Experimental and modelling study of SCR, PGM and dual-layer ASC monolith catalysts for the NOx emissions abatement from on-board applications

In the last few years, increasingly stringent limitations have been enforced on nitrogen oxides emissions from Diesel engines powering heavy-duty and light-duty road vehicles. Combustion optimizations cannot guarantee anymore the compliance with the newest emission standards, therefore the after-treatment of the exhausts has become mandatory. Selective Catalytic Reduction (SCR) with ammonia proved to be the most effective technology for NOx abatement, however, the slip of unconverted NH3 is of great concern: being a primary pollutant, its emissions are strictly regulated. Dual-layer Ammonia Slip Catalysts (ASC) represent an innovative solution to this problem: by stacking in the same device an SCR and an NH3-oxidation washcoat (PGM), they allow for high NOx removal and limited ammonia breakthrough. The objective of this work, a collaboration with FPT Industrial, is the development of a calibrated kinetic model for a commercial dual-layer ASC monolith catalyst. The SCR and PGM contributions have been studied independently, through a set of experimental tests on single-layer monolith samples. By using reaction schemes reported in literature, a numerical model for each of the two catalysts has been successfully built in a dedicated software, fitting the kinetic parameters on the collected data. An experimental campaign has been performed also on the dual-layer ASC, which revealed an activity in between of the two components. An initial ASC model has been built by combining the SCR and PGM calibrated kinetic schemes: validation against the experimental data exhibited only qualitative agreement, because of excessive activity of the PGM layer. In a second attempt, the PGM kinetic data has been fit directly on the ASC experiments. With this approach, the model has been able to replicate quantitatively the ASC activity in all the operating conditions tested.

Negli ultimi anni sono state introdotte normative sempre più stringenti sulle emissioni di ossidi di azoto prodotte dai motori Diesel di veicoli leggeri e pesanti. Non potendo più ottemperare agli standard con la sola ottimizzazione della combustione, si è dimostrata necessaria l’introduzione di sistemi di trattamento dei gas di scarico. La riduzione catalitica selettiva (SCR) con ammoniaca è ad oggi la tecnologia più efficace per l’abbattimento di NOx ma il rilascio di NH3 non convertita, inquinante primario pesantemente regolamentato, è motivo di preoccupazione. I catalizzatori NH3-slip (ASC) a doppio strato rappresentano una soluzione innovativa a questo problema: sovrapponendo un washcoat SCR a uno per l’ossidazione di NH3 (PGM), consentono una rimozione adeguata degli NOx e al contempo una limitata fuoriuscita di ammoniaca. L’obiettivo di questo lavoro, una collaborazione con FPT Industrial, è lo sviluppo di un modello cinetico calibrato per un catalizzatore commerciale ASC a doppio strato in forma di monolite. I contributi degli strati SCR e PGM sono stati studiati indipendentemente, con campagne di prove sperimentali su campioni a singolo strato. Usando schemi cinetici pubblicati in letteratura, i cui parametri sono stati calibrati sui dati raccolti, è stato costruito con successo un modello numerico in un software dedicato, per ciascuno dei due catalizzatori. Una campagna di esperimenti è stata svolta anche sul catalizzatore ASC a doppio strato, che ha dimostrato un comportamento intermedio rispetto ai due componenti. Un primo modello per il catalizzatore ASC è stato costruito combinando gli schemi cinetici dei catalizzatori SCR e PGM precedentemente calibrati: la validazione con i dati sperimentali ha dimostrato una somiglianza solo qualitativa, a causa dell’eccessiva attività dello strato PGM. In un secondo tentativo, i dati cinetici dello strato PGM sono stati calibrati direttamente sui risultati sperimentali del campione ASC. Questo approccio ha consentito di replicare quantitativamente l’attività del catalizzatore a doppio strato in tutte le condizioni operative testate.