ES2640040T3 - Sustratos de filtro parcial que contienen catalizadores de SCR y sistemas de tratamiento de emisiones y métodos de tratamiento de gases de escape de motores - Google Patents

Abstract

Artículo catalítico para su uso en un sistema para tratar una corriente de gas de escape de motor que contiene una concentración de NOx inicial y materia particulada, produciendo la corriente de gas una contrapresión del sistema, comprendiendo el artículo catalítico: un filtro de partículas que comprende un primer catalizador de SCR eficaz para la conversión de NOx, comprendiendo el filtro de partículas una espuma metálica que tiene una estructura de sustrato abierta o reticulada y comprendiendo la espuma poros y puntales que proporcionan paredes celulares, en el que el sustrato tiene un diámetro celular medio en el intervalo de desde 0,5 hasta 5 mm, y en el que el filtro de partículas tiene una carga de catalizador en el intervalo de 6,1 g/l (0,1 g/in3) a 213,5 g/l (3,5 g/in3).

Description

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DESCRIPCION

Sustratos de filtro parcial que contienen catalizadores de SCR y sistemas de tratamiento de emisiones y metodos de tratamiento de gases de escape de motores.

Antecedentes

La presente invencion se refiere a un artlculo catalltico, a metodos y a sistemas para tratar emisiones gaseosas tlpicas de motores diesel antes de que se les permita entrar en la atmosfera. El sistema incluye un filtro parcial con una eficiencia de filtracion de partlculas que es generalmente menor que la de un filtro de flujo de pared.

Los gases de escape de motor diesel son una mezcla heterogenea que contiene no solamente emisiones gaseosas tales como monoxido de carbono (CO), hidrocarburos no quemados (“HC”) y oxidos de nitrogeno (“NOx”), sino tambien materiales de fase condensada (llquidos y solidos) que constituyen los denominados materiales particulados o materia particulada. A menudo, las composiciones de catalizador y los sustratos sobre los que se disponen las composiciones se proporcionan en sistemas de gases de escape de motores diesel para convertir determinados o todos estos componentes de gases escape en componentes inocuos. Por ejemplo, los sistemas de gases de escape de motores diesel pueden contener uno o mas de un catalizador de oxidacion de diesel, un filtro de hollln y un catalizador para la reduccion de NOx.

Se sabe que los catalizadores de oxidacion que contienen metales del grupo del platino, metales basicos y combinaciones de los mismos facilitan el tratamiento de los gases de escape de motores diesel promoviendo la conversion tanto de contaminantes gaseosos de HC como de CO y alguna proportion de la materia particulada a traves de la oxidacion de estos contaminantes para dar dioxido de carbono y agua. Tales catalizadores se han contenido generalmente en unidades denominadas catalizadores de oxidacion de motores diesel (“DOC”), que se situan en el tubo de escape de motores diesel para tratar el gas de escape antes de que se descargue a la atmosfera. Ademas de las conversiones de HC, CO gaseosos y materia particulada, los catalizadores de oxidacion que contienen metales del grupo del patino (que estan normalmente dispersados sobre un soporte de oxido refractario) promueven la oxidacion de oxido nltrico (NO) para dar NO2.

Las emisiones totales de materia particulada de los gases de escape de motores diesel estan compuestas por tres componentes principales. Un componente es la fraction carbonosa solida, seca, solida o fraction de hollln. Esta materia carbonosa seca contribuye a las emisiones de hollln visibles asociadas frecuentemente con los gases de escape de motores diesel. Un segundo componente de la materia particulada es la fraccion organica soluble (“SOF”). A veces, la fraccion organica soluble se denomina fraccion organica volatil (“VOF”), cuya terminologla se usara en el presente documento. La VOF puede existir en gases de escape de motores diesel o bien como vapor o bien como aerosol (finas gotitas de condensado llquido) segun la temperatura del gas de escape de motores diesel. Esta presente generalmente como llquidos condensado a la temperatura de recogida de material particulado convencional de 52°C en gas de escape diluido, tal como se recomienda por una prueba de medicion convencional, tal como el Heavy Duty Transient Federal Test Procedure de Estados Unidos. Estos llquidos surgen de dos fuentes: (1) aceite lubricante barrido de las paredes del cilindro del motor cada vez que los pistones van hacia arriba y hacia abajo; y (2) combustible diesel no quemado o quemado parcialmente.

El tercer componente de la materia particulada es la denominada fraccion de sulfato. La fraccion de sulfato esta formada por pequenas cantidades de componentes de azufre presentes en el combustible diesel. Se forman pequenas proporciones de SO3 durante la combustion del diesel, que a su vez se combina rapidamente con agua en el gas de escape para formar acido sulfurico. El acido sulfurico se recoge como fase condensada con los materiales particulados como aerosol, o se adsorbe sobre los otros componentes particulados, y se anade as! a la masa de la material particulada total.

Una tecnologla postratamiento en uso para alta reduccion de materia particulada es el filtro de partlculas para motores diesel. Hay muchas estructuras de filtro conocidas que son eficaces en la elimination de materia particulada del gas de escape de motores diesel, tales como filtros de flujo de pared alveolares, filtros de fibras enrolladas o empaquetadas, espumas de celulas abiertas, filtros de metal sinterizado, etc. Sin embargo, los filtros de flujo de pared de ceramica, descritos a continuation, reciben la mayor parte de la atencion. Estos filtros pueden eliminar mas del 90% del material particulado del gas de escape de motores diesel. El filtro es una estructura flsica para eliminar partlculas del gas de escape, y las partlculas de acumulacion aumentaran la contrapresion del filtro en el motor. Asl, las partlculas de acumulacion tienen que quemarse de manera continua o periodica fuera del filtro para mantener una contrapresion aceptable.

La reduccion catalltica selectiva con amoniaco (SCR) es una tecnologla de reduccion de NOx que se utilizara para cumplir objetivos de emisiones de NOx estrictos en motores diesel y de mezcla pobre. En el proceso de SCR con amoniaco, NOx (definido como la suma de NO + NO2) se hace reaccionar con amoniaco (o un precursor de

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amoniaco tal como urea) para formar nitrogeno (N2) sobre un catalizador compuesto normalmente de metales de base.

Los documentos US 2006/0039843 A y EP 1 961 933 A1 dan los dos a conocer catalizadores de SCR que pueden estar soportados sobre sustratos de espuma metalica abiertos.

Los filtros de flujo de pared catalizados que contienen un catalizador que promueve la SCR de NOx asumen dos funciones: eliminacion del componente particulado de la corriente de gas de escape y conversion del componente de NOx de la corriente de gas escape en N2. Los filtros de flujo de pared recubiertos con SCR que pueden alcanzar los objetivos de reduccion de NOx requieren una carga suficiente de la composicion de catalizador de SCR en el filtro de flujo de pared bajo las limitaciones de espacio habituales en un vehlculo. La perdida gradual de la eficiencia catalltica de las composiciones que se produce a lo largo de la vida a traves de la exposicion a determinados componentes perjudiciales de la corriente de gas escape o altas temperaturas, aumenta la necesidad de mayores cargas de catalizador de la composicion de catalizador de SCR. Sin embargo, la preparacion de filtros de flujo de pared recubiertos con cargas de catalizador mas altas puede conducir a una contrapresion inaceptablemente alta dentro del sistema de gas de escape. Un aumento en la contrapresion puede tener un impacto adverso sobre la eficiencia del combustible.

