FR2907027A1 - SYSTEM FOR TREATING NITROGEN OXIDES WITH LIMITATION OF AMMONIA RELEASES - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un système de traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective, dite SCR, destiné à être installé dans la ligne d'échappement (10) du moteur d'un véhicule, le traitement consistant à réduire chimiquement, dans un catalyseur (12), dit catalyseur SCR , les oxydes d'azote en injectant de l'ammoniac sous forme d'urée liquide (14), pure ou en solution, cette urée liquide (14) étant stockée dans un réservoir spécifique (16) destiné à être installé dans le véhicule, et le système comprenant un tube de retour (11) reliant une sortie du réservoir (16) à la ligne d'échappement (10) du moteur, de manière à diriger les vapeurs d'ammoniac, émises lors d'une décomposition de l'urée dans le réservoir (16), vers la ligne d'échappement (10) du moteur, en amont du catalyseur SCR (12).The invention relates to a selective catalytic reduction nitrogen oxide treatment system, known as SCR, for installation in the exhaust line (10) of the engine of a vehicle, the treatment consisting of reducing chemically in a catalyst (12), said SCR catalyst, the nitrogen oxides by injecting ammonia in the form of liquid urea (14), pure or in solution, this liquid urea (14) being stored in a specific reservoir (16) intended to be installed in the vehicle, and the system comprising a return tube (11) connecting an outlet of the tank (16) to the exhaust line (10) of the engine, so as to direct the vapors of ammonia, emitted during a decomposition of the urea in the tank (16), to the exhaust line (10) of the engine, upstream of the SCR catalyst (12).
Description
1 SYSTEME DE TRAITEMENT D'OXYDES D'AZOTE AVEC LIMITATION DES REJETS1 SYSTEM FOR TREATING NITROGEN OXIDES WITH RESTRICTION LIMITS
D'AMMONIAC La présente invention concerne un système de traitement par réduction catalytique sélective d'oxydes d'azote, dit système SCR, dans lequel on fait en sorte de limiter les rejets d'ammoniac dans l'atmosphère. The present invention relates to a treatment system by selective catalytic reduction of nitrogen oxides, said SCR system, in which it is done to limit the release of ammonia into the atmosphere.
Il est connu, notamment pour les véhicules de type poids lourd, d'utiliser des systèmes SCR pour le traitement des oxydes d'azote se trouvant dans la ligne d'échappement des véhicules. It is known, particularly for heavy vehicles, to use SCR systems for the treatment of nitrogen oxides in the exhaust line of the vehicles.
Le principe d'un tel système est de réduire chimiquement les oxydes d'azote NOx en ajoutant un agent réducteur, tel que de l'ammoniac NH3, en amont d'un catalyseur spécifique, dit catalyseur SCR. Un tel système permet aux véhicules, notamment ceux équipés de moteurs diesels, de respecter les niveaux d'émission légalement tolérés, ces niveaux étant de plus en plus bas. Un tel principe de réduction est bien connu dans l'industrie, notamment dans des usines stationnaires pour lesquelles il ne se pose aucun problème pour stocker l'ammoniac. The principle of such a system is to chemically reduce NOx nitrogen oxides by adding a reducing agent, such as ammonia NH3, upstream of a specific catalyst, called SCR catalyst. Such a system allows vehicles, especially those equipped with diesel engines, to comply with legally tolerated emission levels, these levels being lower and lower. Such a reduction principle is well known in industry, especially in stationary plants for which there is no problem to store ammonia.
En revanche, appliqué à l'automobile, un tel traitement nécessite un stockage de l'ammoniac dans un réservoir 2907027 2 spécifique, installé dans le véhicule, et dans lequel l'ammoniac est stocké sous différentes formes. Une des formes de stockage la plus courante est le stockage sous forme d'urée liquide pure ou en solution. On the other hand, applied to the automobile, such a treatment requires the storage of ammonia in a specific tank installed in the vehicle, and in which the ammonia is stored in various forms. One of the most common forms of storage is storage in the form of pure liquid urea or in solution.
