專利名稱：用于柴油機(jī)煙炱過濾的分隔的催化金屬絲過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柴油機(jī)廢氣處理，更特別涉及使用催化過濾器從柴油機(jī)廢 氣中過濾賴t粒。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)廢氣是多相混合物，不僅含有氣體排放物，例如一氧化碳("CO")、未燃烴("HC")和氮的氧化物("NOx")，還含有構(gòu)成 所謂微?；蝾w粒物("PM")的凝相材料(液體和固體)?？傤w粒物("TPM") 排放由三種主要組分構(gòu)成。 一種組分是固態(tài)、干燥的、固體含碳餾分或煙 炱。這種干燥的含碳物質(zhì)引起常與柴油機(jī)廢氣聯(lián)系在一起的可見煙炱排放。 TPM的第二組分是可溶有機(jī)部分("SOF")?？扇苡袡C(jī)部分有時(shí)被稱作 揮發(fā)性有機(jī)部分("VOF，，)，在本文中使用該術(shù)語。根據(jù)柴油機(jī)廢氣的 溫度，VOF可能在柴油機(jī)廢氣中以蒸氣形式或氣溶膠(液體冷凝物的細(xì)滴) 形式存在，并通常如標(biāo)準(zhǔn)測量試驗(yàn)(例如U. S. Heavy Duty Transient Federal Test Procedure)所規(guī)定，在52'C的標(biāo)準(zhǔn)微粒收集溫度下在稀釋廢 氣中作為冷凝液體存在。這些液體來自兩個(gè)來源(l)活塞每次來回運(yùn)動(dòng) 時(shí)從發(fā)動(dòng)才幾汽缸壁上掃除的潤滑油；和(2)未燃或部分燃燒的柴油燃料。 微粒的第三組分是所謂的硫酸鹽部分。柴油燃料含有疏，在美國供應(yīng) 的甚至低」琉燃料也可能含有0.005%硫。燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)，幾乎所有 硫都被氧化成二氧化硫，其在氣相中與廢氣一起離開。但是，少部分硫， 大約2-5%,被進(jìn)一步氧化成S03，其又迅速與廢氣中的水結(jié)合形成硫酸， 硫酸作為凝相與作為氣溶膠的微粒一起聚集，或被吸附到其它微粒組分上， 由此增加TPM的量。來自柴油機(jī)的排放物近年來受到越來越多的審視，且標(biāo)準(zhǔn)、尤其是對微粒排放物的標(biāo)準(zhǔn)變得更為嚴(yán)格。在1994年，美國對于新發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒排 放標(biāo)準(zhǔn)允許每制動(dòng)馬力小時(shí)總共不超過0.1克(g/BHP-h)。對于在擁擠的 市區(qū)運(yùn)行的公共汽車中的柴油機(jī)，微粒排放標(biāo)準(zhǔn)甚至更嚴(yán)格，為0.07 g/BHP-h TPM。這些標(biāo)準(zhǔn)均被視為與自1991年起生效的0.25 g/BHP-h的 先前微粒排放標(biāo)準(zhǔn)相比顯著降低。從1994年開始，首次發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā) 展本身不能滿足新的標(biāo)準(zhǔn)，對于某些發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)，例如，如下進(jìn)一 步論述的柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)單元是必要的。由于下個(gè)十年要不斷立法確定更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，如何最好地 降低柴油機(jī)廢氣中排放到大氣中的顆粒物含量的問題目前相當(dāng)受關(guān)注。在 這方面，需要開發(fā)出有效且實(shí)用的裝置，用于在使廢氣逸出到大氣中之前 從柴油機(jī)廢氣系統(tǒng)的廢氣中除去大部分微粒。在本領(lǐng)域中，已知為柴油機(jī)提供廢氣過濾器，該過濾器在柴油機(jī)運(yùn)行 過程中從廢氣流中捕集微粒。