FR2893260A1 - Dispositif et procede pour generer de l'ammoniac. - Google Patents

Abstract

Dispositif pour générer de l'ammoniac comme agent réducteur pour la réduction catalytique sélective SCR d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment d'un moteur à combustion interne (22).On mélange l'ammoniac aux gaz d'échappement en amont d'un catalyseur SCR (26) selon le sens de circulation.Il comprend une unité générant des oxydes d'azote (11) distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et une unité générant de l'hydrogène (10) séparée de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement.Les oxydes d'azote fourni par l'unité (11) et l'hydrogène générée par l'unité (10) sont fournis à un catalyseur accumulateur (17) ou à un accumulateur d'oxydes d'azote et à un catalyseur en aval pour stocker les oxydes d'azote et former de l'ammoniac.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour

générer de l'ammoniac comme agent réducteur pour la réduction catalytique sélective SCR d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment d'un moteur à combustion interne selon lequel on mélange l'ammoniac aux gaz d'échappement en amont d'un catalyseur SCR selon le sens de circulation. L'invention concerne également un procédé pour générer de l'ammoniac comme agent réducteur de réduction catalytique sélective (SCR) d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment d'un moteur à combustion interne selon lequel l'ammoniac est mélangé aux gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR selon le sens de circulation. Etat de la technique 15 Dans le cadre des réglementations futures concernant les émissions ou rejets d'oxydes d'azote par les véhicules, il faut un traite-ment aval ou post-traitement des gaz d'échappement. La réduction catalytique sélective permet de réduire les rejets d'oxydes d'azote NOX (désazotification) des moteurs à combustion interne, notamment de 20 moteurs diesel, avec des gaz d'échappement principalement maigre, c'est-à-dire riches en oxygène. Pour cela, on ajoute une quantité définie d'agents réducteurs à effet sélectif aux gaz d'échappement. Il peut s'agir par exemple d'ammoniac dosé directement à l'état gazeux ou encore d'une matière première sous la forme d'urée ou d'une solution urée-eau 25 (HWL). Le document DE 10139142 Al décrit un système de nettoyage de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne selon lequel, pour diminuer l'émission d'oxydes d'azote NOx, on utilise un catalyseur SCR pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz 30 d'échappement avec comme agent réducteur de l'ammoniac donnant de l'azote. L'ammoniac est obtenu à partir d'une solution aqueuse d'urée (HWL) dans un catalyseur d'hydrolyse en amont du catalyseur SCR. Le catalyseur d'hydrolyse transforme l'urée contenue dans la solution HWL en ammoniac et en dioxyde de carbone. Dans une seconde étape, 35 l'ammoniac réduit les oxydes d'azote, en azote, en dégageant de l'eau comme produit de réaction. Le déroulement précis du procédé est suffisamment décrit dans la littérature spécialisée, (voir à cet effet WEISSWELLER, CIT (72), pages 441-449, 2000). La solution HWL est contenue dans un réservoir d'agent réactif.

L'inconvénient de ce procédé est que la solution HWL est consommée pendant le fonctionnement du moteur à combustion in-terne. La consommation correspond à environ 4 % de la consommation en carburant. L'alimentation avec la solution aqueuse d'urée doit être possible de façon très étendue, par exemple dans les stations d'essence.

Un autre inconvénient de ce procédé est la plage de température de fonctionnement nécessaire. La réaction de thermolyse de la solution urée-eau se produit seulement à partir des températures de l'ordre de 130 C et la réaction d'hydrolyse de conversion de l'eau et d'azote, au niveau du catalyseur d'hydrolyse, en ammoniac, se produit seulement dans une plage de température de 200 C jusqu'à 220 C. Les gaz d'échappement atteignent ces températures, par exemple dans le cas des moteurs diesel, seulement après un certain temps de fonctionne-ment. A des températures inférieures à 200 C le dépôt, on peut encombrer l'unité de dosage qui gêne pour le moins le passage de la solution urée-eau dans la conduite des gaz d'échappement. En outre, le dosage d'une solution urée-eau à des températures inférieures 200 C peut se traduire, à cause de la polymérisation, par un blocage des caractéristiques catalytiques nécessaires dans le catalyseur d'hydrolyse ou dans le catalyseur SCR.

