Зонированные каталитические фильтры для очистки выхлопного газа

Зонированные каталитические фильтры для очистки выхлопного газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

A) Область применения

Настоящее изобретение имеет отношение к изделиям и способам, которые применимы для обработки выхлопных газов, образующихся в процессе углеводородного сжигания. Более конкретно, изобретение имеет отношение к каталитическим фильтрам для снижения содержания NO_x и сажи в потоках выхлопного газа, таких, например, как образованные при работе дизельных двигателей.

B) Описание предшествующего уровня техники

На выхлопные газы, выделяемые транспортными средствами в Соединенных Штатах, в настоящее время приходится приблизительно треть производственного смога страны, загрязняющего воздух. Усилия по сокращению смога включают использование более экономичных двигателей, таких как, например, дизельные двигатели, по сравнению с бензиновыми двигателями, а также улучшение систем очистки выхлопных газов.

Наибольшие части большинства выхлопных газов сгорания содержат относительно неопасный азот (N₂), водяной пар (H₂О) и двуокись углерода (CО₂); но выхлопной газ также содержит в относительно небольшом количестве вредные и/или токсичные вещества, такие как угарный газ (CO), из-за неполного сгорания, углеводороды (HC) от не сожженного топлива, оксиды азота (NO_x) от высоких температур сгорания и твердые частицы (в основном сажу). Одним из наиболее обременительных компонентов выхлопного газа является NO_x, который включает оксид азота (NO), диоксид азота (NО₂) и закись азота (N₂О). Образование NO_x является особенно проблематичным для двигателей с обедненной смесью топлива, например дизельных двигателей. Для смягчения воздействия на окружающую среду выбросов NO_x в выхлопном газе желательно удалять эти нежелательные компоненты предпочтительно с помощью процесса, в котором не образуются другие вредные или токсичные вещества.

В выхлопном газе дизельных двигателей, как правило, содержится больше сажи по сравнению с бензиновыми двигателями. Выбросы сажи могут быть устранены путем пропускания выхлопного газа, содержащего сажу, через фильтр для улавливания твердых частиц. Однако накопление частиц сажи на фильтре может вызвать нежелательное увеличение противодавления системы выхлопа во время работы двигателя, тем самым уменьшая его эффективность. Для регенерации фильтра накопленная сажа на основе углерода должна быть удалена из фильтра, например, путем периодического сжигания сажи при помощи пассивного или активного окисления. Одна такая технология включает каталитическое окисление сажи при низких температурах. Например, в патентном документе US № 4902487 сообщается об использовании NО₂ в качестве окислителя, способствующего эффективному сжиганию собранной сажи при низких температурах. Также было показано, что производительность фильтра каталитического окисления сажи может быть улучшена путем совмещения различных катализаторов окисления сажи в стеновом проточном фильтре (патентный документ US № 2009/0137386) или с помощью зонирования катализатора окисления с использованием различных концентраций катализатора (патентный документ EP № 1859864).

Для обедненного выхлопного газа, такого как дизельный выхлопной газ, реакции восстановления обычно трудно осуществить. Однако один способ для преобразования NO_x в дизельном выхлопном газе в менее опасные вещества обычно называется Селективным Каталитическим Восстановлением (SCR). Способ SCR предполагает преобразование NO_x в присутствии катализатора и при помощи восстанавливающего средства в элементарный азот (N₂) и воду. В способе SCR газообразным восстановителем обычно являются: безводный аммиак, водный аммиак или мочевина, которые добавляются к потоку выхлопного газа до взаимодействия с катализатором. Восстановитель абсорбируется в катализаторе, и происходит реакция восстановления NO_x, поскольку газ проходит через или по всей поверхности катализирующей основы. Уравнением химической реакции в соответствии со стехиометрией с использованием или безводного, или водного аммиака для способа SCR является:

4NO+4NH₃+3O₂->4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+3O₂->3N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃->2N₂+3H₂O.

