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CN110087756A - 具有催化剂储存单元的烟灰颗粒过滤器 - Google Patents

具有催化剂储存单元的烟灰颗粒过滤器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于净化来自发动机的废气的壁流式过滤器，该壁流式过滤器具有在交替端部处闭合的平行废气入口通道和废气出口通道，该过滤器另外包括催化剂通道，该催化剂通道在两端处闭合并且包含固体形式的催化剂。本发明还涉及过滤器的生产方法及过滤器用于净化特别是来自柴油发动机的废气的用途。

Description

具有催化剂储存单元的烟灰颗粒过滤器
本发明涉及壁流式过滤器，该壁流式过滤器用于净化来自发动机的废气，这些壁流式过滤器具有在交替端部处闭合的平行废气入口通道和废气出口通道，其中该过滤器另外包括催化剂通道，这些催化剂通道在两端处闭合并且包含固体形式的催化剂。本发明还涉及过滤器的生产方法及过滤器用于净化废气的用途。
现有技术
颗粒过滤器用于减少发动机的废气中存在的颗粒。颗粒过滤器特别用于过滤柴油发动机的废气，并且被称为柴油微粒过滤器(DPF)或烟灰颗粒过滤器(SPF)。烟灰颗粒过滤器可根据基本不同的两种不同作用方式来设计。就壁流式过滤器而言，废气穿过过滤器中的多孔壁，而就流动过滤器而言，废气流过这些过滤器并在其内表面处被净化。
壁流式过滤器具有由在交替端部处闭合的带多孔壁的平行通道组成的结构。多孔过滤器壁通常由陶瓷或金属制成。废气进入在端部处闭合的入口通道并且流过多孔壁，因此这些废气进入在前端处闭合的出口通道并且从此处释放到环境中。固体组分、特别是烟灰颗粒由多孔壁过滤。就表面过滤器而言，颗粒主要收集在过滤器壁的表面上，或就深层过滤而言，聚积在过滤器壁的内部。
就现有技术中常用的壁流式过滤器而言，多孔壁设置有催化涂层。这些催化涂层支持通过化学反应来耗尽不期望的废气组分。这些催化剂特别用于耗尽不期望的气态废气组分，诸如氮氧化物(NOx)、CO、烃类或H2S。由此获得相对无害的产物，诸如H2O、CO2或N2。这些催化剂还可去除固体组分或帮助其降解，例如通过烟灰到CO2的反应。这些催化涂层通常包含金属和金属氧化物，特别是贵金属或过渡族金属，诸如铂、钯、铑、镍、钴、钼、钨、铈、铜、钒、铁、金或银。在现有技术中，具有可储存不期望的气态组分的储存材料的涂层也是众所周知的。此类过滤器的一般功能以及潜在的化学和物理过程例如在van Settens et al.,“Science and Technology of Catalytic Diesel Particulate Filters,”2001,Catalysis Reviews 43(4),489-564(van Settens等人，“催化柴油微粒过滤器的科学与技术”，2001年，《催化评论》，第43卷，第4期，第489页-564页)中有所描述。带催化剂涂层的壁流式过滤器及其生产方法例如在WO 2005/016497A1中有所描述。
然而，此类带涂层的烟灰颗粒过滤器仍然需要改进。因此持续需要有效的壁流式过滤器，这些壁流式过滤器使高气流成为可能，实现良好的过滤效果，同时通过催化反应有效去除另外非期望的组分，与此同时具有紧凑且稳定的结构。
为了保持足够的废气流并且在该过程中实现充分的过滤效果，这些涂层必须具有与多孔壁的孔隙度精确匹配的限定的孔隙度。为此，常规壁流式过滤器的催化涂层通常必须仅具有有限厚度。否则，在正常操作期间将出现过高背压。由于涂层具有低厚度，此外还是多孔的，因此过滤器可仅设置有有限量的催化活性材料。由于此类标准部件(特别是用于机动车辆)必须紧凑以便实现节省空间的安装并尽可能少地增加重量，因此无法仅仅通过扩大过滤器对此进行补偿。