Le document DE 199 22 961 C2 décrit une installation de nettoyage des gaz d'échappement pour nettoyer les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment dans un moteur à combustion interne de véhicule automobile, pour en éliminer au moins les oxydes d'azote avec un catalyseur de décomposition d'ammoniac pour générer de l'ammoniac en utilisant les composants d'au moins une partie des gaz d'échappement émis par la source de combustion pendant les phases de fonctionnement avec dégagement d'ammoniac et dans un catalyseur à réduction d'oxydes d'azote, en aval du catalyseur générant l'ammoniac, pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement émis par la source de combustion en utilisant l'ammoniac généré comme agent réducteur. Il est prévu dans ce cas une unité externe à la source de combustion pour générer des oxydes d'azote, pour enrichir les gaz d'échappement fournis au catalyseur générant l'ammoniac avec les oxydes d'azote pendant les phases de fonc-tionnement avec génération d'ammoniac. Comme unité générant des oxydes d'azote on a par exemple un générateur à plasma qui oxyde par du plasma, l'azote contenu dans la veine de gaz qu'il reçoit pour former des oxydes d'azote. L'hydrogène nécessaire à la formation de l'ammoniac est dégagé pendant les phases de fonctionnement de génération d'ammoniac par la source de combustion fonctionnant avec un mélange riche, c'est-à-dire un rapport d'air riche en carburant. L'inconvénient de ce procédé réside dans la consommation de carburant relativement importante pendant les phases de fonctionnement nécessaires en mode riche. De plus, il y a une 15 consommation d'énergie élevée pour fournir les oxydes d'azote de manière externe au moteur, notamment parce que les oxydes d'azote doivent être produits pendant les phases de fonctionnement aussi courtes que possible de génération d'ammoniac dans des concentrations élevées et l'oxygène résiduel doit être enlevé pour générer de l'ammoniac, ce qui 20 est coûteux en énergie. Si l'hydrogène est générée par l'intermédiaire d'un catalyseur POx par un réformage-oxydation (POx), on a également l'inconvénient d'une dynamique encore insuffisante de génération d'hydrogène. Un procédé de chimie au plasma pour générer un mé- 25 lange de gaz riches en hydrogène est décrit dans le document WO 01/14702 Al. Selon ce procédé on utilise un arc électrique avec un mélange riche carburant-air, de préférence dans les conditions POx. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un dispo- 30 sitif du type décrit ci-dessus, permettant la fabrication d'ammoniac avec une consommation d'énergie faible en utilisant les produits de fonctionnement de la source de combustion. L'invention a également pour but de développer un pro-cédé approprié.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type dé-fini ci-dessus, caractérisé par une unité générant des oxydes d'azote distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et une unité générant de l'hydrogène séparée de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et les oxydes d'azote fournis par l'unité générant les oxydes d'azote et l'hydrogène généré par l'unité générant l'hydrogène sont fournis à au moins un catalyseur accumulateur ou à un accumulateur d'oxydes d'azote et à un catalyseur en aval pour stocker les oxydes d'azote et former de l'ammoniac. Ainsi, la formation ou génération d'ammoniac se fait en dehors de la conduite de gaz d'échappement sans intervention sur l'état de fonctionnement de la source de combustion. Dans le cas d'un mo- teur à combustion, il n'y a pas lieu de prévoir dans ces conditions de phase de mode de fonctionnement riche, consommant beaucoup de carburant pour générer l'hydrogène nécessaire à la synthèse de l'ammoniac ; le moteur à combustion interne peut fonctionner dans un état optimum du point de vue de la consommation. L'accumulation des oxydes d'azote dégagés dans un accumulateur d'oxydes d'azote diminue la consommation d'énergie nécessaire à générer l'ammoniac par rapport à ce qui est nécessaire selon l'état de la technique. En outre, grâce à l'accumulation, on diminue la consommation d'oxygène résiduel, à forte énergie, qui subsiste à la fin du développement des oxydes d'azote.

Selon un développement avantageux de l'invention, l'accumulateur d'oxydes d'azote et le catalyseur sont regroupés en un module sous la forme d'un catalyseur accumulateur. Cela permet d'avoir une construction particulièrement compacte. Comme unité générant l'hydrogène reçoit du carburant et/ou un mélange carburant-air et/ou un mélange carburant-air-gaz d'échappement et que l'unité générant les oxydes d'azote reçoit de l'air et/ou des gaz d'échappement, on obtient l'ammoniac à partir des moyens de fonctionnement existant de toute façon dans la source de combustion. D'autres moyens de fonctionnement comme par exemple une solution aqueuse d'urée n'ont pas à être transportés. Comme autre moyen d'oxydation de l'oxygène de l'air on peut utiliser l'eau pour fabriquer de l'hydrogène. Cela peut se faire par exemple à l'aide d'un mélange carburant-gaz d'échappement ayant cette teneur en eau. Selon un développement économique de l'invention, avec un nombre réduit de composants nécessaires et une construction particulièrement peu encombrante, on a une unité combinée générant de l'hydrogène et des oxydes d'azote pour former alternativement de l'hydrogène et des oxydes d'azote servant à fabriquer de l'ammoniac grâce au catalyseur accumulateur dans lequel on stocke les oxydes d'azote pendant leur fabrication et dans lequel, pendant la fabrication d'hydrogène on le convertit en ammoniac. On génère en continu de l'ammoniac avec une unité de génération d'hydrogène et une unité de génération d'oxydes d'azote comme unités distinctes et au moins deux catalyseurs accumulateurs sont prévus pour stocker les oxydes d'azote et former l'ammoniac, l'unité générant l'hydrogène et celle générant les oxydes d'azote étant reliées alternativement aux catalyseurs accumulateurs par des chemins de gaz commutés. L'unité générant les oxydes d'azote et l'unité générant l'hydrogène peuvent être optimisées pour leur fonction. La quantité d'hydrogène et la quantité d'oxydes d'azote produites par unité de temps pendant le fonctionnement continu avec des unités distinctes peuvent être plus faibles que pendant la phase de fonctionnement respective (fabrication d'hydrogène ou d'oxydes d'azote) avec fonctionnement alterné d'une unité, ce qui se traduit par une consommation d'énergie globalement moindre. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, au moins un catalyseur accumulateur est réalisé comme accumulateur d'oxydes d'azote avec une charge supplémentaire de métal noble. L'accumulateur d'oxydes d'azote et le métal noble peuvent être appli- qués sur un monolithe de façon analogue à un catalyseur de stockage d'azote (encore appelé catalyseur NSC). Le métal noble produit la con-version catalytique des oxydes d'azote accumulés et de l'hydrogène fourni pour donner de l'ammoniac. On obtient un bon effet d'accumulation pour les oxydes d'azote et une conversion catalytique efficace des oxydes d'azote stockés et de l'hydrogène pour obtenir de l'ammoniac si l'accumulateur d'oxydes d'azote est réalisé avec des carbonates comme composants actifs de stockage, notamment du carbonate de baryum, de l'oxyde de baryum ou de carbonate de sodium et/ou la charge en métal noble est une charge de platine. En variante, on peut envisager des agents absorbeurs à l'état gazeux liquide ou autres agents solides pour absorber les oxydes d'azote. La charge en métal noble peut être réalisée avec d'autres matières produisant une réduction des oxydes d'azote par l'hydrogène en ammoniac.

