[发明专利]选择性催化还原催化剂系统

说明书

技术领域

本发明涉及选择性催化还原催化剂的领域。更具体地，本发明的实施方案涉及包括第一SCR催化剂组合物和第二SCR催化剂组合物的选择性催化还原催化剂系统、贫燃发动机排气系统，和在各种过程(例如，减少排气中的污染物)中使用这些催化剂系统的方法。

背景

贫燃发动机(例如，柴油发动机和贫燃汽油发动机)的操作向用户提供了出色的燃料经济性，并且由于它们在贫燃条件下，在高的空气/燃料比率下的操作而具有非常低的气态碳氢化合物和一氧化碳的排放。特别是，就它们的耐久性和它们在低速下生成高扭矩的能力来说，柴油发动机还提供超过汽油发动机的明显优势。

然而，从排放的角度来看，柴油发动机存在的问题比它们的火花点火对应物更严峻。排放问题涉及微粒物(PM)、氮氧化物(NO_x)、未燃烧的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)。NO_x是用于描述各种化学种类的氮氧化物的术语，所述氮氧化物包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)，以及其他。NO是值得关注的，因为据信在被称为光化学烟雾形成的过程中，在阳光和碳氢化合物的存在下通过一系列的反应，并且NO是酸雨的重要因素。另一方面，NO₂具有作为氧化剂的高潜能并且有强烈的肺部刺激性。微粒物(PM)还与呼吸问题相关。当进行发动机操作上的改进以减少柴油发动机中的微粒物和未燃烧的碳氢化合物时，NO和NO₂的排放趋于增加。

因为高NO_x转化率通常需要富含还原剂的条件，所以难以获得贫燃发动机的NO_x有效减少。对于在贫燃条件下的运行，将排气流的NO_x组分转化为无害组分通常需要专门的NO_x减少策略。

据信使用氨或氨前体作为还原剂的选择性催化还原(SCR)是用于去除柴油汽车排气中氮氧化物的最可行技术。在典型的排气中，氮氧化物主要由NO(>90％)组成，所以SCR催化剂有利于将NO和NH₃转化为氮气和水。开发用于氨SCR过程的汽车应用的催化剂的两大挑战在于：为SCR活性提供宽的操作窗口，包括从200℃和更高的低温，以及对于超过500℃温度的催化剂的水热稳定性的改进。如本文所用，水热稳定性是指保留材料催化NO_x的SCR的能力，其中优选保留水热老化前材料NO_x转化能力的至少85％。

用于使用氨来选择性催化还原氮氧化物的金属促进沸石催化剂是已知的，尤其包括铁促进和铜促进沸石催化剂，其中例如通过离子交换引入金属。铁促进沸石β是用于使用氨来选择性催化还原氮氧化物的有效催化剂。遗憾地是，已经发现在恶劣的水热条件下，例如在超过500℃的温度下还原排气中的NO_x，许多金属促进沸石(例如，ZSM-5和β的Cu和Fe型式)的活性开始下降。据信，这种活性的下降是由于沸石的不稳定，例如通过沸石内的脱铝作用和随之发生的含金属催化位点的损失。

为了保持NO_x还原的整体活性，必须提供提高水平的铁促进沸石催化剂的洗涂层装载量。当提高沸石催化剂的水平来提供足够的NO_x去除时，由于催化剂成本的上升，用于NO_x去除过程的成本效率明显降低。

在一些SCR系统中，特别是重型柴油机(HDD)，控制从SCR系统中排出的二次污染物N₂O变得更加重要。另外，某些现有的催化剂，例如铜促进沸石，倾向于产生不能接受的高N₂O排放。因为N₂O是温室气体并且排放法规变得越来越严格，所以存在对减少从SCR系统中排出的N₂O量的需要。

概述

本发明的一个方面涉及选择性催化还原(SCR)催化剂系统。在第一个实施方案中，提供用于从发动机排气中去除NOx的选择性催化还原(SCR)催化剂混合系统，所述系统包括布置于系统中的第一SCR催化剂组合物和第二SCR催化剂组合物，当暴露于氨时，第一SCR催化剂组合物具有比第二催化剂组合物更快的DeNOx响应时间，并且第二SCR催化剂组合物具有比第一催化剂组合物更高稳态的DeNOx性能。在第二个实施方案中，改进第一实施方案，使得第一SCR催化剂组合物提供目标DeNOx百分比的氨储存水平比第二SCR催化剂组合物提供相同的DeNOx百分比的氨储存水平低，并且其中所述系统提供比只有第一催化剂组合物的系统更高的DeNOx稳态性能。