Deactivation of after-treatment catalysts for bio-fuelled engines
Doctoral thesis, 2020
To decrease the emissions of anthropogenic CO2 from vehicles one option is to increase the utilization of biobased fuels. However, there are challenges with this transition, one being the mitigation of emissions of the potent greenhouse gas methane, which is the main constituent of biogas. Another relates to the presence of catalyst poisons in biofuels due to a wide variety of raw materials that are used for the production of these fuels.
In this thesis, the aim is to investigate how exhausts from biogas and biodiesel impact the emission control system of a heavy-duty vehicle. The catalysts in the emission control system are studied individually and as a system, with commercial biobased fuels and synthetic gas feeds containing catalyst poisons.
After exposure to biogas exhaust for 900 h in an engine-bench, the Pd/Pt-Al2O3 oxidation catalyst was found to be severely deactivated in terms of CH4 oxidation activity. A decrease in low-temperature activity for NO oxidation to NO2 was observed, which impacts the performance of the SCR-catalyst down-stream in the system. This loss in activity is explained by the finding of catalyst poisons as well as metal segregation and sintering of the noble metal particles.
The V2O5-WO3/TiO2 SCR-catalyst in the engine-bench system remained active for NOx reduction after long-term ageing, however, the decrease in NO2 formation over the oxidation catalyst at low temperatures could cause an increase in NOx emissions even if the SCR catalyst itself is still active. Except for the vanadium-based SCR catalyst also a Cu-CHA catalyst was studied. Both types of SCR catalysts were found to be sensitive to phosphorus poisoning and the Cu-CHA catalyst was also found to be sensitive to sulfur.
From results obtained we propose that the SO2 exposure leads to the formation of Cu-bisulfate species that reduce the amount of copper sites available for NOx reduction in the Cu-CHA SCR catalyst. The degree of deactivation is also dependent on the reaction condition where the standard SCR reaction is more impacted than the fast SCR reaction.
In this thesis, the aim is to investigate how exhausts from biogas and biodiesel impact the emission control system of a heavy-duty vehicle. The catalysts in the emission control system are studied individually and as a system, with commercial biobased fuels and synthetic gas feeds containing catalyst poisons.
After exposure to biogas exhaust for 900 h in an engine-bench, the Pd/Pt-Al2O3 oxidation catalyst was found to be severely deactivated in terms of CH4 oxidation activity. A decrease in low-temperature activity for NO oxidation to NO2 was observed, which impacts the performance of the SCR-catalyst down-stream in the system. This loss in activity is explained by the finding of catalyst poisons as well as metal segregation and sintering of the noble metal particles.
The V2O5-WO3/TiO2 SCR-catalyst in the engine-bench system remained active for NOx reduction after long-term ageing, however, the decrease in NO2 formation over the oxidation catalyst at low temperatures could cause an increase in NOx emissions even if the SCR catalyst itself is still active. Except for the vanadium-based SCR catalyst also a Cu-CHA catalyst was studied. Both types of SCR catalysts were found to be sensitive to phosphorus poisoning and the Cu-CHA catalyst was also found to be sensitive to sulfur.
From results obtained we propose that the SO2 exposure leads to the formation of Cu-bisulfate species that reduce the amount of copper sites available for NOx reduction in the Cu-CHA SCR catalyst. The degree of deactivation is also dependent on the reaction condition where the standard SCR reaction is more impacted than the fast SCR reaction.
Environmental catalysis
Cu-CHA, Vanadium
Supported palladium/platinum
Biodiesel
Biogas
NOx reduction
Methane oxidation
Sustainable transports
Author
Johanna Englund
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry
Deactivation of a Pd/Pt Bimetallic Oxidation Catalyst Used in a Biogas-Powered Euro VI Heavy-Duty Engine Installation
Catalysts,;Vol. 9(2019)
Journal article
Deactivation of a Vanadium-Based SCR Catalyst Used in a Biogas-Powered Euro VI Heavy-Duty Engine Installation
Catalysts,;Vol. 10(2020)
Journal article
Chemical aging of Cu-SSZ-13 SCR catalysts for heavy-duty vehicles – Influence of sulfur dioxide
Catalysis Today,;Vol. 320(2019)p. 72-83
Journal article
Effect of biofuel- and lube oil-originated sulfur and phosphorus on the performance of Cu-SSZ-13 and V2O5-WO3/TiO2 SCR catalysts
Catalysis Today,;Vol. 360(2021)p. 326-339
Journal article
In-situ studies of oxidation/reduction of copper in Cu-CHA SCR catalysts: Comparison of fresh and SO2-poisoned catalysts
Applied Catalysis B: Environmental,;Vol. 269(2020)
Journal article
Dagens samhälle har en stor utmaning framför sig, klimat-förändringen. Jorden blir hela tiden varmare vilket har många konsekvenser för alla på vår planet. För att försöka mildra konsekvenserna av klimatförändringen behövs många åtgärder. En av dessa är att ersätta fossila fordonsbränslen med biobaserade bränslen.