La fabrication d'hydrogène et d'oxydes d'azote avec une faible consommation d'énergie se fera de façon économique si l'unité générant l'hydrogène et/ou l'unité générant des oxydes d'azote est un réacteur à plasma permettant de fabriquer de l'hydrogène et aussi des oxydes d'azote avec un rendement élevé, selon le mode de fonctionne- ment choisi, le réacteur à plasma permet un fonctionnement alterné comme générateur d'hydrogène et comme générateur d'oxydes d'azote. L'unité générant l'hydrogène fonctionne dans des conditions Pox, c'est-à-dire que l'unité générant l'hydrogène reçoit un mélange carburant-air avec un coefficient lambda inférieur à 1, notamment un coefficient lambda compris entre 0,33 et 0,66 pour générer de l'hydrogène et du monoxyde de carbone que les oxydes d'azote stockés dans le catalyseur accumulateur réduisent en ammoniac. Selon une variante de réalisation préférentielle de l'invention, l'unité générant l'hydrogène est un évaporateur thermique de carburant avec un catalyseur de réformage en aval. La chaleur résiduelle accumulée provenant par exemple de la phase de fabrication d'oxydes d'azote peut servir à évaporer le carburant. Le réformage du carburant, c'est-à-dire la conversion du carburant en un mélange gazeux contenant de l'hydrogène se fait dans le catalyseur de réformage.

La chaleur résiduelle de la phase de fonctionnement servant à fabriquer les oxydes d'azote peut être utilisée si au moins une électrode du réacteur à plasma est un évaporateur thermique de carburant. Pour cela, on pulvérise le carburant partiellement à l'état de poussière sur l'électrode qui continue la pulvérisation et l'évaporation. La capacité calorifique de l'électrode est choisie pour que la quantité de chaleur accumulée soit suffisamment importante pour évaporer la quantité nécessaire de carburant. Selon un autre développement de l'invention, au moins une électrode du réacteur à plasma est une électrode creuse par laquelle arrive le carburant. Le carburant est ainsi fourni de manière précise à l'électrode chaude et avec de faibles pertes. Si l'énergie calorifique accumulée dans l'évaporateur thermique n'est pas suffisante pour évaporer le carburant ou si la durée de contact du carburant avec la surface chaude de l'évaporateur thermique est trop faible pour assurer un échange de chaleur suffisant, on peut utiliser un échangeur de chaleur à contre-courant pour transférer l'énergie thermique d'un gaz produit par le catalyseur de réformage ou par la veine de gaz sortant du réacteur à plasma, c'est-à-dire un éduit gazeux formé d'air et de carburant arrivant sur l'évaporateur thermique. 15 Le carburant ou le mélange carburant-air arrivant sur l'évaporateur thermique est avantageusement chauffé dans l'échangeur de chaleur à contre-courant pour que le carburant se vaporise au moins en partie. L'énergie thermique nécessaire à l'évaporation complète peut alors être transférée au carburant dans l'évaporateur thermique. 20 Si le réacteur à plasma est coupé pendant l'évaporation thermique du carburant, pendant cette phase de fonctionnement on économisera ainsi l'énergie électrique nécessaire au maintien du plasma. Dans le cas de véhicules à moteur à mode maigre, cela se traduit par exemple par une réduction de la surconsommation de carburant 25 occasionnée par le traitement en aval des gaz d'échappement selon le procédé SCR à l'ammoniac. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, pendant l'évaporation thermique du carburant, le réacteur à plasma est branché et le carburant et/ou un mélange carburant-air et/ou un mé- 30 lange carburant-air-gaz d'échappement est fourni à une zone en aval de la zone à plasma selon le sens de circulation. En injectant le carburant dans un gaz chaud avec des parois environnantes chaudes, on aura une évaporation suffisamment rapide et on formera un mélange qui conduit de manière idéale à une production pratiquement directe de gaz 35 contenant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le fonctionne- ment en continu du plasma permet d'éviter une diminution de la température lors de l'introduction du carburant en phase riche, en dessous de la température d'évaporation nécessaire au carburant. En outre, le fonctionnement continu au plasma évite que la température du cataly- Beur de réformage descende en dessous de sa température d'allumage. Il est également avantageux de ne pas injecter de carburant dans la zone à plasma pour éviter de développer des produits non voulus. Une conversion non voulue et incontrôlée des hydrocarbures en matière, à l'exception d'hydrogène et de monoxyde de carbone peut s'éviter car on utilise uniquement la température de thermalisation de la puissance introduite dans le plasma pour évaporer et former le mélange et le ré-formage complet en hydrogène et en monoxyde de carbone se fait dans le catalyseur de réformage en aval. Si des aubes de guidage d'air sont prévues dans l'alimentation en air, en amont d'évaporateurs thermiques de carburant et/ou en amont du catalyseur de réformage, selon le sens de circulation des fluides, on peut induire une composante de rotation à la veine de gaz qui permet d'assurer une meilleure homogénéité du mélange vapeur de carburant-air. L'endroit où le carburant est évaporé peut se trouver ainsi dans une zone à forte vitesse de circulation et/ou à gradient de vitesse élevé, ce qui améliore la formation du mélange. La composante de rotation améliore en outre l'arrivée de la veine de fluide sur le catalyseur de réformage et réduit le carburant liquide arrivant sur le catalyseur de réformage.