Un aspecto adicional que ha de considerarse en el recubrimiento del filtro de flujo de pared es la selection de la composicion de catalizador de SCR apropiada. En primer lugar, la composicion de catalizador debe ser termicamente duradera de modo que mantenga su actividad catalltica de SCR incluso despues de una exposicion prolongada a temperaturas mas altas que son caracterlsticas de la regeneration del filtro. Por ejemplo, la combustion de la fraction de hollln de la materia particulada a menudo conduce a temperaturas por encima de 700°C y superiores. Tales temperaturas hacen que muchas composiciones de catalizador de SCR usadas frecuentemente, tales como oxidos mixtos de vanadio y titanio, sean menos eficaces catallticamente. En segundo lugar, las composiciones de catalizador de SCR tienen preferiblemente un intervalo de temperatura de funcionamiento suficientemente amplio para que puedan adaptarse a los intervalos de temperatura variables sobre los que opera el vehlculo. Las temperaturas por debajo de 300°C se encuentran normalmente, por ejemplo, en condiciones de carga baja, o al arrancar. Las composiciones de catalizador de SCR pueden catalizar preferiblemente la reduccion del componente de NOx del gas de escape para lograr los objetivos de reduccion de NOx, incluso a temperaturas de gas de escape menores, particularmente cuando el catalizador de SCR esta dispuesto sobre un sustrato de filtro tal como un filtro de flujo de pared. En general, el catalizador de SCR debe tener una alta actividad especlfica combinada con una alta estabilidad hidrotermica.

Se han propuesto filtros de flujo de pared que contienen catalizadores de SCR y tecnicas de recubrimiento que permiten cargas de catalizador de SCR mas altas en el filtro de flujo de pared, pero todavla permiten que el filtro mantenga caracterlsticas de flujo que alcanzan contrapresiones aceptables. A pesar de tales filtros de flujo de pared propuestos y tecnicas de recubrimiento que tienen cargas de catalizador de SCR mayores, serla deseable proporcionar filtros y sistemas catalizados alternativos que permitan el manejo de la contrapresion y la funcion catalltica del catalizador de SCR. Ademas, serla deseable proporcionar artlculos catallticos, sistemas y metodos que utilicen filtros de particulados recubiertos con un catalizador de SCR a una carga que tambien alcance una conversion de NOx suficiente a una temperatura mas baja cuando la corriente de gas de escape pasa a traves del filtro, as! como que presenten caracterlsticas de envejecimiento hidrotermico deseables.

Sumario de la invencion

Segun un aspecto de la invencion, se utilizan filtros de eficiencia parcial en sistemas y metodos para la reduccion del gas de escape de motores diesel y el tratamiento de una corriente de gas de escape de motor que contiene NOx y materia particulada. El cumplimiento con las directrices sobre emisiones, por ejemplo UE III y UE IV, puede no requerir un filtro de alta eficiencia, y puede usarse un filtro de eficiencia parcial en sistemas que no requieren una alta eficiencia de filtration. Tal como se usa en el presente documento, un “filtro parcial” o “filtro de eficiencia parcial” se refiere a un filtro que tiene una eficiencia de filtro en el intervalo de aproximadamente el 30% a aproximadamente el 60% en masa.

Ademas, el uso de filtros de hollln de eficiencia parcial (o “filtros parciales”) en aplicaciones de gases de escape de motores diesel proporciona una flexibilidad adicional en el diseno del sistema de tratamiento de gases de escape. Por ejemplo, debido a que la recogida de hollln en un filtro parcial se produce a una velocidad mas baja que en un filtro de alta eficiencia, el tiempo entre regeneraciones necesarias es mas largo, reduciendo as! el consumo de combustible asociado con el aumento de la temperatura del gas de escape para garantizar la combustion completa del hollln y reducir la carga termica sobre los materiales de filtro. Ademas, algunos disenos de filtro parcial permiten la fabrication a partir de metales aumentando as! la resistencia del filtro al choque termico y mecanico. Esto permite colocar el filtro mas cerca del motor, donde las fuerzas de pulsation de presion de gas de escape y vibratorias son mucho mayores. Ademas, los disenos de filtros parciales no tienen canales ciegos o cerrados, y por tanto, son mucho menos propensos a recoger los subproductos inorganicos refractarios de la combustion de hollln, concretamente cenizas, que se acumulan en filtros de alta eficiencia con el uso. La acumulacion de cenizas en filtros

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de alta eficiencia contribuye a un aumento de la contrapresion del sistema de gas de escape y consecuentemente a menor eficiencia del motor. Por lo tanto, evitar la acumulacion de cenizas con filtros parciales contribuye directamente a una mayor eficiencia del motor y a un menor consumo de combustible. Teniendo en cuenta estas consideraciones de diseno, esta claro que las aplicaciones en las que pueden cumplirse los reglamentos de emisiones de partlculas con un filtro parcial tienen claros incentivos para hacerlo.

Segun determinadas realizaciones de la invencion, el filtro de partlculas es un filtro parcial que elimina al menos del 30 al 60% de la materia particulada en la corriente de gas. Ademas, el filtro de partlculas puede tener una porosidad de entre el 50% y el 95%. El filtro de partlculas comprende una espuma metalica que tiene una estructura de sustrato abierta o reticulada y poros y puntales que proporcionan paredes celulares.

El filtro de partlculas tiene una carga de catalizador en el intervalo de 6,1 g/l (0,1 g/in3) - 213,5 g/l (3,5 g/in3) o, mas especlficamente, en el intervalo de desde aproximadamente 30,5 g/l (0,5 g/in3) - 122 g/l (2,0 g/in3). En una o mas realizaciones, el catalizador de SCR esta dispuesto a lo largo de la longitud axial del filtro de partlculas. En determinadas realizaciones, el catalizador de sCr esta dispuesto sobre una parte o una zona de la longitud axial del filtro de partlculas, que puede ocupar o extenderse menos que la longitud axial completa del filtro de partlculas.

Segun otras realizaciones de la invencion, la composicion de la corriente de gas que va a tratarse por el sistema es de aproximadamente 500 ppm de NO, 500 ppm de NH3 y el 5% de agua en aire. El catalizador de SCR usado en tales realizaciones puede ser cualquier material que proporcione o sea eficaz para una conversion de NOx de al menos el 10% a 250°C y una velocidad espacial de aproximadamente 40.000 h-1 con una razon de NOx con respecto a NH3 de 1. Determinadas realizaciones del sistema producen una conversion objetivo minima de NOx del sistema de mas de aproximadamente el 30% y un aumento en el porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema de aproximadamente el 25% en comparacion con un sistema identico con un filtro no recubierto identico. En una realizacion especifica, la conversion objetivo de NOx del sistema es de aproximadamente el 60% durante el ciclo de prueba y el aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion en el filtro es de aproximadamente el 25% cuando se compara con un sistema identico con un filtro no recubierto identico.

En diversas realizaciones de la invencion, el catalizador de SCR puede incluir una zeolita que tiene una estructura de CHA, tal como, por ejemplo, una estructura de Cu-CHA. El catalizador de SCR de una o mas realizaciones puede incluir un oxido mixto de V2O5, WO3 y TiO2, y/o puede incluir una zeolita dopada con Fe. En realizaciones alternativas, el catalizador de SCR puede incluir un tamiz molecular, que puede contener Cu, Fe, Mn, Co, Ag y combinaciones de los mismos.

Puede haber multiples catalizadores de SCR situados en diferentes ubicaciones en el sistema que pueden ser iguales o diferentes. Si los dos catalizadores son diferentes, el primer catalizador de SCR puede operarse para la conversion de NOx a temperaturas de corriente de gas mas altas y el segundo catalizador de SCR puede operarse para la conversion de NOx a temperaturas de corriente de gas mas bajas.

Los sistemas que incluyen un filtro de partlculas con un catalizador de SCR tambien pueden incorporar uno o mas sustratos adicionales, que pueden incluir catalizadores de SCR o de oxidacion. Los catalizadores de SCR utilizados con tales sustratos adicionales pueden ser iguales o diferentes que el catalizador de SCR usado en el filtro de partlculas. En una o mas realizaciones, un catalizador de oxidacion puede situarse aguas arriba del filtro de partlculas. En una realizacion mas especifica del sistema, un filtro de partlculas puede disponerse adyacente al motor de manera que no hay catalizador de SCR intermedio entre el filtro de partlculas y el motor. El sistema puede incluir tambien un filtro de partlculas y un sustrato de flujo continuo dispuesto aguas abajo del filtro de partlculas, y puede incluir opcionalmente un catalizador de oxidacion dispuesto aguas arriba del filtro de partlculas. En tales sistemas, el sustrato de flujo continuo puede incluir un catalizador de SCR eficaz para la conversion de NOx y el sistema puede tener una conversion de NOx en el intervalo de aproximadamente el 50% y el 100%. En una realizacion mas especifica, la conversion de NOx por el filtro de partlculas esta en el intervalo de aproximadamente el 10% y el 90% de la conversion total de NOx del sistema.