因此现有技术中使用通道壁具有高孔隙度的壁流式过滤器。EP 1 776 994 A1相应地提出了用于提供具有限定的孔隙度的催化涂层的方法。然而，在这种情况下，不利的是，烟灰过滤效率和机械稳定性会随孔隙度降低。
因此仍然持续需要紧凑过滤器，这些紧凑过滤器包含大量催化活性材料，但也具有良好的过滤特性并且紧凑且在机械上稳定。
常规壁流式过滤器的另外一个缺点是其生产方法相对复杂。通常通过在减压下将催化剂组分(载体涂料(wash coat))的液体溶液和悬浮液吸入过滤器中来生产此类过滤器。在这种情况下，在过滤器内实现不同催化材料的均匀涂层、同时精确调节该涂层的所需孔隙度很有挑战性。为此，只能在复杂工艺中生产此类催化涂层，其中诸如载体涂料制备、减压涂布、干燥和煅烧的单独步骤必须加以精确控制并且相对容易失败。因此希望提供用于生产壁流式过滤器的简化方法。
发明目的
本发明基于提供克服现有技术的上述缺点的带催化剂的壁流式过滤器的目的。根据本发明，将提供具有高催化活性的改进壁流式过滤器。在这种情况下，这些催化剂应具有良好过滤特性和高机械稳定性，并且使紧凑设计中的高气流成为可能。
另外，本发明基于提供用于生产壁流式过滤器的简化方法的目的。这些方法是为了避免尤其是由孔隙度的所需精确控制和涂层的有限厚度引起的已知涂布方法的缺点。根据本发明，在无需特别付出精力的情况下就应当可能实现以期望的量使用、改变或组合不同催化剂材料的需求。
发明内容
令人惊讶的是，本发明所基于的目的由根据权利要求书所述的壁流式过滤器和方法实现。在本说明书中解释了另外的有利实施方案。
本发明涉及用于净化来自发动机的废气的壁流式过滤器，该壁流式过滤器包括在交替端部处闭合的平行废气入口通道和废气出口通道，其中该过滤器另外包括催化剂通道，这些催化剂通道在两端处闭合且包含固体形式的催化剂，并且入口通道和催化剂通道具有公共壁，且出口通道和催化剂通道同样具有公共壁。后者在两端处、即在前端(废气入口端)和后端(废气出口端)处闭合。因此，催化剂封闭在催化剂通道中。
由在交替端部处闭合的平行废气入口通道和废气出口通道组成的、根据本发明的壁流式过滤器的基本结构在现有技术中也被称为“蜂窝”结构或“整料”。该过滤器基本上由将入口端连接到出口端的平行通道组成。这些通道通常具有均匀的横截面和多孔壁。废气从发动机流动到入口通道中，这些入口通道在前端处敞开并且在后端处闭合。然后废气穿过入口通道的多孔壁流动到出口通道(其在前端处闭合)中，最后穿过后端处的出口开口逸出。固体颗粒、特别是烟灰颗粒的过滤在多孔壁之上或之中发生，由此这些颗粒也可收集在端盖的区域中。
因此根据本发明的壁流式过滤器与已知的壁流式过滤器的不同之处在于：其另外具有催化剂通道，并且入口通道和催化剂通道具有公共壁，且出口通道和催化剂通道同样具有公共壁。在这种情况下，有利的是，实现高气流使得大量废气可从入口通道进入催化剂通道并进入出口通道。这提高了过滤器的效率。
在一个优选实施方案中，催化剂通道设置在入口通道与出口通道之间，使得废气从入口通道穿过催化剂通道流动到出口通道中。在该实施方案中，有利的是，所有废气穿过催化剂通道。这产生了高催化效率。
在一个优选实施方案中，入口通道和出口通道没有公共壁。这确保所有废气穿过催化剂通道。