Si le catalyseur SCR est un accumulateur d'ammoniac, on peut absorber les maximum de consommation d'ammoniac par l'ammoniac en réserve dans le catalyseur SCR. Le taux de production d'ammoniac peut ainsi se limiter à une consommation moyenne d'ammoniac.

Le problème de l'invention est aussi résolu par un procédé caractérisé en ce que les oxydes d'azote sont générés dans une unité de génération d'oxydes d'azote distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et sont stockés dans au moins un catalyseur accumulateur et l'hydrogène et/ou un mélange hydrogène- oxyde de carbone est généré dans une unité de génération d'hydrogène distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement, pour être fourni au catalyseur accumulateur ou à un accumulateur d'oxydes d'azote et à un catalyseur en aval et l'hydrogène et les oxydes d'azote accumulés sont convertis dans le catalyseur accu- mulateur ou dans le catalyseur par voie catalytique pour donner de l'ammoniac. La formation ou génération d'ammoniac se fait indépendamment de l'état de fonctionnement respectif de la source de combustion constituée par exemple par un moteur à combustion interne au lieu de nécessiter pour la synthèse d'ammoniac, une intervention dans l'état de fonctionnement de la source de combustion. Cela permet à la source de combustion de fonctionner avec une consommation optimale. L'accumulation des oxydes d'azote formée et ensuite la conversion catalytique avec l'hydrogène dégagée dans le catalyseur accumulateur permettent de générer de l'ammoniac avec une consommation d'énergie relativement faible, en particulier car il n'est pas nécessaire de brûler l'oxygène résiduel autrement nécessaire, oxygène qui reste une fois les oxydes d'azote formés. Si l'on génère l'hydrogène et/ou un mélange hydrogène-monoxyde de carbone dans l'unité générant l'hydrogène à partir du car- burant et/ou d'un mélange carburant-air et/ou d'un mélange carburant-air-gaz d'échappement, et si l'on génère les oxydes d'azote dans l'unité correspondante à partir de l'air et/ou des gaz d'échappement, on utilisera pour la fabrication de l'ammoniac seulement le moyen de fonctionnement du moteur à combustion interne. Aucun moyen de fonc-tionnement supplémentaire n'a à être fourni ou à être transporté. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, qui peut être réalisé avec un nombre réduit de composants, dans une unité combinée de formation d'hydrogène et d'oxydes d'azote, on génère en alternance des oxydes d'azote et de l'hydrogène ou un mélange hy- drogène-monoxyde de carbone, les oxydes d'azote étant stockés dans le catalyseur accumulateur pendant la phase de génération des oxydes d'azote pour être convertis en ammoniac avec l'hydrogène pendant la phase de génération d'hydrogène. Cette génération ou formation dis-continue d'ammoniac est rendue possible par le stockage des oxydes d'azote dans le catalyseur accumulateur et la conversion suivie de formation d'hydrogène. Selon une variante de réalisation, on génère l'hydrogène et les oxydes d'azote à l'aide de deux unités distinctes de génération d'hydrogène et de génération d'oxydes d'azote, en les fournissant de façon alternée à deux catalyseurs accumulateurs en aval pour stocker alternativement des oxydes d'azote et générer l'ammoniac, l'association des flux gazeux aux catalyseurs accumulateurs se faisant par des chemins de gaz commutés. Le procédé permet de fournir en continu de l'ammoniac pour réduire les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement de la source de combustion. Une possibilité simple pour fournir l'hydrogène et les oxydes d'azote comme éduits nécessaires, consiste à générer l'hydrogène ou un mélange hydrogène-monoxyde de carbone et/ou les oxydes d'azote par une chimie au plasma dans au moins un réacteur à plasma par un plasma thermique. Le plasma thermique peut être excité par exemple directement par une tension alternative ou continue ou aussi par un rayonnement à micro-ondes. Comme dans un plasma thermique on peut former à la fois de l'hydrogène et des oxydes d'azote, le procédé peut s'appliquer à des unités distinctes ou combinées générant des oxydes d'azote et de l'hydrogène. Par rapport à la fabrication également possible d'oxydes d'azote par des brûleurs, la fabrication par chimie au plasma a l'avantage d'un meilleur comportement dynamique au démarrage à froid. Des variantes possibles de plasma thermique sont les formes de décharges à durée de décharge brève telles que des dé-charges par étincelles ou des décharges non thermiques produites par exemple par des dispositifs de décharge à diélectrique. On améliore l'efficacité de la fabrication des matières premières pour fabriquer de l'ammoniac si le développement de l'hydrogène ou la formation du mélange hydrogène-monoxyde de carbone est soutenu par une oxydation partielle POx d'un catalyseur POx. Une variante de procédé pour générer l'hydrogène consiste à former l'hydrogène par évaporation thermique du carburant, sui-vie de réformage dans un catalyseur de réformage. De manière préférentielle, on peut utiliser la chaleur résiduelle stockée dans le sys- tème pour ne pas nécessiter d'énergie supplémentaire pour former l'hydrogène. Une possibilité d'utiliser la chaleur résiduelle accumulée pour générer l'hydrogène consiste à évaporer le carburant par récupé- ration dans un échangeur de chaleur à contre-courant et/ou en dosant du carburant dans une zone chaude du réacteur à plasma. L'énergie prise sur le carburant selon l'un des procédés décrits suffit alors pour une évaporation partielle du carburant et une combinaison des deux procédés, à savoir tout d'abord le réchauffage et l'évaporation partielle du carburant par récupération suivie de l'évaporation du carburant déjà réchauffé dans la zone chaude du réacteur à plasma sont ainsi possibles. Comme zone chaude d'évaporation du plasma, on peut utiliser l'électrode du réacteur à plasma chauffée par le mode de fonc- tionnement au plasma antérieur. Pour cela, on dose le carburant sur l'électrode chaude du réacteur à plasma. Le carburant peut être chauffé au préalable par récupération ou être évaporé partiellement. Le ré-chauffage de l'électrode se fait par exemple dans la phase de génération des oxydes d'azote par la chimie au plasma.

