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DE112005002466T5 - Reduzieren von NOx-Emissionen mit einem gestuften Katalysator - Google Patents

Reduzieren von NOx-Emissionen mit einem gestuften Katalysator Download PDF

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DE112005002466T5
DE112005002466T5 DE112005002466T DE112005002466T DE112005002466T5 DE 112005002466 T5 DE112005002466 T5 DE 112005002466T5 DE 112005002466 T DE112005002466 T DE 112005002466T DE 112005002466 T DE112005002466 T DE 112005002466T DE 112005002466 T5 DE112005002466 T5 DE 112005002466T5
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DE
Germany
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exhaust gas
catalyst
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hydrocarbon content
hydrocarbon
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Withdrawn
Application number
DE112005002466T
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English (en)
Inventor
Jong-Hwan Rochester Hills Lee
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motors Liquidation Co
Original Assignee
General Motors Corp
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Publication date
Application filed by General Motors Corp filed Critical General Motors Corp
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Verfahren zum Umwandeln des NOx-Gehalts des Abgases eines Magermotors in Stickstoff, wobei das Abgas NO und NO2 umfasst und wobei das Verfahren umfasst:
ein Leiten des Abgases durch einen Katalysereaktor, der eine stromaufwärts gelegene Stufe eines Oxidationskatalysators für den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases und eine benachbarte, aber separate, stromabwärts gelegene Stufe eines Reduktionskatalysators für NOx und das Reaktionsprodukt der ersten Reaktorstufe umfasst, wobei die Raumgeschwindigkeit des Abgases in Bezug auf die stromaufwärts gelegene Stufe hoch genug ist, um den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases zu aktivieren, ohne ihn durch Verbrennung zu verbrauchen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft die Behandlung von Abgas aus Benzin- und Diesel-Magermotoren, um Stickstoffoxide (NOx) in Stickstoff umzuwandeln. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung eine Kohlenwasserstoff-unterstützte selektive katalytische Reduktion von Stickstoffoxiden in dem sauerstoffreichen Abgas unter Verwendung eines zweistufigen, stromaufwärts und stromabwärts wirkenden Oxidations/Reduktions-Katalysereaktors.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Benzin- und Diesel-Magermotoren werden für eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bei höheren Luft-zu-Kraftstoff-Massenverhältnissen (A/F-Massenverhältnissen) als dem stöchiometrischen betrieben. Derartige Magermotoren produzieren ein heißes Abgas mit einem relativ hohen Gehalt an Sauerstoff und Stickstoffoxiden (NOx). Die Temperatur des Abgases von einem aufgewärmten Dieselmotor liegt typischerweise in dem Bereich von 200°C bis 400°C und weist eine charakteristische Zusammensetzung bezogen auf das Volumen von ungefähr 10–17% Sauerstoff, 3% Kohlendioxid, 0,1% Kohlenmonoxid, 180 ppm Kohlenwasserstoffe, 235 ppm NOx und dem Rest Stickstoff und Wasser auf. Diese NOx-Gase, die typischerweise Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) umfassen, sind wegen des hohen Sauerstoffgehalts (O2-Gehalts) und des Wassergehalts in dem heißen Abgasstrom schwierig zu Stickstoff (N2) zu reduzieren.
  • Da die aus der Maschine kommenden Kohlenwasserstoffe in dem Dieselmaschinenabgas nicht effektiv beim Reduzieren von NOx sind, wurde vorgeschlagen, dem sauerstoffreichen Abgas gasförmige oder verdampfbare Substanzen, wie zum Beispiel Ammoniak oder Harnstoff, zuzufügen, um Reaktionspartner für die Umwandlung von NOx über einem geeigneten Katalysator zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren wird selektive katalytische Reduktion (SCR) von NOx genannt, und Katalysatoren, wie zum Beispiel bestimmte mit unedlen Metallen ausgetauschte Zeolith-Katalysatoren, wurden getestet, um diese schwierige Aufgabe der chemischen Reduktion zu bewältigen.
