專利名稱：包括鉑族金屬捕集裝置的柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所述的實施例涉及柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)和方法，更特別地涉及利用鉬族金屬捕集裝置以防止SCR催化劑的污染的廢氣處理系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)已知用于將諸如氧化氮(NOx)的氣體排放物轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的化合物。這種系統(tǒng)通常包括柴油機氧化催化劑(DOC)、選擇性催化還原催化劑 (SCR)，以及柴油機微粒過濾器(DPF)。柴油機氧化催化劑位于柴油發(fā)動機的廢氣流中，并通常含有鉬族金屬(PGM)、賤金屬或它們的組合。這些催化劑促進CO和HC排放物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。選擇性催化還原催化劑(SCR)用于將NOx轉(zhuǎn)化為N2,并通常包含賤金屬且利用通常為水性尿素形式的氨還原劑，所述氨還原劑在柴油機氧化催化劑的下游被注入廢氣流。在水蒸發(fā)和尿素水解之后，形成的氨與在SCR催化劑上的廢氣流中的NOx反應(yīng)以形成N2。柴油機微粒過濾器(DPF)從發(fā)動機廢氣中收集煙灰或微粒物質(zhì)。通常將選自鉬族金屬的貴金屬催化劑涂布于DPF上以用于去除CO、HC和NH3漏失。已觀察到包括涂布有鉬族金屬的柴油機氧化催化劑的處理系統(tǒng)在某些條件(如高溫操作)下會損失痕量的鉬或其他鉬族金屬。來自DOC的痕量鉬族金屬升華，并隨后在位于DOC下游的SCR催化劑上積聚，使得SCR催化劑的功能被抑制。這是由于用于氨氧化的鉬族金屬的高活性導(dǎo)致極少或者沒有氨可用于SCR反應(yīng)。此外，由于鉬族金屬催化劑使得氨生成NOx和N2O,因此當(dāng)由于鉬族金屬中毒而導(dǎo)致SCR被抑制時，實際上會產(chǎn)生NOx水平的增加。已發(fā)現(xiàn)低至0.0005重量％的鉬水平可對SCR性能產(chǎn)生顯著影響。參見Jagner等人的 "Detection,Origin,and Effect of Ultra-Low Platinum Contamination on Diesel-SCR Catalysts，，，SAE International Paper No. 2008-01-2488，(2008)。因此，本領(lǐng)域需要一種防止鉬族金屬沉積在位于柴油機氧化催化劑下游的SCR上的柴油發(fā)動機廢氣系統(tǒng)，且需要一種有效實現(xiàn)燃燒組分的轉(zhuǎn)化和廢氣中微粒的去除的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例通過提供一種包括位于柴油機氧化催化劑下游的鉬族金屬捕集器的柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)和方法而滿足了那些需要。所述鉬族金屬捕集器起到了捕集從柴油機氧化催化劑釋放的痕量鉬族金屬的作用，以防止所述金屬沉積在位于柴油機氧化催化劑下游的SCR催化劑上。根據(jù)一個方面，提供了一種柴油機廢氣處理系統(tǒng)，其包括含有位于廢氣流中的鉬族金屬的柴油機氧化催化劑、位于柴油機氧化催化劑下游并捕集從柴油機氧化催化劑釋放的鉬族金屬的鉬族金屬捕集器，以及位于鉬族金屬捕集器下游的選擇性還原催化劑(SCR)。所述柴油機氧化催化劑優(yōu)選包含鉬和鈀的組合。所述SCR催化劑優(yōu)選包含沸石和選自銅和鐵的賤金屬。 在一個實施例中，所述鉬族金屬捕集器包括氧化鈰。在另一實施例中，所述鉬族金屬捕集器包括鈣鈦礦材料。所述鈣鈦礦材料優(yōu)選包含CaTi03。所述處理系統(tǒng)優(yōu)選還包括柴油機微粒過濾器，所述柴油機微粒過濾器可位于SCR 催化劑的下游、鉬族金屬捕集器的下游，或鉬族金屬捕集器的上游。在另一實施例中，所述處理系統(tǒng)還包括貧NOx捕集器，所述貧NOx捕集器可位于鉬族金屬捕集器的上游或下游。所述處理系統(tǒng)優(yōu)選還包括用于將氨源或尿素源提供至廢氣流的還原劑傳遞系統(tǒng)。 