规SCR和氧化催化剂的组合是不可行的，因为这样导致对NO₂的局部竞争，由此降低了SCR催化剂的转化效率。

因此，仍需要能有效处理贫燃废气中的烟灰和NO_x的系统。本发明尤其满足了这一需求。

发明概述