FR2914688A1 - ADDITIVE TO IMPROVE THE FUNCTIONING OF NITROGEN OXIDE REDUCTION SYSTEMS THROUGH THE EXHAUST GAS UHEATION OF DIESEL ENGINES - Google Patents
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Abstract
Cet additif pour favoriser le post-traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs diesels, comporte une solution aqueuse d'urée destinée à être vaporisée dans lesdits gaz d'échappement.Ladite solution aqueuse contient du nitrate d'ammonium seul ou en association avec d'autres additifs.This additive for promoting the after-treatment of the exhaust gases of an internal combustion engine, and more particularly of diesel engines, comprises an aqueous solution of urea intended to be vaporized in said exhaust gas.The aqueous solution contains ammonium nitrate alone or in combination with other additives.
Description
ADDITIF POUR AMELIORER LE FONCTIONNEMENT DES SYSTEMES DE REDUCTION DESADDITIVE TO IMPROVE THE FUNCTIONING OF REDUCTION SYSTEMS
OXYDES D'AZOTE PAR L'UREE DES GAZ D'ECHAPPEMENT DES MOTEURS DIESEL NITROGEN OXIDES THROUGH THE UREA OF EXHAUST GASES FROM DIESEL ENGINES
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine du traitement des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement des moteurs diesel. FIELD OF THE INVENTION The invention relates to the field of exhaust gas treatment of internal combustion engines, and more particularly to diesel engines.
Elle vise plus particulièrement le post-traitement desdits gaz d'échappement aux fms de 10 réduire les oxydes d'azote présents dans ceux-ci. More particularly, it relates to the post-treatment of said exhaust gases in order to reduce the nitrogen oxides present therein.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE De manière connue, les gaz d'échappement des moteurs diesel contiennent une proportion relativement importante d'oxydes d'azote (NOX). D'autres sources 15 industrielles sont également émettrices de tels oxydes d'azote. PRIOR ART In the known manner, the exhaust gases of diesel engines contain a relatively large proportion of nitrogen oxides (NOx). Other industrial sources also emit such nitrogen oxides.
Dans le cadre général de la préservation de l'environnement, une norme édictée par la Commission Européenne, dite EURO 4 , a fixé de manière précise les tolérances admises dans le cadre des rejets de ces oxydes d'azote. Afm de réduire leur émission, il est connu de mettre en place un système dit SCR (selon l'expression anglo-saxonne Selective Catalyst Reduction ), comportant un catalyseur de réduction desdits oxydes aux fms de transformer ceux-ci en azote gazeux N2. In the general framework of the preservation of the environment, a standard issued by the European Commission, known as EURO 4, has fixed in a precise way the allowed tolerances within the framework of the discharges of these nitrogen oxides. In order to reduce their emission, it is known to set up a so-called SCR (Selective Catalyst Reduction) system, comprising a catalyst for reducing said oxides to transform them into nitrogen gas N2.
25 Afm de favoriser cette réaction de réduction, on injecte dans les gaz d'échappement une solution aqueuse d'urée, plus pratique d'utilisation et moins dangereuse que l'utilisation d'ammoniac NH3, cette injection étant réalisée en amont du catalyseur. Au dessus de 200 C, l'urée s'hydrolyse selon la réaction suivante : In order to promote this reduction reaction, an aqueous urea solution, which is more convenient to use and less dangerous than the use of ammonia NH 3, is injected into the exhaust gas, this injection being carried out upstream of the catalyst. Above 200 C, the urea hydrolyses according to the following reaction:
30 NH2-CO-NH2+H20 E 2NH3+CO2NH2-CO-NH2 + H20 E2NH3 + CO2
Ce faisant, il se dégage du gaz ammoniac NH3 qui réagit avec le catalyseur précité et les oxydes d'azote pour donner de l'azote gazeux et de la vapeur d'eau. In doing so, NH 3 ammonia gas is evolved which reacts with the aforementioned catalyst and nitrogen oxides to give nitrogen gas and water vapor.