5 Dans ce cas, le principe de la technologie SCR est d'injecter la solution d'urée en amont du catalyseur SCR. Ainsi, dans l'échappement, il y a d'abord évaporation de l'eau contenue dans la solution, puis décomposition de l'urée en ammoniac. Cette réaction de décomposition de l'urée s'effectue 10 en deux étapes successives ; d'une part, une étape de thermolyse de l'urée sous la forme de la réaction chimique : (NH2) 2CO -> HNCO + NH3, d'autre part une étape d'hydrolyse de l'acide isocyanique HNCO créé lors de la thermolyse, avec la réaction chimique : 15 HNCO + H2O -> NH3 + CO2 , On peut constater, au vu de la première réaction chimique, que la décomposition de l'urée s'effectue sans apport de composant additionnel. En conséquence, l'urée sous forme de 20 solution aqueuse présente la caractéristique d'être relativement instable, puisque, en fonction de la température, la réaction de décomposition peut s'effectuer dans le réservoir d'urée, notamment si la température devient trop élevée. Dans ce cas, l'urée se décompose en ammoniac dans le réservoir, et cet ammoniac créé s'évapore dans l'air du réservoir. L'ammoniac étant un gaz toxique et odorant, son évaporation dans l'air représente un inconvénient important, notamment dans le cas où un véhicule est exposé à des températures élevées, créant un dégagement important d'ammoniac. Un tel dégagement est particulièrement gênant dans le cas d'un véhicule particulier qui roule peu. En effet, lorsque le véhicule est en mouvement, les gaz sont rapidement dissous dans l'atmosphère, et sont donc peu dérangeants pour les utilisateurs du véhicule, ce qui n'est pas le cas lorsque le véhicule est à l'arrêt. C'est notamment pour cette raison que ce dégagement possible n'est pas pris en 2907027 3 compte dans le cadre des systèmes SCR installés sur des véhicules poids lourds, car ces véhicules sont, la plupart du temps, en mouvement. L'invention vise donc à remédier, au moins en partie, 5 à cet inconvénient, en limitant les rejets d'ammoniac dans l'atmosphère proche du véhicule. Ainsi, l'invention concerne un système de traitement d'oxydes d'azote à réduction catalytique sélective, dit système 10 SCR, destiné à être installé dans la ligne d'échappement du moteur d'un véhicule, le traitement consistant à réduire chimiquement, dans un catalyseur, dit catalyseur SCR, les oxydes d'azote en injectant de l'ammoniac sous forme d'urée liquide, pure ou en solution, cette urée liquide étant stockée dans un 15 réservoir spécifique destiné à être installé dans le véhicule, et le système comprenant un tube de retour reliant une sortie du réservoir à la ligne d'échappement du moteur, de manière à diriger les vapeurs d'ammoniac, émises lors d'une décomposition de l'urée dans le réservoir, vers la ligne d'échappement du 20 moteur, en amont du catalyseur SCR. Toutefois, même si l'on souhaite diriger les vapeurs d'ammoniac vers la ligne d'échappement, il n'est pas souhaitable que des gaz ou autres éléments chimiques puissent circuler de 25 l'échappement vers le réservoir d'urée. Il est donc utile de prévoir un dispositif pour interdire les échanges gazeux dans ce sens. A cet effet, dans une réalisation, le tube de retour comprend une vanne anti-retour pour autoriser uniquement les 30 transferts gazeux du réservoir d'urée vers la ligne d'échappement du moteur. Par ailleurs, en fonctionnement normal, c'est à dire lorsqu'il n'y a pas d'évaporation excessive d'ammoniac dans le 35 réservoir d'urée, il n'est pas nécessaire de prévoir un 2907027 4 transfert gazeux vers l'échappement. Ainsi, dans une réalisation, la vanne anti-retour est telle que le transfert gazeux du réservoir d'urée vers la ligne d'échappement du moteur, via la vanne, est autorisé uniquement lorsque la 5 pression du gaz est supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple 50 millibars. En conséquence, en fonctionnement normal, la vanne étant fermée, l'échappement et le réservoir sont alors parfaitement étanches. Lorsque la température augmente de 10 manière conséquente, de l'ammoniac est présent dans l'air du réservoir, avec pour conséquence une augmentation de la pression, et une ouverture de la vanne sous l'effet de cette pression. Il est à noter que cette ouverture de vanne ne 15 nécessite l'action d'aucun dispositif autre que la vanne elle-même ; ainsi, le dégazage peut être effectué lorsque le véhicule est à l'arrêt. Après avoir été dégazé, c'est à dire expulsé du 20 réservoir d'urée par la vanne, l'ammoniac est transféré dans la ligne d'échappement. Dans