Известные SCR катализаторы включают цеолиты или другие молекулярные сита, расположенные на или в монолитной основе. Примеры таких молекулярных сит включают материалы, имеющие каркасную конструкцию шабазита (например, SSZ-13 и SAPO-34), бета каркасную конструкцию, каркасную конструкцию морденита (например, ZSM-5) и им подобные. С целью повышения каталитической эффективности и гидротермальной стабильности материалов молекулярные сита для практических применений SCR часто включают обмененные ионы металлов, которые свободно держатся в каркасной конструкции молекулярного сита.

Так как SCR катализаторами обычно являются гетерогенные катализаторы (то есть твердый катализатор в контакте с газообразным и/или жидкостным реагентом), катализаторы обычно наносятся на основу. Предпочтительные основы для использования в мобильных применениях включают проточные монолиты с так называемой сотовой геометрией, которая имеет множество смежных, параллельных каналов, открытых с обоих концов, и которые обычно простираются от поверхности впуска до поверхности выпуска основы. Каждый канал обычно имеет квадратное, круглое, шестиугольное или треугольное поперечное сечение. Материал катализатора наносят на основу обычно в виде покрытия washcoat или в виде другой суспензии, которая может быть воплощена на и/или в стенах основы.

Известны системы выпуска, содержащие несколько компонентов, даже несколько SCR катализаторов. Например, в патентном документе US № 7767176 описывается система выпуска, имеющая две основы, расположенные последовательно, где каждая основа содержит катализатор SCR, причем поток предпочтительно не фильтруется через сотовую конструкцию. Зонная очистка нефильтрованного потока через основы с катализаторами SCR, сопровождаемыми катализаторами окисления, также известна (например, патентный документ US 5516497).

Чтобы уменьшить объем пространства, необходимого для системы выпуска, желательно проектировать индивидуальные составные части выхлопа так, чтобы они выполняли больше чем одну функцию. Например, применение катализатора SCR в основе стенового проточного фильтра применяется не просто для прохождения потока через основу, а служит для уменьшения общего размера системы для очистки выхлопного газа, позволяя одной основе выполнять две функции, то есть проводить каталитическое преобразование NO_x с помощью катализатора SCR и удалять сажу с помощью фильтра. В патентном документе US № 2010/0180580 описывается SCR катализатор, который может быть применен к сотовой основе в форме стенового проточного фильтра. Стеновые проточные фильтры похожи на проточные сотовые основы тем, что они содержат множество смежных, параллельных каналов. Тем не менее, каналы проточных сотовых основ открыты с обоих концов, тогда как каналы основ с потоком по стенкам имеют один заглушенный конец, причем закупоривание происходит на противоположных концах смежных каналов в шахматном порядке. Закупоренные чередующиеся концы каналов предотвращают непосредственное прохождение потока газа, поступающего с поверхности впуска основы, через канал и тем самым предотвращают его реальное существование. Вместо этого выхлопной газ поступает в переднюю часть основы и проходит примерно в половину каналов, где он вынужден проникать через стенки каналов для того, чтобы войти во вторую половину каналов и выйти через заднюю поверхность основы.

Стеновой проточный фильтр, имеющий SCR (фильтр с SCR покрытием) и катализатор окисления, причем катализатор SCR располагается выше по течению от катализатора окисления, описан в патентном документе GB 1003784.4, который включен в настоящий документ ссылкой в полном объеме. Однако остается потребность в совершенствовании покрытий фильтров систем SCR, имеющих хорошую каталитическую эффективность и в то же время имеющих минимальное обратное давление.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авторы изобретения неожиданно обнаружили, что функциональные возможности SCR покрытия компонента фильтра в системе выпуска могут быть улучшены с помощью обеспечения двух или более каталитических зон, которые располагаются последовательно в основе фильтра по отношению к направлению общего потока газа сквозь основу. Например, по сравнению с основой фильтра, в которую SCR катализатор загружается гомогенно в аксиальном направлении, зонированный фильтр, описанный в настоящем документе, приводит к уменьшению обратного давления, создаваемого выхлопными газами, проходящими сквозь основу. Такие зоны могут быть созданы путем загрузки передней части основы фильтра (по отношению к общему направлению газового потока) первым катализатором SCR, который термически стабилен при высоких температурах, и загрузки задней части SCR катализатором, имеющим другую эффективность, или с помощью загрузки передней и задней частей фильтра SCR катализаторной композицией, имеющей те же каталитические компоненты, но относительно повышенную концентрацию одного или более компонентов при загрузке передней части. Это уменьшение в противодавлении является удивительным, потому что происходит тогда, когда концентрация или тип катализатора изменяется вдоль осевого направления фильтра вместо направления, в котором газ контактирует с катализатором фильтра(ов) (а именно, в направлении проникания сквозь стенки фильтра). То есть в стеновом проточном фильтре газ течет в основу через поверхность впуска фильтра и выходит из основы через поверхность выпуска фильтра, таким образом создавая общее направление газового потока, который является параллельным основной оси основы. Тем не менее, газ контактирует с каталитическим компонентом, поскольку он проходит сквозь стенки фильтра, которые расположены в ортогональном направлении к оси основы. Было обнаружено, что изменение концентрации катализатора в таком осевом направлении снижает противодавление по сравнению с концентрацией катализатора, который гомогенно распределен вдоль оси.

