CH615979A5 - Process for purifying exhaust gases emitted by internal combustion engines of the diesel type - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé d'épuration des gaz d'échappement émis par un moteur à combustion interne du type Diesel, dans lequel ces gaz passent au travers d'un dispositif constitué par un enchevêtrement de fils métalliques, revêtus d'alumine déposée à partir d'une solution d'aluminate alcalin puis calcinée, et introduit dans une enceinte métallique placée dans le circuit d'échappement du moteur. The present invention relates to a process for purifying the exhaust gases emitted by an internal combustion engine of the Diesel type, in which these gases pass through a device constituted by a tangle of metal wires, coated with alumina deposited at from an alkaline aluminate solution then calcined, and introduced into a metal enclosure placed in the engine exhaust circuit.
On sait qu'il existe entre les gaz d'échappement émis par les moteurs à essence et les moteurs Diesel des différences importantes de nature et de composition. We know that there are significant differences in nature and composition between the exhaust gases emitted by petrol and diesel engines.
Dans le premier cas, on trouve, outre de l'azote, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau provenant de la combustion des hydrocarbures, de l'oxyde de carbone (4 à 6%), des oxydes d'azote (de 500 à 2000 ppm), des hydrocarbures imbrûlés (500 à 2000 ppm), des dérivés sulfurés oxydés, et du plomb, ce dernier provenant du plomb tétraéthyle ajouté comme antidétonant. In the first case, in addition to nitrogen, there is carbon dioxide and water vapor from the combustion of hydrocarbons, carbon monoxide (4 to 6%), nitrogen oxides ( from 500 to 2000 ppm), unburnt hydrocarbons (500 to 2000 ppm), oxidized sulphide derivatives, and lead, the latter coming from tetraethyl lead added as an antiknock.
Dans le second cas, on trouve dans les gaz d'échappement, outre de l'azote, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau provenant également de la combustion des hydrocarbures, une très faible proportion d'oxyde de carbone (500 à 800 ppm, soit près de cent fois moins que dans le premier cas), des oxydes d'azote (de 500 à 2000 ppm), des hydrocarbures imbrûlés (de 100 à 500 ppm), de l'oxygène (de 7 à 15%) dû au fait que l'on injecte toujours dans les chambres de combustion un très large excès d'air, et des particules noires très fines, à raison de 40 à 70 mg environ par litre de carburant injecté dans le moteur qui sont responsables de la couleur caractéristique et de l'opacité des fumées émises par l'échappement. In the second case, in the exhaust gases, in addition to nitrogen, carbon dioxide and water vapor also coming from the combustion of hydrocarbons, a very small proportion of carbon monoxide (500 to 800 ppm, almost a hundred times less than in the first case), nitrogen oxides (from 500 to 2000 ppm), unburnt hydrocarbons (from 100 to 500 ppm), oxygen (from 7 to 15% ) due to the fact that a very large excess of air and very fine black particles are always injected into the combustion chambers, at a rate of approximately 40 to 70 mg per liter of fuel injected into the engine which are responsible for the characteristic color and opacity of the fumes emitted by the exhaust.
Les gaz d'échappement de moteurs Diesel constituent pour l'environnement une nuisance grave en raison du nombre considérable, et en augmentation rapide, de véhicules équipés de moteurs Diesel (transport de marchandises et de passagers) et de l'utilisation fréquente de compresseurs d'air ou de groupes électrogènes mus par des moteurs Diesel, utilisés dans des locaux fermés ou des galeries souterraines. Diesel engine exhaust is a serious nuisance to the environment due to the large and rapidly increasing number of vehicles fitted with diesel engines (transporting goods and passengers) and the frequent use of air compressors. air or generator sets powered by Diesel engines, used in closed rooms or underground galleries.
Et, bien que, du fait de leur faible teneur en oxyde de carbone et de l'absence de plomb, leur toxicité soit relativement faible, leur odeur nauséabonde due, en particulier, à des aldéhydes, la présence de dérivés aromatiques polycycliques dont certains sont soupçonnés d'être cancérigènes, et la présence de particules carbo-nacées qui opacifient rapidement l'atmosphère lorsque l'échappement se fait dans un milieu confiné, rendent indispensables des dispositifs d'épuration de ces gaz d'échappement. And, although, due to their low carbon monoxide content and the absence of lead, their toxicity is relatively low, their foul odor due, in particular, to aldehydes, the presence of polycyclic aromatic derivatives, some of which are suspected of being carcinogenic, and the presence of carbonaceous particles which quickly cloud the atmosphere when the exhaust is in a confined environment, make it essential to clean up these exhaust gases.
