Καταλυτική μετεπεξεργασία καυσαερίου σε δίχρονο κινητήρα αμμωνίας

Abstract

The shipping industry is responsible for nearly 3% of global greenhouse gas (GHG) emissions, contributing significantly to global warming. In addition to GHG emissions, the maritime sector also releases other pollutants that are harmful to human health and the environment. To comply with the ambitious environmental targets, the industry has invested substantial capital in the development of technical solutions to reduce pollutant emissions. In particular, the use of alternative fuels is a promising solution to reduce GHG emissions from combustion. Among alternative fuels, ammonia (NH3) is considered a promising solution for carbon emissions reduction. This study aims to design and model an exhaust gas aftertreatment system for NH3-fueled engines, targeting the reduction of unburned NH3, nitrogen oxides (NOx), and nitrous oxide (N2O). To achieve this goal, small-scale experimental measurements are conducted using a synthetic gas bench (SGB). The research examines both conventional catalytic technologies used in diesel engines (V-SCR, Cu-SCR, Pt-AOC) and novel technologies specifically adapted for NH3-fueled engines (Fe-SCR and Cobalt-catalyst). The experimental data obtained are utilized for the calibration and development of physico-chemical simulation models. These models facilitate the representation of the phenomena occurring within the catalysts and the analysis of critical parameters such as temperature, flow rate, and exhaust gas composition. The calibrated models are subsequently applied to expected exhaust gas conditions in two-stroke NH3 engines. The study's objective is to determine the optimal architecture, dimensions, and NH3 injection strategy that achieve the best compromise between pollutant reduction and GHG mitigation. Given the uncertainty regarding the precise ammonia-to-NOx ratio (ANR), the exhaust system is designed for three different ANR scenarios: ANR<1, ANR=1, and ANR>1. When ANR is less than or equal to one, an SCR system with or without NH3 injection is effective. However, in the case of excess NH3 (ANR>1), an additional ammonia slip catalyst (ASC) is required to reduce unreacted NH3. To study a wide range of ANR values, the expected NH3 combustion performance under varying NOx concentrations is examined. The integration of the ASC catalyst leads to increased N2O production, which limits the overall efficiency of the system in reducing GHG emissions. Therefore, factors influencing N2O formation in the ASC are investigated. Two key parameters are analysed: species diffusion (via the tortuosity factor ‘τ’) between the SCR and AOC layers, and the use of a hybrid AOC catalytic coating that combines cobalt (Co) and (Pt) based technologies. Increase of τ (reduction of diffusion) in the SCR coating decreases N2O production, improving GHG emission levels by up to 15%. Furthermore, the combined use of Co + Pt catalytic technologies enhances NH3 oxidation efficiency while simultaneously reducing N2O selectivity. The application of this hybrid coating achieves up to 50% greater GHG emission reduction compared to the exclusive use of platinum-based coatings.

