結(jié)構(gòu)性催化劑本體的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請日為2011年8月9日的題為"催化劑組合物及其應(yīng)用"的中國專利 申請No. 201180048920. 5的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請數(shù)據(jù)
[0003] 本申請?jiān)诖艘笥?010年8月9日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/371,971 和于2010年8月9日提交的美國臨時(shí)專利申請序列號61/371,948的優(yōu)先權(quán)，將其每一個(gè) 的全部內(nèi)容通過引用并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及催化劑組合物并且，具體地，涉及在工業(yè)或商業(yè)應(yīng)用中使用的催化劑 結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0005] 氮氧化物在形成酸雨、對流層臭氧和其他環(huán)境危害中的作用導(dǎo)致實(shí)施嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)來 限制這些化學(xué)物質(zhì)的排放。為了符合這些標(biāo)準(zhǔn)，一般需要除去存在于來自固定或移動燃燒 源的排出氣體中的這些氧化物的至少一部分。
[0006] 脫硝或選擇性催化還原（SCR)技術(shù)通常應(yīng)用于燃燒得到的煙道氣體用于除去氮 氧化物。脫硝反應(yīng)包含氣體中的氮氧化物物質(zhì)（如一氧化氮（NO)或二氧化氮（NO 2))與含 氮還原劑（如氨或尿素）進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果產(chǎn)生雙原子氮（N2)和水。
[0007] 除了氮氧化物，二氧化硫（SO2)是經(jīng)常存在于燃燒煙道氣體中的化學(xué)物質(zhì)，其導(dǎo)致 環(huán)境問題。存在于化石燃料燃燒煙道氣中的二氧化硫被部分地氧化成三氧化硫（SO 3)，其與 水反應(yīng)形成硫酸。由燃燒煙道氣中的二氧化硫的氧化形成硫酸可能增加下游設(shè)備中的腐蝕 問題，由于需要增加溫度以保持含酸煙道氣高于其露點(diǎn)，可能增加與空氣預(yù)熱器相關(guān)的電 力成本，并可能導(dǎo)致在排放到大氣的煙道氣體（Stack gas)中不透明度增加。
[0008] 用于除去氮氧化物的催化劑系統(tǒng)可以增加二氧化硫氧化的量，因?yàn)樵谶x擇性催化 還原中使用的催化材料可以另外地完成二氧化硫的氧化。其結(jié)果是，燃燒煙道氣的氮氧化 物含量的減少可能具有在燃燒煙道氣中增加 SO3形成的不希望的副作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 一方面，本文描述了催化劑本體，在一些實(shí)施方式中，它們顯示催化材料的不均勻 分布（heterogeneous distribution)。在一些實(shí)施方式中，對于煙道氣體流中的氮氧化物 的選擇性催化還原，本文所描述的催化劑本體是可操作的。在一些實(shí)施方式中，本文所描述 的結(jié)構(gòu)性催化劑本體可以在從煙道氣流中去除氮氧化物的過程中減少30 2的氧化。
[0010] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體（body)包含含有第一表面 和與第一表面相對的第二表面的至少一個(gè)內(nèi)隔壁，所述內(nèi)隔壁具有沿著第一表面寬度的第 一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，在第一表面寬度的周圍第一催化材料的量的梯度 減少。在一些實(shí)施方式中，沿著第一表面寬度的中心區(qū)域第一催化的材料的量的梯度增加。 在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第一表面寬度的第一催化材料的梯度具有圍繞曲線中點(diǎn) 對稱或基本上對稱的曲線。
[0011] 在一些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著第二表面寬度的第一催化材料 的梯度。在一些實(shí)施方式中，在第二表面寬度的周圍第一催化材料的量的梯度減少。在一 些實(shí)施方式中，沿著第二表面寬度的中心區(qū)域第一催化材料的量的梯度增加。在一些實(shí)施 方式中，沿著第二表面寬度的第一催化材料的梯度曲線與沿著第一表面寬度的第一催化材 料的梯度曲線是對稱的或基本上對稱的。
[0012] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著內(nèi)隔壁的第一表 面長度的第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第一表面長度的第一催 化材料的梯度包含了與在內(nèi)隔壁的第二末端處的第一催化材料的量相比，在內(nèi)隔壁的第一 末端處的第一催化材料的更大的量，所述第二末端與第一末端相對。
[0013] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著內(nèi)隔壁的第二表 面長度的第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第二表面長度的第一催 化材料的梯度包含與在內(nèi)隔壁的第二末端處的第一催化材料的量相比，在內(nèi)隔壁的第一末 端處的第一催化材料的更大的量，所述第二末端與第一末端相對。在一些實(shí)施方式中，沿著 內(nèi)隔壁的第二表面長度的第一催化材料的梯度曲線與沿著內(nèi)隔壁的第一表面長度的第一 催化材料的梯度曲線是對稱的或基本上對稱的。
[0014] 在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁的第一末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流入口 偵牝而第二末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流出口側(cè)。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁的第 一末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流出口側(cè)，并且第二末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體 的流體流入口。
[0015] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁寬 度的體相（bulk)第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，在內(nèi)隔壁寬度的周圍體相第一 催化材料的濃度梯度降低。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁寬度的中心區(qū)域的體相第一催 化材料的濃度升高。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁寬度的體相第一催化材料的梯度具有 圍繞曲線中點(diǎn)對稱的或基本上對稱的曲線。
[0016] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁長 度的體相第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁長度的體相第一催化材料 的梯度包含了與在內(nèi)隔壁的第二末端處的體相第一催化材料的濃度相比，在內(nèi)隔壁的第一 末端處的體相第一催化材料的更高濃度，所述第二末端與第一末端相對。如本文所描述的， 在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁的第一末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流入口側(cè)，而第二 末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流出口側(cè)。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁的第一末端對 應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流出口側(cè)，而第二末端對應(yīng)于結(jié)構(gòu)性催化劑本體的流體流入