  • Die Verwendung von Dieselkraftstoff- oder Benzinbestandteilen als Reduktionsmittel für NOx wird als vorteilhaft angesehen, insbesondere für Fahrzeuganwendungen, weil diese Kraftstoffkomponenten-Kohlenwasserstoffe im Fahrzeug untergebracht sind und ein kleiner Teil zur Einspritzung in den Abgasstrom abgezweigt werden kann. Jedoch neigen sowohl die aus der Maschine kommenden als auch die Kraftstoffkomponenten-Kohlenwasserstoffe dazu, weniger reaktive und weniger selektive Reduktionsmittel für NOx zu sein als Ammoniak oder Harnstoff, was eine höhere Anspringtemperatur und eine unerwünschte Kohlenwasserstoffverbrennung (vollständige Oxidation) zur Folge hat. Bei der Kohlenwasserstoffunterstützten SCR wird befunden, dass Ethylalkohol eine Nützlichkeit aufweist wie ein Kohlenwasserstoff, da er in dem Abgas in chemische Spezies umgewandelt werden kann, die bei der Reduktion von NOx nützlich sind. Ethylalkohol kann als ein Kraftstoffadditiv geliefert werden, und, falls gewünscht, einfach aus dem Kraftstoff herausdestilliert und in einem separaten Tank in einem Fahrzeug aufbewahrt werden.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Anwenden der Kohlenwasserstoff-unterstützten SCR in derartigen sauerstoffreichen, Stickstoffoxid enthaltenden Gemischen zur Verfügung zu stellen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen zweistufigen Katalysereaktor zur aufeinanderfolgenden Aktivierung (ohne vollständige Oxidation) des Kohlenwasserstoffgehalts in dem Abgas und zur Reduktion von NOx-Bestandteilen unter Verwendung von verschiedenen Katalysatoren zur Verfügung zu stellen, die in stromaufwärts gelegenen bzw. stromabwärts gelegenen Stufen des Reaktors platziert sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Bei dem Betrieb eines Benzin- oder Diesel-Magermotors beträgt das Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis (A/F-Verhältnis) typischerweise mehr als 17. Das Abgas eines aufgewärmten Magermotors weist einen geringeren Kohlenmonoxidgehalt und einen geringeren Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen auf als eine Maschine, die bei einem stöchiometrischen A/F betrieben wird. Das Abgas einer Dieselmaschine enthält typischerweise Partikelmaterial, umfassend Kohlenwasserstoffe (HC), die auf einem Kohlekern abgelagert sind. Es kann bevorzugt sein, vor einer erfindungsgemäßen Behandlung von NOx derartige Partikel zu entfernen oder sie in gasförmiges CO2 umzuwandeln. Es kann auch bevorzugt sein, dem Abgas eine kleine Menge eines Kraftstoffkomponenten-Kohlenwasserstoffs oder von Ethylalkohol zuzufügen, um genügend reduzierende Spezies für die Umwandlung der NOx-Bestandteile sicherzustellen.
  • Zwei hauptsächliche konkurrierende Reaktionen sind bei der Kohlenwasserstoff-unterstützten SCR von NOx in einem Magermotorabgas beteiligt: eine Kohlenwasserstoffoxidation und eine NOx-Reduktion (vor allem NO- Reduktion). Jede Reaktion umfasst Zwischenschritte einschließlich einer anfänglichen Umwandlung von NO und HC in reaktivere Spezies. Das herkömmliche Verfahren zum Verbessern der Leistungsfähigkeit eines SCR-Katalysators war die Zugabe von Promotoren zu der Reduktionskatalysatorzusammensetzung, um bestimmte Reaktionsschritte zu fördern. Zum Beispiel kann eine katalytische Komponente zugefügt werden, um die HC-Oxidationsreaktion zu fördern, um dessen Anspringtemperatur herabzusetzen. Dies führt jedoch oft zu der Förderung der vollständigen Oxidation (Verbrennung) von HC-Spezies bei hohen Temperaturen, wodurch die Verfügbarkeit von HC zur NOx-Reduktion bei hohen Temperaturen eingeschränkt ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein gestuftes Katalysatorsystem verwendet. Ein Oxidationskatalysator wird stromaufwärts eines geeigneten Reduktionskatalysators in der Strömung des Abgasstroms platziert. Der Oxidationskatalysator kann aus jedem beliebigen Material mit hoher Oxidationsaktivität hergestellt sein, muss aber bei einer genügend hohen Raumgeschwindigkeit verwendet werden, um eine vollständige Oxidation des Kohlenwasserstoffgehalts des Abgases bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Platin, Palladium und Rhodium sind Beispiele von geeigneten Oxidationskatalysatoren. Der Oxidationskatalysator aktiviert die C-H- und/oder die C-C-Bindungen des Kohlenwaserstoff-Reduktionsmittels und erzeugt oxidierte und/oder Alken-Spezies, welche NO effektiver reduzieren können, und schafft auch etwas Hitze, die zu einem schnelleren Aufwärmen des SCR-Katalysators beiträgt. Unmittelbar stromabwärts dieses Oxidationskatalysators befindet sich der Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickstoffoxiden. Bestimmte mit unedlen Metallen ausgetauschte Zeolithe und Silber, das auf Aluminiumoxid mit großer Oberfläche dispergiert ist, sind Beispiele von für die SCR geeigneten Katalysatoren. Beispielhaft kann die Größe der effektiven Oxidationskatalysator- Oberfläche ungefähr ein Zehntel der Reduktionskatalysator-Oberfläche betragen.
