Способ обработки nox выхлопных газов с использованием трех последовательных зон катализаторов scr


 


Владельцы патента RU 2592791:

ДЖОНСОН МЭТТИ ПАБЛИК ЛИМИТЕД КОМПАНИ (GB)

Изобретение относится к системе дополнительной обработки выхлопных газов дизельных двигателей. Способ включает пропускание выхлопных газов через первую зону с катализатором металл/цеолит, ускоряющим SCR НС, с получением первого газообразного продукта. Первый газообразный продукт пропускают через вторую зону, в которой расположен катализатор Ag/Al2O3, ускоряющий Н2-ускоряемую реакцию SCR НС с получением второго газообразного продукта. Второй газообразный продукт пропускают через третью зону, в которой расположен катализатор на основе благородного металла, который ускоряет SCR СО/Н2 с получением конечных, NOx-обедненных, выхлопных газов. Смешивание газообразного риформата, содержащего СО и Н2, с одним или более из выхлопных газов первого газообразного продукта и второго газообразного продукта. Применение ряда катализаторов предлагает привлекательную альтернативу для SCR на основе мочевины, без необходимости в источнике и запасах мочевины. 4 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной системе дополнительной обработки выхлопных газов и, в частности, к системе дополнительной обработки для дизельных двигателей (двигателей компрессионного зажигания).

Дизельные двигатели находят сейчас широкое применение в личных автомобилях и легких коммерческих транспортных средствах, а также в более традиционных применениях, таких как автобусы и грузовые автомобили, благодаря их более низкому расходу горючего, чем у транспортных средств на бензиновом горючем. Дизельные двигатели работают способом, который приводит к возникновению выхлопа, который по-прежнему содержит значительные количества кислорода, а также продуктов горения и побочных продуктов, включая CO2, H2O, NOx и частицы. Также имеются малые количества не сгоревших углеводородов (HC) и CO, которые присутствуют в выхлопе.

Правила, регулирующие выбросы для транспортных средств, введены в большинстве стран для улучшения качества воздуха, особенно в больших и малых городах. Среди выхлопов, которые регулируются, особенно трудно обрабатывать NOx в дизельных выхлопах из-за сложности химического восстановления компонентов выхлопных газов в присутствии избытка кислорода. Некоторый контроль NOx может быть достигнут с помощью конструкции двигателя, хотя обычно - за счет увеличения содержания других загрязняющих веществ или посредством накопления NOx на компоненте а и управления двигателем для обеспечения отклонения режима работы от нормального состояния в обогащенном состоянии для высвобождения накапливаемых NOx и для того, чтобы вызвать химическое восстановление NOx. Современные системы дополнительной обработки выхлопных газов теперь включают стадию селективного каталитического восстановления (SCR). SCR включает добавление восстановительного агента, обычно мочевины, который производит аммиак при использовании, с восстановлением NOx до N2 во время прохождения газов над ом SCR. Наряду с дополнительной сложностью хранения и подачи на борту транспортного средства и связанной с этим инфраструктуры, многие катализаторы SCR имеют скорее узкий диапазон температур для работы. Проблемы хранения и подачи на борту и инфраструктуры могли бы, вероятно, быть устранены, если бы был предложен для использования другой восстановительный агент, в особенности само дизельное топливо. Такое "SCR HC" предложено, и предложения включают использование цеолитов для накопления несгоревших HC с высвобождением в рабочем диапазоне температур а SCR. Несмотря на множество привлекательных особенностей, SCR HC, как показано, является слишком сложным для использования в рабочей ситуации реального применения двигателя.

Риформинг углеводородов с образованием синтез газа (H2 и CO), возможно, в сочетании с реакцией конверсии водяного газа для повышения выхода H2, является хорошо известным способом, осуществляемым в промышленном масштабе.

