Compréhension des mécanismes de dégradation des catalyseurs SCR sur filtre à particules pour le traitement des oxydes d'azote

Degradation mechanisms study of NOx after-treatment SCR system using urea on a Diesel Particulate Filter catalyst

• Auteur / Autrice : Kawsar Mehsein
• Direction : Gérard Delahay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physicochimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 25/10/2017
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Jerzy Zając
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Delahay, Jerzy Zając, Christophe Dujardin, Anne Giroir-Fendler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Dujardin, Anne Giroir-Fendler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique -- Modèles mathématiques

Ammoniac

Moteurs diesel

Frittage (métallurgie)

Moteurs -- Filtres à huile

Catalyse

Urée

Mots clés libres

Urée

NOx

Nh3-Scr

Vieillissement hydrothermal

Filtre à particules

Urea

NOx

Hydrothermal ageing

Nh3-Scr

Diesel Particulate Filter

Résumé

La Reduction Catalytique Sélective (SCR) par l’ammoniac est un procédé qui est commercialement utilisé pour l’élimination des oxydes d’azote (NOx) issus des moteurs Diesel afin de répondre aux exigences des normes européennes concernant les émissions. Pour pouvoir mieux traiter les NOx, surtout à froid, la combinaison du catalyseur SCR à base de zéolithe échangée au Cu (Cu-Zéolithe) et le filtre à particules (SCRF) représente un avantage à son rapprochement du moteur. Néanmoins, la combinaison peut avoir aussi des inconvénients, lors de la régénération en continue du filtre à particules, le catalyseur SCRF sera soumis à de multiples occurrences thermiques et à de possible empoisonnement par le carburant et l’huile moteur durant toute la vie du système de post-traitement en véhicule. Etant donné que la législation européenne exige que le système de post-traitement soit opérationnel et efficace jusqu’à 160.000km, il est donc important de comprendre les phénomènes engendrés par le vieillissement hydrothermal du SCRF afin de pouvoir l’améliorer. Dans le cadre de ce travail, des simulations du vieillissement hydrothermal dans un four de laboratoire et en parallèle un vieillissement réel d’environ 120.000km d’une ligne de post-traitement comprenant le SCRF ont été réalisés. Les différents résultats ont permis de comprendre le mécanisme de dégradation de la performance du catalyseur à base de Cu-Zéolithe lié au traitement hydrothermal et de pouvoir corréler un vieillissement réel en véhicule à un vieillissement accéléré au four. De plus, des techniques rapides de caractérisation permettant de détecter l’état de vieillissement d’un catalyseur SCRF ont été sélectionnées. Finalement, un modèle mathématique basé sur les résultats expérimentaux a permis de décrire la dégradation de la capacité de stockage de l’ammoniac du catalyseur SCRF avec le traitement hydrothermal.

The selective catalytic reduction (SCR) by urea or ammonia is a well-known method to meet the European emission regulation requirements concerning the reduction of nitrogen oxides (NOx) emissions from Diesel engines. In order to optimize the NOx reduction activity at all temperature range, a copper-exchanged zeolite (Cu-Zeolite) SCR catalyst is combined to a Diesel Particulate Filter (SCRF). However, during the continuous regeneration of the particulate filter, the SCRF catalyst will go through numerous constraints such as variable high temperature, poisoning compounds from Diesel fuel and engine oil, during the entire vehicle life of the after-treatment line. Moreover, the European legislation requires a durability of the after-treatment line for about 160,000km. Understanding the degradation of the SCRF catalyst by the hydrothermal ageing is of interest to apprehend the deactivation mechanism in order to develop a stable material. In the present work, accelerated hydrothermal ageing in laboratory oven and also a real driving ageing of an SCRF catalyst, included in an after-treatment line for about 120,000km, were performed. The different results obtained help to apprehend the degradation mechanism of a Cu-Zeolite SCRF catalyst performance and also to find a correlation between a 120,000km real driving ageing and an equivalence oven aged SCRF catalysts. Moreover, rapid characterization methods, to detect the hydrothermal ageing status of an SCRF catalyst, have been selected. Finally, a mathematical model, based on experimental results, has allowed to describe the degradation of the ammonia storage capacity of the SCRF catalyst with the hydrothermal ageing.