過濾器通常由多孔固體材料制成，這種材料 含有許多延伸穿過其中并具有小的截面尺寸的孔，因此該過濾器可讓流過 該過濾器的廢氣透過，并能夠阻止大部分或全部微粒隨該氣體穿過過濾器。 受阻的微粒通常由煙炱粒子形式的含碳微粒構(gòu)成，在本文和說明書中所述 的"微粒"是指這種由柴油機(jī)生成的粒子。隨著收集的微粒量增多，廢氣 穿過過濾器的流速通常受阻，因而過濾器內(nèi)的背壓升高，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的效 率降低。在本領(lǐng)域中，希望通過煙炱粒子被捕集在過濾器中時(shí)的連續(xù)燒除或焚 化來更簡單地使微粒過濾器再生。但是，經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，在普通柴油機(jī)運(yùn) 行中，廢氣系統(tǒng)中的溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和速度的不同條件下顯著變化，且 過濾器中的溫度幾乎達(dá)不到焚化被捕集的微粒所需的510。C溫度水平。為了順應(yīng)在美國和歐洲均越來越嚴(yán)格的降低以路運(yùn)柴油機(jī)和工程柴油 機(jī)為動(dòng)力的車輛的固體排放物含量的法律，已經(jīng)開發(fā)出了廢氣后處理，例 如各種濾煙介質(zhì)。壁行型陶瓷蜂窩過濾器是工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)有系統(tǒng)中最廣泛 使用的過濾技術(shù)。壁行過濾器解決了過濾的要求，但仍然具有實(shí)現(xiàn)可靠和可重復(fù)的過濾器清洗方法的殘余問題。這種殘余問題引起了廣泛的工程研 究和開發(fā)。壁行過濾元件特別可用于從柴油機(jī)廢氣中過濾顆粒物。許多參 考文獻(xiàn)公開了壁行過濾器的使用，其可以包含在過濾器上或在過濾器中的 催化劑以過濾和燒除濾過的顆粒物。常用的陶瓷壁行過濾器構(gòu)造是多通道 蜂窩結(jié)構(gòu)，該蜂窩結(jié)構(gòu)的上游和下游側(cè)上的交替通道的末端被堵塞。這在 任一側(cè)上產(chǎn)生了棋盤型圖案。上游或入口端被堵塞的通道在下游或出口端 是開放的。這使得氣體可進(jìn)入開放的上游通道，流經(jīng)多孔壁，并通過具有 開放下游端的通道離開。氣壓驅(qū)使氣體透過多孔結(jié)構(gòu)壁進(jìn)入在上游端封閉 和在下游端開放的通道。這種結(jié)構(gòu)主要是打開的，以從廢氣流中過濾粒子。 理想的是從壁行過濾器的上游側(cè)除去顆粒物。 一種方法是在壁上提供 催化劑層，以在過濾器運(yùn)行過程中催化顆粒物的引燃。許多美國專利都公 開了這類壁行結(jié)構(gòu)。在3M Ceramic Materials Departments出版，1994年1月印刷并經(jīng)此 引用并入本文的"3M Diesel Filters for Particulate Emission Control, Designers Guide"中提出了用于柴油機(jī)廢氣的特別可用的微粒排放控制過 濾器。其中描述了一種陶資過濾器，其包含,皮規(guī)定具有62%A1203、 24% Si02和14。/。B203的陶瓷纖維。過濾器規(guī)格包括纖維直徑為10-12微米、且 纖維密度為2.7克/立方厘米的白色連續(xù)纖維。纖維的機(jī)械性能包括1.72 GPA的長絲拉伸強(qiáng)度、138GPA的長絲彈性拉伸模量、和1.2%的伸長率。 規(guī)定的熱性能是1204'C的連續(xù)使用溫度、137rC的短期使用溫度、在1093 'C下1.25%的線性收縮、1800'C的熔點(diǎn)、3.0xl(T6 AL/L'C的熱膨脹系數(shù) (25國500。C)和1046.7J/Kg。 K的比熱。纖維由3M Ceramic Materials Department以商品名NEXTELTM FIBER出售。上述規(guī)定性能是針對 NEXTELTM 312 CERAMIC FIBER的。NEXTELTM纖維用于制造柴油機(jī)過濾器。典型的3M柴油機(jī)過濾筒具 有圓柱形載體和連續(xù)陶瓷纖維，陶瓷纖維在該載體上織成金剛石花紋，從 而形成陶瓷纖維繞組，參見U.S. 5,551,971,