В соответствии с этим один аспект настоящего изобретения обеспечивает каталитическое изделие, включающее: (a) стеновой проточный монолит, имеющий впускную сторону и выпускную сторону, и ось направления течения газового потока от упомянутой поверхности впуска к вышеупомянутой поверхности выпуска; (b) первую композицию SCR катализатора, содержащую материал молекулярного сита с первой концентрацией молекулярного сита и обмененный металл с первой концентрацией металла, причем упомянутый первый катализатор SCR расположен в первой зоне; и (c) вторую композицию SCR катализатора, содержащую упомянутый материал молекулярного сита с концентрацией, которая, по меньшей мере, на 20% ниже, чем упомянутая первая концентрация молекулярного сита, и упомянутый обмененный металл с первой концентрацией, где упомянутый второй SCR катализатор располагается во второй зоне; причем упомянутые первая зона и вторая зона расположены в пределах части упомянутой монолитной стенки потока и последовательно вдоль упомянутой оси и причем упомянутая первая зона расположена ближе к упомянутой впускной стороне, а упомянутая вторая зона расположена ближе к упомянутой выпускной стороне.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается каталитическое изделие, включающее: (a) стеновой проточный монолит, имеющий впускную сторону и выпускную сторону, и ось течения газового потока от упомянутой поверхности впуска к упомянутой поверхности выпуска; (b) первую композицию SCR катализатора, содержащую материал молекулярного сита с первой концентрацией молекулярного сита и обмененный металл с первой концентрацией металла, причем упомянутый первый катализатор SCR расположен в первой зоне; и (c) вторую композицию SCR катализатора, содержащую упомянутый материал молекулярного сита с концентрацией, которая, по меньшей мере, на 20% ниже, чем упомянутая первая концентрация молекулярного сита, и упомянутый обмененный металл с концентрацией, которая на 20% ниже, чем упомянутая первая концентрация металла, причем упомянутый второй SCR катализатор располагается во второй зоне; где упомянутые первая зона и вторая зона расположены в пределах части упомянутого стенового проточного монолита и последовательно вдоль упомянутой оси и где упомянутая первая зона расположена ближе к упомянутой впускной стороне, а упомянутая вторая зона расположена ближе к упомянутой выпускной стороне.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается каталитическое изделие, включающее: (a) стеновой проточный монолит, имеющий впускную сторону и выпускную сторону, и ось течения газового потока от упомянутой поверхности впуска к упомянутой поверхности выпуска; (b) первую композицию SCR катализатора, содержащую материал молекулярного сита с первой концентрацией молекулярного сита и обмененный металл с первой концентрацией металла, причем упомянутый первый SCR катализатор расположен в первой зоне; и (c) вторую композицию SCR катализатора, содержащую упомянутый материал молекулярного сита с упомянутой первой концентрацией молекулярного сита и упомянутый обмененный металл с концентрацией, которая на 20% ниже, чем упомянутая первая концентрация металла, причем упомянутый второй SCR катализатор располагается во второй зоне; где упомянутые первая зона и вторая зона расположены в пределах части упомянутого стенового проточного монолита последовательно вдоль упомянутой оси и где упомянутая первая зона расположена ближе к упомянутой впускной стороне, а упомянутая вторая зона расположена ближе к упомянутой выпускной стороне.