在一个优选实施方案中，入口通道和/或出口通道的横截面区域大于催化剂通道的横截面区域。在本申请的上下文中，术语“横截面”和“横截面区域”是指横向于轴向方向的截面。利用这种实施方案，获得了特别有效的过滤器，这是由于流动通道的体积最大化并且催化剂通道的体积最小化。本领域技术人员可在对催化和流动条件最有利的过滤器设计的基础上优化该比率。该设计使得节省催化剂并总体上最小化过滤器的体积和重量成为可能。
在一个优选实施方案中，通道的多孔壁具有<20μm、优选地<10μm或<5μm的平均孔径。通道的多孔壁优选地具有0.1μm至20μm、特别是在0.5μm与10μm之间或在1μm与5μm之间的平均孔径。优选地根据ASTM D6761-07(2012)来测量孔隙度。具有此类相对较小孔径的过滤器是有利的，因为它们具有相对较高的过滤效率和机械稳定性。可易于根据本发明经由过滤材料、特别是陶瓷来调节此类较小的孔径，这是由于壁不必带涂层，由此气流不会因涂层而减小。
催化剂以固体形式包含在催化剂通道中。催化剂通道优选地用固体形式的催化剂填充。固体形式的催化剂优选地不或不仅仅以涂层的形式存在于催化剂通道中。相反，优选的是，催化剂分布在通道的内部。在一个优选实施方案中，催化剂以颗粒形式包含在催化剂通道中。在这种情况下，催化剂通道可先用催化剂填充，再进行闭合。这具有以相对简单的方式用催化剂相对均匀地填充通道的优点。除了催化剂的类型和数量之外，还可经由颗粒尺寸、颗粒形状和颗粒堆积来调节催化活性。
特别优选地，以粉末形式包含催化剂。该粉末优选地为自由流动的，并因此可用作疏松材料。在这种情况下，有利的是，可以以简单的方式用固体形式的催化剂填充通道。当使用粉状催化剂时，其优选地具有>0.5μm、优选地>10μm或>50μm但小于100μm的平均颗粒尺寸。
颗粒形式的催化剂可例如借助负压在吸力作用下和/或作为悬浮液或溶液的一部分引入到通道中。
还可以同时将多种催化剂填充到对应通道中。因此，可任选地实现催化剂的分层布置(分层格式)，或可在通道中提供催化剂的分区布置(分区格式)。还可以对不同催化剂进行物理混合，这些催化剂例如为用于NOx还原的催化剂以及用于NH3氧化的催化剂。
在另外一个实施方案中，催化剂也可以以块体或颗粒料的形式存在，例如以固体基体中含催化剂颗粒的多孔块体或复合材料的形式存在。
根据本发明，不需要过滤器具有带催化剂涂层的壁。当以简单的方式用固体形式的催化剂填充催化剂通道时可实现有效催化。因此在一个实施方案中过滤器没有带催化剂涂层的壁。
然而，优选的是，除了通道中的固体催化剂之外，过滤器还具有带催化剂涂层的壁。在这种情况下，入口通道、出口通道和催化剂通道的壁可带涂层(分层或分区格式)，其中另外在催化剂通道的内部中包含固体形式的催化剂。在该实施方案中，有利的是一方面可进一步提高催化效应，另一方面可组合不同的催化剂。在这种情况下也可组合将在涂层中不相容的催化剂。因此可以想到，第一催化剂以固体形式和第一选择性存在于催化剂通道中，而过滤器的多孔壁另外涂布有具有第二不同特异性的第二催化剂。这样，总体上可获得特别有效的过滤器，其可特别适于特定需求。
通道可基本上具有任何期望的横截面区域，其可为例如圆形、矩形、六边形、三角形或椭圆形。在这种情况下优选的是，通道的结构有助于气体从入口通道穿过催化剂通道进入出口通道中的有效且完全的流动。通道优选地总体上具有非对称结构。这意味着并非所有通道具有相同设计。
在一个优选实施方案中，催化剂通道具有三角形或矩形横截面区域。在这种情况下，催化剂通道的横截面区域优选地小于入口通道和/或出口通道的横截面区域。在此类实施方案中，可以以最佳方式调节过滤器中的空间条件，使得总体上获得特别紧凑的过滤器，这种过滤器也可以以相对简单的方式、尤其是以陶瓷形式生产。