Имеются некоторые предложения, относящиеся к риформингу горючего, по отношению к моторизированным транспортным средствам. Возможно, самые ранние предложения относятся к получению H2 для снабжения топливом транспортных средств на топливных элементах. Осложнением при этом является необходимость в исключении введения значительных количеств CO в топливный элемент, поскольку Pt катализаторы, используемые в топливном элементе, отравляются под действием CO. После этого появились предложения относительно осуществления риформинга горючего и/или выхлопных газов для одной или обеих из двух целей: (a) для извлечения тепла и увеличения эффективности (с помощью уменьшения потребления горючего, и тому подобное) посредством преобразования горючего и компонентов выхлопа в горючее с более высокой теплотворной способностью, при соответствующем уменьшении выбросов двигателя; (b) для генерирования H2 и CO с целью использования каталитической дополнительной обработки выхлопных газов, для уменьшения регулируемых правилами выбросов.

Выхлопные газы от двух главных типов двигателей внутреннего сгорания (двигателей искрового зажигания, или двигателей на бензиновом топливе, и компрессионного зажигания или дизельных двигателей) содержат большие количества паров воды, но в основном значительно различаются. Выхлопы бензиновых двигателей имеют высокую температуру, порядка 600-800°C, и содержат относительно мало кислорода. Дизельные выхлопы имеют низкую температуру (иногда всего 150°C, в маломощных дизельных двигателях, работающих в городских условиях) и имеют относительно высокие уровни кислорода. Низкие температуры дизельных выхлопов доставляют проблемы для устройств для каталитической дополнительной обработки, поскольку скорость всех химических реакций изменяется с температурой, и показано, что сложно "запустить" для всех необходимых различных реакций. Температура "пуска", как считается, представляет собой такую температуру, при которой имеет место 50% реакции.

В отличие от крупномасштабного промышленного риформинга, где контролируются температуры и другие параметры, такие как количество пропускаемого материала, выхлопы от транспортных средств могут изменяться в широких пределах по объему и массе пропускаемого материала и по температуре. По этой причине, как показано, очень трудно конструировать и осуществлять работу эффективной дополнительной обработки для дизельных двигателей, включающей риформинг выхлопных газов, хотя имеются некоторые, в основном академические, предложения.

Известно получение водорода для улучшения дополнительного контроля выбросов после дополнительной обработки внутри цилиндров самого двигателя посредством контроля впрыска и горения горючего.

Energy & Fuels 2005, 19, 744-752 описывает систему для поддерживаемого выхлопом риформинга дизельных топлив. Эта статья относится в основном к рециклированию риформата на входную сторону двигателя. Хотя использование риформата при дополнительной обработке и рассматривается во введении, никаких деталей относительно его эффективного достижения не приводится.

Известно, что водород является эффективным для восстановления NO над ом на основе Pt при относительно низких температурах (которые представляют собой условия холодного запуска бензинового двигателя): J. Catalysis 208, 435-447 (2002). Также известно, что добавление водорода к смеси NO/O2/пропан облегчает SCR HC над определенными катализаторами на основе серебра, но не надо всеми: см. Applied Catalysis B: Environmental 51 (2004) 261-274. Патент США № 5921076 описывает выхлопную систему, которая использует добавление водорода и/или углеводорода для облегчения восстановления NOx в выхлопах дизельных двигателей. Хотя рассматривается возможность применения одного и нескольких дополнительных катализаторов и предполагается, что такой (катализаторы) может хранить и высвобождать углеводороды, не предполагается, что какой-либо вариант осуществления описывается или предлагается в рамках настоящего изобретения.

Остается необходимость в улучшении каталитической дополнительной обработки выхлопов дизельных двигателей, в частности, для удовлетворения вызывающих все больше проблем регулирующих правил относительно выбросов, которые вводятся, при реалистичных рабочих условиях.