圖1。圓柱形載體是含有開孔 的電阻加熱元件。開孔面積可用于控制沿該載體的熱輸入。當(dāng)需要較少的熱時(shí)，載體可以在給定位置具有較大的開孔或較多的開孔。可以改變開孔 的分布，其中多數(shù)開放區(qū)域朝向該載體的中心。圓柱形載體具有開放末端 和封閉末端。過濾器可用于從柴油機(jī)廢氣中過濾顆粒物。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過 程中，載有顆粒物的氣體可以經(jīng)由圓柱形載體的開放區(qū)域流經(jīng)陶資纖維繞 組的外周表面，并經(jīng)由開放末端離開?；蛘?，且優(yōu)選地，過濾筒可以反過 來運(yùn)行。載有粒子的氣體可以被送入開放末端，經(jīng)過圓柱形載體的開放區(qū) 域，然后經(jīng)過陶瓷纖維繞組，從而將其粒子沉積在陶瓷纖維繞組中。在加熱以使過濾器再生的過程中，將載氧氣體(優(yōu)選空氣)送入開放 末端。輸入電能，將充當(dāng)加熱元件或加熱器的圓柱形載體加熱。圓柱形加 熱元件將陶瓷纖維繞組加熱至足以氧化其上捕集的顆粒物的溫度。在柴油機(jī)廢氣系統(tǒng)中使用過濾筒。通常，多個(gè)過濾器組裝在濾罐內(nèi)。 組裝在濾罐內(nèi)的過濾筒的數(shù)依據(jù)廢氣流速和預(yù)期再生時(shí)間間隔確定。盡管在本領(lǐng)域中已知多種濾煙器，但在這種過濾器的再生方面、以及 在這種過濾器的制造筒易性、改裝和更換方面始終需要改進(jìn)。即使煙炱的 積累超過過濾介質(zhì)的煙炱燃燒速率，也要使氣體流過過濾器，從而在能夠 進(jìn)行清潔之前使車輛保持運(yùn)行，在這方面需要進(jìn)一步的改進(jìn)。發(fā)明概要提供了包含多個(gè)平行通道的柴油機(jī)濾煙器，這些通道由金屬網(wǎng)構(gòu)成， 以在柴油機(jī)廢氣穿過通道時(shí)捕集煙炱粒子?？梢栽诶鐬V罐中排列過濾通 道，使得在過濾通道之間形成較小的旁路氣體通道。該旁路通道可以使廢 氣在主過濾通道中的煙炱積累超過積累煙炱的燃燒速率時(shí)從中通過。減少 的流過旁路通道的氣流降低了背壓，并使車輛保持運(yùn)行直至實(shí)現(xiàn)過濾器的 有利的再生。絲網(wǎng)可以從通道中取出，并更換成新的金屬網(wǎng)，和/或如果需 要，含金屬網(wǎng)的通道也可以取出并更換，以恢復(fù)煙炱去除。附圖簡述圖l是容納本發(fā)明濾煙器通道的濾罐的縱向截面圖，沿圖2的線段1-1截取。圖2是本發(fā)明濾罐和濾煙器的橫向截面圖，沿圖1的線段2-2截取。 圖3是本發(fā)明濾煙器通道的透視圖。圖4是可用于將濾煙器通道固定就位的端板之一的平面圖。 發(fā)明詳述在圖1中，顯示出本發(fā)明的過濾元件被安裝為柴油機(jī)微粒阱IO，其具 有由矩形管形外殼12構(gòu)成的濾罐、錐形廢氣入口 14、和錐形廢氣出口 16。 這樣安裝時(shí)，多個(gè)中空通道18在過濾元件的軸向或縱向上延伸，這也是廢 氣流經(jīng)柴油機(jī)微粒阱的主要方向。過濾元件的金屬套管20已經(jīng)通過膨脹墊 24密封到外殼12上，該膨脹墊24在承受柴油機(jī)微粒阱初次使用的熱時(shí)膨 脹。應(yīng)該選擇能夠承受使用時(shí)遇到的溫度、尤其是過濾元件再生時(shí)的溫度 的任何這類墊子。 一種特別可用的膨脹墊是由可熱膨脹的蛭石墊提供的。構(gòu)成各個(gè)通道18的通道壁是圓形、正方形、梯形、矩形等的不透金屬 板，圖1和2中作為圓形通道18顯示的設(shè)計(jì)具有圓形截面并在各個(gè)末端 19和21具有開孔。無論形狀如何，通道18的內(nèi)徑為至少0.5英寸，優(yōu)選 至少大約1.0英寸寬。在外殼12的封閉區(qū)域26內(nèi)放置多個(gè)通道18。端板 23和25位于區(qū)域26的相對末端上，并焊接或以其它方式與金屬套管20 連接，支撐著通道18的相對末端。端板23和25可以包括開孔，這些開孔 支撐著通道18的末端。通道18可以永久固定到端板23和25上，或臨時(shí) 裝配以使這類通道可以因磨損而被更換。例如，通道18的外徑或周長使其 可以受壓安裝在端板23和25的開孔32內(nèi)，參見圖4，或可以其它方式可 拆卸地與其連接，例如通過螺栓、螺絲，等等，從而在使用過程中保持就位。在磨損后，可以將18從端板23和25中的各開孔32中取出，并從封 閉區(qū)域26內(nèi)滑出以維^"和/或更換。在各個(gè)通道18內(nèi)部放置金屬網(wǎng)過濾元件28，其能夠捕集柴油機(jī)廢氣 中所含的煙炱粒子。該金屬網(wǎng)可以具有各種形狀和構(gòu)造，只要該網(wǎng)過濾元 件28可使氣體流過但對煙炱粒子構(gòu)成阻擋即可。可以使用紡織金屬網(wǎng)(例如鋼棉類型)、無紡絲網(wǎng)(其中各金屬絲與其它金屬絲點(diǎn)焊或以類似方式 連接在一起，形成單一網(wǎng)單元)、編織絲網(wǎng)(其中多個(gè)絲束扭絞在一起，形成能夠從通過的氣流中去除煙炱的網(wǎng))。金屬網(wǎng)過濾元件28優(yōu)選作為單 一物體放置在各個(gè)通道18內(nèi)部，以基本完全填滿通道內(nèi)部。如果更方便， 可以使用超過一個(gè)的金屬網(wǎng)填充通道內(nèi)部。金屬網(wǎng)過濾元件28可以容易地 從各個(gè)通道18內(nèi)取出，從而容易地?fù)Q成修過的、再生的或新的網(wǎng)元件，以 保持最佳過濾能力。金屬網(wǎng)過濾元件28可以受壓安裝到各個(gè)通道內(nèi)部，以 在操作過程中保持就位。或者，或除了受壓安裝外，通道18的各個(gè)開放末 端19和21可以含有一個(gè)或多個(gè)十字構(gòu)件或網(wǎng)(未顯示)，以4吏金屬網(wǎng)過 濾元件28在通道18內(nèi)部保持就位。在柴油機(jī)濾煙器領(lǐng)域中，已知燒除來自過濾器的煙炱粒子，以使過濾 器再生并改提高其從廢氣中過濾煙炱粒子的能力。遺憾的是，柴油機(jī)產(chǎn)生 的并施加到廢氣上的溫度不夠高，不足以引燃煙炱粒子。因此，將氧化催 化劑加到過濾元件上，從而降低煙炱粒子的引燃溫度并可使粒子燃燒，并 可使過濾元件在過濾和再生之間在連續(xù)或交替方法中再生。根據(jù)本發(fā)明， 本發(fā)明的金屬網(wǎng)元件28可以涂有本領(lǐng)域公知的氧化催化劑，以引燃捕集在 過濾元件內(nèi)的來自柴油機(jī)廢氣的煙炱粒子。催化劑的類型和將催化劑施用 到金屬網(wǎng)過濾元件28上的方法將在下面更充分地解釋。除了涂布絲網(wǎng)過濾 元件28外，還可以用氧化催化劑涂布通道18內(nèi)部，以引燃附著到內(nèi)壁上 的任何煙炱粒子和/或引發(fā)廢氣本身內(nèi)的氣態(tài)污染物(例如CO、HC和NOx) 的氧化。金屬網(wǎng)過濾元件28上的催化劑可以與涂布在通道18內(nèi)壁上的催 化劑相同或不同。此外，在開孔19和21內(nèi)提供的用于將過濾元件28在通 道18內(nèi)保持就位的任何金屬絲元件，例如任何網(wǎng)或類似物，也可以帶有催 化涂層。再進(jìn)一步，可以在通道18外部的至少一部分上提供氧化催化劑， 特別是與空隙30接觸的那些通道區(qū)域，其中空隙30是當(dāng)通道在外殼12 的封閉區(qū)域26內(nèi)堆積時(shí)在通道18之間形成的。由此可以處理穿過空隙30 的廢氣，以引發(fā)廢氣污染物的氧化。本發(fā)明的過濾器10置于柴油機(jī)的廢氣流中。根據(jù)應(yīng)用，可以在過濾器10前部放置或不放置柴油機(jī)氧化催化劑(DOC)。來自柴油機(jī)的含有HC、 CO、 NOx和顆粒物的廢氣通過過濾器lO，并特別通過通道18。由于煙炱 粒子撞在催化絲網(wǎng)元件28上，煙炱粒子被收集并在合適的廢氣再生條件下 燃燒。如果情況是過濾元件28上的煙炱累積速率超過煙炱粒子的燃燒速 率，那么來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流就被驅(qū)使轉(zhuǎn)而通過外殼12內(nèi)的堆積通道18 之間的空隙30。最初確定空隙30的尺寸以使在多數(shù)柴油機(jī)運(yùn)行條件下只 允許通過少量氣流，因?yàn)榭障?0內(nèi)的背壓高于穿過網(wǎng)過濾元件28的背壓。 通常，外殼12的封閉區(qū)域26內(nèi)的空隙體積小于封閉區(qū)域26體積的25 % 。 