Brevet FR2238523A1 — publié le 19750221

L'invention concerne un procédé amélioré pour la réduction des oxydes d'azote dans des mélanges gazeux qui en contiennent, notamment dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Elle concerne également les catalyseurs utilisés dans ce procédé. On sait que les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne présentent des teneurs non négligeables en gaz polluants et en hydrocarbures imbrûlés, qu'il est important de réduire le plus possible La composition approximative des gaz d'échappement peut être, par exemple, la suivante H2O ...................................... 10 à 15 % en volume 2 --- il à 14 % n CO ....................................... 1,5 à 4 % " H2 ....................................... 0,5 à 2 % " O2 ....................................... 0,1 à 0,6 % " NO ; .................... .,..... 0,15à 0,30 % " Hydrocarbures imbrûlés ........ 0,02à 0,05 % " le complément à 100 % étant essentiellement constitué d'azote. Pour réduire la teneur en oxydes d'azote des gaz d'échappement, on a pensé à effectuer catalytiquement leur réduction en azote moléculaire par l'oxyde de carbone et/ou par l'hydrogène présents. Pour catalyseur ces réactions, on a déjà proposé divers systèmes catalytiques et notamment des catalyseurs constitués d'oxyde de nickel ou de chromite de nickel (Ni Cr2 O4) sur support d'alumine ou encore des catalyseurs constitués d'oxyde de cuivre. Cependant, même si les catalyseurs à basa d'oxyde ou de chromite de nickel présentent une bonne sélectivité dans la réduction des oxydes d'azote en azote moléculaire, leur activité, qui n'est déjà pas très élevée initialement, tend à diminuer fortement au cours du temps. Quant aux catalyseurs à basa d'oxyde de cuivre, leur activité aux températures usuelles, bien qu'initialement élevée, n'est pas stable dans le temps et, de plus, ils réduisent la plus grande partie des oxydes d'azote en ammoniac. En outre, ces divers systèmes ne commencent en général à présenter une activité substantielle qu'à des températures relativement élevées (par exemple de l'ordre de 500 à 7000C). L'invention a pour objet de fournir un procédé amélioré pour la réduction des oxydes d'azote contenus dans certains mélanges gazeux et notamment dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, ledit procédé permettant de réduire efficacement la teneur en oxydes d'azote des mélanges gazeux traités, même à des températures relativement basses (de l'ordre de 200 à 350DC). Un autre objet de l'invention est de fournir de nouveaux cataly seurs qui,dans la réduction des oxydes d'azote, présentent une activité initialement très élevée et diminuant très peu au cours du temps, et une très bonne sélectivité en azote moléculaire. D'autre objets de l'invention et d'autre avantages du procédé et des catalyseurs utilisés apparaîtront dans la description qui suit. Le procédé de l'invention s'applique à la réduction des oxydes d'azote présents dans des mélanges gazeux qui contiennent en outre au moins un gaz réducteur tel que l'hydrogène et l'oxyde de carbone. Il s'applique de façon particulièrement satisfaisante au traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Il consiste, d'une manière générale, à faire passer le mélange gazeux à traiter sur un catalyseur constitué d'un support comprenant princi palement de l'alumine- et d'une phase active comprenant principalement du nickel et du cuivre sous forme d'oxydes, en quantités relatives telles que la valeur du rapport atomique Eu soit de 0,05 à 0,5 Ni + Eu Avantageusement, la phase active renferme également de l'oxyde de manganèse destiné à stabiliser les oxydes de nickel et de cuivre, en général en une quantité relative telle que la valeur du rapport atomique Mn/(Ni + Cu) soit de 0,1 à 0,7. La phase active, telle qu'elle est définie ci-dessus, représente en général de 3 à 20 % et, de préférence, de 5 à 15 % du poids du catalyseur final. L'alumine-cL utilisée comme support a en général une surface spécifi, que inférieure à 30 m2/g, comme, par exemple, les alumines disponibles dans le commerce sous les désignations SCS.29, SCS.19, SES.9 et SRS.6. Le support peut également contenir de petites quantités, par exemple jusqu'à environ 10 % de son poids, d'oxyde d'au moins un élément, choisi parmi le titane, le zirconium, le therium, le magnésium, le baryum et le lithium, cst oxyde agissant comme stabilisant textural, dope, activateur, stabilisant struc tural ou comme co-catalyseur. Le support du catalyseur peut se présenter sous la forma de grains par exemple de dimensions inférieures à 10 mm (graîns sphériques ou cylindri ques, par exemple) ou