Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАЛИЗИРУЕМОГО САЖЕВОГО ФИЛЬТРА И КАТАЛИЗИРУЕМЫЙ САЖЕВЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к многофункциональным катализируемым сажевым фильтрам дизельных двигателей. В частности, изобретение относится к способу получения катализируемых сажевых фильтров, имеющих как активность в отношении удаления оксидов азота с помощью известного процесса селективного каталитического восстановления (СКВ), так и окислительную активность в отношении окислительной конверсии углеводородов и монооксида углерода, которые содержатся в выхлопном газе, в воду и диоксид углерода и в отношении конверсии избытка аммиака, используемого в качестве восстановителя в процессе СКВ, в азот.

Изобретение, кроме того, обеспечивает катализируемый сажевый фильтр, катализируемый СКВ катализатором в его впускных/распределяющих каналах и стенках фильтра, и катализатором проскочившего аммиака вместе с катализатором окисления в выпускных каналах/каналах фильтрата.

Кроме несгоревших углеводородов выхлопные газы дизельного двигателя содержат оксиды азота (NO_x) и твердые частицы. NO_x, углеводороды и твердые частицы являются веществами и химическими соединениями, представляющими опасность для здоровья и окружающей среды, и должны быть восстановлены или удалены из выхлопных газов машины путем пропускания выхлопных газов через сажевый фильтр и несколько катализаторных блоков.

Как правило, эти фильтры представляют собой сажевые фильтры закрытого типа с сотовой структурой, в которых сажа улавливается на или в продольных внутренних стенках сотового фильтра.

Помимо сажевого фильтра системы очистки выхлопных газов, раскрытые в уровне техники, содержат также каталитический блок, имеющий активность в отношении селективного восстановления NO_x в азот по реакции с аммиаком, и дизельный катализатор окисления.

Для того чтобы удалить избыток аммиака, который впрыскивается в выхлопные газы для применения в процессе СКВ, ряд известных систем очистки выхлопных газов дополнительно по направлению потока содержит каталитический блок, катализирующий превращение аммиака в азот, так называемый катализатор проскочившего аммиака.

Многофункциональные сажевые фильтры дизельных двигателей, покрытые катализаторами, катализирующими вышеупомянутые реакции, также известны в уровне техники.

В известных многофункциональных фильтрах разные катализаторы сегментарно или зонально нанесены на некоторые зоны фильтра.

Сегментарное или зональное нанесение разных катализаторов на фильтр является дорогостоящим и трудным способом получения.

В американской патентной заявке US 2010/0175372 в одном варианте осуществления описывается система обработки выхлопных газов дизельного двигателя, в которой имеется фильтр, катализируемый СКВ катализатором со стороны рассеивания фильтра и катализатором окисления аммиака и дизельным катализатором окисления со стороны фильтрата. СКВ катализатор наносится в виде покрытия типа «washcoat» по всей матрице фильтра с последующим нанесением катализатора окисления аммиака на выпускные каналы фильтра. Дизельный катализатор окисления наносится в качестве верхнего слоя на катализаторе окисления аммиака в выпускных каналах.

По сравнению с известным способами получения, настоящее изобретение предлагает более простой способ получения сажевых фильтров, катализируемых разными катализаторами для селективного восстановления оксидов азота аммиаком и удаления углеводородов, монооксида углерода и избытка аммиака.

Соответственно, изобретение обеспечивает способ получения катализируемого сажевого фильтра, включающий стадии

a) обеспечения тела сажевого фильтра с продольными каналами, которые ограничены продольными пористыми стенками, определяя сторону рассеивания и сторону проникновения;

b) обеспечения первого каталитического покрытия типа «washcoat», содержащего первую катализаторную композицию, которая является активной в отношении селективного каталитического восстановления оксидов азота,

c) обеспечения второго каталитического покрытия типа «washcoat», содержащего вторую комбинированную катализаторную композицию в форме смеси катализатора, который является активным в отношении селективного окисления аммиака в азот, и катализатора, который является активным в отношении окисления монооксида углерода и углеводородов;

d) нанесения на тело сажевого фильтра первого каталитического покрытия типа «washcoat» на всю сторону рассеивания и внутрь продольных внутренних стенок тела фильтра, и нанесения на сажевый фильтр второго каталитического покрытия типа «washcoat» на всю сторону проникновения тела фильтра; и

e) сушки и термической обработки покрытого фильтра с получением катализируемого сажевого фильтра.