On a découvert qu'il était possible, dans certaines conditions, de mettre à profit les propriétés de l'alumine déposée sur un substrat métallique présentant une grande surface, pour épurer les gaz d'échappement de moteurs Diesel, en éliminant la majeure partie des hydrocarbures imbrûlés et des particules carbonacées, qui sont les deux constituants les plus gênants. It has been discovered that it is possible, under certain conditions, to use the properties of alumina deposited on a metal substrate having a large surface area, to purify the exhaust gases of diesel engines, by eliminating most of the unburnt hydrocarbons and carbonaceous particles, which are the two most annoying constituents.
Il est connu que les solutions aqueuses d'aluminate alcalin peuvent, dans certaines conditions, se décomposer en alumine, qui précipite sous la forme de trihydrate AI2O3,3H2O, et en hydroxyde alcalin, soit spontanément, soit par addition de germes qui servent d'amorce pour la réaction de décomposition. Ces réactions sont mises en œuvre, par exemple, dans le procédé Bayer qui permet d'obtenir, à partir de la bauxite, l'àlumine pure destinée à la fabrication de l'aluminium par électrolyse ignée. It is known that aqueous solutions of alkaline aluminate can, under certain conditions, decompose into alumina, which precipitates in the form of trihydrate AI2O3,3H2O, and into alkaline hydroxide, either spontaneously or by addition of germs which serve as primer for the decomposition reaction. These reactions are implemented, for example, in the Bayer process which makes it possible to obtain, from bauxite, pure alumina intended for the manufacture of aluminum by igneous electrolysis.
Il est également connu que certaines formes physiques d'alumine présentent des propriétés catalytiques et adsorbantes qui sont utilisées dans de nombreuses opérations industrielles. It is also known that certain physical forms of alumina have catalytic and adsorbent properties which are used in numerous industrial operations.
Plus récemment, à la suite de travaux visant à réduire le niveau de pollution par les gaz d'échappement des moteurs thermiques, on a trouvé que certaines formes d'alumine pouvaient non seulement jouer un rôle de catalyseur, mais aussi adsorber la majeure partie du plomb entraîné sous la forme de composés volatils dans les gaz d'échappement, ledit plomb provenant de la décomposition, dans les chambres de combustion du moteur, des dérivés de plomb tétra-alkyles ajoutés au carburant pour améliorer son indice d'octane, c'est-à-dire sa capacité de résistance à l'autodétonation. More recently, as a result of work aimed at reducing the level of pollution by exhaust gases from heat engines, it has been found that certain forms of alumina could not only act as a catalyst, but also adsorb most of the lead entrained in the form of volatile compounds in the exhaust gases, said lead coming from the decomposition, in the engine combustion chambers, of tetraalkyl lead derivatives added to the fuel to improve its octane number, it that is, its ability to resist self-detonation.
Il a été trouvé, et c'est l'objet des brevets américains N05 3227659, 3231520,3495950, 3362783 au nom de Texaco Inc., que tes propriétés catalytiques et adsorbantes de l'alumine étaient particulièrement efficaces lorsqu'elle était déposée sur un substrat métallique formé d'un enchevêtrement de fils fins, tel que de la laine métallique ou de la paille métallique, la texture de cet enchevêtrement étant telle qu'elle n'oppose qu'une faible résistance au passage des gaz d'échappement, et qu'elle ne diminue que de façon insignifiante le rendement du moteur. It has been found, and this is the subject of US Pat. Nos. 3227659, 3231520,3495950, 3362783 in the name of Texaco Inc., that the catalytic and adsorbent properties of alumina were particularly effective when it was deposited on a metallic substrate formed by an entanglement of fine threads, such as metallic wool or metallic straw, the texture of this entanglement being such that it offers only a low resistance to the passage of exhaust gases, and that it only insignificantly reduces the efficiency of the engine.
Dans la demande de brevet français N° 75.39408, on a revendiqué un perfectionnement aux procédés de dépôt d'alumine sur un substrat métallique permettant d'obtenir en continu, et avec une régénération simultanée de la liqueur d'aluminate, des dépôts très adhérents et présentant d'excellentes propriétés adsorbantes. In French patent application No. 75.39408, an improvement to the processes for depositing alumina on a metal substrate was claimed, making it possible to obtain continuously, with simultaneous regeneration of the aluminate liquor, very adherent deposits and having excellent adsorbent properties.