Настоящее изобретение предлагает способ улучшения восстановления NOx в выхлопах дизельных двигателей посредством селективного каталитического восстановления с использованием восстановительных агентов, содержащих углеводороды, включающий прохождение выхлопных газов через ряд зон, указанные зоны содержат первую зону, в которой расположен первый , который ускоряет SCR HC, с получением первого газообразного продукта; вторую зону, через которую проходит первый газообразный продукт и в которой расположен второй , который ускоряет H2-ускоряемую реакцию SCR HC, с получением второго газообразного продукта, и третью зону, через которую проходит второй газообразный продукт и в которой расположен третий , который ускоряет CO/H2 SCR с получением конечных NOx-обедненных выхлопных газов, и смешивание газообразного риформата, содержащего CO и H2, с одним или несколькими компонентами из выхлопных газов, первого газообразного продукта и второго газообразного продукта.

Неожиданно было обнаружено, что такой ряд из трех каталитических зон является эффективным для работы в реальных рабочих условиях, с достижением при этом хорошего восстановления NOx.

По этой причине настоящее изобретение предлагает также систему ов, содержащую ряд катализаторов SCR, содержащих первый , который ускоряет SCR HC, второй , который ускоряет H2-ускоряемую реакцию SCR HC, и третий , который ускоряет CO/H2 SCR.

В настоящем изобретении, газообразный риформат формируется посредством риформинга выхлопных газов двигателя, дополняемых топливом, желательнее всего, дополняемых дизельным топливом, смешивается с одним или несколькими компонентами из выхлопных газов и первого и второго газообразных продуктов. В первом варианте осуществления, газообразный риформат смешивают с выхлопными газами перед тем, как они поступают в первую зону. Во втором варианте осуществления газообразный риформат смешивают с первым и вторым газообразными продуктами посредством введения газообразного риформата в указанные первый и второй потоки газообразных продуктов.

Считается, что введение газообразного риформата вместе с выхлопными газами в первую зону могло бы в некоторых обстоятельствах ускорять паразитную реакцию, а именно окисление HC с помощью O2. Рекомендуется, чтобы осуществлялись рутинные эксперименты в индивидуальных случаях, чтобы установить, являются ли такие паразитные реакции проблемой для конкретных условий первого а и первой зоны, и для того, чтобы после этих исследований устанавливалась конечная конструкция. В экспериментах, описанных далее, риформат смешивают с синтетическими выхлопными газами дизельного двигателя перед тем, как он поступает в первую зону.

Способ получения риформата не является особенно критичным. Желательно, однако, чтобы он получался из дизельного горючего в устройстве такого типа, как описано в ожидающей совместного решения заявке авторов (AA 1876). Это изобретение смешивает горючее с малым количеством (меньше 10%, предпочтительно, примерно 1-2%) выхлопных газов перед прохождением его над ом риформинга.

Первая зона представляет собой при работе зону высокотемпературного восстановления HC NOx. Пригодным для использования является такой катализатор, как металл-цеолит, например, Cu/ZSM5.

Вторая зона, принимающая газы, выходящие из первой зоны, предпочтительно, смешанные с соответствующим количеством газообразного риформата для получения оптимизированного отношения H2:HC, действует для ускорения восстановления H2-HC- NOx; соответствующий основывается на Ag/Al2O3. Такой обычно подвержен ингибированию под действием HC и закоксовыванию, но присутствие H2 может сводить к минимуму такие проблемы.

Удобно, чтобы третья зона включала низкотемпературный для реакции устранения NOx, который использует CO-H2 для ускорения восстановления NOx. Удобно, чтобы такой представлял собой PGM, который может содержать Pt или Pd. Может быть преимущественным инжектирование относительно большого количества газообразного риформата для получения высокой степени преобразования NOx на этой стадии. Такой Pt или Pd катализатор может дополнительно действовать в качестве а очистки для любых непреобразованных HC и CO.

Удобно, чтобы катализаторы наносились обычным образом на единые или раздельные проточные носители. Современные технологии нанесения покрытий делают возможным точное зонирование осаждений на металлические или керамические подложки.

Риформер для выхлопных газов может вводиться в систему по настоящему изобретению или выход может разделяться между системой и потоком, который вводится на вход двигателя.

Теперь настоящее изобретение будет описываться с помощью конкретного примера, но оно не должно рассматриваться как ограничиваемое им.