  • Wenn ein geeigneter Oxidationskatalysator als Ausgleich vor dem Reduktionskatalysator (das heißt stromaufwärts des Reduktionskatalysators) eingesetzt wird, wird das Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel bei relativ niedrigen Abgastemperaturen aktiviert und beginnt, die Umwandlung von NO und NO2 in Stickstoff effektiv voranzutreiben. Die höhere Raumgeschwindigkeit des Abgases in Kontakt mit dem Oxidationskatalysator verhindert oder minimiert eine Verbrennung des Kohlenwasserstoffgehalts bei hohen Temperaturen und erweitert so die effektive Betriebstemperatur des HC/SCR-Systems.
  • Deshalb wird das NOx-haltige Abgas mit einem geeigneten Gehalt an HC-Reduktionsmittel durch einen zweistufigen Oxidations/Reduktions-Katalysereaktor hindurchgeleitet. Die Oxidationskatalysatorstufe fördert die Aktivierung der Reduktionsmittel-Spezies, sogar während sich die Maschine aufwärmt, und die katalytische Reduktionsstufe ist über einen weiteren Bereich von Abgastemperaturen effektiv.
  • Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich werden, welche folgt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Flussdiagramm für die Behandlung des Abgases aus einem Kohlenwasserstoffkraftstoff-Magerverbrennungsmotor unter Verwendung eines zwei stufigen Kohlenwasserstoff-unterstützten selektiven Katalysatorsystems zur Reduktion von NOx.
  • 2 ist eine Graphik der prozentualen Ethanol-Umwandlung gegenüber der Katalysator-Einlasstemperatur für einen erfindungsgemäßen zweistufigen Pd/Ag-Reaktor und für vergleichbare Ag- und Pd+Ag-Katalysereaktoren zur NOx-Umwandlung.
  • 3 ist eine Graphik der prozentualen NOx-Umwandlung (Daten der gestrichelten Linien) und der prozentualen N2-Bildung (Daten der durchgezogenen Linien) gegenüber der Katalysator-Einlasstemperatur für einen erfindungsgemäßen zweistufigen Pd/Ag-Reaktor und für vergleichbare Ag- und Pd+Ag-Katalysereaktoren zur NOx-Umwandlung.
  • 4 ist eine Graphik der prozentualen Umwandlung von NOx in N2 gegenüber der Katalysator-Einlasstemperatur für einen erfindungsgemäßen zweistufigen Pd/Ag-Reaktor und für vergleichbare Ag- und Pd+Ag-Katalysereaktoren zur NOx-Umwandlung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Der Prozess dieser Erfindung ist für eine Kohlenwasserstoff-verbesserte SCR des NOx-Gehalts des Abgases von einem Magerverbrennungsmotor. Im Fall einiger Motoren mit überstöchiometrischem A/F, wie zum Beispiel Dieselmotoren, kann es bevorzugt sein, Partikelmaterial aus dem Abgas zu entfernen, um das Abgas für den zweistufigen katalytischen Prozess dieser Erfindung vorzubereiten. Wenn die Menge der aus der Maschine kom menden Kohlenwasserstoffe unzureichend für die Reduktion von NOx ist, können Kohlenwasserstoffgase, zum Beispiel aus einem Kraftstoffvorrat, wie in 1 angegeben dem Abgasstrom zugefügt werden, um einen ausreichenden HC-Gehalt für die erfindungsgemäße SCR-Umwandlung von NOx sicherzustellen.