Une autre possibilité d'utiliser la chaleur résiduelle accumulée pour générer de l'hydrogène consiste à évaporer le carburant en le dosant et/ou en dosant un mélange carburant-air et/ou un mélange carburant-air-gaz d'échappement dans une zone chaude en aval de la zone à plasma selon le sens de passage des fluides. Le plasma peut continuer à fonctionner, ce qui permet un apport d'énergie continu à réduit gazeux pour assurer une élévation de température suffisante du flux gazeux. Cela garantit que d'une part la température de la zone d'évaporation est suffisamment élevée et que d'autre part la température du catalyseur de réformage est maintenue suffisamment élevée pour que le temps de réponse du catalyseur soit rapide. Grâce à la puissance du plasma, injecté, on arrive à une régulation rapide de la température. Comme le carburant ne peut traverser la zone à plasma, on évite les influences négatives de rendement d'agents réducteurs, par exemple par conversion du carburant en méthane et formation de pro- duits non souhaités. Le réformage du carburant ne se fait pas de ma- nière incontrôlée dans le plasma mais exclusivement dans le catalyseur de réformage. De manière préférentielle, on implique une composante de rotation à la veine de gaz en amont de la zone d'évaporation du car- burant et/ou en amont du catalyseur de réformage. Une composante de rotation induite dans la veine de gaz en amont de la zone de vaporisation du carburant assure une meilleure homogénéisation du mélange vapeur de carburant-air. L'endroit où l'on évapore le carburant se trouve de préférence dans une zone de vitesse d'écoulement élevée ou à fort gradient de vitesse. Une composante de rotation dans la veine de gaz en amont du catalyseur de réformage produit également une meilleure homogénéité et une arrivée idéale de la veine sur le catalyseur de réformage, tout en évitant d'appliquer le carburant au catalyseur de réformage.

La réduction des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement de la source de combustion s'obtient par stockage de l'ammoniac formé dans la catalyseur accumulateur, dans le catalyseur SCR et par réduction de oxydes d'azote dans les gaz d'échappement de la source de combustion avec l'ammoniac accumulé pour donner de l'azote et de l'eau. En stockant l'ammoniac dans le catalyseur SCR, on peut absorber les demandes maximales d'ammoniac. En outre, une production et un stockage intermédiaire d'ammoniac indépendamment des conditions de fonctionnement de la source de combustion deviennent possibles.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de traitement aval ou post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant des unités distinctes pour générer de l'hydrogène et des oxydes d'azote. - la figure 2 est un schéma d'une installation de traitement aval des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne comportant une unité combinée pour générer de l'hydrogène et des oxydes d'azote, - la figure 3 est une vue schématique d'une unité pour générer de l'hydrogène et des oxydes d'azote, - la figure 4 est un chronogramme d'un fonctionnement cadencé en mode plasma. Description des modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement une installation de traitement aval ou de post-traitement de gaz d'échappement 1 d'un moteur à combustion interne 22, comportant une alimentation en air 20 et un catalyseur SCR 26. Les catalyseurs SCR fonctionnent selon le principe de la réduction catalytique sélective selon lequel on réduit, à l'aide d'un agent réducteur, qui est de l'ammoniac, les oxydes d'azote NOX contenus dans des gaz d'échappement contenant également de l'oxygène pour donner de l'azote et de l'eau. Dans le dispositif selon l'invention, on génère l'ammoniac à partir de l'air ou des gaz d'échappement et du carburant. Pour cela, il est prévu une unité de génération d'hydrogène 10 et une unité de génération d'oxydes d'azote 11. L'unité de génération d'hydrogène 10 est alimentée avec de l'air parune alimentation en air 14 et avec du carburant par un moyen de dosage de carburant 13. Dans un autre mode de réalisation, l'alimentation en air 14 peut également se faire par les gaz d'échappement ou par un mélange d'air et de gaz d'échappement. L'unité de génération d'hydrogène 10 est réalisée sous la forme d'un réacteur à plasma qui reçoit le carbu- rant dans un plasma dans lequel on génère de l'hydrogène et du monoxyde de carbone à partir des hydrocarbures du carburant. L'unité de génération d'oxydes d'azote 11 est un réacteur à plasma qui convertit l'azote et l'oxygène de l'air d'alimentation en oxydes d'azote. Les oxydes d'azote sont fournis selon un premier mode de fonctionnement à un catalyseur accumulateur 17.1 par l'intermédiaire d'un chemin de gaz commuté pour y être stockés. Si dans un second mode de fonctionnement on fournit l'hydrogène au catalyseur accumulateur 17.1 à partir d'une unité générant de l'hydrogène 10, on forme sur sa charge de métal noble, à partir des oxydes d'azote stockés et de l'hydrogène fournie, l'ammoniac souhaité qui arrive par la conduite de gaz d'échappement 24 en passant par le chemin de gaz 18. Alors que dans ce second mode de fonctionnement, les oxydes d'azote sont fournis par l'unité de génération d'oxydes d'azote 11 par le chemin de gaz commuté 16 à un second catalyseur accumulateur 17.2 pour y être stockés, on commute de nouveau sur le premier mode de fonctionnement pour fournir les oxydes d'azote au catalyseur accumulateur 17.1 pour les stocker alors que le second catalyseur accumulateur 17.2 reçoit de l'hydrogène avec lequel les oxydes d'azote accumulés sont convertis en ammoniac au niveau de la charge de métal noble.

