[发明专利]用于处理废气的催化剂

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于处理燃烧废气、选择性催化还原(SCR)贫燃废气中的NO_x的催化剂、制品及方法。

2.相关技术的描述

多数燃烧废气的最大部分包含相对良性的氮气(N₂)、水蒸气(H₂O)和二氧化碳(CO₂)；但废气还含有相对小部分的有害和/或有毒的物质，如来自不完全燃烧的一氧化碳(CO)，来自未燃烧燃料的烃(HC)，来自过高燃烧温度的氮氧化物(NO_x)和颗粒物质(主要是煤灰)。为了减轻释放到大气中的废气对环境的影响，需要消除或减少这些不希望的组分的量，优选通过不产生其他有害或有毒物质的方法。

最难以从车辆废气中除去的组分之一是NO_x，其包括一氮氧化物(NO)、二氮氧化物(NO₂)和一氧化二氮(N₂O)。将例如由柴油机产生的贫燃废气中的NO_x还原为N₂特别成问题，因为废气中含有充足的氧气来促进氧化反应，而不是还原反应。然而，通过通常被称为选择性催化还原(SCR)的方法，柴油机废气中的NO_x可以被还原。SCR方法涉及在催化剂的存在下与还原剂的帮助下NO_x转化成单质氮(N₂)和水。在SCR方法中，将气态还原剂如氨添加到废气流中，然后使废气与SCR催化剂接触。还原剂被吸收到催化剂上，当气体穿过或经过催化基底时发生NO_x还原反应。使用氨的化学计量的SCR反应化学方程式为：

4NO+4NH₃+3O₂→4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+3O₂→3N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

已知的SCR催化剂包括沸石以及其他分子筛。分子筛是具有明确结构的微孔结晶固体，在其骨架内通常含有硅、铝和氧，并且在其孔内还含有阳离子。分子筛的定义特征是由分子四面体单元以规则或重复的方式互连以形成骨架，从而形成的晶体或赝晶体结构。独特的沸石骨架通常由国际沸石协会(IZA)结构委员会指定的三字母代码来识别。作为已知的SCR催化剂的分子筛骨架的例子包括骨架类型代码CHA(菱沸石)、BEA(β)和MOR(丝光沸石)。

一些分子筛具有由一系列互连单元构成的三维分子骨架。这些分子筛的单元通常具有几立方纳米数量级的体积，和直径几埃数量级的单元开口(也称为“孔“或“孔隙”)。单元可由其孔的环尺寸来定义，其中例如术语“8环”是指由8个四面体配位的硅(或铝)原子和8个氧原子组建而成的闭环。在某些沸石中，单元孔在骨架内对齐，以形成一条或多条眼神贯穿骨架的通道，从而创建一种机构，以根据通道的相对尺寸和分子或离子的种类，限制不同的分子或离子种类进入或通过分子筛。分子筛的尺寸和形状部分地影响了其催化活性，因为分子筛对反应物具有空间影响，控制了对反应物及产物的接触。例如，小分子如NO_x可以进入或离开单元，和/或可以通过小孔分子筛(即具有最大环尺寸为8个四面体原子的骨架的那些)的通道扩散，然而大分子如长链烃则不能。此外，分子筛的部分或全部脱水可以得到与分子大小的通道交错的晶体结构。

已经发现，具有小孔骨架即含有最大环尺寸8的沸石在SCR应用中特别有用。小孔沸石包括具有如下晶体结构类型的那些：CHA、LEV、ERI和AEI(由国际沸石协会定义)。具有CHA骨架的分子筛的具体的铝硅酸盐和硅铝磷酸盐实例包括SAPO-34、AIPO-34、SSZ-13和SSZ-62。

沸石是具有互连的氧化铝和二氧化硅的晶体骨架的铝硅酸盐，特别是通过共享氧原子交联的氧化铝和二氧化硅，因此可以由其二氧化硅与氧化铝之比(SAR)来表征。一般地，较高的SAR与提高的水热稳定性有关。来自于移动贫燃发动机如柴油机的废气的温度往往在500-650℃或更高。废气通常还含有水蒸气。因此，在设计SCR催化剂时水热稳定性是重要的考虑因素。