une réalisation, le système comprend des moyens pour que cet ammoniac transféré soit alors piégé dans une zone fermée en amont du catalyseur SCR, et donc dirigé vers ce catalyseur.In this case, the principle of the SCR technology is to inject the urea solution upstream of the SCR catalyst. Thus, in the exhaust, there is first evaporation of the water contained in the solution, then decomposition of urea ammonia. This decomposition reaction of urea takes place in two successive stages; on the one hand, a step of thermolysis of urea in the form of the chemical reaction: (NH 2) 2 CO -> HNCO + NH 3, on the other hand a step of hydrolysis of isocyanic acid HNCO created during the thermolysis, with the chemical reaction: HNCO + H2O → NH3 + CO2. It can be seen from the first chemical reaction that the decomposition of the urea takes place without the addition of additional components. Accordingly, urea in the form of an aqueous solution has the characteristic of being relatively unstable since, depending on the temperature, the decomposition reaction can take place in the urea reservoir, especially if the temperature becomes too high. high. In this case, the urea decomposes to ammonia in the tank, and this ammonia created evaporates in the air of the tank. Ammonia is a toxic and odorous gas, its evaporation in the air represents a significant drawback, especially in the case where a vehicle is exposed to high temperatures, creating a significant release of ammonia. Such clearance is particularly troublesome in the case of a particular vehicle that rolls little. Indeed, when the vehicle is in motion, the gases are rapidly dissolved in the atmosphere, and are therefore little inconvenient for the users of the vehicle, which is not the case when the vehicle is stationary. It is for this reason, in particular, that this possible clearance is not taken into account in SCR systems installed on heavy goods vehicles, since these vehicles are, for the most part, in motion. The invention therefore aims to remedy, at least in part, this disadvantage by limiting the release of ammonia into the atmosphere close to the vehicle. Thus, the invention relates to a selective catalytic reduction nitrogen oxide treatment system, called SCR system 10, intended to be installed in the exhaust line of the engine of a vehicle, the treatment consisting in chemically reducing, in a catalyst, called SCR catalyst, the nitrogen oxides by injecting ammonia in the form of liquid urea, pure or in solution, this liquid urea being stored in a specific reservoir intended to be installed in the vehicle, and the system comprising a return tube connecting an outlet of the tank to the exhaust line of the engine, so as to direct the ammonia vapors, emitted during a decomposition of the urea in the tank, to the line of exhaust of the engine, upstream of the catalyst SCR. However, even if it is desired to direct the ammonia vapors toward the exhaust line, it is undesirable for gases or other chemical elements to be able to flow from the exhaust to the urea reservoir. It is therefore useful to provide a device to prohibit gaseous exchanges in this direction. For this purpose, in one embodiment, the return tube comprises a check valve to allow only 30 gas transfers from the urea tank to the exhaust line of the engine. On the other hand, in normal operation, that is, when there is no excessive ammonia evaporation in the urea reservoir, it is not necessary to provide a gas transfer to the urea reservoir. 'exhaust. Thus, in one embodiment, the check valve is such that the gas transfer from the urea tank to the engine exhaust line through the valve is allowed only when the gas pressure is above a predetermined value. for example 50 millibars. Consequently, in normal operation, the valve being closed, the exhaust and the tank are then perfectly sealed. When the temperature increases significantly, ammonia is present in the air of the tank, resulting in an increase in pressure, and an opening of the valve under the effect of this pressure. It should be noted that this valve opening does not require the action of any device other than the valve itself; thus, the degassing can be performed when the vehicle is stopped. After being degassed, ie expelled from the urea tank by the valve, the ammonia is transferred into the exhaust line. In one embodiment, the system comprises means for this transferred ammonia to be trapped in a closed zone upstream of the SCR catalyst, and thus directed towards this catalyst.
