Diesel exhaust urea NH3-SCR aftertreatment technology : experimental investigation and kinetic modeling of an Fe- and a Cu-zeolite catalyst

The well-known Selective Catalytic Reduction of NOx by ammonia (NH3-SCR) is investigated experimentally and numerically over two catalysts: a commercial Fe-exchanged zeolite catalyst supplied by MTU and a Cu zeolite catalyst from Daimler. Both catalysts are tested in the form of powder within a temperature range of 150-550 ⁰C at high space velocities by means of Transient Response Methods. For the Fe based catalyst, step-response, temperature-programmed and also steady-state experiments in a fixed-bed flow microreactor are operated in order to study all typical SCR reactive systems and to obtain the relevant kinetic information on: NH3 adsorption/desorption, NH3 oxidation, NO oxidation/NO2 decomposition, Standard SCR, Fast SCR, NO2 SCR, N2O decomposition and N2O SCR, respectively. For the Cu based catalyst, also Temperature Programmed Surface Reaction runs are used to test the SCR chemistry. Afterwards, a simple isothermal and isobaric one-dimensional dynamic PFR model is applied to accomplish the kinetic fit of the obtained experimental results. The two complete SCR reacting systems over Fe-zeolite and Cu-zeolite catalysts are described by means of an already published kinetic scheme by Colombo et al. All the related kinetic parameters are estimated through global multi-response nonlinear regression analysis based on the leastsquares method in order to obtain a detailed, comprehensive SCR kinetic scheme for each one of the two commercial catalysts. The systematic experimental investigation and numerical kinetic modeling over such a commercial SCR catalyst are the key contents of this work in order to test their dynamic and steady-state performances based on a variety of dedicated experimental runs.

Il ben conosciuto sistema di abbattimento di NOx SCR con ammoniaca (NH3 SCR) è stato studiato sia sperimentalmente che numericamente su due catalizzatori: uno fornito dalla MTU a base di Fe su zeolite, l’altro fornito da Daimler a base di Cu su zeolite. Entrambi i catalizzatori sono stati studiati sotto forma di polvere, in un range di temperature comprese fra 150°C e 550°C, attraverso il Transient Response Method. Per quanto riguarda il catalizzatore a base di Fe, sono stati condotti esperimenti step response, temperature-programmed e steady state, in un microreattore a letto fisso, in modo da simulare tutti i possibili sistemi reattivi tipici del sistema di abbattimento SCR e quindi ottenere informazioni sulla cinetica di: adsorbimento/desorbimento dell’NH3, ossidazione dell’NH3, ossidazione dell’NO/decomposizione dell’NO2, Standard SCR, Fast SCR, NO2 SCR, decomposizione dell’N2O e NO2 SCR. Per quanto riguarda invece il catalizzatore a base di Cu, oltre agli stessi esperimenti effettuati sul catalizzatore a base di Fe sono state condotte anche prove Temperature Programmed Surface Reaction. In seguito, è stato usato un modello 1D di un reattore PFR isotermo ed isobaro per il fit dei dati ottenuti sperimentalmente. Il sistema SCR è stato descritto per entrambi i catalizzatori prendendo spunto dai modelli cinetici pubblicati da Colombo et al. Tutti i parametri cinetici sono stati stimati attraverso una regressione non lineare basata sul metodo dei minimi quadrati, così da ottenere per ogni catalizzatore il suo modello cinetico. La ricerca sperimentale e la modellazione numerica operate sui due catalizzatori rappresentano i contenuti chiave del lavoro svolto, il cui scopo è quello di testare le performance dei due catalizzatori sia in dinamico che in stazionario, su una diversa varietà di run sperimentali.