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается каталитическое изделие, включающее: (a) стеновой проточный монолит, имеющий впускную сторону и выпускную сторону, и ось течения газового потока от упомянутой поверхности впуска к упомянутой поверхности выпуска; (b) первую композицию SCR катализатора, содержащую материал молекулярного сита с первой концентрацией молекулярного сита и обмененный металл с первой концентрацией металла, причем упомянутый первый SCR катализатор расположен в первой зоне; и (c) вторую композицию SCR катализатора, содержащую второй материал молекулярного сита и второй обмененный металл, где упомянутый второй SCR катализатор располагается во второй зоне, причем указанное первое молекулярное сито является более термически стабильным относительно упомянутого второго молекулярного сита, причем упомянутые первая зона и вторая зона расположены в пределах части упомянутого стенового проточного монолита и последовательно расположены вдоль упомянутой оси и причем упомянутая первая зона расположена ближе к вышеупомянутой впускной стороне, а упомянутая вторая зона расположена ближе к вышеупомянутой выпускной стороне.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается способ для снижения проскока аммиака, включающий: (a) функционирующий дизельный двигатель в условиях генерации исходного потока выхлопного газа, содержащего NO_x и сажу, имеющего температуру приблизительно от 250°C до 550°C и имеющего пространственную скорость приблизительно от 20000 до приблизительно 120000/час; (b) инжектирование восстановителя в упомянутый исходный поток топлива для создания промежуточного потока; и (c) прохождение упомянутого промежуточного потока сквозь каталитическое изделие согласно фильтру с SCR покрытием, как описано в настоящем документе, для получения потока очищенного выхлопного газа с уменьшенным количеством сажи и уменьшенной концентрацией NO_x относительно упомянутого исходного потока топлива; причем упомянутый поток очищенного выхлопного газа не содержит аммиак или концентрация аммиака меньше, чем количество аммиака, которое присутствовало бы, если бы промежуточный поток пропускали сквозь фильтр с SCR покрытием, как описано в настоящем документе, в котором SCR катализатор гомогенно распределен в соответствии с направлением общего потока газа.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения представлен способ для уменьшения противодавления в системе обработки выхлопного газа, содержащий: (a) функционирующий дизельный двигатель в условиях генерации исходного потока выхлопного газа, содержащего NO_x и сажу, имеющего температуру приблизительно от 250°C до 550°C и имеющего пространственную скорость приблизительно от 20000 до приблизительно 120000/час; (b) инжектирование восстановителя в упомянутый исходный поток для создания промежуточного потока; и (c) пропускание упомянутого промежуточного потока через каталитическое изделие согласно фильтру с SCR покрытием, как описано в настоящем документе, для получения потока очищенного выхлопного газа с уменьшенным количеством сажи и уменьшенной концентрацией NO_x относительно упомянутого исходного потока; причем упомянутая стадия прохождения создает сопротивление потоку газа, которое меньше, чем величина сопротивления потоку газа, которая была бы получена, если бы промежуточный поток пропускали сквозь каталитическое изделие, подобное фильтру с SCR покрытием, как описано в настоящем документе, за исключением того, что SCR катализатор гомогенно был бы распределен по отношению к направлению общего потока газа.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения представлен способ для снижения количества NO_x в выхлопном газе, включающий контактирование газа с каталитическим изделием в соответствии с фильтром с SCR покрытием, как описано в настоящем документе, в течение времени и с температурой, достаточной для уменьшения уровня соединений NO_x в газе.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения представленной является система очистки выхлопного газа двигателя, содержащая (a) каталитическое изделие в соответствии с фильтром с SCR покрытием, как описано в настоящем документе; и (b) источник аммиака или мочевины, расположенные вверх по потоку упомянутого каталитического изделия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1A и 1B показаны изображения части обычной основы стенового проточного фильтра;