25 Dans une réalisation, le système comprend des moyens pour que, lorsque le transfert d'ammoniac vers la ligne d'échappement du moteur a lieu pendant une phase de fonctionnement du véhicule, l'ammoniac soit aussitôt utilisé pour la réduction des oxydes d'azote dans le catalyseur.In one embodiment, the system comprises means that, when the transfer of ammonia to the engine exhaust line takes place during an operating phase of the vehicle, the ammonia is immediately used for the reduction of the oxides of the engine. nitrogen in the catalyst.
30 Toutefois, il a été décrit précédemment que, le dégazage de l'ammoniac étant passif, il peut avoir lieu pendant une phase d'arrêt du véhicule, c'est à dire une phase où aucun oxyde d'azote n'est dégagé. Dans ce cas, l'ammoniac dirigé dans 35 le catalyseur SCR ne peut pas être utilisé pour réduire des 2907027 5 oxydes d'azote. Une solution pour résoudre cela consiste à stocker l'ammoniac, pour le conserver et l'utiliser pour réduire des oxydes d'azote lors d'un prochain démarrage du véhicule. Pour cela, dans une réalisation, le système comprend 5 des moyens pour que, lorsque le transfert d'ammoniac a lieu pendant une phase d'arrêt du véhicule, l'ammoniac soit stocké dans le catalyseur SCR, par exemple par le moyen de zéolithes contenues dans le catalyseur SCR, en vue d'une utilisation ultérieure pour la réduction des oxydes d'azote.However, it has been previously described that, since ammonia degassing is passive, it can take place during a stopping phase of the vehicle, that is to say a phase where no nitrogen oxide is released. In this case, the ammonia directed in the SCR catalyst can not be used to reduce nitrogen oxides. One solution to solve this is to store the ammonia, to store it and use it to reduce nitrogen oxides at the next start of the vehicle. For this, in one embodiment, the system comprises means for that, when the ammonia transfer takes place during a stopping phase of the vehicle, the ammonia is stored in the SCR catalyst, for example by means of zeolites. contained in the SCR catalyst, for later use for the reduction of nitrogen oxides.
10 Les zéolithes sont des alumino-silicates cristallisés microporeux de formule globale (A1O2M, nSiO2), où M représente le plus souvent un métal alcalin ou alcalino-terreux et n >_ 1. Il existe plus de cent espèces de zéolithes, qui diffèrent par la valeur de n et la structure cristallographique. La présence de 15 cations dans les micropores génère des champs électriques de l'ordre de 1010 V.m 1, ce qui fait de ces corps de puissants adsorbants polaires. En particulier, de par la polarité des molécules d'ammoniac, une fonctionnalité des zéolithes réside dans leur 20 capacité à stocker ce type de molécules, avec une bonne tenue thermique. Cette capacité de stockage s'exprime en gramme d'ammoniac NH3 par litre de catalyseur. L'invention concerne également un véhicule automobile 25 comprenant un système conforme à l'invention précédemment décrite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de 30 réalisation, cette description étant réalisée à titre non limitatif à l'aide des figures sur lesquelles : - la figure 1 représente un système de traitement d'oxydes d'azote conforme à l'invention, 2907027 6 - la figure 2 montre l'évolution de la concentration en urée d'une solution aqueuse d'urée, pour différentes températures, et - la figure 3 montre la capacité de stockage en 5 ammoniac d'un catalyseur SCR intégrant des zéolithes dans sa composition en fonction de la température. La figure 1 montre un système de traitement d'oxydes d'azote présents dans la ligne d'échappement 10 d'un moteur de 10 véhicule, notamment de type Diesel. Ces oxydes d'azote sont dirigés vers un catalyseur spécifique SCR 12, dans lequel est effectuée une