Cependant, si l'on tente d'utiliser de tels dépôts pour épurer les gaz d'échappement des moteurs Diesel, on constate que l'efficacité de l'épuration est très faible et, en particulier, que l'odeur désagréable et l'opacité des fumées subsistent en grande partie. However, if one attempts to use such deposits to purify the exhaust gases of diesel engines, it is found that the efficiency of the purification is very low and, in particular, that the unpleasant odor and the opacity of the smoke remains largely.
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients précités. A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que ladite alumine a une surface spécifique au moins égale à 120 m2/g, que la température du dispositif d'épuration est maintenue au moins égale à 250° C et que la durée de contact entre les gaz d'échappement et l'alumine est au moins égale à 0,3 s. The invention aims to remedy the aforementioned drawbacks. To this end, the method according to the invention is characterized in that said alumina has a specific surface at least equal to 120 m2 / g, that the temperature of the purification device is maintained at least equal to 250 ° C and that the duration of contact between the exhaust gases and the alumina is at least equal to 0.3 s.
Ainsi, l'invention découle de la constatation qu'il était possible d'épurer efficacement les gaz d'échappement émis par les moteurs Diesel, par passage au travers d'un enchevêtrement de fils métalliques fins recouverts d'alumine, sous les conditions que ladite alumine possède une surface spécifique au moins égale à la valeur indiquée ci-dessus (mesurée par la méthode classique B.E.T. d'absorption d'azote à basse température selon la norme française Afnor X 11.621), que sa température, et que la durée de contact entre lesdits gaz et l'alumine soient au moins égales aux valeurs limites spécifiées ci-dessus. Thus, the invention stems from the observation that it was possible to effectively purify the exhaust gases emitted by diesel engines, by passing through a tangle of fine metal wires covered with alumina, under the conditions that said alumina has a specific surface at least equal to the value indicated above (measured by the conventional BET method of nitrogen absorption at low temperature according to French standard Afnor X 11.621), than its temperature, and that the duration of contact between said gases and alumina are at least equal to the limit values specified above.
Lorsque ces conditions sont réalisées, on constate que, d'une part, les hydrocarbures imbrûlés qui se trouvent mélangés à l'excès d'air toujours présent dans les gaz d'échappement, subissent une postcombustion à peu près totale et, en tous les cas, d'un taux suffisant pour supprimer toute odeur perceptible et que, d'autre part, les particules carbonées, responsables de l'opacité des fumées, sont retenues dans une proportion au moins égale à 70% et pouvant atteindre 80%. When these conditions are fulfilled, it can be seen that, on the one hand, the unburnt hydrocarbons which are mixed with the excess of air always present in the exhaust gases, undergo an almost total afterburning and, in all case, of a rate sufficient to remove any perceptible odor and that, on the other hand, the carbonaceous particles, responsible for the opacity of the fumes, are retained in a proportion at least equal to 70% and up to 80%.
Il apparaît que, de façon tout à fait surprenante, cette postcombustion s'opère en l'absence de tout élément catalyseur métal5 It appears that, quite surprisingly, this afterburning takes place in the absence of any metal catalyst element5
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lique, alors que dans les procédés antérieurs, notamment ceux qui font l'objet des brevets FR N°s 1047802, 1400504, US 3231520, 3495950, il était nécessaire d'introduire, dans l'alumine, des éléments catalyseurs métalliques, tels que du cuivre, du vanadium, du chrome, du manganèse, du platine ou du palladium, qui perdaient progressivement leur efficacité par le phénomène dit d'empoisonnement, ce qui en limitait la durée de vie de façon économiquement inacceptable. lique, while in the previous processes, in particular those which are the subject of patents FR No. s 1047802, 1400504, US 3231520, 3495950, it was necessary to introduce, into the alumina, metallic catalyst elements, such as copper, vanadium, chromium, manganese, platinum or palladium, which gradually lost their effectiveness by the phenomenon known as poisoning, which limited their life in an economically unacceptable manner.
La température au moins égale à 250° C, qui est nécessaire pour produire la postcombustion des hydrocarbures imbrûlés, est obtenue sans difficulté, dès la mise en marche du moteur, la température des gaz d'échappement étant normalement supérieure à 500° C, ce qui amène le pot d'échappement à une température pouvant atteindre environ 380° C lorsque le moteur travaille à pleine charge. The temperature at least equal to 250 ° C., which is necessary to produce the afterburning of unburnt hydrocarbons, is obtained without difficulty, as soon as the engine is started, the temperature of the exhaust gases normally being greater than 500 ° C. which brings the exhaust pipe to a temperature of up to around 380 ° C when the engine is operating at full load.