35 2NH3+ 3NO E N2 + 3H20 4NH3+ 3NO2 E N2 + 6H20 20 Cependant, lorsque la température dans les gaz d'échappement est comprise entre 200 et 250 C, et notamment inférieure à 300 C, correspondant à la configuration des bus urbains et autres bennes à ordures dans lesquels le moteur n'est jamais chargé, une réaction parasite apparaît dans laquelle une partie de l'urée se transforme en acide cyanurique. Cet acide est solide et en outre est relativement stable chimiquement à ces températures, sa décomposition n'intervenant qu'au-delà de 350 C, et encore de manière lente. Cet acide cyanurique se forme par décomposition de l'urée selon la réaction suivante : 3NH2-CO-NH2 E 3NH3+CNOH-CNOH-CNOH However, when the temperature in the exhaust gas is between 200 and 250 ° C., and in particular less than 300 ° C., corresponding to the configuration of the urban buses and other skips. in which the engine is never loaded, a parasitic reaction occurs in which part of the urea is converted into cyanuric acid. This acid is solid and moreover is relatively chemically stable at these temperatures, its decomposition occurring only above 350 C, and still slowly. This cyanuric acid is formed by decomposition of the urea according to the following reaction: 3NH 2 -CO-NH 2 E 3 NH 3 + CNOH-CNOH-CNOH
Si cette réaction parasite est toujours présente, elle est peu gênante lorsque le moteur fonctionne en pleine charge c'est-à-dire avec des températures de gaz d'échappement typiquement supérieures à 400 C, ou à l'inverse au ralenti à des températures inférieures à 200 C. En effet, dans ces conditions, les petites quantités d'acide cyanurique formées sont généralement rapidement éliminées par décomposition thermique, chaque fois que la température des gaz d'échappement dépasse 350 C. If this parasitic reaction is still present, it is not a problem when the engine is operating at full load, that is to say with exhaust gas temperatures that are typically greater than 400 ° C., or conversely at idle at temperatures Under these conditions, the small amounts of cyanuric acid formed are generally rapidly removed by thermal decomposition, each time the temperature of the exhaust gas exceeds 350 C.
Cependant, cette réaction et notamment la formation d'acide cyanurique devient 20 préoccupante lorsque les moteurs fonctionnent non chargés, et typiquement dans le cadre des trajets de bus en situation urbaine ou des bennes à ordures. However, this reaction and in particular the formation of cyanuric acid becomes of concern when the engines operate unloaded, and typically in the context of urban bus routes or dumpsters.
On observe en effet, pour ce type de configurations, que 85% de la durée d'utilisation du moteur génère des gaz d'échappement de moins de 200 C, 14% entre 200 et 300 C 25 et moins de 1% à une température supérieure à 300 C. En raison de la majorité du fonctionnement à une température inférieure à la température de décomposition de l'acide cyanurique, celui-ci s'accumule et entraîne l'obstruction du système catalytique. Le dépôt de l'acide sur ledit système catalytique se présente sous forme de mottes ou d'agglomérats, l'acide s'agglomérant au fur et à mesure sur le système, de sorte que 30 son élimination par chauffage devient de plus en plus difficile, même lorsque le moteur est à pleine charge car il présente alors une faible surface de contact avec les gaz. Indeed, for this type of configuration, 85% of the engine operating time generates exhaust gas of less than 200 C, 14% between 200 and 300 C 25 and less than 1% at a temperature greater than 300 C. Due to the majority of operation at a temperature below the decomposition temperature of cyanuric acid, it accumulates and causes clogging of the catalytic system. The deposition of the acid on said catalytic system is in the form of lumps or agglomerates, the acid gradually agglomerating on the system, so that its removal by heating becomes more and more difficult. , even when the engine is at full load because it has a small contact surface with the gas.
Dans cette hypothèse, il devient nécessaire de changer l'intégralité du système catalytique, soit en le remplaçant par un système neuf, soit pour aboutir à sa 35 régénération. 5 Le processus de régénération s'effectue à une température typique voisine de 500 C, et s'avère long. Ce faisant, le changement ou la régénération du système catalytique s'avère consommateur de main d'oeuvre, de temps, et donc au fmal, particulièrement onéreux. On ne dispose pas à ce jour de solution technique susceptible de s'affranchir de cet inconvénient, rédhibitoire, notamment pour les exploitants de flottes d'autobus, ou de bennes à ordures. In this case, it becomes necessary to change the entire catalytic system, either by replacing it with a new system, or to achieve its regeneration. The regeneration process is carried out at a typical temperature of about 500 ° C and is long. In doing so, the change or the regeneration of the catalytic system proves to be labor intensive, time consuming, and therefore expensive, particularly expensive. There is currently no technical solution to overcome this drawback, unacceptable, especially for operators of bus fleets, or dumpsters.
10 EXPOSE DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION
La présente invention vise à solutionner ce problème de manière simple, efficace et peu coûteuse. The present invention aims to solve this problem simply, efficiently and inexpensively.