L'ammoniac mélangé à la veine de gaz d'échappement 24 est fourni au catalyseur SCR 26 avec les gaz d'échappement du moteur à combustion interne 22 ; les oxydes d'azote NON contenus dans les gaz d'échappement sont réduits dans ce catalyseur 26 avec l'ammoniac, en azote et en eau. On commande le déroulement des opérations par la commande de moteur 23 équipant le moteur à combustion interne 22 ; à l'aide d'un signal de commande de chemin de gaz 25, cette commande commute le chemin de gaz commuté 16 entre le premier et le seconde mode de fonctionnement ; le dosage de carburant 13 est commandé pour l'unité de génération d'hydrogène 10 et une ligne de commande 15 commande l'unité de génération d'oxydes d'azote 11 réalisée sous la forme d'un réacteur à plasma. En outre, la commande de moteur 23 commande un dosage de carburant 21 du moteur à combustion interne 22 et traite les signaux des sondes lambda non représentées ici. Selon un autre mode de réalisation, l'unité générant l'hydrogène 10 peut être un évaporateur thermique. Le carburant évaporé est mélangé à l'air d'alimentation pour être fourni à un catalyseur de réformage 32 non représenté ici, dans lequel les hydrocarbures du carburant sont transformés en hydrogène et monoxyde de carbone. En outre, l'unité de génération d'oxydes d'azote 11 peut être un brûleur d'oxydes d'azote NON. La figure 2 montre schématiquement l'installation de post-traitement des gaz d'échappement 1 du moteur à combustion in-terne 22 comportant une unité combinée 12 pour générer de l'hydrogène et des oxydes d'azote. Dans l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12 réalisée comme réacteur à plasma, on génère dans les phases de fonctionnement successives, des oxydes d'azote et de l'hydrogène. Dans une première phase de fonctionnement, à partir de l'air fourni par l'alimentation en air 14, on génère des oxydes d'azote dans le réacteur à plasma et on les stocke dans un catalyseur accumulateur 17. Le catalyseur accumulateur 17 est chargé de métal noble de sorte que dans une seconde phase de fonctionnement l'hydrogène générée est transformée en ammoniac avec les oxydes d'azote accumulés ; l'ammoniac est fourni par le chemin de gaz 18 à la conduite de gaz d'échappement 24. Dans l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12 on forme l'hydrogène à partir du carburant fourni à cette unité 12 par le moyen de dosage de carburant à l'aide du moyen de dosage de carburant 13. Dans le plasma de l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12, on transforme les hydrocarbures du carburant en hydrogène et en monoxyde de carbone. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, dans le mode de réalisation de la figure 2 du moteur à combustion interne 22 on fournit de l'air comburant par l'alimentation en air 20 et du carburant par le moyen de dosage de carburant 21. Les opérations sont commandées par la commande de moteur 23 ; celle-ci commande notamment les phases de fonctionnement de l'unité combinées de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12 par la ligne de commande 15. Dans ce cas également, l'ammoniac dégagé réduit dans le catalyseur SCR 26 les oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement pour donner de l'azote et de l'eau. Selon un mode de réalisation, une électrode de l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12 en forme de réacteur à plasma est l'électrode creuse pour introduire le carburant. Le chauffage de l'électrode produit par le fonctionnement avec plasma est alors utilisé pour évaporer le carburant. L'évaporation du carburant en dehors du plasma avec conversion consécutive en hydrogène et monoxyde de carbone dans un réformage en aval est une solution avantageuse car on obtient une partie plus importante des produits souhaités, à savoir hydrogène et monoxyde de carbone que si le carburant est con- verti dans le réacteur à plasma.

Selon un autre mode de réalisation de l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12, en phase de fonctionnement pour générer de l'hydrogène on a une vaporisation thermique conduisant le carburant directement sur l'électrode chauffée pendant le fonctionnement au plasma, antérieur, pour se vaporiser. On améliore l'évaporation en installant des tôles de guidage ou des organes de mise en rotation dans le chemin du gaz, en amont du point d'évaporation. La figure 3 montre schématiquement la construction de l'unité combinée de génération d'hydrogène et d'oxyde d'azote 12.