[0017] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體，還包含含有針對內(nèi)隔壁本 文所描述的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度的至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁。在一些實(shí)施方式 中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁包含第一表面和第二表面和沿著第一表面寬度的第一催化材料 的梯度。在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁還包含沿著第二表面寬度的第一催化 材料的梯度。
[0018] 此外，在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁包含沿著另外的內(nèi)隔壁寬度的 體相第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁包含沿著內(nèi)隔壁長 度的體相第一催化材料的梯度。
[0019] 在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁包含沿著第一表面和/或第二表面長 度的第一催化材料的梯度。
[0020] 在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁包含多個(gè)另外的內(nèi)隔壁使得結(jié)構(gòu)性催 化劑本體的超過約50 %的內(nèi)隔壁包含本文所描述的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。在一 些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)性催化劑本體的超過約70%或超過約90%的內(nèi)隔壁包含本文所描述 的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。在一些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)性催化劑本體的超過約95% 的內(nèi)隔壁包含本文所描述的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。
[0021] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體的內(nèi)隔壁交叉從而形成一個(gè) 或多個(gè)中心柱。在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含在中心柱和連接 到該中心柱上的至少一個(gè)內(nèi)隔壁之間的體相第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，例 如，與中心柱相比較，至少一個(gè)內(nèi)隔壁包含體相第一催化材料的更高濃度。在一些實(shí)施方式 中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含在中心柱和連接至該中心柱上的多個(gè)內(nèi)隔壁之間 的體相第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，與中心柱相比較，連接至該中心柱的每個(gè) 內(nèi)隔壁包含體相第一催化材料的更高濃度。
[0022] 在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁限定延伸通過結(jié)構(gòu)性催化劑本體的多個(gè)流動通路或流 動池。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)隔壁由外周壁或結(jié)構(gòu)至少部分地包圍。在一些實(shí)施方式中，外 周壁與一個(gè)或多個(gè)內(nèi)隔壁是連續(xù)的或整體的，如在一些蜂巢狀結(jié)構(gòu)性催化劑本體中。在一 些實(shí)施方式中，外周壁是封閉結(jié)構(gòu)的一部分，其中，將內(nèi)隔壁設(shè)置（如以板狀催化劑元件或 波紋狀催化劑元件的排列）在封閉結(jié)構(gòu)中。
[0023] 在其中外周壁包含體相第一催化材料一些實(shí)施方式中，與外周壁相比較，結(jié)構(gòu)性 催化劑本體的內(nèi)隔壁包含更多的體相第一催化材料。此外，在一些實(shí)施方式中，外周壁的內(nèi) 表面包含針對內(nèi)隔壁本文所描述的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。在一些實(shí)施方式中， 外周壁的外表面不顯示本文所描述的第一催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。在一些實(shí)施方式 中，與內(nèi)隔壁的外表面相比較，外周壁的內(nèi)表面包含第一催化材料的更大的量。
[0024] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 的第一表面寬度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁的第一 表面寬度的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第一表面寬度的第一催化材 料的梯度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0025] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 的第二表面寬度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第二表面寬度 的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第二表面寬度的第一催化材料的梯度 本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0026] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 的第一表面長度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第一表面長度 的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第一表面長度的第一催化材料的梯度 本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0027] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 的第二表面長度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁的第二表面長度 的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第二表面長度的第一催化材料的梯度 本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0028] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 寬度的體相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，體相第二催化材料的梯度可以具有 針對沿著內(nèi)隔壁寬度的體相第一催化材料的梯度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0029] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁 長度的體相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著內(nèi)隔壁長度的體相第二催化材 料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁長度的體相第一催化材料的梯度本文所陳述的任何性 質(zhì)。