15 Selon celle-ci, elle consiste à rajouter à la solution aqueuse d'urée une proportion de nitrate d'ammonium (NH4NO3). Ce nitrate d'ammonium est donc introduit simultanément avec l'urée dans les gaz d'échappement. According to this, it consists in adding to the aqueous solution of urea a proportion of ammonium nitrate (NH4NO3). This ammonium nitrate is therefore introduced simultaneously with the urea in the exhaust gas.
Les gouttelettes de nitrate d'ammonium vont préférentiellement mouiller les cristaux 20 d'acide cyanurique qui aurait pu se former. The ammonium nitrate droplets will preferentially wet the crystals of cyanuric acid that might have formed.
Le nitrate d'ammonium présente la particularité de solubiliser totalement l'acide cyanurique et donc déjà de changer son apparence en le rendant plus friable. L'autre intérêt du nitrate d'ammonium est lié à sa température de décomposition théorique de 25 210 C qui le rend réactif vis à vis de tous les substances à caractère réducteur. Or justement, l'acide cyanurique présente un caractère réducteur. Ce faisant, l'association acide cyanurique/nitrate d'ammonium se décompose totalement à partir de cette température relativement basse, permettant de fait d'éliminer la formation dudit acide. Ammonium nitrate has the particularity of completely solubilizing cyanuric acid and thus already changing its appearance by making it more friable. The other interest of ammonium nitrate is related to its theoretical decomposition temperature of 210 ° C., which renders it reactive with respect to all reducing substances. In fact, cyanuric acid has a reducing character. In doing so, the cyanuric acid / ammonium nitrate combination is completely decomposed from this relatively low temperature, effectively eliminating the formation of said acid.
30 Il est par ailleurs rappelé que la température de fusion du nitrate d'ammonium est voisine de 170 C. It is also recalled that the melting temperature of ammonium nitrate is close to 170 C.
Dès lors, lorsqu'une solution aqueuse contenant l'urée et le nitrate d'ammonium est vaporisée dans les gaz d'échappement, et lorsque ceux-ci sont à une température 35 voisine de 200 C, il y a donc évaporation de l'eau de la solution aqueuse, et corollairement formation de cristaux d'urée. Le nitrate d'ammonium se trouve quant à lui au dessus de sa température de fusion : il se présente donc sous la forme de gouttelettes qui mouillent les parois et les autre solides et préférentiellement l'acide cyanurique s'il s'en est formé. Therefore, when an aqueous solution containing urea and ammonium nitrate is vaporized in the exhaust gas, and when these are at a temperature of about 200 C, there is therefore evaporation of the water of the aqueous solution, and corollary formation of urea crystals. The ammonium nitrate is above its melting point: it is therefore in the form of droplets that wet the walls and other solids and preferably cyanuric acid if it is formed.
En d'autres termes, l'invention consiste à vaporiser une solution contenant du nitrate 5 d'ammonium au sein des gaz d'échappements. In other words, the invention consists of spraying a solution containing ammonium nitrate into the exhaust gases.
Dès lors que la température des gaz d'échappement dépasse 200 C, le nitrate d'ammonium réagit soit avec l'acide cyanurique, soit malheureusement aussi avec l'urée, soit avec les deux. On a les réactions : Since the temperature of the exhaust gas exceeds 200 ° C, the ammonium nitrate reacts with either cyanuric acid or unfortunately also with urea or both. We have the reactions:
3NH4NO3 + 2CNOH-CNOH-CNOH 9H2O+6N2+6 CO+de la chaleur 3NH4NO3 + NH2-CO-NH2 E CO2 + 8 H2O + 5 N2 15 Cette réaction de décomposition tant de l'urée que du nitrate d'ammonium est complète et présente une cinétique de réaction élevée dès que la température dépasse 210 C. Il est précisé qu'en fonction de la température de décomposition, le nitrate d'ammonium se décompose soit en protoxyde d'azote (N2O) et vapeur d'eau, soit en 20 oxyde d'azote NO, ou encore directement en azote gazeux et en eau. 3NH4NO3 + 2CNOH-CNOH-CNOH 9H2O + 6N2 + 6C0 + heat 3NH4NO3 + NH2-CO-NH2E CO2 + 8 H2O + 5 N2 This decomposition reaction of both urea and ammonium nitrate is complete and has a high reaction kinetics as soon as the temperature exceeds 210 C. It is specified that depending on the decomposition temperature, the ammonium nitrate decomposes either nitrous oxide (N2O) and water vapor, either nitrogen oxide NO, or directly into nitrogen gas and water.
