Modelling study of a foam catalyst for the selective catalytic reduction of NOx

A mathematical model for the simulation of a foam-based catalyst for the Selective Catalytic Reduction of NOx (NH3-SCR) has been developed starting from an existing code which was able to simulate a monolithic SCR converter. The first chapter of the work is devoted to the description of the main solutions for the abatement of nitrogen oxides, focusing on the selective catalytic reduction, and the detailed description of the two substrates that will be used in the following chapters: the foam and the honeycomb monolith. In the second chapter, the mathematical model of the SCR converter is fully described. It is a 1D+1D model, which describes the evolution of the variables on the axial coordinate and inside the washcoat layer. In the third chapter, through a sensitivity analysis, evaluating the conversion of ammonia and nitrogen oxides and the pressure drop profiles, it has been possible to obtain an evaluation of the impact of the foam pore density and the foam porosity on the reactor performances. In the last chapter, simulations have been carried out in a radial flow reactor, in order to minimize the pressure drops of the foam support. In addition, real-life engine cycles have been simulated with both supports. This project has received funding from: MIUR, FARE RICERCA IN ITALIA, project BEATRICS grant no. R16R7NLWPW.

Un modello matematico per la simulazione di un catalizzatore a base di schiuma per la riduzione catalitica selettiva di NOx (NH3-SCR) è stato sviluppato a partire da un codice esistente che è stato in grado di simulare un convertitore SCR monolitico. Il primo capitolo del lavoro è dedicato alla descrizione delle principali soluzioni per l'abbattimento degli ossidi di azoto, concentrandosi sulla riduzione catalitica selettiva e sulla descrizione dettagliata dei due substrati che verranno utilizzati nei seguenti capitoli: la schiuma e il monolita a nido d’ape. Nel secondo capitolo, il modello matematico del convertitore SCR è descritto per intero. È un modello 1D + 1D, che descrive l'evoluzione delle variabili sulla coordinata assiale e all'interno dello strato di rivestimento. Nel terzo capitolo, attraverso un'analisi di sensitività, valutando la conversione di ammoniaca e ossidi di azoto e dei profili di perdita di carico, è stato possibile ottenere una valutazione dell'impatto della densità dei pori della schiuma e della porosità della schiuma sulle prestazioni del reattore. Nell'ultimo capitolo, sono state eseguite simulazioni in un reattore a flusso radiale, al fine di minimizzare le perdite di pressione del supporto in schiuma. Inoltre, sono stati simulati con entrambi i supporti alcuni cicli motore reali. Questo progetto ha ricevuto finanziamenti da: MIUR, FARE RICERCA IN ITALIA, progetto BEATRICS n. R16R7NLWPW.