CH615979A5 - Process for purifying exhaust gases emitted by internal combustion engines of the diesel type - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Il est également connu que certaines formes physiques d'alumine présentent des propriétés catalytiques et adsorbantes qui sont utilisées dans de nombreuses opérations industrielles.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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%.
Il apparaît que, de façon tout à fait surprenante, cette postcombustion s'opère en l'absence de tout élément catalyseur métal5
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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.
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.
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.
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.
Une montée progressive en température, de l'ambiante à 530-550° C, permet d'obtenir une telle surface spécifique.
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.
Exemple 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.
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.
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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.
Les gaz d'échappement sortant du dispositif d'épuration,
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.
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.
Exemple 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.
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.
La durée de passage des gaz d'échappement dans ce dispositif d'épuration était, en moyenne, de 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:
(ils sont donnés en parties par million)
Entrée
Sortie
Monoxyde de carbone
185
150
Oxydes d'azote
400
270
Aldéhydes
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3 à 4
Indice d'opacité mesuré à l'appareil Bosch
3 à 4
<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.
La teneur en aldéhydes, principalement responsables de l'odeur nauséabonde des fumées, a été réduite dans une proportion de 80 à 85%.
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Claims (2)
1. 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, caractérisé en ce que ladite alumine a une surface spécifique au moins égale à 120 m2/g, que la température du dispositf 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.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte métallique est calorifugée, de façon à maintenir la température du dispositif d'épuration, en fonctionnement, au moins égale à 250° C.
Applications Claiming Priority (1)
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