L'alimentation en air 14 fournit l'air et/ou les gaz d'échappement de l'unité de génération d'oxydes d'azote 11 réalisée sous la forme d'un réacteur à plasma. Les oxydes d'azote générés dans cette unité au cours de la première phase de fonctionnement sont fournis au catalyseur accumulateur 17 qui les stocke. Dans la seconde phase de fonctionne- ment, la surface chaude de l'unité de génération d'oxydes d'azote 11 forme une zone de développement de mélange 30 par addition de carburant par l'intermédiaire du moyen de dosage de carburant 13. L'unité générant les oxydes d'azote 11 peut alors continuer à fonctionnement au moins de temps en temps pour maintenir la température dans la zone de formation de mélange 30. On améliore l'alimentation du mélange dans le catalyseur de réformage 32 par des aubes de guidage d'air 31. Selon un mode de réalisation, on améliore l'évaporation dans la zone de formation de mélange 30 par des aubes de guidage d'air installées en amont de cette zone selon le sens de passage des fluides.

L'hydrogène généré dans cette seconde phase de fonctionnement, dans le catalyseur de réformage 32, est converti dans le catalyseur accumulateur 17 avec les oxydes d'azote stockés dans celui-ci pour donner de l'ammoniac qui alimente la conduite de gaz d'échappement 24 non représentée ici par l'intermédiaire d'une buse d'injection 33.

Selon un autre mode de réalisation, la zone de formation de mélange 30 se trouve en aval de la zone à plasma selon la direction de circulation des fluides, et en dehors de celle-ci. Le mode de fonctionnement à plasma peut également se faire pendant le dosage du carburant et il sert à chauffer la veine de gaz. La température dans la zone d'évaporation peut se commander pour permettre un chauffage rapide du catalyseur de réformage 32. En injectant le carburant en dehors de la zone à plasma, on évite la formation non voulue de produits auxiliaires dans le plasma, comme par exemple la décomposition du carburant en méthane.

La figure 4 montre l'évolution chronologique pour la commande 40 dans le temps d'un mode de fonctionnement cadencé au plasma, pour générer successivement des oxydes d'azote et de l'hydrogène dans l'unité combinée de formation d'hydrogène et d'oxydes d'azote 12, non représentée ; cette unité est réalisée comme réacteur à plasma pour générer des oxydes d'azote et l'évaporateur thermique pour le carburant, générant de l'hydrogène. La puissance 41 du plasma est représentée en fonction de l'axe des temps 45. On a également représenté le coefficient lambda 49 sur un second axe des temps 46 parallèle au premier axe des temps 45. Dans une première phase de fonctionne- ment, la puissance de plasma 41 est réglée sur une valeur de consigne de plasma 42 et le coefficient lambda 49 sur une valeur maigre 47 qui correspond pratiquement à l'alimentation en air. Dans une seconde phase de fonctionnement, une synchronisation 44 réduit d'une part à zéro la puissance plasma 41 et réduit d'autre part la valeur du coeffi- cient lambda à une valeur de mélange riche 48. La valeur de mélange riche 48 est réglée avantageusement sur un coefficient lambda égal à 0,35 car alors on dispose du rapport optimum égal à 1 d'oxygène par rapport aux hydrocarbures pour générer de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le réglage des coefficients lambda peut se faire en choisis- sant le rapport entre l'alimentation en air et la quantité de carburant évaporée sur les électrodes chauffées. Pour améliorer l'évaporation on peut préchauffer le carburant et/ ou l'alimentation en air dans un échangeur de chaleur. Comme source de chaleur, on peut utiliser la chaleur du catalyseur de réformage ou celle du catalyseur SCR engen- drée par des réactions exothermiques qui s'y produisent. De façon avantageuse, dans ce mode de réalisation, pendant la seconde phase de fonctionnement, on réduit à zéro la puissance du plasma, ce qui réduit la consommation d'énergie.35

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 ) Dispositif pour générer de l'ammoniac comme agent réducteur pour la réduction catalytique sélective SCR d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment d'un moteur à combustion interne (22) selon lequel on mélange l'ammoniac aux gaz d'échappement en amont d'un catalyseur SCR (26) selon le sens de circulation, caractérisé par une unité générant des oxydes d'azote (11) distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et une unité générant de l'hydrogène (10) séparée de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement et les oxydes d'azote fournis par l'unité générant les oxydes d'azote (11) et l'hydrogène généré par l'unité générant l'hydrogène (10) sont fournis à au moins un catalyseur accumulateur (17) ou à un accumulateur d'oxydes d'azote et à un catalyseur en aval pour stocker les oxydes d'azote et former de l'ammoniac.

2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accumulateur d'oxydes d'azote et le catalyseur sous forme de catalyseur accumulateur (17) sont regroupés en un module.

3 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité générant l'hydrogène (10) reçoit du carburant et/ou un mélange air/ carburant et/ou un mélange air-carburant-gaz d'échappement et l'unité générant l'oxyde d'azote (11) reçoit de l'air et/ou des gaz d'échappement.