Fordonssektorn bidrar stort till de höga nivåerna av växthusgasutsläpp som vi har idag och genom att byta till biobränslen kan dessa utsläpp minskas. Ett problem som uppstår när bränslet byts ut i ett fordon är att det kan ge oönskade effekter på avgasreningen. Detta kan leda till att mer kväveoxider, oförbrända kolväten och andra ämnen från fordonet släpps ut, vilket i sin tur är skadligt för människor och miljön.
Ett av de biobränslen som undersökts i den här avhandlingen är biogas. Detta bränsle består till största delen av metan vilket är en betydligt starkare växthusgas än koldioxid. Därför måste att man se till att oförbränd metan från motorn oxideras katalytiskt till koldioxid och vatten innan det kommer ut ur avgasröret. Katalysatorn som oxiderar metan och andra kolväten är ofta den första delen i avgasreningssystemet i dagens tunga fordon. I den här första delen oxideras även kolmonoxid till koldioxid och en del kväveoxid oxideras till kvävedioxid. Att kväveoxid oxideras har en positiv effekt för de nästkommande delarna i avgasreningssystemet, partikelfiltret, där sot oxideras till koldioxid och SCR-katalysatorn (selektiv katalytisk reduktion), där kväveoxider reduceras till kvävgas och vatten.
I den här avhandlingen har syftet varit att undersöka hur alla de ovan nämnda delarna i avgasreningssystemet påverkas då de utsätts för avgaser från biobaserade bränslen. Ytterligare ett syfte har varit att studera hur deaktivering, det vill säga försämringen, av en av delarna påverkar nästkommande delar.
Resultaten visar att den första delen i avgasreningssystemet, oxidationskatalysatorn, blir starkt påverkad av avgaserna från en motor som drivs av biogas. Katalysatorn tappar nästan helt förmågan att oxidera metan och den blir också sämre på att oxidera kväveoxid vid låga temperaturer, vilket i sin tur betyder att mer kväveoxider kommer orenade ut från SCR-katalysatorn. Resultaten visar också att fosfor och svavel är starka gifter för de flesta katalysatorerna i systemet men att en viss typ av SCR-katalysator, baserad på vanadin, inte är känslig för svavel. Fosfor ackumuleras däremot på första ytan det kommer i kontakt med vilket betyder att någon sorts fosforfälla före katalysatorerna troligtvis vore fördelaktigt för avgasreningssystemets livslängd.
Fordonssektorn bidrar stort till de höga nivåerna av växthusgasutsläpp som vi har idag och genom att byta till biobränslen kan dessa utsläpp minskas. Ett problem som uppstår när bränslet byts ut i ett fordon är att det kan ge oönskade effekter på avgasreningen. Detta kan leda till att mer kväveoxider, oförbrända kolväten och andra ämnen från fordonet släpps ut, vilket i sin tur är skadligt för människor och miljön.
Ett av de biobränslen som undersökts i den här avhandlingen är biogas. Detta bränsle består till största delen av metan vilket är en betydligt starkare växthusgas än koldioxid. Därför måste att man se till att oförbränd metan från motorn oxideras katalytiskt till koldioxid och vatten innan det kommer ut ur avgasröret. Katalysatorn som oxiderar metan och andra kolväten är ofta den första delen i avgasreningssystemet i dagens tunga fordon. I den här första delen oxideras även kolmonoxid till koldioxid och en del kväveoxid oxideras till kvävedioxid. Att kväveoxid oxideras har en positiv effekt för de nästkommande delarna i avgasreningssystemet, partikelfiltret, där sot oxideras till koldioxid och SCR-katalysatorn (selektiv katalytisk reduktion), där kväveoxider reduceras till kvävgas och vatten.
I den här avhandlingen har syftet varit att undersöka hur alla de ovan nämnda delarna i avgasreningssystemet påverkas då de utsätts för avgaser från biobaserade bränslen. Ytterligare ett syfte har varit att studera hur deaktivering, det vill säga försämringen, av en av delarna påverkar nästkommande delar.
Resultaten visar att den första delen i avgasreningssystemet, oxidationskatalysatorn, blir starkt påverkad av avgaserna från en motor som drivs av biogas. Katalysatorn tappar nästan helt förmågan att oxidera metan och den blir också sämre på att oxidera kväveoxid vid låga temperaturer, vilket i sin tur betyder att mer kväveoxider kommer orenade ut från SCR-katalysatorn. Resultaten visar också att fosfor och svavel är starka gifter för de flesta katalysatorerna i systemet men att en viss typ av SCR-katalysator, baserad på vanadin, inte är känslig för svavel. Fosfor ackumuleras däremot på första ytan det kommer i kontakt med vilket betyder att någon sorts fosforfälla före katalysatorerna troligtvis vore fördelaktigt för avgasreningssystemets livslängd.
Driving Forces
Sustainable development
Subject Categories
Energy Engineering
Chemical Engineering
Areas of Advance
Materials Science
ISBN
978-91-7905-282-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4749
Publisher
Chalmers
Opponent: Christian Hulteberg