IR spectroscopy based kinetic modeling of NH3-SCR on Fe-zeolites : application for diesel engines aftertreatment system simulation

par Stavros Skarlis

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Pascal Granger.

  • Titre traduit

    Modélisation de la SCR au NH3 sur zéolithes au fer, basée sur spectroscopie IR : application pour la simulation des systèmes de post-traitement des moteurs diesel


  • Résumé

    La réduction catalytique sélective des oxydes d'azote au moyen de l'urée ou de l'ammoniac est une technique établisse, pour une conversion efficace des NOx, qui existent dans le gaz d'échappement des moteurs Diesel mobiles. Parmi les formulations catalytiques proposées, les zéolithes échangées au fer sont considérés comme des catalyseurs SCR prometteuse, grâce à leur performance deNOx élevée, sur une large gamme des températures, ainsi qu'une résistance importante au vieillissement hydrothermique. Dans le cadre de cette thèse, une étude expérimentale détaillée des voies réactionnelles de la SCR sur les zéolithes au Fe a été réalisée de façon à développer un modèle phénoménologique et macro-cinétique, appliqué pour la simulation des systèmes de post-traitement des moteurs Diesel. Des expériences dédiées qui comprenaient des mesures de spectroscopie IR ont été réalisées sur les catalyseurs H- et Fe-BEA, synthétisés en laboratoire pour élucider les aspects mécanistiques liées à la formation et aux interactions de l'ammoniac et d'oxydes d'azote (notamment des espèces nitrates et nitrites) sur des sites catalytiques acides et redox. La formation et la décomposition de NH4NO3 ont été particulièrement préoccupantes. Basé sur des résultats expérimentaux un modèle cinétique multi-site a été développé. Le modèle a été capable de prendre en compte la variation de l'acidité de surface, les interactions des espèces gazeux du NH3 et des NOx avec des sites métalliques, ainsi que des phénomènes de physisorption à basse température. Le modèle a été validé avec succès par la simulation des expériences réalisées sur divers échantillons, CE qui souligne l'intérêt de l'approche suivie.


  • Résumé

    Selective Catalytic Reduction of nitrogen oxides through urea or ammonia is a well established technique for the efficient abatement of NOx, from mobile diesel engines exhaust stream. Among catalytic formulations proposed, Fe-exchanged zeolites are considered as promising SCR catalysts, due to their enhanced deNOx performance over a broad range of operating temperatures, as well as significant resistance to hydrothermal ageing. In the present work, detailed experimental investigation of the NH3-SCR reactions network over Fe zeolites was performed in order to develop a phenomenological macro-kinetic model oriented to diesel engines aftertreatment system simulation. Dedicated experiments, including IR spectroscopy measurements were performed over lab-synthesized H- and Fe-BEA catalysts in order to unravel mechanistic aspects related to the formation and interactions of ammonia and nitrogen oxides adspecies (namely nitrate and nitrites) on acidic and redox catalytic sites. Formation and decomposition of NH4NO3 was of particular concern. Based on experimental results a multi-site kinetic model was developed, which was able to account for surface acidity variation, interactions of gaseous NH3 and NOx species with iron sites, as well as low temperature physisorption phenomena. The model was successfully validated through simulation of experiments performed over various Fe-zeolite samples, applying a broad range of operating conditions, which showed the interest of the followed approach.


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