Dans le cas où les conditions ambiantes pourraient entraîner un refroidissement sensible du dispositif d'épuration, il est possible de prévoir un calorifugeage par tous les moyens connus. In the event that the ambient conditions could lead to significant cooling of the purification device, it is possible to provide for thermal insulation by all known means.
La surface spécifique de l'alumine qui doit être au moins égale à 120 m2/g est obtenue de façon connue par un choix convenable des conditions de séchage et de calcination du trihydrate AI2O3, 3H2O qui se dépose sur un substrat métallique à partir de la solution d'aluminate alcalin. The specific surface of the alumina which must be at least equal to 120 m2 / g is obtained in a known manner by a suitable choice of the drying and calcination conditions of the trihydrate AI2O3, 3H2O which is deposited on a metallic substrate from the alkaline aluminate solution.
Une montée progressive en température, de l'ambiante à 530-550° C, permet d'obtenir une telle surface spécifique. A gradual rise in temperature, from ambient to 530-550 ° C, makes it possible to obtain such a specific surface.
Il est également essentiel que la durée de contact entre les gaz d'échappement et le dispositif d'épuration soit suffisante et, dans tous les cas, au moins égale à 0,3 s pour que le double processus de rétention des particules carbonées et de postcombustion des hydrocarbures imbrûlés puisse se dérouler intégralement. En pratique, cette durée est obtenue en donnant au dispositif d'épuration un volume en rapport avec le volume de gaz d'échappement émis par seconde. It is also essential that the contact time between the exhaust gases and the purification device is sufficient and, in any case, at least equal to 0.3 s so that the double process of retention of carbonaceous particles and afterburning of unburnt hydrocarbons can take place entirely. In practice, this duration is obtained by giving the purification device a volume in relation to the volume of exhaust gas emitted per second.
Exemple 1 : Example 1:
On a confectionné un dispositif d'épuration des gaz d'échappement émis par un moteur Diesel de 6 cylindres, de 149 kW (environ 202 CV) monté sur un banc d'essai fixe, constitué par un cylindre de 350 mm de diamètre et de 880 mm de long, dans lequel on a introduit 8500 g de laine d'acier inoxydable ferritique à 17% de chrome, composée de brins élémentaires à section sensiblement rectangulaire de 0,1 x 0,4 mm, sur lesquels on a déposé, à partir d'une solution d'aluminate alcalin, de façon connue, 17000 g d'alumine présentant, après calcination, une surface spécifique B.E.T. d'environ 140 m2/g. Ce cylindre a été fermé aux deux extrémités par deux éléments de métal déployé à larges mailles, ayant pour seul but d'immobiliser la laine métallique, et a été branché dans le circuit d'échappement du moteur Diesel. A device for purifying the exhaust gases emitted by a 6-cylinder diesel engine, 149 kW (approximately 202 CV) mounted on a fixed test bench, consisting of a cylinder 350 mm in diameter and 880 mm long, into which 8,500 g of ferritic stainless steel wool containing 17% chromium was introduced, composed of elementary strands with a substantially rectangular section of 0.1 x 0.4 mm, on which we deposited from an alkaline aluminate solution, in known manner, 17000 g of alumina having, after calcination, a BET specific surface about 140 m2 / g. This cylinder was closed at both ends by two elements of expanded metal with large mesh, the sole purpose of which is to immobilize the metallic wool, and was connected to the exhaust circuit of the diesel engine.
Différents essais ont été effectués, correspondant à des charges différentes du moteur, sous des puissances respectives de 42, 79 et 149 kW. La consommation du moteur était de l'ordre de 217 g de carburant par kilowatt et par heure. Au régime maximal de 149 kW, le débit des gaz d'échappement était de 530Nm3/h, et la température du pot d'échappement était de 380° C environ. Different tests have been carried out, corresponding to different engine loads, at respective powers of 42, 79 and 149 kW. The consumption of the engine was about 217 g of fuel per kilowatt per hour. At the maximum speed of 149 kW, the exhaust gas flow was 530Nm3 / h, and the temperature of the exhaust was approximately 380 ° C.
615 979 615,979
La durée de passage des gaz dans le dispositif d'épuration, calculée en fonction de leur débit et du volume dudit dispositif, était d'environ 0,46 s. The duration of passage of the gases in the purification device, calculated as a function of their flow rate and of the volume of said device, was approximately 0.46 s.