所述還原劑傳遞系統(tǒng)優(yōu)選直接位于SCR催化劑的上游。在另一實施例中，提供了一種處理柴油發(fā)動機廢氣的方法，在所述方法中使廢氣通過廢氣處理系統(tǒng)，所述廢氣處理系統(tǒng)包括位于柴油機氧化催化劑和SCR催化劑之間的鉬族金屬捕集器，相比于不包括鉬族金屬捕集器的廢氣系統(tǒng)，所述鉬族金屬捕集器減少SCR 催化劑上的鉬族金屬污染物。所述方法優(yōu)選包括將氨源或尿素源提供至廢氣流。因此，本發(fā)明的實施例的一個特征在于提供了一種柴油機廢氣處理系統(tǒng)和方法， 其利用鉬族金屬捕集器以捕集從柴油機氧化催化劑釋放的鉬族金屬，從而防止SCR催化劑的污染。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將通過如下描述、如下附圖和所附權(quán)利要求書而顯而易見。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)的示意圖；圖2為包括貧NOx捕集器和柴油機微粒過濾器的本發(fā)明的另一實施例的示意圖；圖3為本發(fā)明的另一實施例的示意圖；圖4為本發(fā)明的另一實施例的示意圖；圖5為本發(fā)明的另一實施例的示意圖；以及圖6為本發(fā)明的另一實施例的示意圖。
具體實施例方式在一個優(yōu)選的實施例中，提供了一種廢氣處理系統(tǒng)，其包括位于柴油機氧化催化劑和SCR催化劑之間的鉬族金屬捕集器。所述系統(tǒng)降低了 SCR催化劑污染的可能性，使得 SCR催化劑的性能不被抑制。因此，當(dāng)相比于不包括捕集器的廢氣處理系統(tǒng)時，包括鉬族金屬捕集器的系統(tǒng)降低了鉬族金屬污染，同時仍然提供NOx的有效去除。鉬族金屬捕集裝置可包括涂布有含鈰氧化物(以約30至300g/L的載荷)的塊體 (monolith)。盡管不希望受限于任何特定的工作原理，據(jù)信氧化鈰與鉬的強相互作用促進了從上游DOC升華/釋放的鉬族金屬的捕集?；蛘?，所述鉬族金屬捕集裝置可包括具有式ABO3的鈣鈦礦材料，其中A-B包括但不限于Ca+2-Ti+4、Ba+2-Ti+4、Ln+3-Co+3或La+3-F,。具有相對較高表面積的鈣鈦礦材料可使用相應(yīng)的金屬醇鹽通過溶膠-凝膠法制得。鈣鈦礦材料優(yōu)選包括CaTiO3，其可通過以1 1 的Ca/Ti比組合硝酸鈣(Ca(NO3)2)和鈦酸四異丙酯(Ti(I-C3H7O)4)而制得。例如，可將硝酸鈣和鈦酸四異丙酯溶解于2-甲氧基乙醇中，并可加入少量硝酸以形成前體溶液，所述前體溶液隨后被干燥，在約400°C下熱解，然后在約600至800°C下在空氣中加熱?；蛘?，可通過如下方法制得CaTiO3 將Ca(NO3)2與乙醇、水和HNO3組合以形成溶液。將該溶液逐滴加入到Ti(i-C3H70)4和乙醇的溶液(以1 1的Ca/Ti比)中?？稍?200°C下將所述溶液蒸發(fā)至干燥粉末，然后在約600°C下煅燒。這些方法制得粒徑為約22至 50nm 的 CaTiO3^v末?？墒褂煤锈}鈦礦細(xì)粉的漿狀溶液將CaTiO3鈣鈦礦材料涂布于蜂窩狀基材上。 所述漿狀溶液可任選地含有氧化鋁、氧化鋯(&02)、氧化鈰(CeO2)，和Ce-^ 混合氧化物 (CexZr1^xO2)中的一種或多種。所述涂層載荷可為約50至約350g/L。涂布CaTiO3的基材起到捕集可從柴油機氧化催化劑釋放的升華的貴金屬的作用。 此外，盡管不希望受限于任何特定的工作原理，據(jù)信從DOC釋放的痕量鉬族金屬被捕集于材料的晶格結(jié)構(gòu)中?，F(xiàn)在參見圖1，其顯示了柴油機廢氣處理系統(tǒng)10的一個實施例。如以其最簡化形式所示，所述廢氣處理系統(tǒng)被連接至柴油發(fā)動機的排氣歧管12，并包括位于SCR催化劑18 的上游的柴油機氧化催化劑14。所述系統(tǒng)包括位于DOC和SCR催化劑之間的鉬族金屬捕集器16。所述柴油機氧化催化劑14以約30至約300g/L的載荷被涂布于耐火無機氧化物或陶瓷蜂窩狀基材上作為涂層，并利用選自鉬、鈀或其組合的催化劑材料，且也可含有沸石。所述涂層還可包含粘合劑，如氧化鋁、二氧化硅、氧化鈦或氧化鋯。所述SCR催化劑18包含沸石和選自銅和鐵的賤金屬。