通過使用端板(例如圖4中的端板23)中的開口 34，可以控制或限制流過 所述空隙中的氣流。當(dāng)煙炱累積并開始堵塞金屬網(wǎng)過濾元件27的孔且背壓 升高時(shí)，空隙或旁路空隙30仍能讓廢氣流過，并使得柴油機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行。 這樣，汽車不會由于廢氣流徑的完全受限而停止。絲網(wǎng)的密度(金屬絲直 徑和編為基質(zhì)的金屬絲的量)決定了背壓。金屬網(wǎng)可以由任何相對高溫的合金制成，包括多數(shù)不銹鋼、Fecralloy、 Hastalloy等。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，在沉積催化劑組合物之前預(yù)處理金屬網(wǎng)， 以改進(jìn)組合物在基底上的粘著性?；椎念A(yù)處理可以如下進(jìn)行在施用催 化劑漿液之前，通過已知的熱噴涂技術(shù)在基底上施用金屬錨固層。這些技 術(shù)包括等離子噴涂、單絲噴涂、高速含氧燃料噴涂、燃燒絲和/或粉末噴涂、 電弧噴涂等等。優(yōu)選地，通過電弧噴涂施用金屬錨固層。將金屬(本文所用的該術(shù)語包括金屬混合物，包括但不限于金屬合金、 偽合金和其它金屬間組合物)電弧噴涂(例如雙絲電弧噴涂)到金屬多孔 基底上，產(chǎn)生了在催化劑領(lǐng)域中可良好地用作催化材料的基底的結(jié)構(gòu)。雙 絲電弧噴涂(在本文中包含在術(shù)語"金屬絲電弧噴涂"和更廣義的術(shù)語"電 弧噴涂，，中)是已知方法，已在美國專利4,027,367中公開，此專利經(jīng)此引 用并入本文。簡要地說，在雙絲電弧噴涂法中，兩根原料絲充當(dāng)兩個(gè)可消 耗電極。這些金屬絲在被送入噴槍(類似于金屬絲噴焰槍)的噴嘴時(shí)彼此 隔離。金屬絲在噴嘴中產(chǎn)生的氣流中心會合。在金屬絲之間引發(fā)電弧，流經(jīng)金屬絲的電流使它們的末梢熔化。壓縮的霧化氣體(通常是空氣)通過 噴嘴并穿過電弧區(qū)域，從而剪切熔融的液滴以形成噴霧，噴霧被驅(qū)送到基 底上。在電弧噴涂系統(tǒng)中只能使用金屬絲原料，因?yàn)樵媳仨毷菍?dǎo)電的。 噴槍產(chǎn)生的高粒子溫度在金屬基底上的沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生微小的焊接區(qū)域。由 此，這種電弧噴涂層(在本文中有時(shí)稱作"錨固層，，)保持與基底的強(qiáng)粘 合力。在1999年4月29日提交的共同待審的美國專利申請09/301，626('626 申請)中，即現(xiàn)在的于2002年9月12日公開的美國公開2002/0128151中， 公開了用于在多孔基底上形成錨固層的金屬絲電弧噴涂操作參數(shù)，其公開 內(nèi)容完全經(jīng)此引用并入本文。通過使用(但不限于)下列金屬和金屬混合物的原料，可以在基底上 沉積具有各種組成的錨固層Ni、 Ni/Al、 Ni/Cr、 Ni/Cr/AI/Y、 Co/Cr、 Co/Cr/Al/Y、 Co/Ni/Cr/AI/Y、 Fe/Al、 Fe/Cr、 Fe/Cr/Al、 Fe/Cr/Al/Y、 Fe/Ni/Al、 Fe/Ni/Cr、 300和400系列不銹鋼、和任選地，其中一種或多種的混合物。 可根據(jù)4626申請用于通過金屬絲電弧噴涂法噴涂到基底上的金屬的一個(gè)具 體實(shí)例是鎳/鋁合金，其通常含有至少大約90重量％的鎳和大約3重量％ 至10重量％的鋁，優(yōu)選大約4重量％至6重量％鋁。這類合金可以含有次 要比例的其它金屬，在此被稱作"雜質(zhì)"，其總計(jì)不超過合金的大約2%。 優(yōu)選的特定原料合金包含大約95%鎳和5%鋁，并可以具有大約2642下的 熔點(diǎn)?？梢猿鲇诟鞣N目的在合金中加入一些這類雜質(zhì)，例如作為加工助劑 以有利于金屬絲電弧噴涂法或形成錨固層，或提供具有有利性質(zhì)的錨固層。將金屬電弧噴涂到金屬基底上，這樣產(chǎn)生的催化材料基底優(yōu)于具有通 過其它方法施用到其上的金屬錨固層的基底?？梢钥闯龃呋牧细酶街?到包含電弧噴涂的錨固層的基底上，好于沒有在其上施用中間層的基底， 甚至好于具有通過等離子噴涂而沉積在其上的金屬層的基底。