на фиг. 2A и 2B показаны поперечные сечения части блока стенового проточного фильтра, имеющего зонированный катализатор в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 показаны поперечные сечения части блока стенового проточного фильтра, имеющего зонированный катализатор в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 4 показаны поперечные сечения части блока стенового проточного фильтра, имеющего зонированный катализатор в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 представляет собой график, сравнивающий данные противодавления для блока стенового проточного фильтра, имеющего зонированный катализатор в соответствии с вариантом осуществления изобретения и катализатор, однородно распределенный в стеновом проточном фильтре; и

фиг. 6 представляет собой график, сравнивающий кумулятивные данные массы NO_x для блока стенового проточного фильтра, имеющего зонированный катализатор в соответствии с вариантом осуществления изобретения и катализатор, однородно распределенный в стеновом проточном фильтре.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает каталитическое фильтрующее устройство, которое эффективно и экономично удаляет NO_x и твердые частицы из потока выхлопного газа, например, из двигателя, работающего на обедненной смеси топлива (например, дизельный двигатель). В предпочтительном варианте осуществления обеспечивается основа стенового проточного фильтра, имеющая множество каталитических зон. Зоны создаются путем включения различных SCR катализаторов и/или различных концентраций тех же SCR катализаторных компонентов в отдельных частях стенок основы. Предпочтительно, чтобы зоны располагались последовательно в соответствии с общим направлением потока выхлопного газа через основу фильтра.

На фиг. 1a и 1b показаны схематические изображения части обычной основы 10 стенового проточного фильтра для использования в системах выпуска автотранспортных средств. Основа стенового проточного фильтра имеет множество каналов 11, которые примерно параллельны друг другу и которые простираются от поверхности впуска 12 основы к поверхности выпуска 13 основы вдоль оси направления газового потока 17 через основу (то есть направление входящего выхлопного газа и выходящего очищенного газа). Обычные основы стенового проточного фильтра для выходящего газа дизельных двигателей, как правило, содержат 400-800 каналов, но для простоты на этих фигурах показаны только несколько каналов. Каналы образованы пористыми стенками 15, и каждый канал имеет колпачок 14 либо на впускной, либо на выпускной поверхности основы. Пористые стенки также образованы стороной впуска 18 и стороной выпуска 19 относительно направления газового потока сквозь стенки. Основы стенового проточного фильтра для использования в системах выпуска автотранспортных средств, такие как данные, являются коммерчески доступными из разных источников.

На фиг. 2A и 2B показаны поперечные сечения части каталитического изделия в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Здесь каталитическое изделие включает основу 10 стенового проточного фильтра, первую SCR катализаторную зону 20, включенную в часть стенки 15 основы, которая является ближайшей к впускной стороне 12, и вторую SCR катализаторную зону 22, включенную в другую часть стенки 15 основы, которая является ближайшей к выпускной стороне 13. Таким образом, первую зону и вторую зону необязательно располагать последовательно по отношению к направлению газового потока через стенку (то есть от стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку). Вместо этого первая и вторая зоны расположены последовательно по отношению к общему направлению ожидаемого потока выхлопного газа сквозь основу, как показано стрелкой 28, параллельной оси 17.

Выхлопной газ, не обработанный с помощью каталитического фильтра 26, поступает в каналы основы, где он контактирует с верхней по потоку стороной 18 стенки 15 основы. Во время работы двигателя существует перепад давления между стороной впуска и стороной выпуска основы (более высокое давление на стороне впуска относительно стороны выпуска), и, таким образом, перепад давления также существует между верхней по потоку стороной 18 и нижней по потоку стороной 19 стенки 15 основы. Этот перепад давления наряду с газопроницаемой природой стенок позволяет выхлопному газу 26, проходящему в канал, который является открытым от поверхности впуска, проходить от верхней по потоку стороны 18 пористой стенки 15 к нижней по потоку стороне 19 этой же стенки и затем к соседнему каналу, который является открытым к стороне выпуска основы. Выхлопной газ проходит сквозь стенку в направлении, перпендикулярном к оси 17, то есть перпендикулярно к общему направлению газового потока 28 сквозь основу 10.