réduction chimique. Pour que cette réduction ait lieu, il est nécessaire d'ajouter aux oxydes d'azote de l'ammoniac, par exemple contenu dans de l'urée liquide 14. Cette 15 urée liquide est généralement stockée dans un réservoir spécifique 16 installé dans le véhicule. Ce réservoir 16 est relié, via un conduit d'alimentation 18, à un injecteur spécifique 19, permettant d'injecter l'urée 14 dans la ligne d'échappement 14 du moteur.Zeolites are microporous crystalline alumino-silicates of the general formula (AlO2M, nSiO2), where M is most often an alkali or alkaline earth metal and n> 1. There are more than one hundred species of zeolites, which differ by the value of n and the crystallographic structure. The presence of 15 cations in the micropores generates electric fields of the order of 1010 V.m 1, which makes these bodies powerful polar adsorbents. In particular, because of the polarity of the ammonia molecules, a feature of zeolites lies in their ability to store this type of molecules, with good thermal resistance. This storage capacity is expressed in grams of NH3 ammonia per liter of catalyst. The invention also relates to a motor vehicle comprising a system according to the invention described above. Other features and advantages of the invention will become apparent with the description of some of its embodiments, this description being given in a nonlimiting manner with the aid of the figures in which: FIG. 1 represents a processing system of FIG. According to the invention, FIG. 2 shows the evolution of the urea concentration of an aqueous solution of urea, for different temperatures, and FIG. 3 shows the storage capacity in FIG. Ammonia of an SCR catalyst incorporating zeolites in its composition as a function of temperature. FIG. 1 shows a system for treating nitrogen oxides present in the exhaust line 10 of a vehicle engine, in particular of diesel type. These nitrogen oxides are directed to a specific catalyst SCR 12, in which a chemical reduction is carried out. In order for this reduction to take place, it is necessary to add ammonia to the nitrogen oxides, for example contained in liquid urea 14. This liquid urea is generally stored in a specific tank 16 installed in the vehicle. . This tank 16 is connected, via a supply duct 18, to a specific injector 19, for injecting urea 14 into the exhaust line 14 of the engine.
20 Lorsque le véhicule dans lequel est installé ce système est exposé à des températures élevées, par exemple s'il reste garé au soleil pendant une durée relativement longue, la température à l'intérieur du réservoir augmente rapidement.When the vehicle in which the system is installed is exposed to high temperatures, for example if it remains parked in the sun for a relatively long time, the temperature inside the tank increases rapidly.
25 Cette augmentation de température a pour conséquence une décomposition lente de l'urée, notamment illustrée sur la figure 2. Sur cette figure, les courbes 20 et 22 représentent l'évolution dans le temps de la concentration en urée dans 30 l'eau, lorsqu'une solution d'urée est exposée à des températures respectives de 60 C et 70 C. Ces températures, qui paraissent élevées pour des températures ambiantes, sont pourtant facilement atteignables dans un moteur de véhicule exposé en plein soleil pendant plusieurs heures.This increase in temperature results in a slow decomposition of the urea, particularly illustrated in FIG. 2. In this figure, the curves 20 and 22 represent the evolution over time of the concentration of urea in water, when a solution of urea is exposed to temperatures of 60 C and 70 C. These temperatures, which seem high for ambient temperatures, are however easily achievable in a vehicle engine exposed to direct sunlight for several hours.