Синтетические выхлопные газы дизельного двигателя, содержащие 8% O2, 5% CO2, 5% H2O и 200 м.д. NOx по объему, пропускают через риформер, вместе с 0,07 мл/мин дизельного горючего US06, и риформер работает при 375°C и при отношении O/C 3,35. риформера имеет общий объем 2,6 см3 и состоит из Pt-Rh/CeO2-ZrO2/Al2O3. Выходной продукт риформера содержит приблизительно 2% H2. Риформат смешивается при скорости 2 л/мин с другим потоком синтетических выхлопных газов, при 15 л/мин, с получением газовой смеси, имеющей композицию 8% O2, 5% CO2, 5% H2O, 200 м.д. NOx, 1000 м.д. H2, 1500 м.д. CO и 1000 м.д. C1 HC. Эту газовую смесь пропускают в каталитическую систему. Перед каталитической системой не инжектируют дополнительных HC.

Система использует первый Cu/ZSM5, второй Ag/Al2O3 и третий промышленный Pd , осажденный на равных отрезках 1 дюйм × 3 дюйм (2,25 см × 6,75 см) цилиндрической подложки. Степень преобразования NOx измеряют в диапазоне температур 200-450°C и она находится в пределах от 33% при 200°C до максимума 66% при 300°C.

Система достигает пригодной для использования степени преобразования NOx в широком диапазоне температур.

Известная из литературы обычная система SCR, использующая NH3, подающийся как мочевина, способна достигать примерно 100% степени преобразования NOx в пределах примерно между 200 и 500°C, но требует бортового хранилища для мочевины.

1. Способ улучшения восстановления NOx в выхлопах дизельного двигателя посредством селективного каталитического восстановления с использованием восстановительных агентов, содержащих углеводороды, включающий пропускание выхлопных газов через ряд зон, включающих первую зону, в которой расположен катализатор металл/цеолит, ускоряющий SCR НС, с получением первого газообразного продукта; вторую зону, через которую пропускают первый газообразный продукт и в которой расположен катализатор Ag/Al2O3, ускоряющий Н2-ускоряемую реакцию SCR НС с получением второго газообразного продукта, и третью зону, через которую пропускают второй газообразный продукт и в которой расположен катализатор на основе благородного металла, который ускоряет SCR СО/Н2 с получением конечных, NOx-обедненных, выхлопных газов, и смешивание газообразного риформата, содержащего СО и Н2, с одним или более из выхлопных газов, первого газообразного продукта и второго газообразного продукта.

2. Способ по п. 1, при котором катализатор металл/цеолит представляет собой катализатор Cu/ZSM5.

3. Способ по п. 1, при котором катализатор на основе благородного металла представляет собой катализатор на основе Pd.

4. Способ по п. 1, при котором газообразный риформат смешивают с первым газообразным продуктом в количестве, необходимом для достижения оптимизированного отношения Н2:НС для Н2-ускоряемой SCR, перед поступлением во вторую зону.

5. Способ по любому из пп. 1-4, также включающий смешивание газообразного риформата со вторым газообразным продуктом перед поступлением в третью зону.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу подачи тепловой энергии в устройство для нейтрализации отработавших газов. Способ подачи тепловой энергии в устройство для нейтрализации отработавших газов (2), размещенное в выпускном тракте двигателя внутреннего сгорания, в особенности дизельного двигателя, путем подогрева отработавших газов, набегающих на устройство для нейтрализации отработавших газов (2) до требуемой температуры.

Изобретение относится к устройству для обработки выхлопных газов. Устройство (1) для обработки выхлопных газов, содержит впускную трубу (2) для ввода образованного в результате сгорания отработанного газа; выпускную трубу (3) для выпуска образованного в результате сгорания отработанного газа; газонепроницаемый внутренний корпус (7), который соединен по текучей среде с впускной трубой (2) на одной стороне и с выпускной трубой (3) на другой стороне, для размещения в нем фильтра (4) частиц; соединительный элемент (9), который расположен в области (8) соединения внутреннего корпуса (7), обращенной к выпускной трубе (3) относительно направления потока, для механического соединения фильтра (4) частиц с внутренним корпусом (7); окислительный нейтрализатор (5), расположенный выше по потоку по отношению к фильтру (4) частиц во внутреннем корпусе (7), для катализа реакции восстановления образованного в результате сгорания отработанного газа; по меньшей мере одно место (11, 12, 13, 14) измерения, расположенное на максимальной длине (L) фильтра (4) частиц относительно направления потока, для измерения противодавления, созданного фильтром (4) частиц, при работе устройства (1) для обработки выхлопных газов.