在一个优选实施方案中，入口通道和出口通道分别具有六边形横截面，并且催化剂通道具有三角形横截面。在这种情况下，有利的是，可以以特别节省空间的方式布置这些通道并且可以相对简单地实现生产。
在一个优选实施方案中，入口通道、出口通道和催化剂通道分别具有矩形横截面，其中这些通道的横截面可不同并且可彼此匹配。甚至在该实施方案中，可以以简单的方式提供具有最佳调节的催化剂量的紧凑过滤器。
根据本发明的壁流式过滤器适用于净化来自发动机、特别是来自柴油发动机的废气。经由多孔壁从废气中滤除固体颗粒。固体颗粒特别是烟灰颗粒，但也有其他颗粒，诸如盐(特别是硫酸盐)或金属灰渣。利用该催化剂，通过化学反应可去除气态废气组分，诸如氮氧化物(NOx)、CO、烃类或H2S。由此获得相对无害的产物，诸如H2O、CO2或N2。催化剂也可被设计为使得其通过化学反应降解过滤后的颗粒，特别是烟灰颗粒。催化剂也可被选择为储存不期望的物质。此类过滤器的一般功能以及潜在的化学和物理过程是本领域技术人员已知的，并且例如在van Setten et al.,“Science and Technology of Catalytic DieselParticulate Filters,”2001,Catalysis Reviews 43(4),489-564(van Setten等人，“催化柴油微粒过滤器的科学与技术”，2001年，《催化评论》，第43卷，第4期，第489页-564页)中有所描述。
根据本发明，可使用现有技术中的常规过滤材料和催化剂。因此根据本发明的壁流式过滤器可包含这样的催化剂，这些催化剂在现有技术中包含在具有氧化催化剂的颗粒过滤器(CDPF)、具有SCR涂层的颗粒过滤器(SDPF；SCR＝选择性催化还原)、具有NOx储存还原催化剂的颗粒过滤器(NDPF)或具有三元催化剂的颗粒过滤器(OPF)的涂层中。
过滤器自身可由常用于壁流式过滤器的材料组成，并且可通过常用方法生产。在现有技术中，特别是使用了由陶瓷或金属制成的过滤器，陶瓷过滤器最广泛用于汽车应用。优选的陶瓷材料是堇青石、碳化硅、氮化硅、α-氧化铝、锆、磷酸锆、钛酸铝、莫来石、锂辉石、氧化铝-二氧化硅-氧化镁或硅酸锆。此类过滤器优选地用作整料，即用作一体式陶瓷。另选地，具有由纤维材料制成的壁的实施方案也是可能的。特别优选地使用堇青石、钛酸铝或碳化硅的整料。基于陶瓷和其他材料的壁流式过滤器及其生产方法是现有技术中已知的。举例来说，参考WO 2005/016497A1、EP 1 776 994 A1或Majewski,“Wall-Flow Monoliths,”2005,www.DieselNet.com,Ecopoint Inc.Revision 2005.09b(Majewski，“壁流式整料”，2005年，www.DieselNet.com，Ecopoint公司，2005.09b修订版)。
生产过滤器并调节孔隙度可通过已知的方法实现。根据本发明，有利的是，不必费力地调节孔隙度使之与涂层的量相适应。根据本发明，基本上必须调节过滤器壁的孔隙度，这大大简化了生产工艺。特别有利的是，具有限定的孔隙度的特定陶瓷(带或不带催化剂涂层)可在不费周折的情况下用各种固体催化剂填充，而不会显著改变孔隙度。特别是在气流不会因涂层而减小的情况下，可使用具有在<10μm范围内的极小孔的过滤器。
所使用的催化剂优选地是具有NOx、NH3、O2、烃类、H2S或SOx的储存功能的那些催化剂。
壁流式过滤器优选地具有外壳，在该外壳中插入了具有催化剂的过滤器部件。此类外壳通常由钢制成。在这种情况下，过滤器可容纳常规连接装置或其他装置，诸如用于减少振动或用于供应试剂的装置。
