Experimental and modeling study of the NH3-SCR activity on SCR catalyzed wall-flow Diesel Particulate Filters (DPFs)

Vehicle exhaust gases have gained nowadays a considerable role in the emission of pollutants. To control and reduce them, a specific legislation exists: in Europe, Euro V regulations were introduced in 2009 and an even stricter legislation, Euro VI will be enforced in 2014. The emission limits are different for vehicles with Otto and Diesel engines. The latter ones, in particular, are responsible for the emission of large amounts of particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx), which are both among the most dangerous pollutants for the environment and for human health. So, in order to satisfy the upcoming regulations, it is necessary to develop more efficient technologies which result in reduced formation of pollutants (primary techniques), but also in improved abatement of the pollutants emitted in the flue gases (secondary techniques). For lean burn Diesel engines, primary techniques such as fuel composition, air/fuel ratio, recirculation of gases, cannot possibly reduce both NOx and PM emissions at the same time. So, in the last few years secondary techniques have become necessary on Diesel engines equipped vehicles in order to control both NOx and soot emissions. Among different secondary techniques NH3- or urea-SCR is one of the most promising technologies for the abatement of NOx, whereas particulate filters are now currently used for PM removal. For instance, one solution is to use a Diesel Particulate Filter (DPF) to abate PM, followed by an NH3 Selective Catalytic Reduction (NH3-SCR) converter to reduce NOx. One major issue for the after treatment devices, however, is represented by volume constraints, most of all for passenger cars. Furthermore, compact after treatment systems permit a reduction of vehicle weight and, as a consequence, a lower fuel consumption and CO2 production. In this respect, combined DPF + NH3-SCR devices are now being considered, consisting of a wall-flow filter with a SCR catalyst deposited within the porous walls (SDPF). This single device permits the simultaneous abatement of both PM mechanically filtered and NOx catalytically removed with the SCR catalyst. Very few people in the literature considered so far combined DPF+SCR systems, then research in this area was and is still necessary. The present PhD thesis was developed in this context in collaboration with the company Corning Incorporated, USA. It was devoted to the experimental and modeling study of the NH3-SCR reactions over Fe- and Cu-zeolites catalyzed wall-flow Diesel Particulate Filters (DPFs) provided by Corning Inc., not considering the presence and the interaction with soot.

I gas di scarico dei veicoli al giorno d'oggi hanno acquisito un ruolo considerevole nelle emissioni di sostanze inquinanti. Per controllare e ridurre la loro quantità nell’atmosfera, una legislazione specifica è stata fatta in Europa: la regolamentazione Euro V è stata introdotta nel 2009 e una legislazione ancora più rigorosa, Euro VI, entrerà in vigore nel 2014. I limiti di emissione sono diversi per i veicoli con motori a benzina e Diesel. Queste ultime, in particolare, sono responsabili dell'emissione di grandi quantità di particolato (PM) e ossidi di azoto (NOx), che sono entrambi tra gli inquinanti più pericolosi per l'ambiente e per la salute umana. Quindi, al fine di soddisfare le normative imminenti, è necessario sviluppare tecnologie più efficienti che comportano ridotta formazione di inquinanti (tecniche primarie), ma anche in una migliore abbattimento delle emissioni inquinanti nei fumi (tecniche secondarie). Per motori diesel a combustione magra, tecniche primarie come composizione del combustibile, del rapporto aria / carburante, ricircolo del gas, non può ridurre sia emissioni di NOx e PM, allo stesso tempo. Così, negli ultimi anni le tecniche secondarie si sono rese necessarie sui veicoli a motore Diesel che sono stati quindi dotati di tecnologie per controllare sia emissioni di NOx sia di PM. Tra le diverse tecniche secondarie l’NH3 o urea-SCR è una delle tecnologie più promettenti per la riduzione di NOx, mentre i filtri antiparticolato sono ora attualmente utilizzati per la rimozione di PM. Per esempio, una soluzione è quella di utilizzare un filtro antiparticolato (DPF) per abbattere PM, seguito da un convertitore che sfrutta la riduzione catalitica selettiva mediante ammoniaca (NH3- SCR) per ridurre gli NOx. Un grosso problema per i dispositivi di post-trattamento, tuttavia, è rappresentato da vincoli di volume, soprattutto per le autovetture. Inoltre, sistemi di trattamento compatti consentono una riduzione di peso del veicolo e, di conseguenza, un minor consumo di carburante e produzione di CO2. In questo senso, vengono ora considerati sistemi combinati DPF + NH3-SCR, costituiti da un filtro wall-flow con un catalizzatore SCR depositato all'interno delle pareti porose (SDPF). Questo singolo dispositivo permette la riduzione simultanea sia di PM meccanicamente filtrato e NOx cataliticamente rimosso con il catalizzatore SCR. Pochissime persone in letteratura hanno considerato finora sistemi combinati DPF+SCR, di conseguenza la ricerca in questo settore è stata ed è ancora necessaria. La presente tesi di dottorato è stata sviluppata in questo contesto, in collaborazione con la società Corning Incorporated, USA. E’ stata dedicata allo studio sperimentale e di modellazione dell’attività NH3-SCR di filtri antiparticolato Diesel (DPF) forniti da Corning Inc., in cui è stato depositato catalizzatore SCR costituito da Fe e Cu-zeoliti. Non è stata considerata la presenza e l'interazione con il PM.