Стенка основы имеет пористость и размер пор, что делает ее газопроницаемой, но способной улавливать большую часть твердых частиц, таких как сажа, из газа, поскольку газ проходит сквозь стенку. Предпочтительные основы стенового потока создают высокую эффективность фильтров. Стеновые проточные фильтры для использования в настоящем изобретении предпочтительно имеют эффективность не менее 70%, по меньшей мере, приблизительно 75%, по меньшей мере, приблизительно 80% или, по меньшей мере, приблизительно 90%. В некоторых вариантах осуществления эффективность будет приблизительно от 75% до приблизительно 99%, приблизительно от 75% до приблизительно 90%, приблизительно от 80% до приблизительно 90% или приблизительно от 85% до приблизительно 95%. Здесь эффективность относится к саже и другим аналогичного размера твердым частицам и концентрациям частиц, которые обычно встречаются в обычном дизельном выхлопном газе. Например, размер твердых частиц в дизельном двигателе может варьироваться от 0,05 микрон до 2,5 микрон. Таким образом, эффективность может быть основана на этом диапазоне или на субдиапазоне, например, от 0,1 до 0,25 микрон, от 0,25 до 1,25 микрон или от 1,25 до 2,5 микрон.

При нормальной работе системы выпуска сажа и другие твердые частицы накапливаются на верхних по потоку сторонах стенок, что приводит к увеличению противодавления. Чтобы смягчить это повышение противодавления, основу фильтра постоянно или периодически регенерируют с помощью активных или пассивных технологий, к числу которых относится сжигание накопленной сажи с помощью известных технологий, включая использование катализатора окисления.

Выхлопной газ, проходя сквозь пористые стенки основы, также контактирует с SCR катализатором, включенным в стенки, где, таким образом, устраняется основная часть компонентов NO_x из выхлопного газа. Неожиданно было обнаружено, что зонирование катализатора SCR настоящего изобретения, включенного в основу стенового проточного фильтра, обеспечивает улучшенные рабочие характеристики противодавления с такой же или лучшей каталитической активностью, в частности, по восстановлению NO_x, относительно такого же самого количества подобного катализатора SCR, расположенного более гомогенно по всей площади стенок фильтра. Улучшение рабочих характеристик этого зонированного фильтра также удивительно, поскольку каталитическая эффективность не зависит от направления газового потока через фильтр (то есть направление газового потока в контакте с каталитическими композициями изобретения), но вместо этого зависит от общего потока выхлопного газа через основу.

Зонированное SCR покрытие фильтра изделий настоящего изобретения также обеспечивает улучшенные эксплуатационные данные хранения аммиака по сравнению с гомогенно загруженным SCR покрытием изделием фильтра. Более конкретно, зонирование SCR катализатора в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, как описано более подробно ниже (например, повышение концентрации молекулярного сита в зоне, близкой к впускной стороне, относительно зоны, близкой к выпускной стороне), обеспечивает повышенную вместимость аммиака на участке основы фильтра, которая способна быстро нагреваться в ходе работы двигателя, но в то же время также обеспечивает пониженную вместимость аммиака около впускной стороны основы фильтра, которая снижает вероятность проскока аммиака, особенно когда фильтр с SCR покрытием предназначен для обработки выхлопного газа с высокой температурой и высокой объемной скоростью.

Предпочтительные SCR катализаторы для использования в настоящем изобретении включают одно или более молекулярных сит, содержащих один или более переходных металлов. Тип молекулярного сита, подходящего для использования в настоящем изобретении, особенно не ограничен. Однако предпочтительными молекулярными ситами являются сита каркасного типа, выбранные из BEA, MFI (например, ZSM-5), или молекулярные сита с малыми порами, такие как, например, CHA, ERI и LEV, как это определено Международной ассоциацией по цеолитам. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления у молекулярного сита есть тип структуры с малыми порами, которые имеют максимально возможный кольцевой размер из восьми тетраэдрических атомов. Особенно предпочтительные типы структур с малыми порами включают структуры CHA, ERI и LEV, наиболее предпочтительной является CHA. В случае если Framework Type Code молекулярного сита является CHA, изотип каркасной конструкции структуры CHA может быть отобран из группы, состоящей, например, из SAPO-34, SSZ-62 и SSZ-13. Молекулярным ситом, имеющим тип структуры ERI, может быть, например, эрионит, ZSM-34 или Linde тип T. Если Framework Type Code является LEV, изотипом каркасной конструкции структуры или типом материала может быть, например, ливинит, Nu-3, LZ-132 или ZK-20.