  • In 1 wird ein Abgasstrom 10 von einem nicht gezeigten Magermotor zu einem zweistufigen Oxidations-Reduktions-Katalysereaktor 12 geleitet. Bei Anwendungen, in denen die Maschine bei einem relativ hohen Luft-zu-Kraftstoff-Massenverhältnis betrieben wird, kann der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases geringer sein als es zur Förderung der katalytischen Reduktion von NOx geeignet ist. Dementsprechend kann eine ergänzende Menge von Kohlenwasserstoffgas oder -dampf wie durch den Seitenstrom 14 in 1 angegeben dem Abgasstrom 10 zugefügt werden. Abgasanalysen können an Maschinen einer bestimmten Bauart mit spezifizierten Kraftstoffen durchgeführt werden, um charakteristische Abgaszusammensetzungen bei charakteristischen Betriebsarten der Maschine zu ermitteln. Wenn der Kohlenwasserstoffgehalt für eine erfindungsgemäße NOx-Reduktion ungenügend ist, kann dem Abgasstrom 10 abhängig von der Maschine zusätzlicher Dieselkraftstoff oder Benzin zugefügt werden. Ethylalkohol oder dergleichen kann getrennt von dem Kraftstofftank in einem Fahrzeug mitgeführt werden und zu diesem Zweck als eine Kohlenwasserstoff-Zugabe verwendet werden.
  • Der zweistufige Katalysereaktor 12 weist eine stromaufwärts gelegene Oxidationskatalysatorstufe 16 und eine separate, größere stromabwärts abgelegene Reduktionsreaktorstufe 18 auf. Wie angegeben wird der Oxidationsreaktorabschnitt verwendet, um den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgasstroms 10 durch Umwandeln der typischerweise aliphatischen Kohlenwasserstoffe in sauerstoffhaltige und/oder Alken-Spezies, die bei der Reduktion von NO und NO2 in N2 effektiver sind, zu aktivieren und um durch Oxidieren von Kraftstoff Hitze für den stromabwärts gelegenen SCR-Katalysator bereitzustellen. Die Zusammensetzung des Oxidationskatalysators und die Raumgeschwindigkeit des Stroms 10 durch das Katalysatorbett 16 sind so spezifiziert, dass eine Aktivierung des Kohlenwasserstoffgehalts bei niedrigen Temperaturen maximiert ist und eine Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zu Kohlendioxid und Wasser bei hohen Temperaturen minimiert ist. Die Zusammensetzung und die Größe der Reduktionsreaktorstufe ist so, dass die Umwandlung von NOx in Stickstoff maximiert wird.
  • Ein Verfahren der Erfindung wird im Hinblick auf experimentelle Arbeit beschrieben, bei welcher der Oxidationskatalysator durch die Verwendung von Palladium dargestellt ist, das auf Gamma-Aluminiumoxid mit großer Oberfläche dispergiert ist und bei welcher der SCR-Katalysator Silber ist, das als Feinpartikel auf Aluminiumoxid mit gleichermaßen großer Oberfläche dispergiert ist.
  • Ag/Al2O3, das bezogen auf das Gewicht 2% Ag enthielt, wurde auf einem γ-Al2O3-Pulver (Sasol, Catalox SBa-200) durch das "incipient wetness"-Verfahren unter Verwendung von AgNO3 (JT Baker) als Vorläufer angefertigt. Der Katalysator wurde bei 110°C über Nacht getrocknet und bei 500°C 4 Stunden lang kalziniert.
  • Pd/Al2O3, das bezogen auf das Gewicht 0,7% Pd enthielt, wurde ebenfalls auf einem γ-Al2O3-Pulver (Sasol, Catalox SBa-200) durch das gleiche Verfahren unter Verwendung einer wässrigen Pd(NO3)2-Lösung (Research Inorganic Chemicals) angefertigt. Der Katalysator wurde ebenfalls bei 110°C über Nacht getrocknet und bei 500°C 4 Stunden lang kalziniert.
