[发明专利]用于处理废气的贵金属催化剂

说明书

发明领域

本发明涉及用于催化氧化贫燃废气中的短链饱和烃的方法。

相关技术说明

存在使用压缩天然气作为重型内燃机燃料的趋势，至少部分因为感觉上这种发动机与以液体柴油为燃料的发动机相比废气“更清洁”。然而，对燃烧天然气或其他具有高甲烷浓度的燃料所产生的废气进行处理可能存在问题，特别是当该废气含有过量的氧时，这对于柴油发动机和用于固定式发电的汽轮机来说是经常的情况。例如，在适于处理其他不需要的贫燃废气组分如NO_x的条件下，甲烷通常具有低反应性。因此，对降低从压缩天然气机动车、用于固定式发电的汽轮机和通常的内燃机的甲烷排放存在强烈关注。

钯和铂/钯催化剂是已知的甲烷氧化催化剂(参见例如US5,131,224)。这些催化剂通常在高温(例如>500℃)操作，以获得高的甲烷转化效率。为改进非均相催化的效率，已经建议了各种高表面积载体，包括沸石和难熔氧化物如氧化铝、氧化铈、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、浸渍有稀土金属的氧化锆和含有表面积稳定剂如氧化钡、氧化镧和氧化铈的氧化铝(参见例如US5,216,875和US5,384,300)。

常规的商业甲烷氧化催化剂包含氧化铝负载的Pd或Pt/Pd催化剂。文献中已经报道ZrO₂负载的钯催化剂具有特别高的甲烷氧化活性(例如J.Catalysis179(1998)431)。但是，ZrO₂负载的钯催化剂热稳定性差。例如，’875专利报道了在高温下氧化锆促进PdO过早分解为Pd，并阻止重新形成为相对低温。与包括Pd/氧化铝、Pd/氧化铈、Pd/氧化钛和Pd/氧化钽的其他催化剂相比，Pd/氧化锆具有相对低的温度，此温度下Pd金属在氧化环境中稳定。根据’875专利，这种性质使Pd/ZrO₂对于甲烷氧化是不理想的。

因此，存在对改进的甲烷氧化催化剂的需求。

发明内容

申请人已经发现，某些负载在稀土金属稳定化的ZrO₂上的钯(Pd)和铂/钯(Pt/Pd)催化剂，与常规的甲烷氧化催化剂相比，表现出显著改进的甲烷氧化活性和水热稳定性。这一发现是令人惊奇的，因为据信氧化锆负载的钯是热不稳定的。与本发明相反，用稀土金属浸渍氧化铝未显示出产生相同的有益效果。而且，本发明催化剂性能上所观察到的改进不能直接归因于暴露于高温后载体表面积的保持。相反，据信氧化锆、稀土金属和钯和/或铂/钯的组合产生了协同作用，其中各种材料共同作用以产生改进的性能。这种协同作用可用于处理含有相对大量甲烷和/或其他C₁-C₄饱和烃和氧的燃烧废气，例如由燃烧压缩天然气(CNG)、操作CNG机动车或使用甲烷燃料操作汽轮机用于固定式、机动式或海上应用所产生的废气。

因此，提供了一种用于处理废气的方法，该方法包括：(a)使含有过量氧和至少一种饱和烃的废气与氧化催化剂接触；和(b)氧化至少部分饱和烃以产生CO₂和H₂O；其中该氧化催化剂包含载体上的至少一种贵金属，该载体包含氧化锆和稳定化量的至少一种稀土金属。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理废气的系统，该系统包括：(a)废气，其包含过量氧和浓度为约10ppmv(体积百万分率)至约10,000ppmv的甲烷，并具有约350至约650℃的温度；和(b)与所述废气接触的氧化催化剂，其中所述催化剂包含载体上的至少一种贵金属，所述载体包含氧化锆和稳定化量的至少一种稀土金属。

附图的简要说明

图1是描述根据本发明的催化剂的CH₄转化率数据的图表。

图2是描述根据本发明的催化剂的性能数据的图表。

本发明优选实施方案的详细说明

本发明涉及排放控制的改进，特别是提供了用于在氧化性环境中催化处理包含C₁-C₄饱和烃如甲烷的热气流的方法。在某些实施方案中，本发明涉及具有催化剂排放控制系统的以天然气为燃料内燃机，通常用于机动车用途但也可以用于处理来自固定式发动机的排放，用于发电，或用于热电联产(CHP)系统。本说明书和权利要求书全文中，术语“柴油机”将用于指压缩点火内燃机。本发明可以应用于新制造的发动机和经调整以用一定部分天然气运行而不是严格用液体柴油燃料的柴油机。常规上，天然气可以作为压缩天然气(CNG)储存，或者如果适合作为液化天然气(LNG)储存。