Η ναυτιλία ευθύνεται για σχεδόν το 3% των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG), οι οποίες συμβάλλουν στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Εκτός από τα GHG, ο ναυτιλιακός τομέας είναι υπεύθυνος και για άλλους επιβλαβείς ρύπους για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον ρύπων. Προκειμένου να συμμορφωθεί με τους φιλόδοξους στόχους για την αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών προκλήσεων, η ναυτιλία έχει επενδύσει σημαντικά κεφάλαια στην ανάπτυξη τεχνικών λύσεων για τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Μια από αυτές τις λύσεις είναι η χρήση εναλλακτικών καυσίμων, μεταξύ των οποίων η αμμωνία είναι μια πολλά υποσχόμενη λύση για τον περιορισμό των εκπομπών άνθρακα. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι ο σχεδιασμός και η μοντελοποίηση του συστήματος μετεπεξεργασίας καυσαερίων για κινητήρες ΝΗ3, με στόχο τη μείωση της άκαυστης ΝΗ3, των ΝΟx και του Ν2Ο. Για τον σκοπό αυτό πραγματοποιούνται πειραματικές μετρήσεις μικρής κλίμακας σε πάγκο συνθετικού αερίου (SGB). Εξετάζονται τόσο καταλυτικές τεχνολογίες που βρίσκουν ήδη εφαρμογή σε κινητήρες ντίζελ (V-SCR, Cu-SCR, Pt-AOC), όσο και νέες τεχνολογίες προσαρμοσμένες σε κινητήρες ΝΗ3 (Fe-SCR και Cobalt-catalyst). Τα δεδομένα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για τη βαθμονόμηση και ανάπτυξη φυσικο-χημικών μοντέλων προσομοίωσης. Τα μοντέλα αυτά επιτρέπουν την αναπαράσταση των φαινομένων που επικρατούν μέσα στους καταλύτες και την ανάλυση κρίσιμων παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία, η ροή και η σύσταση του καυσαερίου. Τα βαθμονομημένα μοντέλα εφαρμόζονται στη συνέχεια σε αναμενόμενες συνθήκες καυσαερίου δίχρονου κινητήρα ΝΗ3. Στόχος της μελέτης είναι να καθοριστεί η αρχιτεκτονική, οι διαστάσεις και η έγχυση ΝΗ3 που επιτυγχάνουν τον καλύτερο συμβιβασμό όσον αφορά τους επιβλαβείς ρύπους και την μείωση των GHG. Δεδομένου ότι η ακριβής αναλογία ΝΗ3 προς ΝΟx (ANR) στο καυσαέριο δεν είναι γνωστή, το σύστημα εξαγωγής σχεδιάζεται για τρεις διαφορετικούς λόγους ANR: ANR<1, ANR=1 και ANR>1. Όταν ο λόγος αυτός είναι μικρότερος ή ίσος με τη μονάδα, η αποκλειστική χρήση ενός συστήματος SCR με ή χωρίς έγχυση ΝΗ3 είναι αποτελεσματική. Στην περίπτωση περίσσειας ΝΗ3 (ΑNR>1), καθίσταται αναγκαία η προσθήκη ενός επιπλέον καταλύτη διπλής επίστρωσης (ASC) για τη μείωση της μη αντιδρούσας ΝΗ3. Για την μελέτη μεγάλου εύρους λόγων ANR, εξετάζεται το αναμενόμενο εύρος απόδοσης καύσης της ΝΗ3 υπό διαφορετικές συγκεντρώσεις NOx. Η ενσωμάτωση του καταλύτη ASC συνεπάγεται αυξημένη παραγωγή Ν2Ο, γεγονός που περιορίζει την συνολική απόδοση του συστήματος στη μείωση των εκπομπών GHG. Ως εκ τούτου, εξετάζονται παράγοντες που επηρεάζουν την παραγωγή Ν2Ο στον ASC, και κατ’ επέκταση τα επίπεδα των συνολικών GHG, μελετώντας δύο παραμέτρους: τη διάχυση των ειδών (μέσω του tortuosity (τ)) από την επίστρωση SCR στην επίστρωση AOC και αντίστροφα, καθώς και τη χρήση υβριδικής καταλυτικής επίστρωσης ΑΟC που συνδυάζει τις τεχνολογίες με βάση το κοβάλτιο (Co) και την πλατίνα (Pt). Η αύξηση της τιμής τ (μείωση διάχυσης) της επίστρωσης SCR, μειώνει την παραγωγή Ν2Ο, βελτιώνοντας τα επίπεδα των εκπομπών GHG έως και κατά 15%. Η συνδυασμένη χρήση των καταλυτικών τεχνολογιών Co + Pt, προσφέρει βελτιωμένη απόδοση οξείδωσης της ΝΗ3, ενώ ταυτόχρονα μειώνει την επιλεκτικότητα προς Ν2Ο. Η εφαρμογή του υβριδικού αυτού επιπέδου επιτυγχάνει έως και 50% μεγαλύτερη μείωση των εκπομπών GHG συγκριτικά με την αποκλειστική χρήση της πλατίνας.