Una o mas realizaciones de los sistemas descritos en el presente documento son operativas para generar concentraciones de NOx iniciales, intermedias y finales en la corriente de gas de escape. En tales realizaciones, el sistema genera una concentracion de NOx intermedia despues de que la corriente de gas de escape pase a traves de un filtro de partlculas, y una concentracion de NOx final despues de que la corriente de gas de escape pase a traves de un segundo sustrato. En tales sistemas, la conversion de NOx del sistema se basa en la concentracion de NOx inicial y la concentracion de NOx final y un aumento en la contrapresion del sistema se encuentra dentro de una ventana de funcionamiento que se basa en una conversion objetivo minima de NOx del sistema y un aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema. En una o mas realizaciones, la conversion objetivo de NOx del sistema es de mas del 50% y el aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema es de aproximadamente el 25% en comparacion con un sistema identico incluyendo un filtro no recubierto identico.

Ademas, la invencion incluye un metodo de tratamiento de una corriente de gas de escape de motor que tiene una concentracion de NOx, una contrapresion del sistema y una conversion de NOx del sistema. Tales metodos son

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eficaces para la conversion de NOx e incluyen definir una ventana de funcionamiento del sistema de gas de escape basandose en una conversion objetivo minima de NOx del sistema y un aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema, hacer pasar la corriente de gas a traves de un filtro de partlculas dispuesto aguas abajo del motor, inyectar un agente reductor, tal como amoniaco o un precursor de amoniaco, en la corriente de gas aguas arriba del filtro de partlculas, y hacer pasar la corriente de gas a traves de un segundo sustrato cargado con un segundo catalizador de SCR dispuesto aguas abajo del filtro de partlculas, en el que la conversion de NOx del sistema y la contrapresion del sistema estan dentro de la ventana de funcionamiento. La corriente de gas que sale del sistema de tratamiento de emisiones tiene una concentracion de NOx final. En una o mas realizaciones, la conversion de NOx del sistema esta en el intervalo de aproximadamente el 50% y el 100%. La conversion del filtro de partlculas utilizado en una o mas realizaciones de los metodos descritos en el presente documento esta en el intervalo de desde aproximadamente el 10% hasta el 90% de la conversion de NOx del sistema.

En una realizacion mas especifica, la corriente de gas se hace pasar a traves de un filtro de partlculas que tiene una eficiencia de filtracion de partlculas en el intervalo de aproximadamente el 30% y el 60% en masa dispuesto aguas abajo del motor. En determinadas realizaciones del metodo, el filtro de partlculas es un filtro de espuma de metal que tiene una porosidad en el intervalo del 60% - 95%. El filtro de partlculas cargado con un catalizador de SCR tiene una carga eficaz para la conversion de NOx en el intervalo de aproximadamente 6,1 g/l (0,1 g/in3) - 213,5 g/l (3,5 g/in3). En una realizacion alternativa, el catalizador de SCR tiene una carga en el intervalo de aproximadamente 30,5 g/l (0,5 g/in3) - 122 g/l (2,0 g/in3). El catalizador de SCR puede estar dispuesto sobre el sustrato de filtro desde el 10 hasta el 100% de su longitud.

En una o mas realizaciones del metodo, el aumento en porcentaje en la contrapresion del sistema se basa en una comparacion de la contrapresion del sistema asociado con un filtro no cargado con catalizador con respecto a un sistema con un filtro cargado con catalizador tal como se mide mediante un promedio de valores de flujo frio a una velocidad espacial en el intervalo de aproximadamente 20.000 h-1 y 120.000 h-1. En una o mas realizaciones, el metodo no incorpora un catalizador de SCR intermedio dispuesto entre el motor y el filtro de partlculas. En una realizacion mas especifica, el segundo sustrato se carga con un segundo catalizador de SCR dispuesto aguas abajo del filtro de partlculas eficaz para la conversion de NOx.

Segun otras realizaciones del metodo, la conversion objetivo minima de NOx del sistema es mas de aproximadamente el 30% y el aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema es de aproximadamente el 25% en comparacion con un sistema identico con un filtro no recubierto identico. En una realizacion especifica, la conversion objetivo de NOx del sistema es de aproximadamente el 50% durante el ciclo de prueba y el aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion en el filtro es de aproximadamente el 25% cuando se compara con un sistema identico con un filtro no recubierto identico.

Lo anterior ha senalado de manera bastante general determinadas caracteristicas y ventajas tecnicas de la presente invencion.

Breve descripcion de los dibujos

Para que pueda entenderse en detalle la manera en la que se llevan a cabo las caracteristicas enumeradas anteriores de la presente invencion, puede hacerse una descripcion mas particular de la invencion, brevemente resumida antes, haciendo referencia a las realizaciones algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Sin embargo, debe senalarse que los dibujos adjuntos ilustran solo realizaciones tipicas de esta invencion y, por tanto, no han de considerarse limitativos de su alcance, ya que la invencion puede admitir otras realizaciones igualmente eficaces.

La figura 1A es una representacion esquematica de una realizacion del sistema de tratamiento de emisiones segun la presente invencion;

la figura 1B es una representacion esquematica de otra realizacion del sistema de tratamiento de emisiones segun la presente invencion;

la figura 2 es una vista en perspectiva fragmentada ampliada de un filtro de partlculas no segun la presente invencion;

la figura 3 es una vista en perspectiva de otro filtro de partlculas no segun la presente invencion; y

la figura 4 es una vista de un filtro de partlculas usado en el sistema de tratamiento de emisiones segun la presente invencion.

Descripcion detallada

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Se proporcionan artlcuios catallticos, sistemas y metodos que incluyen un filtro de eficiencia parcial que trata simultaneamente la materia particulada, el NOx y otros componentes gaseosos de gases de escape de motores diesel. El sistema de tratamiento de emisiones usa un filtro de hollln integrado y catalizador de SCR para minimizar significativamente el peso y el volumen requeridos para el sistema de emisiones. Ademas, debido a la eleccion de las composiciones catallticas implementadas en el sistema, se proporciona una reduccion de contaminantes eficaz para corrientes de gases de escape de temperaturas variables. Esta caracterlstica es ventajosa para hacer funcionar vehlculos diesel con velocidades del vehlculo y cargas variables que afectan significativamente a las temperaturas de gases de escape emitidos por los motores de tales vehlculos.

Las funciones de integracion de reduccion de NOx y eliminacion de material particulado en un unico artlculo de catalizador se consiguen usando un sustrato de filtro parcial recubierto con una composicion de catalizador de SCR. Es importante lograr niveles practicos de la composicion de catalizador de SCR en el sustrato de flujo de pared para proporcionar suficiente actividad catalltica para lograr los niveles de reduccion de NOx exigidos, y para reducir la temperatura de combustion de la fraccion de hollln atrapada en el filtro. Tambien es importante lograr niveles adecuados de composiciones de catalizador de SCR en el filtro de hollln para garantizar una durabilidad adecuada para el catalizador. Durante el uso prolongado del sistema de tratamiento de emisiones, los catalizadores se exponen inevitablemente a diversos niveles de venenos para el catalizador que pueden derivarse de la descomposicion de aceites lubricantes, o pueden surgir de impurezas en el combustible diesel. Los ejemplos de tales venenos para el catalizador incluyen fosforo, zinc, metales alcalinos y metales alcalinoterreos. Por tanto, normalmente se depositan niveles mayores de composiciones de catalizador sobre sustratos de catalizador para superar la perdida inevitable de actividad catalltica.