[0030] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁的第一表面寬度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁的第一表面寬度的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第一表面寬度 的第一催化材料的梯度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0031] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁的第二表面寬度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁的第二表面寬度的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁的第二表面寬度 的第一催化材料的梯度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0032] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁寬度的體相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁 寬度的體相第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁寬度的體相第一催化材料的梯 度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0033] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁長度的體相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少一個(gè)另外的內(nèi)隔壁 長度的體相第二催化材料的梯度可以具有針對沿著內(nèi)隔壁長度的體相第一催化材料的梯 度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0034] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含沿著至少一個(gè)另外的 內(nèi)隔壁的第一和/或第二表面長度的第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，沿著至少 一個(gè)另外的內(nèi)隔壁的第一和/或第二表面長度的第二催化材料的梯度可以具有針對沿著 內(nèi)隔壁的第一和/或第二表面長度的第一催化材料的梯度本文所陳述的任何性質(zhì)。
[0035] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含在中心柱和連接至所述 中心柱的至少一個(gè)內(nèi)隔壁之間的體相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，例如，與中 心柱相比較，至少一個(gè)內(nèi)隔壁包含體相第二催化材料的更高濃度。在一些實(shí)施方式中，本文 所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含在中心柱和連接到所述中心柱上的多個(gè)內(nèi)隔壁之間的體 相第二催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，與中心柱相比較，連接到所述中心柱的每個(gè)內(nèi) 隔壁包含體相第二催化材料的更高濃度。
[0036] 此外，在一些實(shí)施方式中，外周壁還包含體相第二催化材料，其中與外周壁相比 較，結(jié)構(gòu)性催化劑本體的內(nèi)隔壁包含體相第二催化材料的更大的量。在一些實(shí)施方式中，外 周壁的內(nèi)表面還包含針對內(nèi)隔壁本文所描述的第二催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。
[0037] 在一些實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)性催化劑本體還包含至少一個(gè)另外的催化材料的梯度。 至少一個(gè)另外的催化材料的梯度可以包含針對第一催化材料或第二催化材料的梯度本文 所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體中的任何結(jié)構(gòu)和/或位置。
[0038] 在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體，包含原始的結(jié)構(gòu)性催化劑 本體。在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含使用過的或再生的結(jié)構(gòu)性 催化劑本體。在一些實(shí)施方式中，本文所描述的結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含蜂巢狀結(jié)構(gòu)性催化 劑本體、板狀催化劑本體或波紋狀催化劑本體。
[0039] 另一方面，本文描述了催化劑模塊，包含框架和布置在所述框架中的多個(gè)結(jié)構(gòu)性 催化劑本體，所述結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含如本文所描述的沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁的表面寬度 的第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，所述模塊的催化劑本體的催化活性是基本上 均勻的。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的催化活性改變小于 約20%。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的催化活性改變小 于10 %。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的催化活性改變小于 5%。在一些實(shí)施方式中，催化活性包含氮氧化物的選擇性催化還原、汞的氧化或氨的氧化 或它們的組合。
[0040] 在一些實(shí)施方式中，模塊的催化劑本體的二氧化硫氧化活性是基本上均勻的。在 一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的二氧化硫氧化活性改變小于 40%。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的二氧化硫氧化活性改 變小于20%。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，模塊的催化劑本體之間的二氧化硫氧化 活性改變小于10%。
[0041] 此外，在一些實(shí)施方式中，模塊的催化劑本體包含除了沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁的表 面寬度的第一催化材料的梯度之外本文所描述的一個(gè)或多個(gè)催化梯度。在一些實(shí)施方式 中，例如，模塊的催化劑本體還包含如本文所描述的沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁的寬度和/或長 度的體相第一催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，模塊的催化劑本體包含本文描述的第 二催化材料的一個(gè)或多個(gè)梯度。
[0042] 另一方面，本文描述了催化反應(yīng)器的至少一個(gè)催化劑層，所述催化劑層包含多個(gè) 結(jié)構(gòu)性催化劑本體，所述結(jié)構(gòu)性催化劑本體包含如本文所描述的沿著至少一個(gè)內(nèi)隔壁的表 面寬度的催化材料的梯度。在一些實(shí)施方式中，催化劑層的結(jié)構(gòu)性催化劑本體的催化活性 是基本上均勻的。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體之間的催化 活性變化小于約20%。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體之間的 催化活性變化小于約10 %。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體之 間的催化活性變化小于約5 %。在一些實(shí)施方式中，催化活性包含氮氧化物的選擇性催化還 原、汞的氧化或氨的氧化或它們的組合。
[0043] 在一些實(shí)施方式中，催化劑層的催化劑本體的二氧化硫氧化活性是基本上均勻 的。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體之間的二氧化硫氧化活性 變化小于40%。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體之間的二氧化 硫氧化活性變化小于20 %。在一些實(shí)施方式中，由于基本上均勻，催化劑層的催化劑本體