  • Beide Katalysatoren wurden durch Atom-Emissions-Spektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES) unter Verwendung eines Perkin-Elmer Optima 300 Instruments bezüglich des tatsächlichen Metallgehalts analysiert.
  • Alle Experimente wurden in einem Mikroreaktorsystem durchgeführt. Katalysatorproben mit Netzgrößen von 60–80 Maschen wurden in eine 3/8'' OD-Quarzröhre geladen, die in einem elektrischen Ofen platziert wurde. Die Reaktionstemperatur wurde durch ein Thermoelement gemessen, das sich etwas oberhalb des stromaufwärts gelegenen Katalysatorbetts in dem Einlass befand. Sofern es nicht anders angegeben ist, wurde die Aktivität unter Verwendung eines Einsatzgases gemessen, das 500 ppm NO, 15% O2, 10% H2O, 1200 ppm C2H5OH und den Rest He enthielt. Helium wurde anstelle von Stickstoff als Hauptbestandteil des simulierten Abgases verwendet, um die Analyse von in dem zweistufigen Reaktor gebildeten Stickstoff zu vereinfachen. Reines Wasser und flüssige Kohlenwasserstoffe wurden auf die gleiche Weise unter Verwendung von separaten Sätzen einer Spritzenpumpe und eines Dochtes eingespritzt. Die eingespritzten Flüssigkeiten wurden dann verdampft und gemeinsam mit den Gasleitungen auf über 120°C erhitzt. Die gesamte Gasströmungsrate betrug unter Standardbedingungen 272 ml/min, und die stündliche Raumgeschwindigkeit des Gases wurde durch Verwendung von verschiedenen Katalysatormengen variiert. Der Druck in dem System wurde auf 940 Torr reguliert, und die gesamte Gasströmung wurde zu den analytischen Instrumenten geleitet. Die Konzentrationen der Recktanten und der Produkte wurde durch ein Nicolet Nexus 670 Infrarotspektrometer (FT-IR) und einen Agilent 6890 Gaschromatographen mit einem Agilent 5973 Massenspektrometer (GC-MC) gemessen.
  • Die Katalysatoren wurden bezüglich ihrer Aktivität hinsichtlich einer Kohlenwasserstoffumwandlung, einer NOx-Umwandlung und einer N2-Bildung beurteilt. Die Umwandlungen von Ethanol und NOx wurden auf der Grundlage der Differenz ihrer Konzentration vor und während der Reaktion berechnet. Auf der anderen Seite wurde die N2-Bildung als die Menge von produziertem N2 geteilt durch die Menge von NOx in dem Einsatzgas definiert.
  • Es ist bekannt, dass im Vergleich zu Metalloxiden Metalle aktiver beim Aufbrechen der C-H- und C-C-Bindungen von Kohlenwasserstoffmolekülen sind, und somit kann die Kohlenwasserstoff-Oxidations-Reaktion über metallbasierten Katalysatoren bei niedrigeren Temperaturen auftreten. Aus diesem Grund wurden kleine Mengen von Metallen der Platingruppe (d. h. Pt, Pd und Rh), welche ausgezeichnete Oxidationskatalysatoren sind, verschiedenen HC-SCR-Katalysatoren zugefügt (d. h. gründlich und gleichmäßig mit diesen gemischt), um dabei zu helfen, die Anspringtemperatur abzusenken. Die Zugabe dieser hochoxidierenden Katalysatoren hatte jedoch oft eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen zur Folge und schränkt somit die NOx-Reduktion bei hohen Temperaturen ein.