Una realizacion del sistema de tratamiento de emisiones de la invencion se representa esquematicamente en la figura 1A. Como se observa, se introduce la corriente de gas de escape que contiene contaminantes gaseosos (incluyendo hidrocarburos no quemados, monoxido de carbono y NOx) y materia particulada del motor 15 en el sistema. Se inyecta un agente reductor tal como hidrocarburos, amoniaco o cualquier precursor de amoniaco (por ejemplo, urea) o cualquier otro material que muestre un potencial de reduccion lo suficientemente alto para facilitar la reaccion de SCR como aerosol mediante una boquilla (no mostrada) en la corriente de gas de escape. La urea acuosa mostrada en una llnea 18 puede servir como precursor de amoniaco que puede mezclarse con aire en otra llnea 19 en una estacion 16 de mezclado. Puede usarse una valvula 14 para dosificar cantidades precisas de urea acuosa que se convierten en la corriente de gas de escape en amoniaco. La corriente de gas de escape con el agente reductor anadido se transporta al filtro 12 de partlculas que contiene un primer catalizador de SCR. Al pasar a traves del filtro 12 de partlculas, el componente de NOx se convierte a traves de la reduccion catalltica selectiva de NOx con amoniaco en nitrogeno. No hay ningun catalizador de SCR intermedio dispuesto entre el motor 15 y el filtro 12 de partlculas.

Tambien se elimina algo de la materia particulada incluyendo la fraccion de hollln y la VOF (aproximadamente del 30 al 60% en masa) por el filtro 12 de partlculas. La materia particulada depositada sobre el filtro 12 de partlculas se combustiona a traves de la regeneracion del filtro, a lo que tambien contribuye la presencia del primer catalizador de SCR. Se reduce la temperatura a la que se combustiona la fraccion de hollln de la materia particulada por la presencia de la composicion de catalizador dispuesta sobre el filtro 12 de partlculas.

Tras salir del filtro 12 de partlculas, la corriente de gas pasa entonces a traves de un sustrato 13 que contiene un segundo catalizador de SCR. El sustrato 13 puede ser un sustrato de flujo continuo y esta dispuesto aguas abajo del filtro 12 de partlculas. La corriente de gas que sale del motor 15 contiene una concentracion de NOx inicial en la ubicacion 3 antes de entrar en el filtro 12 de partlculas, una concentracion de NOx intermedia en la ubicacion 5 entre el filtro 12 de partlculas y el sustrato 13 aguas abajo, y una concentracion de NOx final en la ubicacion 7 despues de pasar a traves del sustrato 13 de flujo continuo. La conversion del sistema de NOx alcanzada en la corriente de gas basada en la concentracion de NOx inicial y la concentracion de NOx final es mayor de aproximadamente el 50%. La conversion de NOx por el filtro 12 de partlculas esta en el intervalo de aproximadamente el 10% a aproximadamente el 90% de la conversion de NOx del sistema medido integralmente durante un ciclo de conduccion de prueba (vease
http://www.epa.gov/nvfel/testing/dynamometer.htm para una description de ciclos de conduccion de prueba) o en condiciones de reactor simuladas. Al desplazarse a traves del sistema de tratamiento de emisiones en el presente documento descrito, la corriente de gas provoca que aumente la contrapresion del sistema en menos de aproximadamente el 25%. El aumento de contrapresion del sistema se determina en relation con el aumento de contrapresion que resulta de hacer pasar la corriente de gas a traves de un filtro sin recubrir. La contrapresion del sistema se mide mediante un promedio de valores de flujo frlo a una velocidad espacial, igual a la velocidad de flujo volumetrico de la corriente de gas dividido entre el volumen del sistema, de entre 20.000 h-1 y 120.000 h-1.

El sistema de tratamiento de emisiones de la presente invencion permite el funcionamiento dentro de una ventana definida por una concentracion objetivo minima de NOx del sistema y un aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema. Esta ventana de funcionamiento proporciona un intervalo en el que puede realizarse alta conversion de NOx sin provocar un aumento excesivo y altamente indeseable de contrapresion. En una realizacion, la conversion objetivo minima de NOx del sistema es de aproximadamente el 50% durante el ciclo de prueba y el aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema sobre un filtro parcial sin recubrir

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es de aproximadamente el 25%. Claramente, tambien pueden establecerse otras concentraciones objetivo mlnimas NOx del sistema y un aumento en porcentaje objetivo maximo en la contrapresion del sistema.

Composiciones de catalizador de SCR adecuadas para su uso en el sistema, pueden catalizar eficazmente la reduccion del componente de NOx a temperaturas por debajo de 600°C, de manera que pueden tratarse niveles de NOx adecuados incluso en condiciones de baja carga que normalmente se asocian con menores temperaturas de gas de escape. Preferiblemente, el artlculo de catalizador puede convertir al menos el 50% del componente de NOx en N2, segun la cantidad de agente reductor anadida al sistema. Ademas, las composiciones de catalizador de SCR para su uso en el sistema tambien pueden, idealmente, ayudar en la regeneracion del filtro disminuyendo la temperatura a la que se combustiona la fraccion de hollln de la materia particulada. Otro atributo deseable para la composicion es que posea la capacidad de catalizar la reaccion de O2 con cualquier exceso de NH3 para dar N2 y H2O, de manera que no se emite NH3 a la atmosfera. En determinadas realizaciones del sistema, el primer catalizador de SCR y/o el segundo catalizador de SCR pueden comprender una zeolita que tiene una estructura de Cu-CHA, un oxido mixto de V2O5, WO3 y TiO2, o una zeolita dopada con Fe. En una o mas realizaciones, el catalizador de SCR incluye un tamiz molecular, que puede contener un promotor tal como Cu, Fe, Mn, Co, Ag y combinaciones de estos materiales.

En una o mas realizaciones, puede usarse mas de un catalizador de SCR. Las composiciones de los catalizadores de SCR pueden ser identicas o diferentes. Si son diferentes, el catalizador de SCR puede operarse para la conversion de NOx a temperaturas de corriente de gas mas altas y puede operarse otro catalizador de SCR para la conversion de NOx a temperaturas de corriente de gas mas bajas. Por ejemplo, un catalizador de SCR puede incluir una zeolita que tiene una estructura de CHA y el otro catalizador de SCR puede incluir un oxido mixto de V2O5, WO3 y TiO2. En una realizacion especlfica, un catalizador de SCR puede incluir una zeolita dopada con Fe y el otro catalizador de SCR puede incluir un oxido mixto de V2O5, WO3 y TiO2. En una realizacion mas especlfica, un catalizador de SCR puede incluir una zeolita dopada con Fe y el otro catalizador de SCR incluye una zeolita que tiene una estructura de CHA.

Las composiciones de catalizador de SCR utiles usadas en el sistema de la invencion tambien tienen resistencia termica a temperaturas superiores a 650°C. A menudo se encuentran tales altas temperaturas durante la regeneracion de filtros de partlculas. Las composiciones de catalizador de SCR tambien deben resistir la degradacion tras la exposicion a componentes de azufre, que a menudo estan presentes en composiciones de gas de escape de motores diesel. El primer catalizador de SCR se elige para proporcionar una conversion de NOx del sistema de al menos aproximadamente el 10% a 250°C y una velocidad espacial de aproximadamente 40.000 h-1. Preferiblemente, el primer catalizador de SCR se elige para proporcionar una conversion de NOx del sistema de al menos aproximadamente el 50% en estas mismas condiciones.

Se describen composiciones de catalizador de SCR adecuadas, por ejemplo, en las patentes estadounidenses n.os 4.961.917 (la patente '917) y 5.516.497. Las composiciones dadas a conocer en la patente '917 incluyen uno o ambos de un promotor de hierro y de cobre presente en una zeolita en una cantidad de desde aproximadamente el 0,1 hasta el 30 por ciento en peso, preferiblemente de desde aproximadamente el 1 hasta el 5 por ciento en peso, del peso total de promotor mas zeolita. Ademas de su capacidad para catalizar la reduccion de NOx con NH3 para dar N2, las composiciones dadas a conocer tambien promueven la oxidacion de NH3 en exceso con O2, especialmente para las composiciones que tienen concentraciones de promotor mas altas.