Les oxydes d'azote, lorsqu'ils arrivent au contact du catalyseur spécifique de dénitrification, en présence d'ammoniac, sont automatiquement réduits et transformés en azote gazeux (N2) après catalyse. On a démontré qu'en rajoutant une proportion 25 comprise entre 0,1 et quelque % en masse de nitrate d'ammonium rapportée à la quantité d'urée pure, on aboutit d'une part au complet fonctionnement du système catalytique, certes déjà connu, mais surtout à la suppression de la formation d'acide cyanurique, dont on a montré les inconvénients en préambule. En raison de la faible consommation d'urée par le nitrate d'ammonium, il peut être avantageux de concentrer 30 davantage les solutions aqueuses d'urée disponibles à ce jour dans le commerce pour permettre de conserver la pleine efficacité de ladite solution, celle-ci comprenant au moins 32,5 % d'urée. Cette concentration ayant été retenue, c'est dans ces conditions que la température de congélation est la plus basse, -11 C. Accessoirement, l'addition de nitrate d'ammonium abaisse cette température de congélation. 10 35 Avantageusement, lorsque l'on souhaite rendre encore plus sélective la réaction de blocage de l'acide cyanurique, on peut rajouter à la solution d'autres additifs azotés (sans cendre, de nature minéral ou organique, fonctionnalisés par des groupements alcool, amine, amide, nitrile ou autres hétéro atomes, pour être soluble dans l'eau). The nitrogen oxides, when they come into contact with the specific denitrification catalyst, in the presence of ammonia, are automatically reduced and converted into nitrogen gas (N2) after catalysis. It has been demonstrated that by adding a proportion of between 0.1 and a few percent by weight of ammonium nitrate, relative to the amount of pure urea, it leads firstly to the complete operation of the catalytic system, which is already known. but especially to the suppression of the formation of cyanuric acid, the disadvantages of which have been shown in the preamble. Because of the low urea consumption by ammonium nitrate, it may be advantageous to further concentrate the aqueous solutions of urea commercially available to date in order to maintain the full effectiveness of said solution. comprising at least 32.5% urea. This concentration having been chosen, it is under these conditions that the freezing temperature is the lowest, -11 ° C. Incidentally, the addition of ammonium nitrate lowers this freezing temperature. Advantageously, when it is desired to make the blocking reaction of cyanuric acid even more selective, it is possible to add to the solution other nitrogen-free additives (without ash, of mineral or organic nature, functionalized with alcohol groups, amine, amide, nitrile or other hetero atoms, to be soluble in water).
Ainsi, les autres additifs susceptibles d'être adjoints à la solution aqueuse sont de nature azotée et sont constitués par des nitrates ou des nitrites de composés organiques aminés ou non, ou des amides d'acides organiques associé ou non à des groupements fonctionnels du type alcool ou acide, amine, amide, nitrile ou autres hétéro atomes. Thus, the other additives that may be added to the aqueous solution are of a nitrogenous nature and are constituted by nitrates or nitrites of organic compounds which may or may not be amine, or amides of organic acids which may or may not be associated with functional groups of the type alcohol or acid, amine, amide, nitrile or other hetero atoms.
Certain de ces produits peuvent rendre plus sélective la réaction de décomposition thermique de l'acide cyanurique formé avec le nitrate d'ammonium, ou encore favoriser le mouillage de la poudre d'acide cyanurique déposé par les gouttelettes de nitrate d'ammonium en intervenant comme tensio-actif, surfactant ou mouillant. Some of these products may make the thermal decomposition reaction of cyanuric acid formed with ammonium nitrate more selective, or promote the wetting of the cyanuric acid powder deposited by the ammonium nitrate droplets by acting as surfactant, surfactant or wetting agent.
Dans le cas d'obstruction du système catalytique par l'acide cyanurique, on peut mettre en oeuvre une solution de nitrate d'ammonium concentrée, seule ou en association avec de l'urée directement sur le véhicule, c'est-à-dire sans avoir à déposer ledit système catalytique. Dans cette hypothèse, on procède à la régénération du système catalytique en injectant la solution de nitrate d'ammonium pur ou associé à de l'urée par le même dispositif que celui habituellement utilisé pour injecter l'urée. In the case of obstruction of the catalytic system by cyanuric acid, it is possible to use a solution of concentrated ammonium nitrate, alone or in combination with urea directly on the vehicle, that is to say without having to deposit said catalyst system. Under this hypothesis, the catalytic system is regenerated by injecting the solution of pure ammonium nitrate or urea-associated with the same device that is usually used to inject urea.