本发明还涉及用于生产根据本发明的壁流式过滤器的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供壁流式过滤器，该壁流式过滤器具有在交替端部处闭合的平行废气入口通道和废气出口通道，并且具有在一端处闭合的附加催化剂通道，
(b)提供催化剂，
(c)将催化剂引入到催化剂通道中，并且
(d)在后端处闭合催化剂通道。
在步骤(a)中，提供壁流式过滤器，其中尚未用固体形式的催化剂填充催化剂通道。壁流式过滤器可带涂层，其中催化剂通道也可带涂层。在步骤(b)中，提供用于填充催化剂通道的催化剂。在这种情况下，优选的是，以固体形式提供催化剂并将其引入到催化剂通道中。以合适的结持性提供催化剂以便实现催化剂通道的均匀且完整的填充。这可例如使用自由流动的粉状催化剂进行，该催化剂可通过减压吸入。还可以以悬浮液或溶液的形式提供催化剂，其中在已填充通道之后去除液体组分。在已将期望量的催化剂引入到催化剂通道中之后，也在相对端处闭合这些催化剂通道。然后在两端处闭合催化剂通道，并且催化剂不能再从过滤器逃逸。任选地，随后是清洁过滤器的清洁步骤(e)，其中从废气入口通道和废气出口通道去除特别不期望的催化剂残余物。任选地，进行后处理步骤(f)，其中对催化剂进行后处理，例如烧结或干燥。
本发明还涉及根据本发明的壁流式过滤器用于净化来自燃烧过程、特别是来自发动机(诸如柴油发动机或汽油发动机)的废气的用途。其特别用作烟灰颗粒过滤器，其中优选地耗尽废气的至少一种气态组分。该应用特别适合机动车辆。
根据本发明的壁流式过滤器可与现有技术中常用的另外装置组合以便确保或改善废气净化。因此，可组合另外的过滤器或催化剂装置，或可连接用于混合试剂(诸如HC、NH3或尿素溶液)的装置。
下文将在图1至图3的基础上以举例方式示意性地解释根据本发明的壁流式过滤器的设计。
图1采用横截面以举例方式示意性地示出了具有催化剂通道(深色)、废气入口通道(交叉影线)和废气出口通道(浅色)的根据本发明的壁流式过滤器。
图2以举例方式示意性地示出了具有六边形入口通道(交叉影线)和出口通道(浅色)及三角形催化剂通道(深色)的根据本发明的壁流式过滤器。
图3以举例方式示意性地示出了具有矩形催化剂通道(深色)、废气入口通道(交叉影线)和废气出口通道(浅色)的根据本发明的壁流式过滤器。
图1采用横截面示出了根据本发明的壁流式过滤器1。催化剂通道2、废气入口通道3和废气出口通道4具有相等尺寸的正方形横截面。这些通道彼此通过公共多孔壁5隔开。每个入口通道3和出口通道4经由公共壁连接到四个催化剂通道2。因此，几乎所有废气都只有首先穿过催化剂通道才能到达出口通道。入口通道和出口通道仅在这些正方形的拐角处存在微小直接接触。然而，如果壁流式过滤器具有足够薄的壁，则从废气入口通道经由拐角进入废气出口通道的气体量可忽略不计。还可使用催化涂层实现附加催化效应。具有相等尺寸的正方形通道的根据图1的实施方案是有利的，因为过滤器的生产相对容易并且由于结构元件的均匀分布而使机械稳定性相对较高。由于催化剂通道相对较大，在该实施方案中可能优选的是，通过混合惰性载体材料来调节催化活性。
图2示出了具有六边形入口通道3和六边形出口通道4的壁流式过滤器1。催化剂通道2a和2b呈三角形并且可具有不同尺寸。每个六边形入口通道和每个六边形出口通道仅经由六个侧壁连接到催化剂通道。这确保废气从入口通道穿过催化剂通道流动到出口通道中。
