Valorisation de l'hydrogène pour la réduction des NOx en moteur diesel

Hydrogen usage for the reduction of NOx from diesel engines

• Auteur / Autrice : N'Guessan Anita Kouakou
• Direction : Pascal Granger, Christophe Dujardin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et matière condensée
• Date : Soutenance le 14/12/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supports de catalyseurs

Spectroscopie infrarouge

Catalyseurs au rhodium

Hydrogène

Ammoniac

Moteurs diesel -- Gaz d'échappement

Oxydes d'azote

Mots clés libres

Piège à oxyde d'azote

Réduction catalytique sélective

Résumé

Cette thèse a pour objectif d’étudier la faisabilité du couplage d’un NOxTrap et d’un catalyseur SCR. L’efficacité du système fonctionnant en régime séquentiel nécessite d’optimiser la formation de NH3 au cours de la purge du NOxTrap. L’impact de Rh sur la formation de NH3 et sur l’efficacité globale du système a été étudié. Une évaluation sur banc moteur en conditions réelles a montré qu’il est possible de former NH3 au cours de la purge grâce à l’injection d’un reformat. NH3 formé peut être stocké sur un catalyseur SCR placé en aval pour réduire les NOx lors du basculement en phase pauvre. L’efficacité de ce système dépend de la durée de la purge, de la température, de la quantité de NH3 formée au cours de la purge et de la capacité de stockage du catalyseur SCR. L’étude comparative de deux systèmes en présence et en absence de Rh permet de mieux cerner le rôle de Rh. Les phénomènes observés sur banc moteur ont pu être reproduits en micro-réacteur où les observations par spectroscopie IR in situ ont pu être corrélées aux mesures d’activité en conversion des NOx. Nous avons pu observer la formation de nitrates et de nitrites sur Al2O3 et sur Ba au cours du stockage. Lorsque la durée de la purge est longue, leur réactivité au cours de la purge suit un processus en deux étapes. La sélectivité en N2, N2O et NH3 dépend de la quantité et de la nature du réducteur. H2 est le meilleur réducteur notamment à basse température avec une très bonne sélectivité en NH3. En revanche, la présence de CO inhibe le stockage et la réduction des NOx à basse température. Au-delà de 250°C, la formation d’isocyanates intervient sur Al2O3 et BaO pouvant produire par hydrolyse de l’ammoniac.

This thesis aims to investigate the feasibility of coupling a NOxTrap with a SCR catalyst. The efficiency of such a system running in sequential conditions depends on the extent of NH3 formed during the purge of the NOxTrap. The impact of Rh for further optimization has been investigated. An evaluation in real exhaust conditions on a driving bench showed that it is only possible to form NH3 during the purge of a NOxTrap by injecting extra reducing agent via a reformate mainly composed of CO and H2. Once formed NH3 can be stored on the SCR catalyst placed downstream and then react with NOx when the catalyst is exposed in lean conditions during the storage phase. The efficiency of this system depends not only on the purge duration and but also on the temperature. In fact, the performance of this system is linked to the quantity of NH3 formed during the purge of a NOxTrap and the NH3 storage capacity of the SCR catalyst. Similar trends were observed on a micro-reactor at the lab-scale. Further IR operando study showed that nitrates and nitrites are stored on alumina and mostly on barium oxide during the storage phase. Their ability to react during the purge follows a process in two stages when the purge duration is long enough. The selectivity in N2, N2O and NH3 depends on the quantity and on the nature of the reducing agents. H2 is probably the best one with a high efficiency in NOx reduction even at low temperature providing selectivity enhancement in NH3. However, the presence of CO was found to inhibit the storage and the reduction of NOx at low temperature. Above 250°C the formation of isocyanates on Al2O3 and BaO takes place and would produce NH3 via hydrolysis.