Изобретение относится к катализатору окисления выхлопных газов, предназначенному для газопоглощения выхлопных газов, испускаемых из двигателей внутреннего сгорания.

Изобретение относится к устройству для очистки содержащего частицы сажи отработавшего газа (ОГ). Устройство (1) для очистки содержащего частицы (2) сажи отработавшего газа (ОГ), содержит: по меньшей мере один ионизирующий элемент (3) для ионизации частиц (2) сажи; по меньшей мере один фильтрующий элемент (4), причем по меньшей мере к одному участку фильтрующего элемента (4) является подключаемым электрический потенциал; по меньшей мере одно агломерационное устройство (8) для, по меньшей мере, частичной агломерации электрически заряженных частиц (2) сажи, которое расположено между ионизирующим элементом (3) и фильтрующим элементом (4), причем агломерационное устройство (8) имеет, по меньшей мере, внешнюю трубу (9) и по меньшей мере один внутренний элемент (10), причем внешняя труба (9) ограничивает поток ОГ снаружи и обтекается ОГ только на своей внутренней стороне, а внутренний элемент (10) обтекается ОГ, по меньшей мере, на отдельных участках, с нескольких сторон и образован по меньшей мере одним элементом из следующей группы: внутренняя труба (11) и несколько дефлекторов (12), расположенных с возможностью отклонения ОГ.

Изобретение относится к устранению NOx и неметановых углеводородов из выхлопов дизельного двигателя. Система двигателя моторного транспортного средства, содержащая первый дизельный окислительный катализатор, выполненный с возможностью получения выхлопных газов из двигателя, и устройство SCR, установленное ниже по потоку первого дизельного окислительного катализатора в направлении потока выхлопных газов.
Изобретение относится к сложному оксиду, который может использоваться в качестве катализатора, функциональной керамики, твердого электролита для топливных элементов, абразива и подобного, особенно подходящего для применения как сокаталитического материала в катализаторах очистки выхлопных газов автомобиля, а также относится к способу получения сложного оксида и катализатора для очистки выхлопных газов, использующего сложный оксид.

Изобретение относится к каталитическому нейтрализатору для снижения токсичности отработавших газов дизельных двигателей, прежде всего каталитическому нейтрализатору окислительного типа, который особо пригоден для снижения токсичности отработавших газов двигателей грузовых автомобилей большой грузоподъемности, когда после него по ходу потока отработавших газов предусмотрены другие устройства для снижения токсичности отработавших газов.

Изобретение относится к конструкции и способу управления количеством восстановителя, которое подается в линию выхлопа двигателя внутреннего сгорания. Конструкция для управления введением восстановителя в линию (3) выхлопа двигателя (1) внутреннего сгорания в зависимости от количества оксида одновалентного азота, находящегося в линии (3) выхлопа, содержит систему (8-12) введения, выполненную с возможностью введения восстановителя в линию (3) выхлопа, первый катализатор (13), который выполнен с возможностью уменьшения количества оксидов азота в выхлопных газах в линии (3) выхлопа посредством подаваемого восстановителя, также второй катализатор (14), который расположен после первого катализатора (13) в линии (3) выхлопа и преобразует аммиак в выхлопных газах в газообразный азот и оксид одновалентного азота.

Изобретение относится к катализатору для ограничения выброса отработанных газов. Катализатор содержит подложку, каталитический родийсодержащий слой и каталитический платиносодержащий слой.

Изобретение относится к энергетическим установкам, предназначенным для выработки механической, тепловой или электрической энергии. Выхлопное устройство энергетической установки содержит корпус, преобразующий горизонтальное движение потока выхлопных газов в вертикальное.

Изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Выхлопная система для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM).

Изобретение относится к области химии. Распыляют сухой тонкодисперсный аэрозоль на входную поверхность пористого фильтра.

Изобретение относится к способу получения железосодержащего цеолитного материала с топологиями ВЕА, СНА, LEV, ZSM. Способ заключается в том, что цеолитный материал легируют железом посредством реакции в газовой фазе с использованием пентакарбонила железа, причем легирование железом проводят в две стадии: (i) обработка в газовой фазе и (ii) термическое разложение, и на дополнительной стадии (iii) через цеолитный материал пропускают поток газа-носителя при температуре от 500 до 1000°C и давлении от 0,1 до 10 бар, причем в качестве газа-носителя используют водяной пар, воздух, инертные газы или их смеси.

Изобретение относится к катализатору для селективного каталитического восстановления (СКВ). Данный катализатор включает один или более цеолитов структурного типа MFI и один или более цеолитов структурного типа СНА.

Изобретение относится к снижению токсичности отработавших газов. Устройство (10) для подачи восстановителя (42) в систему снижения токсичности отработавших газов (ОГ), прежде всего для подачи в нее водного раствора мочевины для восстановления оксидов азота в потоке ОГ дизельного двигателя, имеющее бак (40) для восстановителя (42) и подающий модуль (14) для подачи восстановителя (42) из содержащего его бака (40) по всасывающему трубопроводу (16), прежде всего по электрообогреваемому всасывающему трубопроводу.

Изобретение относится к катализатору для удаления оксида азота из отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей. Катализатор для удаления оксидов азота из отработавших газов (ОГ) дизельных двигателей состоит из носителя длиной L и каталитически активного покрытия, которое, в свою очередь, может состоять из одной или нескольких материальных зон.

Изобретение относится к катализатору окисления выхлопных газов, предназначенному для газопоглощения выхлопных газов, испускаемых из двигателей внутреннего сгорания.
Изобретение относится к снижению количества оксидов азота и оксидов серы, присутствующих в выхлопных газах. Способ снижения количества оксидов азота и серы в выхлопном газе из двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, включает пропускание выхлопного газа вместе с отрегулированным количеством аммиака через каталитическую систему, содержащую один или более катализаторов, активных в отношении реакции с оксидами азота с получением азота, где в выхлоп вводят сам аммиак или аммиак образуется после введения в выхлопной газ до пропускания выхлопного газа через каталитическую систему; пропускание обработанного таким образом выхлопного газа через турбину в турбокомпрессоре; удаление триоксида серы и/или аммониевых соединений серы, присутствующих в выхлопе из турбокомпрессора, на последующей стадии обработки выхлопного газа.

Изобретение относится к выхлопной системе для автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Выхлопная система для автомобильного двигателя внутреннего сгорания, работающего на бедных смесях, который выделяет оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM).

Изобретение относится к способу эксплуатации дозирующего устройства для подачи добавки в устройство для обработки отработавшего газа (ОГ). В способе на стадии А) определяют требуемое устройством (2) для обработки ОГ дозируемое количество добавки.

Изобретение относится к катализаторам, использующимся для уменьшения количества аммиака в выхлопных газах, образующихся при сжигании богатых топливных смесей. Система для уменьшения выбросов аммиака содержит первый компонент, содержащий первую подложку, содержащую тройной катализатор, где первый компонент расположен перед вторым компонентом, содержащим вторую подложку, содержащую катализатор окисления аммиака и вход для кислородсодержащего газа, расположенный между компонентами. Катализатор окисления аммиака содержит первый каталитический слой, содержащий мелкопористое молекулярное сито, включающее переходный металл. Причем первый каталитический слой не включает рутений, родий, палладий, рений, иридий, платину. Обеспечивается высокоселективная конверсия NH3 до N2, что приводит к уменьшению количества аммиака в отходящем потоке. 4 н. и 28 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл., 3 пр.
Наверх