Il est avantageux d'ajouter une proportion d'urée comprise entre 5 et 100 % du nitrate d'ammonium contenu dans la solution aqueuse pour éviter les rejets d'oxydes d'azote qui peuvent se produire par la décomposition thermique du nitrate d'ammonium, l'urée associé à la solution réagit sur le catalyseur avec les oxydes d'azote pour former de l'azote gazeux. It is advantageous to add a proportion of urea of between 5 and 100% of the ammonium nitrate contained in the aqueous solution in order to avoid the discharges of nitrogen oxides which may occur by the thermal decomposition of ammonium nitrate. the urea associated with the solution reacts on the catalyst with the nitrogen oxides to form nitrogen gas.
Afin d'aboutir à une efficacité satisfaisante, il suffit alors de rechercher sur le véhicule à l'arrêt les conditions de fonctionnement moteur qui garantissent une température des gaz d'échappement suffisante pour atteindre au minimum une température comprise entre 200 et 300 C, c'est-à-dire permettant la vaporisation de la solution aqueuse, l'hydrolyse de l'urée et la décomposition du nitrate d'ammonium complète.35 Avantageusement, sur les moteurs équipés de freins à l'échappement, il suffit de mettre en action ce dispositif de freinage et de tenir le moteur accéléré pour obtenir une température des gaz d'échappement supérieure à 300 C. Ainsi, lorsque la solution aqueuse de nitrate d'ammonium et d'urée est pulvérisée sous la forme d'aérosol dans les gaz d'échappement, on obtient après vaporisation de l'eau, des cristaux de nitrate d'ammonium qui deviennent liquides pratiquement instantanément puisque ainsi que rappelé précédemment, la température de fusion du nitrate d'ammonium est voisine de 170 C. In order to achieve a satisfactory efficiency, it is then sufficient to search on the stationary vehicle for the engine operating conditions which guarantee a temperature of the exhaust gas sufficient to reach a minimum temperature between 200 and 300 C, c that is to say, allowing the vaporization of the aqueous solution, the hydrolysis of urea and the decomposition of the complete ammonium nitrate. Advantageously, on engines equipped with exhaust brakes, it is sufficient to action this braking device and hold the engine accelerated to obtain an exhaust gas temperature greater than 300 C. Thus, when the aqueous solution of ammonium nitrate and urea is sprayed in the form of aerosol in the exhaust gas is obtained after vaporization of the water, ammonium nitrate crystals which become liquid almost instantaneously since as recalled above, the temperature of ammonium nitrate is close to 170.degree.
Ces gouttelettes de nitrate de nitrate d'ammonium se déposent préférentiellement dans le conduit des gaz d'échappement et également au niveau des lieux où l'acide cyanurique est susceptible de se former. Le nitrate d'ammonium solubilise instantanément l'acide cyanurique dès que la température est supérieure à 210 C, entraînant alors la décomposition de l'acide cyanurique formé selon la relation ci- dessous: These droplets of ammonium nitrate nitrate are deposited preferentially in the exhaust duct and also at the place where the cyanuric acid is likely to form. The ammonium nitrate instantly solubilizes the cyanuric acid as soon as the temperature is higher than 210 C, thus causing the decomposition of the cyanuric acid formed according to the relation below:
3NH4NO3+2CNOH-CNOH-CNOH > 9H2O+6N2+6CO+de la chaleur 3NH4NO3 + 2CNOH-CNOH-CNOH> 9H2O + 6N2 + 6CO + heat
En raison du caractère exothermique de cette réaction, la décomposition de l'acide cyanurique est elle-même accélérée. Ainsi, plus la température des gaz d'échappement est élevée, plus le caractère oxydant du nitrate d'ammonium est puissant et donc son efficacité vis-à-vis de l'acide cyanurique améliorée. Because of the exothermic nature of this reaction, the decomposition of cyanuric acid is itself accelerated. Thus, the higher the temperature of the exhaust gas, the greater the oxidative character of the ammonium nitrate is powerful and thus its effectiveness vis-à-vis the improved cyanuric acid.
On conçoit de fait tout, l'intérêt de l'additif conforme à l'invention dans le cadre des 25 post-traitements des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne et notamment des moteurs diesel. In fact, all the advantages of the additive according to the invention are conceived in the context of the post-treatments of the exhaust gases of internal combustion engines and in particular diesel engines.
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