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления молекулярным ситом является алюмосиликат или силико-алюмо-фосфат. Предпочтительные алюмосиликатные молекулярные сита имеют мольные отношения диоксида кремния к оксиду алюминия приблизительно больше чем 10, более предпочтительно приблизительно от 15 до приблизительно 250, более предпочтительно приблизительно от 20 до приблизительно 50 и еще более предпочтительно приблизительно от 25 до приблизительно 40. Отношение диоксида кремния к оксиду алюминия в молекулярных ситах может быть определено с помощью обычного анализа. Это соотношение направлено на то, чтобы представить, настолько близко, насколько возможно соотношение оксида кремния к оксиду алюминия в атомной структуре молекулярного кристалла сита, и предпочтительно исключает алюминий в связующем веществе или в катионной, или в другой форме в пределах каналов. Следует иметь в виду, что может быть очень трудно непосредственно измерить отношение оксида кремния к оксиду алюминия молекулярного сита после того, как оно соединится со связующим материалом. Соответственно отношение оксида кремния к оксиду алюминия было выражено через отношение оксида кремния к оксиду алюминия исходного родительского сита, то есть молекулярного сита, используемого для приготовления катализатора, и измерено до комбинации молекулярного сита с другими компонентами катализатора.

Предпочтительно, чтобы состав структуры катализатора включал молекулярное сито и, по меньшей мере, один внерешеточный металл для улучшения каталитической эффективности и/или термической стабильности материала. Используемый в настоящем документе термин «внерешеточный металл» относится к такому металлу, который постоянно находится внутри молекулярного сита и/или, по меньшей мере, в пределах части поверхности молекулярного сита, не включает алюминий и не включает атомы, составляющие каркас молекулярного сита. Внерешеточный металл может быть добавлен к молекулярному ситу с помощью любой известной технологии, например, ионным обменом, пропитыванием, изоморфным замещением и так далее. Внерешеточные металлы могут быть любыми из общепризнанных каталитически активных металлов, которые используются в производстве катализаторов для образования металлзаменяемых молекулярных сит. В одном варианте осуществления, по меньшей мере, один внерешеточный металл используется в сочетании с молекулярным ситом для повышения каталитической эффективности. Предпочтительные внерешеточные металлы выбираются из группы, состоящей из меди, никеля, цинка, железа, олова, вольфрама, церия, молибдена, кобальта, висмута, титана, циркония, сурьмы, марганца, хрома, ванадия, ниобия, рутения, родия, палладия, золота, серебра, индия, платины, иридия, рения и их смесей. Более предпочтительные внерешеточные металлы включают те, которые отобраны из группы, состоящей из хрома, церия, марганца, железа, кобальта, никеля и меди и их смесей. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одним из внерешеточных металлов являлась медь. Другие предпочтительные внерешеточные металлы включают железо и церий, особенно в сочетании с медью. Для вариантов осуществления, в которых алюмосиликат имеет структуру CHA, предпочтительным внерешеточным металлом является медь.