Las zeolitas y tamices moleculares usados en tales composiciones son resistentes al envenenamiento por azufre, mantienen un alto nivel de actividad para el proceso de SCR y puede realizar la oxidacion de amoniaco en exceso con oxlgeno. Estas zeolitas tienen un tamano de poro lo suficientemente grande para permitir un movimiento adecuado de las moleculas reactivas NO y NH3 al interior de, y de las moleculas producto N2 y H2O fuera de, el sistema de poros en presencia de moleculas de oxido de azufre que resultan del envenenamiento por azufre a corto plazo, y/o depositos de sulfato que resultan del envenenamiento por azufre a largo plazo. El sistema de poros de tamano adecuado esta interconectado en las tres dimensiones cristalograficas. Como es bien conocido por los expertos en la tecnica de la zeolita, la estructura cristalina de las zeolitas presenta una estructura de poros compleja que tiene intersecciones, conexiones recurrentes de manera mas o menos regular, y similares. Se dice que los poros que tienen una caracterlstica particular, tal como un diametro de dimension dado o una configuracion transversal, son unidimensionales si los poros no se cortan con otros poros similares. Si los poros se cortan unicamente dentro de un plano dado con otros poros similares, se dice que los poros de esa caracterlstica estan interconectados en dos dimensiones (cristalograficas). Si los poros se cortan con otros poros similares permaneciendo ambos en el mismo plano y en otros planos, se dice que los poros de este tipo estan interconectados en tres dimensiones, es decir, son “tridimensionales”. Segun una o mas realizaciones, las zeolitas que son altamente resistentes al envenenamiento por sulfato y proporcionan buena actividad para tanto el proceso de SCR como para la oxidacion de amoniaco con oxlgeno, y que conservan buena actividad incluso cuando se someten a altas temperaturas, condiciones hidrotermicas y venenos de sulfato, son las zeolitas que tienen poros que presentan un diametro de poro de al menos aproximadamente 7 angstroms y estan interconectadas en tres dimensiones. Sin desear limitarse a ninguna teorla especlfica, se cree que la interconexion de poros de al menos 7 angstroms de diametro en tres dimensiones proporciona buena movilidad de las moleculas de sulfato por toda la estructura de la zeolita,

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permitiendo as! que se liberen moleculas de sulfato del catalizador para liberar un gran numero de los sitios adsorbentes disponibles para las moleculas reactivas NOx y NH3 y las moleculas reactivas NH3 y O2. Cualquier zeolita que cumpla los criterios anteriores es adecuada para su uso en la practica de la presente invencion; las zeolitas especlficas que cumplen estos criterios son USY, Beta y ZSM-20. Otros tamices moleculares tambien pueden satisfacer los criterios mencionados anteriormente.

Cuando se depositan sobre los sustratos de filtro de partlculas, tales composiciones de catalizador de SCR se depositan en concentraciones mayores de aproximadamente 6,1 g/l (0,1 g/in3) y menores de aproximadamente 213,5 g/l (3,5 g/in3) para garantizar que se logra la reduccion de NOx deseada y los niveles de eliminacion de material particulado y para asegurar la durabilidad adecuada del catalizador durante su uso prolongado.

En una realization alternativa del sistema de tratamiento de emisiones, tal como se ilustra en la figura 1B, un catalizador 11 de oxidation esta situado aguas arriba del filtro 12 de partlculas. En la figura 1B, la corriente de gas que sale del motor 15 contiene una primera concentration de NOx en la ubicacion 2 antes de entrar en el catalizador

11 de oxidacion, una segunda concentracion de NOx en la ubicacion 4 entre el catalizador 11 de oxidacion y el filtro

12 de partlculas, una tercera concentracion de NOx en la ubicacion 6 despues de pasar a traves del filtro 12 de partlculas y entrar en el sustrato 13 aguas abajo, y una concentracion de NOx final en la ubicacion 8 despues de pasar a traves del sustrato 13 aguas abajo.

En el catalizador 11 de oxidacion, se combustionan en gran medida hidrocarburos no volatiles y gaseosos sin quemar (es decir, la VOF) y monoxido de carbono para formar dioxido de carbono y agua. La eliminacion de proporciones sustanciales de la VOF usando el catalizador de oxidacion, en particular, ayuda a evitar una deposition demasiado grande de materia particulada sobre el filtro 12 de partlculas (es decir, atascamiento), que se ubica aguas abajo en el sistema. Ademas, una proportion sustancial del NO del componente de NOx se oxida para dar NO2 en el catalizador de oxidacion. La proporcion aumentada de NO2 en el NOx debido a la action catalltica del catalizador de oxidacion aguas arriba facilita la reduccion del NOx en comparacion con corrientes de gases de escape que contienen proporciones mas pequenas de NO2 en el componente de NOx.

El catalizador 11 de oxidacion puede formarse a partir de cualquier composition que proporcione una combustion eficaz de hidrocarburos no volatiles y gaseosos sin quemar (es decir, la VOF) y monoxido de carbono. Ademas, el catalizador de oxidacion debe ser eficaz para convertir una proporcion sustancial del NO del componente de NOx en NO2. Tal como se usa en el presente documento, el termino “conversion sustancial de NO del componente de NOx en NO2” quiere decir una conversion de NO y NO2 en N2 de al menos aproximadamente el 5% o al menos aproximadamente el 10% o al menos aproximadamente el 20%, y especlficamente de al menos aproximadamente el 30% y mas especlficamente de al menos el 60% durante el ciclo de conduction. En la tecnica se conocen composiciones de catalizador que tienen estas propiedades, e incluyen composiciones basadas en metales del grupo del platino y metales base. Las composiciones de catalizador pueden recubrirse sobre sustratos monollticos de flujo continuo alveolares formados por materiales ceramicos o metalicos refractarios (por ejemplo, cordierita). Alternativamente, los catalizadores de oxidacion pueden formarse sobre sustratos de espuma metalica o ceramica que se conocen bien en la tecnica. Estos catalizadores de oxidacion, en virtud del sustrato sobre el que recubren (por ejemplo, espuma ceramica de celulas abiertas), y/o en virtud de su actividad catalltica de oxidacion intrlnseca proporcionan cierto nivel de eliminacion de material particulado. Preferiblemente, el catalizador de oxidacion elimina parte de la materia particulada de la corriente de gas de escape aguas arriba del filtro, puesto que la reduccion en la masa particulada en el filtro prolonga potencialmente el tiempo antes de regeneraciones forzadas.

Una composicion de catalizador de oxidacion preferida que puede usarse en el sistema de tratamiento de emisiones contiene un componente del grupo del platino (por ejemplo, componentes de platino, paladio o rodio) dispersado sobre un soporte de oxido refractario de area superficial elevada (por ejemplo, gamma-alumina) que se combina con un componente de zeolita (preferiblemente una beta zeolita). Un componente de metal del grupo del platino preferido es el platino. Cuando la composicion se dispone sobre un sustrato de oxido refractario, por ejemplo, un sustrato alveolar de flujo continuo, la concentracion de platino normalmente es de desde aproximadamente 0,35 g/l (10 g/ft3) - 4,24 g/l (120 g/ft3) de platino.

Tambien se describen composiciones a base de metal del grupo del platino adecuadas para su uso en la formation del catalizador de oxidacion en la patente estadounidense n.° 5.100.632 (la patente '632). La patente '632 describe composiciones que tienen una mezcla de platino, paladio, rodio y rutenio y un oxido de metal alcalinoterreo tal como oxido de magnesio, oxido de calcio, oxido de estroncio u oxido de bario con una razon atomica entre el metal del grupo del platino y el metal alcalinoterreo de aproximadamente 1:250 a aproximadamente 1:1, y preferiblemente de aproximadamente 1:60 a aproximadamente 1:6.