  • Deshalb verwendet diese Erfindung ein gestuftes HC-SCR-System unter Verwendung eines Oxidationskatalysators vor einem SCR-Katalysator, wie in 1 gezeigt ist. Das Abgas trifft in einer kontinuierlichen Strömungssequenz auf die zwei Stufen. Die Aktivierung von Kohlenwasserstoffen (d. h. das Aufbrechen von C-H- und C-C-Bindungen) wird durch diesen Voroxidationskatalysator, der in dem vorderen Teil des Katalysatorbetts konzentriert ist, bei niedrigeren Temperaturen erreicht. Die vollständige Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei hohen Katalysatortemperaturen wird durch die Verwendung einer nur sehr geringen Menge des Oxidationskatalysators in der ersten Stufe des Reduktionsreaktors vermieden oder minimiert. Die schnelle Oxidationsreaktion kann unter den Bedingungen einer hohen Raumgeschwindigkeit gehandhabt und beschränkt werden.
  • Eine Reihe von Experimenten wurde durchgeführt, um die Wirkung eines zweistufigen Reaktors dieser Erfindung zu erkennen.
  • Als ein erstes SCR-Katalysatorsystem wurde ein gewöhnlicher Ag/Al2O3-Katalysator (in den folgenden Figuren als Ag bezeichnet) verwendet, der wie oben beschrieben angefertigt war.
  • Als ein zweites SCR-System wurde ein zweistufiger Reaktor gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung angefertigt. Das größere und stromabwärts gelegene Katalysatorbett war Ag/Al2O3. Das kurze stromaufwärts gelegene Katalysatorbett wurde angefertigt, indem der Pd/Aluminiumoxid-Katalysator, der mit Silica-Gel gemischt war, um eine Kanalbildung des Abgases zu vermeiden, vor dem Silber auf einer Aluminiumoxidprobe platziert wurde, somit als Pd/Ag bezeichnet.
  • Um den Pd-geförderten Katalysator zu simulieren, wurde eine physikalische Mischung der Pd/Al2O3- und der Ag/Al2O3-Proben angefertigt und als Pd+Ag bezeichnet. Obwohl die Dispersion von Pd-Partikeln in diesem Gemisch geringer sein muss im Vergleich zu Proben, die normalerweise durch die Imprägnierung von Vorläufern auf Aluminiumoxid angefertigt werden, würde ein ähnlicher Fördereffekt von Pd erhalten werden.
  • Diese drei Katalysatorbetten (d. h. Ag, Pd+Ag, Pd/Ag) wurden unter identischen Bedingungen bezüglich der Ethanol-Umwandlung, der NOx-Reduktion und der N2-Bildung verglichen. Die Raumgeschwindigkeit war in jedem System bei 100 kh–1 für den Ag-Katalysator festgehalten, um die Wirkung des Pd zu sehen.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wurde die Ethanol-Umwandlung bei niedrigen Temperaturen mit dem Pd-Katalysator verbessert. Zum Beispiel wurde die Ethanol-Umwandlung bei 225°C von 45% gegenüber der Ag- bis 49% gegenüber der Pd+Ag- und bis 62% gegenüber der Pd/Ag-Probe verbessert. Sowohl die NOx-Umwandlung (gestrichelte Linien in 3) als auch die N2-Bildung (durchgezogene Linien) wurde bei allen Temperaturen verbessert, wie in 3 gezeigt ist, obwohl eine signifikante Erhöhung bei über 250°C für die NOx-Umwandlung und bei 275°C für die N2-Bildung beobachtet wurde. Wie erwartet wurden die Anspringtemperaturen für die Ethanol- und NOx-Umwandlungen durch die Verwendung des Pd-Katalysators alle abgesenkt.
  • Bei höheren Temperaturen, wie in 4 gezeigt ist, wurde die N2-Bildung gegenüber der Pd+Ag- und der Pd/Ag-Probe wegen der Ethanol-Verbrennung unterdrückt, was einen Mangel an Reduktionsmittel zur Folge hat. Wie erwartet wurde jedoch die N2-Bildung in geringerem Maße gegenüber der Pd/Ag-Probe im Vergleich zu der Pd+Ag-Probe unterdrückt. Bei höheren Abgastemperaturen oder höheren Katalysatortemperaturen kann es bevorzugt sein, den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases zu erhöhen, um die Wahrscheinlichkeit einer höheren HC-Verbrennung in der Oxidationsstufe zu kompensieren.