Используемые здесь термины "сторона рассеивания" и "сторона проникновения" относятся, соответственно, к каналам фильтра, которыерасположены лицом к нефильтрованным выхлопным газам, и к каналам, которые расположены лицом к отфильтрованным выхлопным газам.

Главное преимущество способа, соответствующего настоящему изобретению, заключается в том, что фильтр может быть покрыт двумя покрытиями типа «washcoat» с получением катализируемого сажевого фильтра с четырьмя ступенями очистки, где одно покрытие типа «washcoat» содержит катализатор окисления в комбинации с катализатором проскочившего аммиака. Тем самым получение многофункционального катализируемого фильтра сильно улучшается благодаря более простой и дешевой организации процесса производства.

Дополнительным преимуществом покрытия фильтра смесью частиц катализаторов, катализирующих различные реакции, стал улучшенный теплообмен и прогрев во время холодного старта. В результате становится возможным начать впрыск восстановителя и реакцию СКВ вскоре после запуска двигателя.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения первая катализаторная композиция в первом покрытии типа «washcoat», которая является активной в отношении селективного каталитического восстановления NO_x, содержит по меньшей мере один из цеолита, силикоалюмофосфата, ионообменного цеолита, силикоалюмофосфата, модифицированного железом и/или медью, одного или более оксидов неблагородных металлов и катализаторной подложки по меньшей мере одного из оксида церия-вольфрама на титанооксидной подложке, алюмооксидной подложке, цирконийоксидной подложке или кремнийоксидной подложке или их смесей.

Предпочтительно катализатор цеолит выбран из бета цеолита или цеолита шабазит.

Другой предпочтительный катализатор СКВ для применения в изобретении представляет собой силикоалюмофосфат со структурой шабазита, такой как SAPO 34, модифицированный медью и/или железом.

Вторая катализаторная композиция, которая является активной в отношении окисления углеводородов, монооксида углерода и аммиака, содержит согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения каталитические частицы платины и палладия, имеющие подложку на основе по меньшей мере одного из оксида алюминия, диоксида титана, диоксида церия и диоксида циркония, в смеси с каталитическими частицами цеолита, модифицированного медью и/или железом, предпочтительно бета цеолита или цеолита шабазит, такого как SAPO 34 со структурой шабазита.

При получении покрытий типа «washcoat» для применения в настоящем изобретении, катализаторы, обычно в форме частиц, размалываются или укрупняются до требуемого размера частиц и суспендируются в воде или органических растворителях, необязательно с добавлением связывающих веществ, улучшителей вязкости, пенообразующих веществ или других технологических добавок.

Для того чтобы позволить частицам катализатора СКВ диффундировать эффективно в продольные внутренние стенки в ходе процесса нанесения на фильтр покрытия типа «washcoat» и предотвратить частица катализаторов окисления от диффундирования со стороны проникновения в сторону рассеивания, предпочтительно чтобы катализатор СКВ, т.е. первый катализатор, имел размер частиц меньше чем средний диаметр пор продольных пористых стенок фильтра, и чтобы смешанные частицы катализаторов окисления, т.е. второй комбинированной катализаторной композиции, были больше чем средний диаметр пор.

На фильтр затем наносится покрытие типа «washcoat» согласно обычно практике, включая применение вакуумного засасывания через фильтр, нанесения покрытия типа «washcoat» под давлением или путем нанесения окунанием. Покрытие типа «washcoat» вводится в фильтр с впускного конца стороны рассеивания, если на фильтр наносится первое покрытие типа «washcoat», содержащее частицы катализатора СКВ, и с выпускного конца стороны проникновения, если наносится второе покрытие типа «washcoat», содержащее смешанные частицы катализаторов окисления.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, фильтр находится в форме монолитного фильтра закрытого типа («wall flow») с множеством продольных каналов, разделенных продольным пористыми стенками, где сторона рассеивания каналов имеет открытый впускной конец, а также выпускной конец, закупоренный заглушками, и сторона проникновения каналов имеет впускной конец, закупоренный заглушками, а также открытый выпускной конец.

