Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
The Effects of Hydrothermal Aging and Sulfur Poisoning on Dual-Layer Ammonia Slip Catalysts
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE).
2014 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Effekterna av hydrotermisk åldring och svavelförgiftning på tvåskikts (Swedish)
Abstract [en]

An advanced aftertreatment system is applied in heavy duty trucks in order to reach the strict requirements of the Euro VI emission standard. The NH3 emission limit is managed by installation of Ammonia Slip Catalysts (ASC) downstream of the NOX reduction catalyst (SCR). ASC’s could be exposed to high temperatures and sulfur (S) during operation. Therefore, ASC’s must be resistant to thermal deactivation and chemical poisoning that otherwise could lead to changes in activity and selectivity.

The different effects of accelerated hydrothermal aging and SO2 poisoning on two ASCs were investigated. The ASCs are made up by dual-layers with Pt/Al2O3 on the bottom for NH3 oxidation and a metal-based zeolite for NOX reduction on top. Cu-ASC has a Cu-based zeolite and Fe-ASC a Fe-based zeolite as NOX reduction layer. Catalyst performance tests and several characterization methods were used, i.e. surface area analysis, scanning electron microscopy with energy dispersive x-ray (SEM-EDX), X-ray florescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), temperature programmed desorption of NH3 (NH3-TPD) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).

Both ASCs reached the 10 ppm requirement of NH3 outlet concentration throughout all accelerated aging treatments. Cu-ASC had significantly lower NOX and N2O selectivity than Fe-ASC, i.e. better catalyst performance. However, Cu-ASC exhibited less thermal resistance than Fe-ASC. The catalyst performances approached each other as the hydrothermal treatment became tougher. The proposed thermal deactivation mechanisms of Cu-ASC is Cu-sintering, while carrier sintering was moderate. The NH3-TPD curve showed loss of weak NH3 adsorption sites (Cu-sites). Furthermore, XRD, SEM and NH3-TPD indicated that the zeolite structure remains unaffected. The major deactivation mechanisms for Fe-ASC are dealumination and sintering revealed by SEM, XRD, NH3-TPD and surface area analysis. Pt sintering is believed to be absent because of unaffected NH3 activity and N2O selectivity for both Cu-ASC and Fe-ASC.

Cu-ASC were severely deactivated by SO2 poisoning resulting in higher NOX and N2O selectivity. Fe-ASC on the other hand was promoted by SO2 poisoning with decreased NOX- and N2O selectivity. The results could be attributed to formation of ammonium sulfates. TOF-SIMS and EDX could verify sulfates in both washcoat layers but with accumulation in the Pt/Al2O3 washcoat for Fe-ASC while sulfates were present in the zeolite only for Cu-ASC.

Abstract [sv]

För att uppfylla de stränga utsläppskraven enligt Euro VI används ett avancerat efterbehandlingssystem i Scanias lastbilar. En ammoniaköverskottskatalysator (eng. ammonia slip catalyst [ASC]) renar avgaserna från det överskott av NH3  som  passerar den uppströms placerade katalysatorn för reduktion av NOX  (SCR)  till vilken NH3 injiceras. ASC:er måste vara tåliga mot termisk och kemisk åldring som annars kan leda till försämrad prestanda. Förlorad aktivitet ger högre utsläpp av NH3 och försämrad selektivitet leder till ökade halter av NOX  och N2O.

 

De olika effekterna av accelererad hydrotermisk åldring och SO2-förgiftning på två olika ASC:er har undersökts. Katalysatorerna består av dubbla skikt där bottenskiktet utgörs av Pt/Al2O3 för oxidation av NH3 samt ett ovanskikt för reduktion av NOX bestående av en metallbaserad zeolit. Cu-ASC har en zeolit baserad på Cu och Fe- ASC har en zeolit baserad på Fe som NOX-reduktionslager. Katalytiska prestandatester samt ett antal karakteriseringsmetoder har använts: ytareabestämning, svepelektronmikroskopi med energiröntgen (SEM-EDX), röntgenfluorescens (XRF), röntgendiffraktion (XRD), temperaturprogrammerad desorption av NH3 (NH3- TPD) och time-of-flight sekundär jonmasspektrometri (TOF-SIMS).

 

Båda katalysatorerna klarar emissionskravet på 10 ppm NH3 trots hydrotermisk åldring. Cu-ASC hade signifikant lägre selektivitet av NOX och N2O än Fe-ASC, dvs. bättre katalysatorprestanda. Cu-ASC var dock mer värmekänslig än Fe-ASC. Katalysatorerna närmade sig varandra i prestanda när den hydrotermiska behandlingen blev tuffare. Sintring av Cu föreslås vara den viktigaste deaktiveringsmekanismen för Cu-ASC medan sintring av bäraren var måttlig. Förlust av svaga NH3 adsorptionssäten (Cu-säten) upptäcktes med hjälp av en NH3-TPD- kurva. XRD, SEM och NH3-TPD indikerade att zeolitstrukturen inte påverkats. SEM, XRD, NH3-TPD och ytareaanalys har använts för att konstatera att Fe-ASC har undergått dealuminering och sintring. Eftersom NH3-aktiviteten och N2O- selektiviteten inte påverkades av termisk åldring så förekom troligen inte sintring av Pt för varken Cu-ASC eller Fe-ASC.

 

Cu-ASC deaktiverades signifikant av SO2-förgiftningen vilket resulterade i högre selektivitet av NOX och N2O. Fe-ASC däremot gynnades av SO2 förgiftningen med minskad selektivitet för NOX-reduktion och N2O-bildning. Resultatet beror sannolikt på produktionen av ammoniumsulfater vars närvaro bekräftades med TOF-SIMS. Fe-ASC visade en ackumulering av S i det undre lagret för Pt/Al2O3 och i det övre zeolitlagret för Cu-ASC.

Place, publisher, year, edition, pages
2014.
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-158786OAI: oai:DiVA.org:kth-158786DiVA: diva2:778984
Available from: 2015-01-12 Created: 2015-01-12 Last updated: 2017-08-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

By organisation
School of Chemical Science and Engineering (CHE)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 46 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf