ＳＣＲ 필터를 이용하는 배기 처리 시스템 및 방법 document_id A220623041507

디젤 엔진 배기가스는 일산화탄소("CO"), 연소되지 않은 탄화수소("HC") 및 질소 산화물("NOx")과 같은 기체 상 배기 뿐만 아니라, 소위 미립자 또는 미립자 물질을 구성하는 응축된 상 물질(액체 및 고체)을 함유하는 불균질 혼합물이다. 종종, 촉매 조성물, 및 상기 조성물이 위에 배치되는 기질이 상기 배기가스 성분의 일부 또는 전부를 무해한 성분으로 변환시키기 위해 디젤 엔진 배기 시스템에 구비된다. 예를 들면, 디젤 배기 시스템은 1종 이상의 디젤 산화 촉매, 매연 필터 및 NOx의 환원을 위한 촉매를 함유할 수 있다. 백금 족 금속, 기재 금속 및 이들의 조합을 함유하는 산화 촉매가 HC 및 CO 기체상 오염물의 양자 및 일부의 미립자 물질을, 상기 오염물의 산화를 통해 이산화탄소와 물로의 변환을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 그러한 촉매는 일반적으로, 배기가스가 대기로 방출되기 전에 디젤 엔진의 배기가스에 위치하는 디젤 산화 촉매(DOC's)라 불리는 단위 내에 포함되어 왔다. 기체상 HC, CO 및 미립자 물질의 변환 뿐만 아니라, 백금 족 금속을 함유하는 산화 촉매(전형적으로 내화성 산화물 지지체 상에 분산되어 있는)가 일산화 질소(NO)의 NO2로의 산화를 또한 촉진한다. 디젤 배기가스의 총 미립자 물질 배기는 3 가지 주성분으로 이루어진다. 하나의 성분은 고형이고 건조한, 고형의 탄소질 분획 또는 매연 분획이다. 상기 건조한 탄소질 물질은 디젤 배기가스와 일반적으로 관련되는 눈에 보이는 매연 배기의 원인이 된다. 상기 미립자 물질의 두 번째 성분은 용해성 유기 분획("SOF")이다. 상기 용해성 유기 분획은 때로 휘발성 유기 분획("VOF")이라고도 일컬어지며, 여기에서는 이 용어를 사용할 것이다. VOF는 디젤 배기가스의 온도에 따라 디젤 배기가스에 증기로서 또는 에어로솔(액체 응축물의 미세 방울)로서 존재할 수 있다. 이는 일반적으로, 미국 고강도 일시적 연방 시험 과정(U.S. Heavy Duty Transient Federal Test Procedure)와 같은 표준 측정 시험에 의해 규정된 바와 같이, 희석된 배기가스 중에서 52℃의 표준 미립자 수거 온도에서 응축된 액체로서 존재한다. 상기 액체는 두 가지 공급원으로부터 비롯된다: (1) 피스톤이 올라가고 내려올 때마다 엔진의 실린더 벽으로부터 쓸려 나오는 윤활유; 및 (2) 연소되지 않거나 부분적으로 연소된 디젤 연료. 상기 미립자 물질의 세 번째 성분은 소위 황산염 분획이다. 상기 황산염 분획은 디젤 연료 중에 존재하는 소량의 황 성분으로부터 형성된다. 디젤의 연소 도중 작은 분량의 SO3가 형성되고, 이것이 다시 배기가스 중 물과 신속히 결합하여 황산을 형성한다. 황산은 에어로솔로서의 미립자와 함께 응축된 상으로서 수집되거나, 다른 미립자 성분 상에 흡착되어 TPM의 질량에 추가된다. 고도의 미립자 물질 환원을 위해 사용되는 하나의 주요 후처리 기술은 디젤 미립자 필터이다. 디젤 배기가스로부터 미립자 물질을 제거하는 데 효과적인, 벌집형 벽 유동 필터, 감기거나 포장된 섬유 필터, 연속 기포 발포체, 소결된 금속 필터 등과 같은 다수의 공지의 필터 구조가 존재한다. 그러나, 후술하는 세라믹 벽 유동 필터가 가장 많이 주목받고 있다. 상기 필터는 디젤 배기가스로부터 미립자 물질의 90% 이상을 제거할 수 있다. 필터는 배기가스로부터 입자를 제거하기 위한 물리적 구조이며, 축적되는 입자가 엔진 상의 필터로부터 배면 압력을 증가시킬 것이다. 따라서 축적되는 입자는 허용가능한 배면 압력을 유지하도록 필터로부터 연속적으로 또는 주기적으로 연소되어야 한다. 