Термин "впускной конец", который используется выше и далее в описании, означает конец фильтра и каналы, с которыми контактируют нефильтрованный газ, а термин "выпускной конец" означает конец фильтра и каналы, где фильтрованный газ покидает тело фильтра.

Кроме того, изобретение обеспечивает катализируемый сажевый фильтр, снабженный во всей его стороне рассеивания и внутри продольных внутренних стенок первым катализатором, который является активным в отношении селективного каталитического восстановления оксидов азота, и снабженный во всей его стороне проникновения второй катализаторной комбинацией катализатора, который является активным в отношении окисления аммиака, в смеси с катализатором, который является активным в отношении окисления монооксида углерода и углеводородов.

Предпочтительным фильтром для применения в изобретении является монолитный фильтр закрытого типа с множеством продольных каналов, разделенных продольным пористыми стенками, где сторона рассеивания каналов имеет открытый впускной конец, а также выпускной конец, закупоренный заглушками, и где сторона проникновения каналов имеет впускной конец, закупоренный заглушками, а также открытый выпускной конец.

Примерами подходящих материалов для фильтра являются карбид кремния, титанат алюминия, кордиерит, оксид алюминия, муллит или их комбинации.

Количество первого покрытия типа «washcoat», нанесенного на фильтр, как правило, составляет 20-180 г/л, а количество второго покрытия типа «washcoat», нанесенного на фильтр, как правило, составляет 10-80 г/л. Полное количество катализатора, нанесенного на фильтр, как правило, находится в диапазоне 40-200 г/л.

Пример

Суспензия для получения первого покрытия типа «washcoat», содержащая первый катализатор, активный в отношении процесса СКВ, готовится путем смешивания и диспергирования 100 г силикоалюмофосфата SAPO-34, модифицированного 2%-й медью, в 200 мл деминерализованной воды на литровый фильтр. Добавляют диспергирующий агент Zephrym PD-7000 и противовспенивающее вещество. Суспензия измельчается на шаровой мельнице. Размеры частиц должны быть меньше чем средний диаметр пор в стенках фильтра закрытого типа.

Суспензия для получения второго покрытия типа «washcoat» готовится на первой стадии из смеси платины и палладия (молярное соотношение 3:1) на подложке из частиц оксида алюминия с размером частиц больше чем средний размер пор стенок фильтра. Суспензию полученной таким образом смеси катализаторов получают путем смешивания 20 г смеси в 40 мл деминерализованной воды на литровый фильтр. На второй стадии готовится другая суспензия, содержащая порошок бета цеолита с 1,0%-й медью и размером частиц больше чем средний размер пор фильтра. Указанная суспензия готовится путем смешивания и диспергирования 20 г порошка бета цеолита с медью в 40 мл деминерализованной воды на литровый фильтр. Добавляют диспергирующий агент Zephrym PD-7000 и противовспенивающее вещество. Затем суспензии, полученные на первой и второй стадии, смешивают и далее диспергируют с получением смеси для второго покрытия типа «washcoat». Размер частиц готовой смеси для покрытия типа «washcoat» должен быть больше чем средний диаметр пор в стенках фильтра закрытого типа.

Используется высокопористый (приблизительно 60%; средний размер пор стенок составляет приблизительно 18 мкм) фильтр закрытого типа из SiC, закупоренной традиционным образом заглушками.

Суспензия первого катализатора наносится в виде покрытия типа «washcoat» со стороны рассеивания фильтра. Фильтр, частично покрытый таким образом, затем сушится и прокаливается при 750°С.

Суспензия для получения второго покрытия типа «washcoat» со вторым комбинированным катализатором наносится в виде покрытия типа «washcoat» со стороны проникновения фильтра. Фильтр затем сушится и прокаливается при 750°С.