Les gaz d'échappement sortant du dispositif d'épuration, The exhaust gases leaving the purification device,
quelle que soit la charge du moteur, ne présentaient plus ni odeur, ni opacité appréciable. L'analyse a montré que la teneur en hydrocarbures imbrûlés était passée de 200 ppm en amont du dispositif de filtration à moins de 20 ppm en aval et que 77% des particules carbonées avaient été retenues. whatever the engine load, no longer had any appreciable odor or opacity. Analysis showed that the content of unburnt hydrocarbons had dropped from 200 ppm upstream of the filtration device to less than 20 ppm downstream and that 77% of the carbonaceous particles had been retained.
La durée pendant laquelle le dispositif d'épuration conserve son efficacité est de l'ordre de plusieurs milliers d'heures. Au bout de ce temps, la perte de charge dans le circuit d'échappement, qui est de l'ordre de 100 mm d'eau, pour le cas pris en exemple, n'a pas augmenté de façon sensible. The period during which the purification device retains its effectiveness is of the order of several thousand hours. At the end of this time, the pressure drop in the exhaust circuit, which is of the order of 100 mm of water, for the example taken, has not increased appreciably.
Exemple 2: Example 2:
On a confectionné un dispositif d'épuration des gaz d'échappement émis par un moteur Diesel de 150 kW, monté sur un loco-tracteur destiné à circuler dans des galeries souterraines, constitué par la mise en série de deux cylindres de 350 mm de diamètre et de 920 mm de longueur totale, dans lesquels on a introduit 8900 g de laine d'acier inoxydable ferritique à 17% de chrome, composée de brins élémentaires à section sensiblement rectangulaire de 0,1 x 0,4 mm, sur lesquels on a déposé, à partir d'une solution d'aluminate alcalin, de façon connue, 17000 g d'alumine présentant, après calcination, une surface spécifique B.E.T. d'environ 140 m2/g. We made a device for purifying the exhaust gases emitted by a 150 kW diesel engine, mounted on a loco-tractor intended to circulate in underground galleries, constituted by the series connection of two cylinders of 350 mm in diameter and 920 mm in total length, into which 8900 g of ferritic stainless steel wool containing 17% chromium was introduced, composed of elementary strands of substantially rectangular section of 0.1 x 0.4 mm, on which deposited, from an alkaline aluminate solution, in a known manner, 17,000 g of alumina having, after calcination, a BET specific surface about 140 m2 / g.
Ce cylindre a été fermé aux deux extrémités par deux éléments de métal déployé à larges mailles, ayant pour seul but d'immobiliser la laine métallique, et a été branché dans le circuit d'échappement du moteur Diesel, avec un diffuseur évasé à l'entrée, destiné à limiter les pertes de charge. This cylinder was closed at both ends by two elements of expanded metal with large meshes, having the sole purpose of immobilizing the metallic wool, and was plugged into the exhaust system of the Diesel engine, with a flared diffuser at the inlet, intended to limit pressure losses.
La durée de passage des gaz d'échappement dans ce dispositif d'épuration était, en moyenne, de 0,6 s. The duration of passage of the exhaust gases in this purification device was, on average, 0.6 s.
Dans les conditions normales d'exploitation du locotracteur, on a analysé les gaz d'échappement à l'entrée et à la sortie du dispositif d'épuration. Les résultats ont été les suivants: Under normal operating conditions of the locomotive, the exhaust gases at the inlet and outlet of the purification device were analyzed. The results were as follows:
(ils sont donnés en parties par million) (they are given in parts per million)
Entrée Entrance
Sortie Exit
Monoxyde de carbone Carbon monoxide
185 185
150 150
Oxydes d'azote Nitrogen oxides
400 400
270 270
Aldéhydes Aldehydes
20 20
3 à 4 3 to 4
Indice d'opacité mesuré à l'appareil Bosch Opacity index measured at the Bosch device
3 à 4 3 to 4
<0,5 <0.5
On constate une légère diminution de la teneur en CO, due à une oxydation partielle en CO2, de la teneur en oxydes d'azote, et une réduction d'environ 85% de l'opacité, mesurée à l'appareil Bosch, qui correspond à une réduction, dans une proportion identique, de la teneur en particules carbonées opacifiantes. There is a slight decrease in the CO content, due to a partial oxidation of CO2, in the nitrogen oxide content, and a reduction of approximately 85% in the opacity, measured with the Bosch device, which corresponds a reduction, in an identical proportion, of the content of opacifying carbonaceous particles.
La teneur en aldéhydes, principalement responsables de l'odeur nauséabonde des fumées, a été réduite dans une proportion de 80 à 85%. The content of aldehydes, mainly responsible for the foul odor of smoke, has been reduced by 80 to 85%.
3 3
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
R R
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