В одном примере молекулярное сито с обмененным металлом создается путем смешивания молекулярного сита с раствором, содержащим растворимые предшественники каталитически активного металла. Значение показателя pH раствора можно регулировать, чтобы вызвать осаждение каталитически активных катионов на или внутрь структуры молекулярного сита. Например, в предпочтительном варианте осуществления шабазит погружают в раствор, содержащий нитрат меди, в течение достаточного времени, чтобы позволить пройти внедрению каталитически активных катионов меди в структуру молекулярного сита путем ионного обмена. Необмененные ионы меди осаждаются. В зависимости от применения часть необмененных ионов может остаться в материале молекулярного сита в виде свободной меди. Молекулярное сито с обмененным металлом можно затем промывать, сушить и прокаливать. Когда железо или медь используются в качестве катиона металла, то содержание металла в каталитическом материале предпочтительно составляет приблизительно от 0,1 до приблизительно 15 процентов по массе, более предпочтительно приблизительно от 1 до приблизительно 10 процентов по массе и даже более предпочтительно приблизительно от 1 до приблизительно 5 процентов по массе материала молекулярного сита.

Как правило, ионный обмен каталитического катиона металла в или на молекулярном сите можно проводить при комнатной температуре или при температуре приблизительно до 80°C в течение периода времени приблизительно от 1 до 24 часов при значении показателя pH приблизительно 7. Полученный каталитический материал молекулярного сита предпочтительно сушат приблизительно от 100°C до 120°C в течение ночи и прокаливают при температуре, по меньшей мере, приблизительно 550°C.

Предпочтительно, чтобы катализатор молекулярного сита внедряли в основу в количестве, достаточном для снижения количества NO_x, содержащегося в потоке выхлопного газа, текущего через основу. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, часть основы может также содержать катализатор окисления, например, металл платиновой группы (например, платину), для окисления аммиака в потоке выхлопного газа или для выполнения других функций, таких как превращение CO в CО₂.

Основы для стенового потока, применимые в настоящем изобретении, могут иметь любую форму, подходящую для использования в системе выпуска, при условии что основа имеет впускную сторону, выпускную сторону и длину между отверстиями впуска и выпуска. Примеры подходящих форм включают круговые цилиндры, эллиптические цилиндры и призмы. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления отверстие впуска и отверстие выпуска находятся в параллельных плоскостях. Однако в других вариантах осуществления отверстия впуска и выпуска не параллельны между собой и длина основы изогнута.

Основа предпочтительно содержит множество каналов, которые примерно параллельны друг другу. Каналы ограничены тонкими пористыми стенками, которые предпочтительно имеют толщину приблизительно от 0,002 до приблизительно 0,1 дюйма, предпочтительно приблизительно 0,002 и 0,015 дюйма. Форма поперечного сечения каналов конкретно не ограничивается и может быть, например, квадратной, круглой, овальной, прямоугольной, треугольной, шестиугольной или тому подобным. Предпочтительно, чтобы основа содержала приблизительно от 25 до приблизительно 750 каналов на квадратный дюйм и более предпочтительно приблизительно от 100 до приблизительно 400 каналов на квадратный дюйм.

Основы для стенового потока предпочтительно выполнены из одного или более материалов, которые включают в качестве преобладающей фазы например, керамику, стеклокерамику, стекло, металлокерамику, металл, оксиды и их комбинации. Под комбинациями подразумеваются физические или химические комбинации, например смеси, соединения или композиты. Некоторые материалы особенно подходят для практики настоящего изобретения, хотя следует понимать, что изобретение не ограничивается такими, которые являются сделанными из кордиерита, муллита, глины, талька, циркония, шпинеля, оксида алюминия, диоксида кремния, боридов, литиевых алюмосиликатов, оксида алюминия, диоксида кремния, полевого шпата, диоксида титана, плавленого кварца, нитридов, боридов, карбидов, например карбидов кремния, нитридов кремния или их смесей. Особенно предпочтительным материалом является кордиерит и карбид кремния.

Предпочтительно, чтобы основа была изготовлена из материала с пористостью, по меньшей мере, приблизительно 50%, более предпочтительно приблизительно 50-75% и со средним размером пор, составляющим, по меньшей мере, 10 микрон.

Предпочтительно, чтобы SCR катализатор находился, по меньшей мере, в части пор стенки, более предпочтительно на поверхности пор стенки фильтра. Очень предпочтительно, чтобы катализатор в порах располагали таким образом, чтобы не закупоривать поры, которые, тем самым, могли бы чрезмерно ограничить поток выхлопного газа сквозь стенку. Более чем один катал