如果在基底 和催化材料中間沒有中間層，那么金屬基底上的催化材料通常沒有足夠好 地附著到基底上以提供商業(yè)上可接受的產(chǎn)品。具有通過其它熱噴涂技術(shù)施 用的中間層的金屬基底通常具有相同的缺點(diǎn)。例如，具有等離子噴涂上的金屬中間層并具有施用到中間層上的催化材料的金屬基底不能留住催化材 料，其明顯由于中間層不再與基底粘合而在常規(guī)處理中剝落。已發(fā)現(xiàn)其它 基底上的催化材料在普通使用時(shí)散裂，明顯是由于經(jīng)受了高的氣體流速、 經(jīng)受熱循環(huán)、經(jīng)受高溫蒸汽和廢氣流的其它組分的侵蝕性接觸、振動(dòng)等等。 因此，通過電弧噴涂施用中間層，由于提高了中間層的耐久性而提高了包 含負(fù)載在多孔基底上的催化材料的催化劑的耐久性?？捎糜谛纬蛇^濾元件的本發(fā)明金屬網(wǎng)過濾元件(在本文中也稱作多孔 基底)包括能夠承受高流速、重量輕并具有低熱質(zhì)的那些金屬基底。本發(fā)明的作為過濾元件28的紡織、無紡和編織絲網(wǎng)適用于金屬錨固層的施用。 用于多孔基底上的合適催化材料可以如下制備將任何催化活性組分 的化合物和/或#物，例如一種或多種鉬族金屬化合物或絡(luò)合物，分敉到 相對惰性的疏松載體材料上。本文中的術(shù)語"化合物，，，如在"柏族金屬 化合物"中所用的，是指催化活性組分(或"催化組分")的任何鹽、絡(luò) 合物或類似物，其在煅燒或在使用催化劑時(shí)分解為或以其它方式轉(zhuǎn)化成催 化活性形式(通常但不一定是氧化物)。可以將一種或多種催化化合物的 化合物或絡(luò)合物溶解或懸浮在液體中，該液體能夠潤濕或浸漬載體材料， 不會不利地與催化材料的其它組分反應(yīng)，并能夠通過在加熱和/或在施加真 空時(shí)揮發(fā)或分解而從催化劑中除去。通常，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面看，可溶化 合物或絡(luò)合物的水溶液是優(yōu)選的。例如，合適的水溶性柏族金屬化合物是 氯鉑酸、胺增溶的氫氧化鉑、氯化銠、硝酸銠、氯化六胺合銠、硝酸把或 氯化鈀，等等。將含化合物的液體浸入催化劑的疏松載體粒子的孔，并將 浸過的材料干燥并優(yōu)選煅燒以除去液體，并使柏族金屬結(jié)合到載體材料上。 在一些情況下，液體(可能作為例如結(jié)晶水存在)可以直至催化劑投入使 用并承受高溫廢氣時(shí)才完全去除。在煅燒步驟中，或至少在催化劑使用的 初始階段中，這類化合物轉(zhuǎn)化成鉑族金屬或其化合物的催化活性形式?？?以采用類似的途徑將其它組分加入催化材料。任選地，可以省略惰性載體 材料，催化材料可以基本由通過常規(guī)方法直接沉積在噴涂過的多孔基底上 的催化組分構(gòu)成。在本發(fā)明中使用的優(yōu)選鉑族金屬組分包括鉑、鈀、銠、釕和銥組分。 鉑、鈀和銠組分特別優(yōu)選。當(dāng)沉積在多孔基底(例如金屬絲網(wǎng))上時(shí)，對于通用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用，這類組分通常以0.001至0.01克/平方英寸的濃度沉積。適用于催化組分的載體材料包括氧化鋁、二氧化硅、二氧化鈥、二氧 化硅-氧化鋁、硅鋁酸鹽、鋁-鋯氧化物、鋁-鉻氧化物，等等。這類材料優(yōu)選以它們的高表面積形式使用。例如，，氧化鋁優(yōu)于a-氧化鋁。已知通過 用穩(wěn)定劑浸漬該材料來使高表面積載體材料穩(wěn)定化。例如，通過用鈰化合 物溶液浸漬該材料、然后煅燒浸漬過的材料以除去溶劑并將鈰化合物轉(zhuǎn)化 成氧化鈰，可以使Y-氧化鋁對熱降解穩(wěn)定化。穩(wěn)定劑可以以載體材料的例 如大約5重量％的量存在。催化材料通常以孩史粒形式使用，其粒子直徑在 微米級范圍內(nèi)，例如10至20微米，這樣，它們可以形成漿液并涂布到基 底上。在柴油機(jī)廢氣用的過濾器上使用的典型催化材料包含分散在氧化鋁上 的鉑、4巴和銠，并進(jìn)一步包含釹、鍶、鑭、鋇和鋯的氧化物。在1996年 12月6日提交的美國專利申請系列號08/761,544中描述了一些合適的催化 劑，該申請^^開的內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。