불행하게도, 탄소 매연 입자는 산소가 풍부한 (결핍된) 배기 조건 하에 연소되기 위해 500℃를 초과하는 온도를 필요로 한다. 상기 온도는 디젤 배기가스 중에 전형적으로 존재하는 것보다 높다. 필터의 수동적 재생을 위해 매연 연소 온도를 낮추는 설비가 일반적으로 도입된다. 촉매의 존재는 매연 연소를 촉진하고, 따라서 현실적인 수행 사이클 하에 디젤 엔진의 배기가스 내에서 수득될 수 있는 온도에서 필터를 재생한다. 이러한 방식으로 촉매화된 매연 필터 (CSF) 또는 촉매화된 디젤 미립자 필터(CDPF)는 상기 축적된 매연의 수동적 연소와 함께 80%를 초과하는 미립자 물질 환원을 제공하는 데 효과적이며, 따라서 필터 재생을 촉진한다. 전 세계에 걸쳐 도입되는 미래의 배기 표준 또한 디젤 배기가스로부터 NOx 환원에 집중될 것이다. 희박한 배기 조건을 갖는 잔류원에 적용되는 입증된 NOx 감소 기술은 선택적 촉매 환원(SCR)이다. 상기 공정에서, NOx는 전형적으로 기재 금속으로 이루어진 촉매 상에서 암모니아(NH3)에 의해 질소(N2)로 환원된다. 상기 기술은 90%를 초과하는 NOx 환원이 가능하며, 따라서, 이는 적극적인 NOx 환원 목표를 획득하기 위한 최선의 접근방법의 하나를 대표한다. SCR은 암모니아 원으로 요소(전형적으로 수용액 중에 존재하는)를 이용하는 이동중의 이용을 위한 개발 중에 있다. SCR은 배기가스 온도가 촉매의 활성 온도 범위 내에 있는 한 NOx의 효과적인 변환을 제공한다. 배기가스의 불연속적 성분을 처리하기 위해 촉매를 각각 함유하는 별도의 기질이 배기 시스템에 구비될 수 있지만, 보다 적은 기질의 사용이 시스템의 전체 크기를 감소시키고, 시스템의 조립을 쉽게 하며, 시스템의 전체 비용을 감소시키기 위해 바람직하다. 상기 목적을 달성하기 위한 하나의 접근 방법은 상기 매연 필터를, NOx를 무해한 성분으로 변환시키는 데 효과적인 촉매 조성물로 피복하는 것이다. 이러한 접근에 있어서, 촉매화된 매연 필터는 두 가지 촉매 기능을 가정한다: 배기가스류의 미립자 성분의 제거 및 배기가스류에서 NOx 성분을 N2로 변환시키는 것. NOx 환원 목표를 달성할 수 있는 피복된 매연 필터는 상기 매연 필터 상에 SCR 촉매 조성물의 충분한 충진을 필요로 한다. 배기가스류의 특정 유해 성분에 대한 노출을 통해 시간이 경과함에 따라 나타나는 상기 조성물의 촉매적 유효성의 점차적인 소실은 SCR 촉매 조성물의 보다 높은 촉매 충진에 대한 요구를 증가시킨다. 그러나, 보다 많은 충진량의 촉매로 피복된 매연 필터의 제조는 배기 시스템 내에 허용불가할 만큼 높은 배면 압력을 초래할 수 있다. 따라서, 벽 유동 필터 상에 더 많은 촉매 충진을 허용하면서, 여전히 상기 필터로 하여금 허용가능한 배면 압력을 이루는 유동 특성을 유지하게 하는 피복 기술이 바람직하다. 상기 벽 유동 필터를 피복하는 것을 고려할 때 추가의 측면은 적절한 SCR 촉매 조성물의 선택이다. 먼저, 상기 촉매 조성물은 그것이 필터 재생의 특징인 보다 높은 온도에 지속적으로 노출된 후에도 그 SCR 촉매 활성을 유지하도록 내구성이어야 한다. 예를 들면, 상기 미립자 물질의 매연 분획의 연소는 종종 700℃를 초과하는 온도를 초래한다. 그러한 온도는 바나듐 및 티탄의 혼합 산화물과 같은 다수의 통상적으로 사용되는 SCR 촉매 조성물을 촉매적으로 덜 효과적이게 한다. 둘째로, 상기 SCR 촉매 조성물은 그들이 차량이 작동 시 변화하는 온도 범위를 수용할 수 있도록 충분히 넓은 작동 온도 범위를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면 낮은 부하의 상태에서 또는 시동 시, 300℃ 미만의 온도를 전형적으로 만나게 된다. SCR 촉매 조성물은, 보다 낮은 배기가스 온도에서도, 배기가스의 NOx 성분의 환원을 촉매화하여 NOx 환원 목표를 달성할 수 있는 것이 바람직하다. 