SCR催化劑涂層以約30至約300g/L的載荷進行涂布，并可通過用含有賤金屬、沸石和粘合劑材料(如氧化鋁、二氧化硅、氧化鈦或氧化鋯)的漿料涂布多孔惰性基材而制得?；蛘?，賤金屬/沸石可與陶瓷粘合劑/纖維組合并擠出成為塊體。再次參見圖1，所述處理系統(tǒng)優(yōu)選還包括還原劑傳遞系統(tǒng)20，所述還原劑傳遞系統(tǒng)20與直接在SCR催化劑18上游的排氣歧管連接。還原劑(如氨、水性尿素或其他產(chǎn)氨化合物)被儲存于儲存容器(未顯示)中，并通常以還原劑和水的汽化混合物的形式以計量量傳遞至還原劑傳遞系統(tǒng)。所述還原劑傳遞系統(tǒng)包括注射器22，所述注射器22用于在適當(dāng)時間將適當(dāng)量的還原劑注入廢氣流。在示于圖2的本發(fā)明的另一實施例中，所述廢氣處理系統(tǒng)還可任選地包括位于 D0C14下游的貧NOx捕集器(LNT) 26以協(xié)助廢氣中的NOx的進一步還原。LND6包含一種或多種鉬族金屬，并優(yōu)選包含鉬、鈀和銠的混合物。優(yōu)選地，所述貧NOx捕集器具有約30至約 300g/ft3之間的貴金屬載荷。所述貧NOx捕集器還包含選自一種或多種堿金屬或堿土金屬的NOx吸附材料。應(yīng)了解的是，在包括貧NOx捕集器的實施例中，由于貧NOx捕集器在其運行過程中產(chǎn)生氨，因此還原劑傳遞系統(tǒng)的使用是任選的。還如圖2所示，所述廢氣處理系統(tǒng)還可包括在SCR催化劑下游的柴油機微粒過濾器觀以用于收集煙灰和微粒物質(zhì)。所述柴油機微粒過濾器優(yōu)選為壁流式過濾器，其包括孔隙率為約30至80%的高度多孔過濾器基材?？紫兜某叽鐑?yōu)選為約10至50 μ m。應(yīng)了解孔徑分布可在整個過濾器基材內(nèi)變化。
合適的過濾器基材包括耐火無機氧化物或陶瓷或金屬材料，如堇青石、富鋁紅柱石、碳化硅、鈦酸鋁、α-氧化鋁、二氧化硅，以及磷酸鋯堿金屬和堿土金屬(NZP)。在示于圖3的另一實施例中，可設(shè)置柴油機微粒過濾器28和LND6的位置使得 DPF28直接位于DOC催化劑14的下游，且LND6直接位于柴油機微粒過濾器28的下游。在示于圖4的又一實施例中，LNT和DPF的位置顛倒。在示于圖5的又一實施例中，所述系統(tǒng)包括位于鉬族金屬捕集器16和SCR催化劑 18之間的柴油機微粒過濾器28。在示于圖6的又一實施例中，所述柴油機微粒過濾器28位于D0C14和捕集裝置16 之間，且LND6位于捕集裝置16和SCR催化劑18之間。再次參見圖1，在運行過程中，當(dāng)由柴油發(fā)動機(未顯示)產(chǎn)生的廢氣通過排氣歧管12時，所述廢氣經(jīng)過柴油機氧化催化劑14以發(fā)生未燃燒的HC和CO向H2O和CO2的轉(zhuǎn)化。所述廢氣隨后流過鉬族金屬捕集裝置，之后流過SCR催化劑。所述廢氣隨后流向廢氣出口(未顯示)。當(dāng)氣體經(jīng)過SCR催化劑18時，所述催化劑通過使用自還原劑傳遞系統(tǒng)20提供的氨源的選擇性催化還原而從氣流去除Ν0Χ。通常，還原劑傳遞系統(tǒng)20利用液體尿素/水溶液，所述液體尿素/水溶液以計量的間隔從DOC催化劑14的下游注入。注入的液體尿素/ 水混合物蒸發(fā)并水解形成氨。因此，通過使用氨的NOx的選擇性催化還原，氣體中的NOx組分被轉(zhuǎn)化而形成氮氣。已參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，明顯的是在不脫離本發(fā)明的范圍下可能進行修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種柴油機廢氣處理系統(tǒng)，其包括包含位于廢氣流中的鉬族金屬的柴油機氧化催化劑；位于所述柴油機氧化催化劑下游、并適于捕集從所述柴油機氧化催化劑釋放的鉬族金屬的鉬族金屬捕集器；以及位于所述鉬族金屬捕集器下游的選擇性還原催化劑(SCR)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其中所述鉬族金屬捕集器包括氧化鈰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其中所述鉬族金屬捕集器包括鈣鈦礦材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的處理系統(tǒng)，其中所述鈣鈦礦材料包含CaTi03。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括位于所述SCR催化劑下游的柴油機微粒過1 ' O