图3示出了具有矩形通道的根据本发明的壁流式过滤器1。仅以举例方式示出了正方形入口通道3和更大的正方形出口通道4。入口通道3和出口通道4仅经由公共壁5连接到矩形、细长催化剂通道2。此类实施方案的优点是催化剂通道更小并且可节省催化剂材料或以节省空间且节省体积的方式使用催化剂材料。另选地，替代实施方案是可能的，例如具有更大的正方形入口通道和更小的正方形出口通道。
根据本发明的壁流式过滤器、方法和用途实现了上述目的。根据本发明，提供了具有高催化活性的简单、改进的壁流式过滤器。这些过滤器具有良好过滤特性和高机械稳定性，从而实现紧凑设计中的高气流。根据本发明，还提供了用于生产壁流式过滤器的简化方法，其中使相对较大量地使用不同催化剂成为可能。可按照需求几乎不费力地使用、改变或组合各种催化剂材料而不会影响孔隙度。

Claims (12)

1.壁流式过滤器(1)，所述壁流式过滤器用于净化来自发动机的废气，包括在交替端部处闭合的平行废气入口通道(3)和废气出口通道(4)，其中所述过滤器另外包括催化剂通道(2)，所述催化剂通道在两端处闭合且包含固体形式的催化剂，其特征在于所述入口通道(3)和所述催化剂通道(2)具有公共壁，并且其中所述出口通道(4)和所述催化剂通道(2)具有公共壁(5)。
2.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述催化剂通道(2)设置在所述入口通道(3)与所述出口通道(4)之间，使得所述废气从所述入口通道(3)穿过所述催化剂通道(2)流动到所述出口通道(4)中。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述入口通道(3)和所述出口通道(4)没有公共壁(5)。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述入口通道(3)和/或所述出口通道(4)的横截面区域大于所述催化剂通道(2)的横截面区域。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述通道的所述多孔壁具有<20μm的平均孔径。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述催化剂以颗粒形式包含在所述催化剂通道(2)中。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述壁(5)另外涂布有催化剂。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的过滤器，其中所述催化剂通道(2)具有三角形或矩形横截面。
9.根据权利要求1至8中至少一项所述的过滤器，其中所述入口通道(3)和所述出口通道(4)分别具有六边形横截面，并且所述催化剂通道(2)具有三角形横截面。
10.根据权利要求1至8中至少一项所述的过滤器，其中所述入口通道(3)、所述出口通道(4)和所述催化剂通道(2)分别具有矩形横截面。
11.用于生产根据前述权利要求中至少一项所述的壁流式过滤器的方法，包括以下步骤：
(a)提供壁流式过滤器，所述壁流式过滤器具有在交替端部处闭合的平行废气入口通道(3)和废气出口通道(4)，并且具有在一端处闭合的附加催化剂通道(2)，
(b)提供所述催化剂，
(c)将所述催化剂引入到所述催化剂通道(2)中，并且
(d)在后端处闭合所述催化剂通道(2)。
12.根据权利要求1至10中至少一项所述的壁流式过滤器用于净化来自发动机、特别是来自柴油发动机的废气的用途。
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