  • Deshalb wurde gefolgert, dass durch ein gestuftes HC-SCR-System unter Verwendung eines Voroxidationskatalysators unter den Bedingungen einer hohen Raumgeschwindigkeit die Kohlenwasserstoffoxidation gegenüber dem stromabwärts gelegenen HC-SCR-Katalysator bei niedrigen Temperaturen verbessert werden kann, aber die vollständige Oxidation bei hohen Temperaturen beschränkt werden kann. Die Menge an Voroxidationskatalysator muss optimiert sein, um die Vorzüge an beiden Enden des Betriebstemperaturfensters sicherzustellen. Dieses Konzept der Verwendung eines Voroxidationskatalysators kann angewendet werden, um das Temperaturfenster anderer HC-SCR-Katalysatorsysteme zu erweitern.
  • Die Erfindung wurde im Hinblick auf bestimmte experimentelle Ergebnisse beschrieben, welche deren Wirksamkeit demonstrieren. Es ist jedoch zu verstehen, dass andere Kombinationen von Kohlenwasserstoff-Reduktionsmitteln und Kohlenwasserstoff-Aktivierungs-Katalysatoren ebenso wie SCR-Katalysatoren verwendet werden können. Dementsprechend wird der Umfang der Erfindung als nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt erachtet.
  • Zusammenfassung
  • Die Umwandlung von NOx in Stickstoff in dem Abgas eines Magermotors unter Verwendung eines Kohlenwasserstoff-unterstützten selektiven katalytischen Reduktionssystems wird durch einen zweistufigen Oxidationskatalysator-Reduktionskatalysator-SCR-Reaktor begünstigt. Die Art und die Menge des Oxidationskatalysators wird gehandhabt, um das Kohlenwasserstoff-Reduktionsmittel bei niedrigen Temperaturen gerade zu aktivieren (es aber bei hohen Temperaturen nicht vollständig zu verbrennen), um dessen NOx-Reduktions-Wirksamkeit zu erhöhen, wenn das Abgas dann die größere Reduktionskatalysatorstufe des zweistufigen Reaktors kontaktiert.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Umwandeln des NOx-Gehalts des Abgases eines Magermotors in Stickstoff, wobei das Abgas NO und NO2 umfasst und wobei das Verfahren umfasst: ein Leiten des Abgases durch einen Katalysereaktor, der eine stromaufwärts gelegene Stufe eines Oxidationskatalysators für den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases und eine benachbarte, aber separate, stromabwärts gelegene Stufe eines Reduktionskatalysators für NOx und das Reaktionsprodukt der ersten Reaktorstufe umfasst, wobei die Raumgeschwindigkeit des Abgases in Bezug auf die stromaufwärts gelegene Stufe hoch genug ist, um den Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases zu aktivieren, ohne ihn durch Verbrennung zu verbrauchen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend ein Erhöhen des Kohlenwasserstoffgehalts des Abgases, bevor das Abgas in den Katalysereaktor eintritt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend ein Erhöhen des Kohlenwasserstoffgehalts des Abgases bei Katalysereaktor-Temperaturen von mehr als 425°C.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator der stromaufwärts gelegenen Stufe ein oder mehrere Elemente der Platingruppe enthält, die aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium und Rhodium ausgewählt sind, das als Partikel auf Aluminiumoxid dispergiert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator der stromabwärts gelegenen Stufe Silber umfasst, das als Partikel auf Aluminiumoxid dispergiert ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Raumgeschwindigkeit des Abgasstroms, welcher die Oxidationskatalysatorstufe kontaktiert, mindestens das Zehnfache der Raumgeschwindigkeit des Stroms beträgt, welcher die Reduktionskatalysatorstufe kontaktiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur des in den Katalysereaktor eintretenden Abgases mindestens 200°C beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases einer Dieselmaschine durch Zufügen von Dieselkraftstoff zu dem Abgas erhöht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases einer benzinbetriebenen Maschine durch die Zugabe von Benzin-Kohlenwasserstoffen zu dem Abgas erhöht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases eines Magermotors durch die Zugabe von Ethanol zu dem Abgas erhöht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die stromabwärts gelegene Katalysatorstufe einen mit unedlen Metallen substituierten Zeolith umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend ein Erhöhen des Kohlenwasserstoffgehalts des Abgases bei Abgastemperaturen von mehr als 425°C.
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