在其中所述的一個(gè)實(shí)施方案中， 催化材料包含第一難熔組分和至少一種第一鉑族組分，優(yōu)選第一鈀組分和 任選地，至少一種^fe以外的第一鉑族金屬組分，優(yōu)選與第一層中的柏族金 屬組分緊密接觸的儲氧組分。儲氧組分("OSC")有效吸收發(fā)動(dòng)機(jī)貧燃 料運(yùn)行過程中過量的氧，并在燃料的局部串聯(lián)產(chǎn)生富燃料環(huán)境(如在長時(shí) 間怠速狀態(tài)后催化劑的點(diǎn)火中表現(xiàn)的那樣)過程中釋放出氧。已知使用疏 松氧化鈰作為OSC，但也可以使用其它稀土氧化物。此外，如上所述，可 以使用共同形成的稀土氧化物-氧化鋯作為OSC。共同形成的稀土氧化物-氧化鋯可以通過任何合適的技術(shù)制造，例如共沉淀、共膠凝等。在Luccini， E., Mariani, S.和Sbaizero， O.的文章(1989) "Preparation of Zirconia Cerium Carbonate in Water With Urea" Int. J. of Materials and Product Technology,第4巻，第2期，第167-175頁中例示了一種制造共同形成 的氧化鈰-氧化鋯材料的合適技術(shù)，其公開的內(nèi)容經(jīng)此引用并入本文。如從該文章的第169頁開始公開的那樣，用硝酸銨作為緩沖劑控制pH值，以 促成ZrO2-10摩爾。/。CeCh最終產(chǎn)物的比例制備二氯氧化鋯和硝酸鈰的稀 釋(0.1M)蒸餾水溶液。將溶液在持續(xù)攪拌下沸騰2小時(shí)，并在任何階段 都不超過6.5的pH值下實(shí)現(xiàn)完全沉淀。
可以使用任何適合制備共同形成的稀土氧化物-氧化鋯的技術(shù)，條件是 所得產(chǎn)物含有基本分散在最終產(chǎn)品的整個(gè)氧化鋯基質(zhì)中的稀土氧化物，而 不僅分散在氧化鋯粒子表面上，或僅分散在表面層內(nèi)使得基本沒有稀土氧 化物分散在氧化鋯基質(zhì)的核心中。例如，共同沉淀的鋯和鈰(或一種其它 稀土金屬)鹽可以包括氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽，等等。共同沉 淀物可以在洗滌后噴霧干燥或凍干以除去水，然后在空氣中在大約500°C 煅燒，以形成共同形成的稀土氧化物-氧化鋯載體。上述申請系列號 08/761,544的催化材料還可以包括第一鋯組分、至少一種第一堿土金屬組 分、和至少一種選自由鑭金屬組分和釹金屬組分組成的組的第一稀土金屬 組分。催化金屬還可以含有至少 一種堿土金屬組分和至少 一種稀土組分和， 任選地，至少一種優(yōu)選選自由柏、銠、釕和銥組分組成的組的附加柏族金 屬組分，其中優(yōu)選的附加第一層鉑族金屬組分選自由輛、銠和它們的混合 物纟且成的纟且。
在本領(lǐng)域中已知多種用于在多孔基底上沉積催化材料的沉積方法。這
固層(如果施用的話)相互獨(dú)立的步驟。
在多孔基底上沉積催化材料的方法包括，例如，將催化材料置于液體 載體中以形成漿液，并通過將基底浸入該漿液、將該漿液噴到基底上等使 多孔基底被該漿液潤濕?；蛘?，可以將催化材料溶于溶劑，然后將溶劑潤 濕到多孔基底表面上，此后去除溶劑以在多孔基底上留下催化材料或其前 體。去除程序可以包括加熱潤濕的基底和/或?qū)櫇竦幕资┘诱婵找越?jīng)由 蒸發(fā)去除溶劑。
實(shí)施例1 制備以4:1的比率含有鉑和鈀的催化劑組合物首先將鉑和鉭化合物分散在高表面積y氧化鋁和5%鑭改性氧化鋁載 體上。在2104.5克y氧化鋁(97 %固體)和2041克5 %鑭穩(wěn)定化氧化鋁中， 加入用709克去離子水稀釋的含有133.9克Pt (16%胺穩(wěn)定化氬氧化柏的 形式)的水溶液，并混合。再混合20分鐘后，加入用700克去離子水稀釋 的含有33.5克Pd (19%硝酸鈀溶液的形式)的Pd溶液。將其再混合20 分鐘，以確保粉末與貴金屬溶液均勻接觸。使如上獲得的貴金屬載體混合物與6189克去離子水、433.9克90乙酸 和18克辛醇在介歉釜中接觸。將該混合物送入連續(xù)磨，并研磨至>90%的 材料具有小于5微米的粒徑。