Tambien pueden formarse composiciones de catalizador adecuadas para el catalizador de oxidacion usando metales base como agentes catallticos. Por ejemplo, la patente estadounidense n.° 5.491.120 da a conocer composiciones de catalizador de oxidacion que incluyen un material catalltico que tiene un area superficial BET de al menos aproximadamente 10 m2/g y consiste esencialmente en un segundo oxido de metal a granel que puede ser uno o mas de titania, zircona, ceria-zircona, sllice, alumina-sllice y alfa-alumina.

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Tambien son utiles las composiciones de catalizador dadas a conocer en la patente estadounidense n.° 5.462.907 (la patente '907). La patente '907 ensena composiciones que incluyen un material catalltico que contiene ceria y alumina teniendo cada uno un area superficial de al menos aproximadamente 10 m2/g, por ejemplo, ceria y alumina activada en una razon en peso de desde aproximadamente 1,5:1 hasta 1:1,5. Opcionalmente, puede incluirse platino en las composiciones descritas en la patente '907 en cantidades eficaces para provocar la oxidacion en fase gaseosa de CO e hidrocarburos no quemados pero que se limitan para impedir una oxidacion excesiva de SO para dar SO2. Alternativamente, puede incluirse paladio en cualquier cantidad deseada en el material catalltico.

En una tercera realizacion de un sistema de tratamiento de emisiones (no mostrado), un catalizador 11 de oxidacion esta situado aguas arriba del filtro 12 de partlculas cargado de SCR sin ningun componente adicional que contenga SCR aguas abajo.

La figura 2 proporciona una ilustracion esquematica y en perspectiva de un filtro 24 de partlculas no segun la invention. El filtro 24 de partlculas incluye particiones 17, entre las cuales se dispone un conjunto 22 de filtro segun la invencion en cada caso. En esta realizacion, el conjunto 22 de filtro esta formado con dos capas 21 de revestimiento y una capa 29 de fibras dispuesta entre ellas, aunque la conexion mediante union tecnica en la region llmite no puede observarse debido a la ilustracion en section. Las particiones 17 en este caso estan dotadas de una estructura, mientras que el conjunto 22 de filtro tiene una superficie sustancialmente lisa. Esta estructura de las particiones 17 forma pasos 20 a traves de los cuales un gas de escape puede fluir en el sentido 25 de flujo. Las particiones 17 en este caso tienen diferentes alturas 28 de la estructura de manera que los pasos 20 estan formados se adaptan a las caracterlsticas del flujo entrante de gas de escape.

La figura 2 muestra sustancialmente un filtro abierto. Esta propiedad se describe por el hecho de que hay una libertad de flujo de al menos el 20%. En este contexto, el termino “libertad de flujo” significa que en cualquier seccion transversal deseada es posible ver a traves de al menos el 20% del area, es decir al menos el 20% del area esta libre de accesorios internos, tales como superficies 27 de desviacion o similares. En otras palabras, esto tambien significa que cuando un filtro de partlculas de este tipo se observa desde el lado de extremo, es posible ver a traves de al menos parte del paso siempre que los accesorios internos esten todos en la misma position, es decir, esten alineados uno detras del otro. Este es habitualmente el caso con cuerpos alveolares hechos de capas de chapa metalica al menos parcialmente estructuradas. Sin embargo, la libertad de flujo, en el caso de accesorios internos que no estan alineados entre si, no significa necesariamente que sea realmente posible ver a traves de parte de un cuerpo alveolar de este tipo. Las particiones 17 estan dotadas de aberturas 26 y superficies 27 de desviacion que desvlan la corriente de gas hacia el conjunto 22 de filtro. Esto produce diferencias de presion que hacen que los flujos parciales de gas de escape penetren a traves del conjunto 22 de filtro de manera que las partlculas de hollln o similares permanezcan y se acumulen en la capa 29 de fibra.

La figura 3 muestra una configuration ligeramente diferente de un cuerpo de filtro no segun la invencion. En este caso tambien, los pasos 42 se generan sustancialmente por una estructura correspondiente de las particiones 45. Ademas, las particiones 45 tienen superficies 46 de desviacion que cierran toda la seccion transversal de los pasos 42. El resultado de esto es que se influye en el sentido 44 de flujo del gas de escape de tal manera que el gas de escape que contiene material particulado se gula a traves del conjunto 40 de filtro. Esta configuracion es principalmente adecuada para aplicaciones en las que una perdida de presion no es crltica. En el caso de sistemas de gas de escape moviles, segun el conocimiento actual, es preferible usar un filtro abierto con pasos 42 que solo estan limitados pero no cerrados. Segun el numero de superficies 46 de desviacion por las que ha de atravesar el gas de escape y/o el flujo a traves de un conjunto 40 de filtro, en ultima instancia se filtra sustancialmente toda la corriente de gas y se purifica incluso en el caso de un cuerpo 12 de filtro abierto, tal como se ilustra en la figura 2.

Un filtro parcial que se usa segun la invencion es un filtro de espuma tal como se ilustra en las figuras 4A y 4B. El filtro de espuma es un filtro de espuma metalica, y el filtro de espuma metalica segun la presente invencion forma una estructura de sustrato abierta o reticulada que comprende celulas o poros y puntales metalicos que forman paredes celulares, vease la figura 4B. El sustrato de espuma metalica puede describirse adicionalmente como una matriz porosa que tiene una pluralidad de pasos de forma irregular en los que los gases de escape se someten a multiples giros y vueltas aleatorias al desplazarse desde el lado aguas arriba al lado aguas abajo del filtro, vease la figura 4A. Esta trayectoria de flujo turbulenta o tortuosa se define mediante numerosas aberturas, poros, canales o caracterlsticas estructurales similares que provocan que el llquido y/o el gas fluya a su traves de manera turbulenta o sustancialmente no laminar y da al sustrato un area superficial elevada por volumen global de la trayectoria de flujo del fluido a traves del sustrato, por ejemplo, caracterlsticas que crean una zona de transferencia de masa elevada para el fluido en la misma. En cambio, un sustrato denso, tal como una placa, tubo, lamina y similares, tiene un area superficial relativamente pequena por volumen global de la trayectoria de flujo a traves del sustrato, independientemente de si esta perforada o no, y no interrumpe sustancialmente el flujo laminar a su traves. Es importante que la estructura de sustrato abierta o reticulada de la espuma metalica, no solo proporcione una zona de transferencia de masa elevada, sino que tal estructura abierta mantenga la contrapresion baja. El filtro de espuma metalica de la presente invencion puede apreciarse mas facilmente haciendo referencia de nuevo a la figura 4A, que representa una vista en perspectiva esquematica de un filtro de espuma metalica, y la figura 4B, que representa una vista fragmentada esquematica ampliada de la red tridimensional del filtro de espuma metalica, ambas propuestas

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como realizaciones no limitativas de la invencion. En referenda a las figuras 4A y 4B, un filtro 56 de espuma metalica esta alojado dentro de una unidad 58 de alojamiento. El esquema muestra una red abierta de puntales metalicos para proporcionar paredes 60 y poros 62, lo que constituye una trayectoria tortuosa para una corriente de entrada de aire.

Puesto que estas estructuras de espuma metalica tienen areas superficiales mas altas que los sustratos densos y puesto que permiten el flujo de fluido a su traves, son muy adecuadas para su uso en la preparacion de elementos de filtro para atrapar los materiales transportados por llquido o gas. Ademas, el area superficial elevada proporciona transferencia de masa mejorada de especies activas mejorando as! la eficacia de la espuma metalica como portador de catalizador. En la tecnica se conocen los metodos para producir metal espumado, vease por ejemplo, la patente estadounidense n.° 3.111.396, y el uso de metal espumado como portador para un material catalltico se ha sugerido en la tecnica, vease por ejemplo, Informe Tecnico de la SAE 971032, titulado “A New Catalyst Support Structure For Automotive Catalytic Converters” por Arums D. Jatkar, que se presento en la Exposition y Congreso Internacionales, Detroit, Michigan, 24-27 de febrero de 1997.