4 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par une unité combinée générant de l'hydrogène et des oxydes d'azote (12) pour générer alternativement de l'hydrogène et des oxydes d'azote.355 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité générant l'hydrogène (10) et l'unité générant les oxydes d'azote (11) sont des unités distinctes et au moins deux catalyseurs accumulateurs (17.1, 17.2) sont prévus pour stocker les oxydes d'azote et former de l'ammoniac, l'unité générant l'hydrogène (10) et l'unité générant les oxydes d'azote (11) sont reliées alternativement aux catalyseurs accumulateurs (17.1, 17.2) par des chemins de gaz commutés. 6 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un catalyseur accumulateur (17) est réalisé comme accumulateur d'oxydes d'azote avec une charge supplémentaire de métal noble. 7 ) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le catalyseur accumulateur (17) est réalisé avec des carbonates comme composants actifs d'accumulation, notamment du carbonate de ba- ryum, de l'oxyde de baryum ou du carbonate de sodium et/ ou la charge de métal noble est une charge de platine. 8 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité générant l'hydrogène (10) et/ou l'unité générant les oxydes d'azote (11) est un réacteur à plasma. 9 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité générant l'hydrogène (10) reçoit un mélange carburant-air avec un coefficient lambda inférieur à 1, notamment un coefficient lambda compris entre 0,33 et 0,66. 10 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce quel'unité générant l'hydrogène (10) est un évaporateur thermique de carburant suivi d'un catalyseur de réformage (32). 11 ) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' au moins une électrode du réacteur à plasma est réalisée comme évaporateur thermique de carburant. 12 ) Dispositif selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu' au moins une électrode du réacteur à plasma est une électrode creuse recevant le carburant de l'électrode. 13 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un échangeur à contre-courant transfère l'énergie thermique d'un gaz produit par le catalyseur de réformage (32) ou une veine de gaz sortant du réacteur à plasma est fournie à un évaporateur thermique comme gaz éduit de l'air et de carburant. 14 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur à plasma est coupé pendant l'évaporation thermique du carburant. 15 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réacteur à plasma est branché pendant l'évaporation thermique du carburant et le carburant et/ou un mélange carburant-air et/ou un mélange carburant-air-gaz d'échappement est fourni à une zone en aval de la zone de plasma selon le sens de circulation. 16 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en amont de l'évaporateur thermique du carburant et/ou en amont du catalyseur de réformage, une alimentation en air comporte des aubes de guidage d'air. 17 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur SCR (26) est un accumulateur d'ammoniac. 18 ) Procédé pour générer de l'ammoniac comme agent réducteur de réduction catalytique sélective (SCR) d'oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement d'une source de combustion, notamment d'un moteur à combustion interne (22) selon lequel l'ammoniac est mélangé aux gaz d'échappement en amont du catalyseur SCR (26) selon le sens de circulation, caractérisé en ce que les oxydes d'azote sont générés dans une unité de génération d'oxydes d'azote (11) distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement pour être stockés dans au moins un catalyseur accumulateur (17) et l'hydrogène et/ou un mélange hydrogène-oxyde de carbone est généré dans une unité de génération d'hydrogène (10) distincte de la source de combustion et de sa sortie des gaz d'échappement, pour être fournis au catalyseur accumulateur (17) ou à un accumulateur d'oxydes d'azote et à un catalyseur en aval et l'hydrogène et les oxydes d'azote accumulés sont convertis dans le catalyseur accumulateur (17) ou dans le catalyseur par voie catalytique pour donner de l'ammoniac. 19 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'hydrogène et/ou un mélange hydrogène-monoxyde de carbone est gé- néré dans l'unité de génération d'hydrogène (10) à partir du carburant et/ou d'un mélange carburant-air et/ou à partir d'un mélange carburant-air et/ou à partir d'un mélange carburant-air-gaz d'échappement et les oxydes d'azote sont générés dans l'unité de génération d'oxydes d'azote (11) à partir de l'air et/ou des gaz d'échappement.3520 ) Procédé selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce qu' une unité de génération combinée d'hydrogène et d'oxydes d'azote (12) génère alternativement des oxydes d'azote et de l'hydrogène ou un mé- lange hydrogène-monoxyde de carbone, les oxydes d'azote étant accumulés dans le catalyseur accumulateur (17) pendant la phase de génération d'oxydes d'azote et est converti avec l'hydrogène, en phase de génération d'hydrogène, pour donner de l'ammoniac. 21 ) Procédé selon les revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que l'hydrogène et les oxydes d'azote sont fournis par deux unités de génération d'hydrogène et d'azote (10, 11), distinctes, alternativement à deux catalyseurs accumulateurs (17.1, 17.2) pour stocker alternativement de l'oxyde d'azote et générer de l'ammoniac, l'association du flux gazeux aux catalyseurs accumulateurs (17.1, 17.2) se faisant par des chemins de gaz (16) commutés. 22 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'hydrogène ou un mélange hydrogène-monoxyde de carbone et/ ou oxydes d'azote sont générés par un procédé de chimie au plasma dans au moins un réacteur à plasma par un plasma thermique. 23 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la formation d'hydrogène ou la formation du mélange hydrogène-monoxyde de carbone est soutenue par une oxydation partielle (Pox) dans un catalyseur POx. 24 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu' on génère l'hydrogène par évaporation thermique de carburant suivie de réformage dans un catalyseur de réformage (32).3525 ) Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que le carburant est évaporé par récupération dans un échangeur de chaleur à contre-courant et/ou en dosant du carburant dans une zone chaude du réacteur à plasma. 26 ) Procédé selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé en ce qu' on dose le carburant sur l'électrode chaude du réacteur à plasma. 27 ) Procédé selon l'une des revendications 24 ou 25, caractérisé en ce que l'évaporateur de carburant se fait par dosage de carburant et/ou d'un mélange air/ carburant et/ ou d'un mélange carburant-air-gaz d'échappement dans une zone chaude dans la direction d'écoulement en aval de la zone de plasma. 28 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu' on applique une rotation à la veine de gaz en amont de la zone d'évaporation du carburant et/ou du catalyseur de réformage (32). 29 ) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu' on accumule l'ammoniac formé dans le catalyseur accumulateur (17) dans le catalyseur SCR (26) et on réduit les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement de la source de combustion par l'ammoniac stocké pour former de l'azote et de l'hydrogène.30