종래 기술은 디젤 배기가스의 NOx 및 미립자 성분을 둘 다 감소시키기 위하여 SCR 촉매 조성물, 매연 필터 및 이들의 조합을 사용하는 것에 대한 기재를 포함한다. 이러한 참고문헌을 후술한다. 예를 들면 일본 특허 공개 제 3-130522 호는 암모니아 주입기 및 공극 내에 탈질산 촉매를 갖는 다공성 세라믹 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는, 디젤 배기가스의 처리를 개시한다. 상기 필터는 디젤 엔진 배기가스에 이어서 설치된다. 상기 세라믹 다공성 필터는 상류의 미세한 공극 경로 층, 및 탈질산 촉매가 위에 지지되어 있는 하류의 측부 경로 세라믹 입자 층을 포함한다. 상기 미세한 층은 백금 또는 팔라듐 또는 다른 탄화수소 연소 촉매를 지지할 수 있다. 연소되지 않은 탄소를 함유하는 디젤 배기 기체가 상기 다공성 세라믹 필터를 통해 유동하고, 탄소 입자가 그 표면 상에서 여과된다. 일산화질소 및 암모니아를 함유하는 기체가 필터의 탈질산 촉매 함유 측을 통과하고, 상기 일산화질소는 질소와 물로 환원된다. 상류의 측 상에 있는 산화 촉매는 상기 미립자 성분을 촉매적으로 연소시킨다. 미국 특허 제 4,912,776 호는 산화 촉매, SCR 촉매의 하류에 있고 인접하는 SCR 촉매 및 산화 촉매와 SCR 촉매 사이의 배기가스류에 도입되는 환원제 공급원을 개시한다. 높은 비율의 NO2 내지 NO를 함유하는 보다 높은 공급물을 상기 SCR 반응기에 공급하는 것은, NO를 공급할 경우 가능한 것보다 낮은 온도 및 높은 공간 속도의 사용을 가능하게 하는 것으로 언급된다. WO 99/39809는 NOx 중 적어도 일부의 NO를 NO2로 변환시키기에 효과적인 산화 촉매, 미립자 트랩, 환원 유체의 공급원 및 SCR 촉매를 갖는, NOx 및 미립자를 함유하는 연소 배기가스를 처리하기 위한 시스템을 개시한다. 상기 미립자 트랩은 상기 산화 촉매의 하류에 있고, 상기 환원제 유체 공급원은 상기 미립자 트랩의 하류에 있으며, 상기 SCR 촉매는 상기 환원제 유체 공급원의 하류에 있다. 개시된 환원제 유체는 암모니아, 요소, 암모늄 카바메이트 및 탄화수소(예, 디젤 연료)를 포함한다. 연소 엔진의 배기 시스템을 위한 촉매 벽 유동 필터가 WO 01/12320에 기재되어 있다. 벽 유동 필터는 벌집형 배열을 갖는 채널을 가지며, 여기에서 채널의 일부는 상류 말단에서 차단되고, 상류 말단에서 차단되지 않은 채널의 일부는 하류 말단에서 차단된다. 산화 촉매가 하류 말단에서 차단된 채널의 상류 말단에 있는 기체 비투과성 영역 위에 배치된다. 상기 필터는 매연을 포획하기 위한 산화 촉매의 하류에 있는 기체 투과성 필터 영역을 갖는다. 산화 촉매는 NO로부터 NO2를 생성하여 포획된 매연을 400℃ 미만의 온도에서 연속적으로 연소시킬 수 있는 것으로 (배기 시스템에 있을 경우) 기재되어 있다. 산화 촉매는 바람직하게는 백금 족 금속을 포함한다. NO를 함유하는 배기가스류가, 매연을 제거하기 위한 여과에 앞서 초기에 산화 촉매 위로 통과하여 NO를 NO2로 변환시킨다. 그 후, NO2를 함유하는 배기가스를 사용하여 필터 상에 포획된 매연을 연소시킨다. WO 01/12320에 기재된 벽 유동 필터의 일부 구현예에서, 상기 매연 필터의 하류 채널은 NOx 흡수제를 위한 촉매 및 NOx 흡수제의 하류에 SCR 촉매를 함유한다. 상기 SCR 촉매는 구리-기재 물질, 백금, 바나듐과 티탄의 혼합 산화물 또는 제올라이트, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물일 수 있다.