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括位于所述鉬族金屬捕集器下游的柴油機微粒過濾器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括位于所述鉬族金屬捕集器上游的柴油機微粒過濾器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括位于所述鉬族金屬捕集器上游的貧NOx捕集器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括位于所述鉬族金屬捕集器下游的貧NOx捕集器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其包括用于將氨源或尿素源提供至所述廢氣流的還原劑傳遞系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的處理系統(tǒng)，其中所述還原劑傳遞系統(tǒng)直接位于所述SCR催化劑的上游。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其中所述SCR催化劑包含沸石和選自銅和鐵的賤^^ I^l O
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的處理系統(tǒng)，其中所述柴油機氧化催化劑包含鉬和鈀的組合。
14.一種用于處理柴油發(fā)動機廢氣的方法，其包括提供一種廢氣處理系統(tǒng)，所述廢氣處理系統(tǒng)包括由位于廢氣流中的鉬族金屬組成的柴油機氧化催化劑；位于所述柴油機氧化催化劑下游、并適于捕集從所述柴油機氧化催化劑釋放的鉬族金屬的鉬族金屬捕集器；和位于所述鉬族金屬捕集器下游的選擇性還原催化劑(SCR)；以及使廢氣通過所述廢氣處理系統(tǒng)；其中相比于不包括鉬族金屬捕集器的廢氣系統(tǒng)，所述鉬族金屬捕集器減少在所述SCR催化劑上的鉬污染物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述鉬族金屬捕集器包括氧化鈰。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述鉬族金屬捕集器包括CaTi03。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其包括將氨源或尿素源提供至所述廢氣流。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理系統(tǒng)包括位于所述SCR催化劑下游的柴油機微粒過濾器。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理系統(tǒng)包括位于所述鉬族金屬捕集器上游或下游的柴油機微粒過濾器。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理系統(tǒng)還包括位于所述鉬族金屬捕集器上游或下游的貧NOx捕集器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種包括位于柴油機氧化催化劑和SCR催化劑之間的鉑族金屬捕集裝置的柴油發(fā)動機廢氣處理系統(tǒng)和方法。所述鉑族金屬捕集裝置捕集在發(fā)動機運行過程中可從柴油機氧化催化劑釋放的痕量鉑族金屬，并防止所述痕量鉑族金屬在SCR催化劑上積聚，從而防止SCR催化劑的潛在污染以及確保SCR催化劑的性能不被抑制。
文檔編號F01N3/24GK102441328SQ20111030839
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者G·卡瓦塔歐, H·詹, J·W·吉拉德 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司