2907027 7 On constate, sur ces deux courbes, que la concentration en urée dans l'eau diminue progressivement au fil des jours ; ainsi, après 5 jours à 70 C, la concentration est déjà passée de 6 moles par litres initialement à 5 moles par 5 litres ; après 10 jours à 60 C, la concentration n'est plus que de 5,50 moles par litre, pour la même concentration initiale de 6 moles par litre. L'urée 14 décomposée est transformée en ammoniac qui s'évapore dans l'air du réservoir 16. L'ammoniac étant un gaz 10 toxique et odorant, il peut être gênant de laisser le réservoir à l'air libre. Ainsi, dans un système selon l'invention, on prévoit un tube de retour 11 pour transférer l'ammoniac sous forme gazeuse vers la ligne d'échappement 10 du moteur. Afin d'éviter que les gaz présents dans cette ligne 15 d'échappement 10 ne remontent vers le réservoir 16, on prévoit une vanne anti-retour 13 située dans le tube de retour 11. Cette vanne 13 est telle qu'elle ne s'ouvre que dans le sens réservoir => ligne d'échappement, lorsque la pression devient supérieure à une valeur prédéterminée. Cette valeur peut 20 être, en fonction du type de vanne utilisé, de l'ordre de 50 millibars ou de 100 millibars. Les molécules d'ammoniac, transférées dans la ligne d'échappement 10, sont alors piégées dans une zone fermée située 25 entre le catalyseur d'oxydation 15 et le catalyseur SCR 12. L'ammoniac est donc dirigé naturellement vers le catalyseur 12. Si le véhicule est en fonctionnement à cet instant, cela signifie que des oxydes d'azote sont présents dans 30 la ligne d'échappement 10, et l'ammoniac est alors consommé directement dans le catalyseur 12, pour la réduction de ces oxydes d'azote. Le catalyseur 12 contient des zéolithes, ayant la 35 capacité de stocker de l'ammoniac. Cette capacité de stockage 2907027 8 est illustrée sur la figure 3. Sur cette figure, la courbe 30 représente l'évolution de la capacité de stockage, exprimée en gramme d'ammoniac NH3 par litre, en fonction de la température. Ainsi, on constate que pour une température de 150 C, 5 la capacité de stockage est supérieure à 0.6 grammes par litre. Sur cette figure ne sont représentés que des points pour des températures supérieures à 150 C, mais il est connu que les zéolithes sont très efficaces pour stocker l'ammoniac aux températures ambiantes. En conséquence, pour des quantités 10 faibles d'ammoniac dans les gaz, cet ammoniac est entièrement stocké dans le catalyseur SCR. Grâce à ces zéolithes présentes dans le catalyseur SCR 12, l'ammoniac arrivant dans le catalyseur lorsque le véhicule 15 n'est pas en fonctionnement peut être stocké, afin d'être utilisé ultérieurement pour la réduction chimique des oxydes d'azote, notamment lors d'un prochain démarrage du véhicule. 20On these two curves, it is found that the concentration of urea in the water decreases gradually over the days; thus, after 5 days at 70 ° C., the concentration has already increased from 6 moles per liter initially to 5 moles per 5 liters; after 10 days at 60 ° C., the concentration is only 5.50 mol per liter, for the same initial concentration of 6 mol per liter. The decomposed urea 14 is converted into ammonia which evaporates in the air of the tank 16. The ammonia being a toxic and odorous gas, it can be inconvenient to leave the tank in the open air. Thus, in a system according to the invention, there is provided a return tube 11 for transferring ammonia in gaseous form to the exhaust line 10 of the engine. In order to prevent the gases present in this exhaust line 10 from rising towards the tank 16, a non-return valve 13 is provided in the return tube 11. This valve 13 is such that it can not opens only in the tank direction => exhaust line, when the pressure becomes greater than a predetermined value. This value may be, depending on the type of valve used, of the order of 50 millibars or 100 millibars. The ammonia molecules, transferred into the exhaust line 10, are then trapped in a closed zone between the oxidation catalyst 15 and the SCR catalyst 12. The ammonia is thus naturally directed to the catalyst 12. If the vehicle is in operation at this time, this means that nitrogen oxides are present in the exhaust line 10, and the ammonia is then consumed directly in the catalyst 12, for the reduction of these nitrogen oxides . Catalyst 12 contains zeolites, having the ability to store ammonia. This storage capacitor 2907027 8 is illustrated in FIG. 3. In this figure, curve 30 represents the evolution of the storage capacity, expressed in grams of NH 3 ammonia per liter, as a function of temperature. Thus, it can be seen that for a temperature of 150 ° C., the storage capacity is greater than 0.6 grams per liter. Only dots for temperatures above 150 ° C are shown in this figure, but it is known that zeolites are very effective at storing ammonia at ambient temperatures. As a result, for small amounts of ammonia in the gases, this ammonia is fully stored in the SCR catalyst. Thanks to these zeolites present in the catalyst SCR 12, the ammonia arriving in the catalyst when the vehicle 15 is not in operation can be stored, for later use for the chemical reduction of nitrogen oxides, especially during next start of the vehicle. 20
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