Las espumas metalicas pueden caracterizarse de diversas maneras, algunas de la cuales se refieren a las propiedades de la matriz organica inicial alrededor de la cual se dispone el metal. Algunas caracterlsticas de los sustratos metalicos espumados reconocidos en la tecnica incluyen el tamano de celula, la densidad, el volumen libre y el area superficial especlfica. Por ejemplo, el area superficial puede ser 1500 veces la de un sustrato solido que tiene las mismas dimensiones que el sustrato espumado. Los sustratos de metal espumados utiles como portadores para elementos de catalizador tiene diametros de celula medios en el intervalo de 0,5 a 5 mm, y pueden tener un volumen libre de desde aproximadamente el 80 hasta el 98%, por ejemplo, del 3 al 15 por ciento del volumen ocupado por el sustrato formado puede constituir metal. La porosidad del sustrato puede oscilar entre 1,2 y 39,4 poros por cm (de 3 a 100 poros por pulgada (ppi)) por ejemplo, entre 11,8 y 35 poros por cm (de 30 a 90 ppi) o entre 15,7 y 27,6 poros por cm (de 40 a 70 ppi). En un intervalo ilustrativo de 3,9 a 31,5 poros por cm (de 10 a 80 ppi), otras caracterlsticas tales como celulas por cm cuadrado (pulgada cuadrada) pueden oscilar entre 15,5 y 992 (de 100 a 6400) y el diametro de banda aproximado puede variar entre 0,025 cm y 0,010 cm (de 0,01 pulgadas a 0,004 pulgadas). Tales espumas tienen estructuras reticuladas de celula abierta, basandose en un precursor de banda reticulado/interconectado. Normalmente tienen areas superficiales que aumentan con la porosidad en el intervalo de desde aproximadamente 24,7 metros cuadrados por litro de espuma (700 metros cuadrados por pie cubico) a aproximadamente 3,9 poros por cm (10 ppi) hasta 141,3 m2/l (4000 m2/ft3) a aproximadamente 23,6 poros por cm (60 ppi), etc. Otros sustratos espumados metalicos adecuados tienen areas superficiales que oscilan entre aproximadamente 0,66 m2/l (200 pies cuadrados por pie cubico de metal espumado (ft2/ft3)) a aproximadamente 3,9 poros por cm (10 ppi) y aproximadamente 6,23 m2/l (1900 ft2/ft3) a aproximadamente 31,5 poros por cm (80 ppi). Pueden tener densidades de volumen en el intervalo de 0,1 a 1 gramo por centlmetro cubico (g/cc), tambien se ejemplifica de 0,1 a 0,3 g/cc. Pueden formarse sustratos espumados metalicos a partir de una variedad de metales, incluyendo hierro, titanio, tantalio, tungsteno, metales nobles, metales sinterizables comunes tales como cobre, nlquel, bronce, etc., aluminio, zirconio, etc., y combinaciones y aleaciones de los mismos tales como aleaciones de titanio-aluminio, acero, acero inoxidable, Hastelloy, Ni/Cr, Inconel (Ni/Cr/Fe), Monel (Ni/Cu) y FeCrAlloy (Fe/Cr/Al/Yt).

Otra forma de filtro parcial no segun la invencion se basa en malla metalica recubierta. Por tanto, pueden apilarse capas individuales de malla tejida sobre la que se dispone un catalizador para formar una estructura tridimensional. Este apilamiento de malla metalica recubierta tiene algunas de las mismas propiedades que una estructura de espuma recubierta tal como se describio anteriormente. El material de malla puede ser metal o ceramica y puede fabricarse ligando, cortando y expandiendo, perforando u otros metodos conocidos en la tecnica para producir laminas con areas frontales abiertas en el intervalo de aproximadamente el 30 al 90%. Tales laminas tambien pueden doblarse u ondularse antes o despues del recubrimiento para formar estructuras en capas tridimensionales. El apilamiento de laminas onduladas y sin ondular puede usarse para potenciar las caracterlsticas de flujo de las estructuras apiladas tridimensionales resultantes.

El filtro poroso usado en esta invencion se cataliza de manera que la pared de dicho elemento tiene sobre ella o contiene en ella uno o mas materiales catallticos. Los materiales catallticos pueden estar presentes sobre las superficies de los elementos filtrantes, sobre la superficie de los elementos de desviacion del filtro, incrustados en las superficies del elemento de filtro o el filtro en si puede consistir en su totalidad, o en parte, en el material catalltico. Esta invencion incluye el uso de una o mas capas de materiales catallticos y combinaciones de una o mas capas de materiales catallticos sobre la superficie del elemento de filtro, incrustados en la superficie o que comprenden el elemento de filtro en parte o en su totalidad.

Para recubrir los sustratos de filtro parcial con la composition de catalizador de SCR, los sustratos se sumergen verticalmente en una portion de la suspension de catalizador de manera que la parte superior del sustrato se situa justo por encima de la superficie de la suspension. La muestra se deja en la suspension durante aproximadamente 30 segundos. El sustrato se elimina de la suspension, y se elimina el exceso de suspension del sustrato en primer lugar permitiendo que drene de la pieza, luego soplando con aire comprimido (en contra del sentido de penetration de la suspension). Usando esta tecnica, la suspension de catalizador permea al sustrato y se recubre sobre toda la

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superficie interna del filtro pero no tapona los canales de flujo de gas en el filtro hasta el punto de que se desarrolle una contrapresion indebida en el sustrato terminado.

Los sustratos recubiertos se secan normalmente a aproximadamente 100°C y se calcinan a una temperatura mas alta (por ejemplo, de 300°C a 450°C). Despues de calcinar, la carga del catalizador puede determinarse a traves del calculo de los pesos recubiertos y sin recubrir del sustrato. Tal como resultara evidente para los expertos en la tecnica, la carga del catalizador puede modificarse alterando el contenido en solidos de la suspension de recubrimiento. Alternativamente, pueden realizarse inmersiones repetidas del sustrato en la suspension de recubrimiento, seguido por eliminacion de la suspension en exceso tal como se describio anteriormente.

Ejemplos:

Ejemplo comparativo 1. Se cargo un recubrimiento de SCR sobre un catalizador de sustrato de filtro de flujo de pared en un nucleo de filtro de cordierita con el 65% de porosidad que media 2,54 cm (1”) de diametro por 7,62 cm (3”) de longitud. Por tanto, se mezclo un polvo de catalizador de zeolita de silicato de aluminio intercambiado con metal que tenia una estructura beta, es decir Fe-beta, con agua y se molio de manera que el 90% de las partlculas tuvieron un diametro de menos de 10 micrometros (es decir, D90< 10 pm). Se diluyo la suspension resultante hasta el 20% de solidos en peso. Se introdujo el nucleo de filtro en la suspension hasta que se sumergio completamente y despues se retiro para drenar la suspension en exceso seguido por soplado con aire comprimido para retirar suspension de las paredes. Tras retirar todo el exceso de suspension de las paredes y los canales, se seco la pieza bajo flujo de aire a 120°C durante 30 minutos. Entonces se calcino la muestra secada en aire estatico durante 1 hora a 450°C. La carga de catalizado resultante sobre la pieza fue de 46,38 g/l (0,76 g/in3). Se tomaron mediciones de la calda de presion antes de y despues del recubrimiento usando un flujometro Superflow®. Se midio el flujo a 1,00, 1,49, 1,99, 2,49, 2,99 y 3,73 kPa (4, 6, 8, 10, 12 y 15 pulgadas de agua) antes del recubrimiento y despues del recubrimiento. Se registro la reduccion en el flujo y luego se obtuvo el promedio para dar un aumento de contrapresion unico con recubrimiento del 1,0%. Tras el recubrimiento, se envejecio la muestra a 750°C durante 5 h bajo un flujo de aire con el 10% de corriente. Se midio el rendimiento de SCR de la muestra recubierta en un reactor revestido con cuarzo con una alimentacion de gas que comprendla 500 ppm de NO, 500 ppm de NH3, el 5% de H2O, el 10% de O2, y el resto de N2. El flujo de gas de flujo total a traves de la muestra fue de 22,5 l dando como resultado una velocidad espacial de gas por hora de aproximadamente 37.000 h-1. Se sometio a prueba la actividad catalltica de SCR de la muestra estabilizando a 200°C durante 15 minutos y luego midiendo las concentraciones de gases NO, NO2, N2O y NH3 aguas abajo con un FTIR. Entonces se tomaron las concentraciones de gas a 250, 300, 350 y 450°C de la misma manera. Por tanto, se registro la conversion de “NOx” de la muestra como un % de reduccion en la concentracion de NO a cada punto de temperatura y se proporciona en la tabla 1 a continuacion.