與另外120克乙酸一起添加Ce/Zr復(fù)合氧化 物，并將所得漿液進(jìn)一步研磨直至總粒度為卯％<1微米。在分散釜中，在 該漿液中加入583.3克乙酸氧鋯溶液并劇烈混合。漿液的最終pH值為 4.0-4.8。實(shí)施例2制備絲網(wǎng)多孔催化基底為了制備具有圖1中所示設(shè)計(jì)的制品，在不銹鋼棉網(wǎng)上金屬絲電弧噴 涂如上述'626申請的實(shí)施例1中所述的鎳-鋁化物合金。然后用上述(實(shí)施 例1)的涂布漿液涂布鋼棉網(wǎng)，涂層載量為0.05至0.1克/平方英寸。然后 將該網(wǎng)裝配到內(nèi)徑1.25英寸的圓柱形通道中。盡管已經(jīng)著重于優(yōu)選實(shí)施方案來描述本發(fā)明，但對本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員顯而易見的是，可以改變優(yōu)選裝置和方法，并且本發(fā)明可以以與本文明 確描述的不同的方式實(shí)施。相應(yīng)地，本發(fā)明包括落入下列權(quán)利要求所確定 的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)的所有修改。
權(quán)利要求
1.用于從柴油機(jī)廢氣中去除煙炱粒子的過濾器，包含封閉區(qū)域、位于所述封閉區(qū)域內(nèi)并且在與流經(jīng)過濾器的氣流相同的方向上縱向設(shè)置的多個(gè)通道，各個(gè)所述通道具有中空內(nèi)部并含有相對的開放末端，可根據(jù)需要而卸除的金屬網(wǎng)被放置在各個(gè)所述通道中并基本填滿所述中空內(nèi)部。
2. 權(quán)利要求l的過濾器，包括在所述多個(gè)通道之間的空隙，所述空隙 向所述廢氣開i文。
3. 權(quán)利要求2的過濾器，其中所述空隙的體積小于所述封閉區(qū)域體積 的25%。
4. 權(quán)利要求1的過濾器，其中所述金屬網(wǎng)是紡織金屬網(wǎng)或無紡金屬網(wǎng)。
5. 權(quán)利要求l的過濾器，其中包含在所述通道內(nèi)的所述金屬網(wǎng)是單一 物體。
6. 權(quán)利要求l的過濾器，其中所述通道是中空圓柱體。
7. 權(quán)利要求l的過濾器，其中所述金屬網(wǎng)涂有氧化催化劑。
8. 權(quán)利要求8的過濾器，其中所述氧化催化劑是鉑族金屬。
9. 權(quán)利要求8的過濾器，含有位于所述金屬網(wǎng)和所述催化劑之間的金 屬錨固涂層。
10.權(quán)利要求10的過濾器，其中所述錨固涂層是通過電弧噴涂法施用的。
11.
12. 權(quán)利要求2的過濾器，其中所述空隙由各個(gè)所述通道之間的多個(gè) 空隙限定。
13. 權(quán)利要求13的過濾器，其中所述通道由相對的上游和下游端板支 撐，所述端板含有多個(gè)開口以將廢氣導(dǎo)入所述多個(gè)空隙。
14. 從柴油機(jī)廢氣中去除煙炱的方法，包括引導(dǎo)所述廢氣通過柴油過 濾器，該過濾器包含封閉區(qū)域、位于所述封閉區(qū)域內(nèi)并且在與流經(jīng)過濾 器的氣流相同的方向上縱向設(shè)置的多個(gè)通道，各個(gè)所述通道具有中空內(nèi)部并含有相對的開放末端，可根據(jù)需要而卸除的金屬網(wǎng)被放置在各個(gè)所述通 道中并基本填滿所述中空內(nèi)部，由此將所述廢氣中所含的煙炱粒子捕集在 所述金屬網(wǎng)上。
全文摘要
用于從柴油機(jī)廢氣中去除煙炱粒子的過濾器(10)，包含多個(gè)中空通道(18)，所述中空通道中含有金屬網(wǎng)(28)。金屬網(wǎng)(28)可以涂有氧化催化劑，以促進(jìn)煙炱粒子的引燃和用于過濾煙炱粒子的金屬網(wǎng)(28)的再生。如果需要，金屬網(wǎng)(28)可以視情況從中空通道(18)中取出并更換成再生的或新的金屬網(wǎng)。
文檔編號F01N3/021GK101228340SQ200680026710
公開日2008年7月23日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月2日
發(fā)明者J·C·德特蘭, M·P·加利根 申請人:巴斯福催化劑公司