Tabla 1, conversion de NOx de SCR sobre un filtro de cordierita con el 65% de porosidad

Temperatura

200 250 300 350 450

Conversion de NOx (%)

13,5 29,4 62,9 83,6 85,7

Ejemplo 2. Recubrimiento de catalizador de SCR sobre nucleos de filtro parcial a base de espuma de metal.

Usando los metodos del ejemplo 1, se creo una serie de muestras cargando discos de espuma de metal con el 95% de porosidad, 2,54 cm (1”) de diametro por 2,54 cm (1”) de grosor, con un catalizador de SCR de Fe beta usando una suspension de solidos del 30,5%. Por tanto, se recubrieron espumas de metal de FeCrAlloy con el 95% de porosidad de densidad de poro de 15,7 o 19,5 poros por cm (40 o 50 ppi) con catalizador, se secaron y se calcinaron para proporcionar cargas de catalizador de 42,7 a 54,9 g/l (de 0,7 a 0,9 g/in3) Se midio el aumento de contrapresion y el rendimiento catalltico de SCR para tres muestras de 2,54 cm (1”) de diametro, 2,54 cm (1”) de grosor situadas en serie para formar un conjunto de 2,54 cm x 7,62 cm (1” x 3”). La actividad de SCR del conjunto se establecio mediante en el mismo metodo que en el ejemplo 1. Los resultados de la actividad se proporcionan en la tabla 2 a continuacion. Se midio el aumento de contrapresion del conjunto recubierto de tres muestras para las partes individuales y se obtuvo el promedio para dar un aumento de contrapresion en el recubrimiento de aproximadamente el 11%.

Tabla 2, conversion de NOx de SCR sobre un filtro de espuma de metal de 19,5 poros por cm (50 ppi) y con el 95% de porosidad

Temperatura

200 250 300 450

Conversion de NOx (%)

2,2 12,7 36,5 87,2

A pesar de la conversion mas baja del SCR en la muestra de filtro parcial en el ejemplo 2 anterior, proporciona una conversion adecuada para un sistema basado en filtro parcial que tendrla ventajas adicionales tal como se senalo anteriormente. Concretamente, siempre que pueda lograrse una conversion adecuada y una conversion de material

particulado, es ventajosa la reduccion en la carga termica y la frecuencia de episodios de regeneration as! como la reduction en la acumulacion de cenizas para el sistema.

La referencia en toda la memoria descriptiva a “una realization”, “determinadas realizaciones” o “una o mas realizaciones” significa que se incluye un rasgo distintivo, estructura, material o caracterlstica particular descrita en 5 relation con la realizacion en al menos una realizacion de la invention. Por tanto, la aparicion de expresiones tales

como “en una o mas realizaciones”, “en determinadas realizaciones” o “en una realizacion” en diversos lugares en toda esta memoria descriptiva no se refiere necesariamente a la misma realizacion de la invencion. Ademas, los rasgos distintivos, estructuras, materiales o caracterlsticas particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o mas realizaciones. El orden de description del metodo anterior no debe considerarse limitativo, y 10 los metodos pueden usar las operaciones descritas de manera desordenad o con omisiones o adiciones.

Ha de entender que se pretende que la descripcion anterior sea ilustrativa y no limitativa. Muchas otras realizaciones seran evidentes para los expertos habituales en la tecnica tras revisar la descripcion anterior. El alcance de la invencion debe determinarse, por tanto, con referencia a las reivindicaciones adjuntas.

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   REIVINDICACIONES

   1. Artlcuio catalltico para su uso en un sistema para tratar una corriente de gas de escape de motor que contiene una concentracion de NOx iniciai y materia particulada, produciendo la corriente de gas una contrapresion del sistema, comprendiendo el artlculo catalltico:

   un filtro de partlculas que comprende un primer catalizador de SCR eficaz para la conversion de NOx, comprendiendo el filtro de partlculas una espuma metalica que tiene una estructura de sustrato abierta o reticulada y comprendiendo la espuma poros y puntales que proporcionan paredes celulares,

   en el que el sustrato tiene un diametro celular medio en el intervalo de desde 0,5 hasta 5 mm, y en el que el filtro de partlculas tiene una carga de catalizador en el intervalo de 6,1 g/l (0,1 g/in3) a 213,5 g/l (3,5 g/in3).
2. 2. Artlculo catalltico segun la reivindicacion 1, en el que la porosidad del sustrato oscila entre 1,2 y 39,4 poros por cm (de 3 a 100 poros por pulgada), preferiblemente entre 3,9 y 35 poros por cm (de 10 a 90 poros por pulgada), mas preferiblemente entre 11,8 y 31,5 poros por cm (de 30 a 80 poros por pulgada), e incluso mas preferiblemente entre 15,7 y 27,6 poros por cm (de 40 a 70 poros por pulgada).
3. 3. Artlculo catalltico segun la reivindicacion 1, en el que el filtro de partlculas tiene una longitud axial y el catalizador de SCR esta dispuesto sobre una zona que se extiende menos que la longitud axial completa del filtro.
4. 4. Artlculo catalltico segun la reivindicacion 1, en el que la carga del catalizador de SCR esta en el intervalo de 30,5 g/l (0,5 g/in3) y 122 g/l (2,0 g/in3).
5. 5. Sistema de tratamiento de emisiones de motor diesel que comprende el artlculo catalltico segun la reivindicacion 1, y que comprende ademas un catalizador de oxidacion dispuesto aguas arriba del filtro de partlculas y no hay ningun catalizador de SCR intermedio dispuesto entre el motor y el filtro de partlculas.
6. 6. Sistema de tratamiento de emisiones segun la reivindicacion 5, que comprende ademas un catalizador de oxidacion dispuesto aguas arriba del filtro de partlculas.
7. 7. Metodo de tratamiento de una corriente de gas de escape de motor que contiene una concentracion de NOx inicial y eficaz para la conversion de NOx, produciendo la corriente de gas una contrapresion del sistema, comprendiendo el metodo:

   hacer pasar la corriente de gas a traves de un artlculo catalltico segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 dispuesto aguas abajo del motor, estando dispuesto el catalizador sobre el sustrato de filtro desde el 10 hasta el 100% de su longitud.
8. 8. Metodo segun la reivindicacion 7, que comprende ademas:

   inyectar amoniaco o un precursor de amoniaco en el sistema de gas de escape aguas arriba del filtro de partlculas; y

   hacer pasar la corriente de gas que tiene la concentracion de NOx intermedia a traves de un segundo sustrato cargado con un segundo catalizador de SCR dispuesto aguas abajo del filtro de partlculas eficaz para la conversion de NOx, en el que la corriente de gas que sale del sistema de tratamiento de emisiones tiene una concentracion de NOx final.
9. 9. Metodo de tratamiento de una corriente de gas de escape de motor segun la reivindicacion 7 u 8, en el que no hay ningun catalizador de SCR intermedio dispuesto entre el motor y el filtro de partlculas.