encore sous la forme d'un bloc alvéolé dont les alvéoles représentent par-exemple au moins 20 % du volume total du bloc. Dans la préparation-du catalyseur, le dépôt de la phase- active sur support peut entre effectué, par exemple, par imprégnation ou par, malaxage, se lon des techniques connues. L'activation thermique du catalyseur est effectuée, par exemple, par chauffage, pendant plus de 30 minutes, à une température de 500 à 800 C, en présence diun gaz qui peut être l'air, l'oxygène, l'azote, l'hydrogène ou en cors un mélange d'azote et dthydrogène. On peut étalement opérer en présence de vapeur d'eau. L'activation thermique peut entre menée directement dans le dispositif dans lequel le catalyseur sera utilisé, par exemple, dans un dis positif de traitement de gaz d'échappement (pot catalytique, par exemple). Les catalyseurs ainsi préparés ont une bonne résistance mécanique : ils résistent convenablement aux phéndmènse d'abrasion et d'attrition. Dans leur utilisation pour la réduction des oxydes d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne, les catalyseurs tels que définis précédemment sont placés, en lit fixe, dans un dispositif approprié (pot d'échappement). Le mélange gazeux à traiter passe dans le lit catalytique à une vitesse volumétrique horaire (VVH) ramenée aux conditions normales de tem- pérature et de pression de 20 000 à 60 000 volumes de gaz par volume da catalyseur et par heure. Dans les -conditions normales -de fonctionnement du système catalytique; les températures atteintes dans le lit de catalyseur peuvent varier d'environ 200 à BOOOC. Lorsque le véhicule est dans sa période de démarrage, les températures initiales dans l e lit catalytique sont peu élevées (de 200 à 50dot environ). Pour une meilleure efficacité- d'utilisation du catalyseur, il est avantageux de faire fonctionner le moteur dans des conditions aussi voisines que possible de la stoechiométrie de la réaction de combustion du carburant (un léger excès de carburant étant cependant maintenu, tel que-la teneur en oxyde de carbone dans le gaz d'échappement ne soit pas inférieure à environ 4,5 % en volume), de manière à diminuer la consommation en carburant et finalement à réduire le teneur en oxyde de carbone et en hydrocarbures imbrfl- lés dans le gaz d'échappement. Dans ces conditions de fonctionnement, les catalyseurs décrits dans l'art antérieur ont une durée de vie très limitée, leur fonctionnement en "mélange pauvre" provoquant très rapidement leur désactivation. A noter, en outre, que l'excellente stabilité des catalyseurs utilisés selon l'invention leur permet non seulement de réduire efficacement la teneur en oxydes d'azote dans les gaz d'échappement pour un moteur fonctionnant dans les conditions optimales précitées, mais aussi de résister aux passages successifs en atmosphère réductrice et oxydante qui se produisent lors de l'arrêt, du démarrage et d'éventuels incidents de marche du véhicule. De plus, ces catalyseurs présentent également une activité catalytique importante dans la réaction de conversion à la vapeur d'eau de l'oxyda de carbone et des hydrocarbures. Ils ont aussi une bonne activité dans les réactions d'oxydation des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone ; ces réactions, en raison de leur exothermicité, provoquent une élévation très rapide de la température du lit catalytique. Ainsi, on a constaté lors du démarrage à froid d'un moteur à combustion interne équipé d'un pot catalytique dréchap pement que l'injection d'environ 20 % d'air dans les gaz d'échappement mis en contact avec le lit catalytique, permettait une élévation de température d'environ 2000C, en moins de deux minutes environ.Par la suite, l'excès d'air étant supprimé, le catalyseur, mis en température, réduit les oxydes d'azote à plus de 95 % environ et le cycle peut être répété sens dcmmsgepour le catalyseur. Un tel résultat n'a pas pu être obtenu avec les catalyseurs décrits dans l'art antérieur. Le catalyseur tel qu'il a été décrit dans l'invention peut constituer à lui seul tout le lit catalytique contenu dans le pot catalytique du véhicule, ou nten représenter qutune partie, par exemple environ 80 % en poids, le lit catalytique pouvant alors comprendre en outre - des particules de diluants destinées à réduire encore l'attrition et/ou à améliorer les échanges thermiques; - jusqutà 15 % en poids d'un catalyseur d'oxydation des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone, ainsi que jusqu'à 10 % en poids d'un catalyseur de décomposition de l'ammoniac. Le procédé de l'invention peut encore s'appliquer au traitement d'autres mélanges gazeux contenant des oxydes d'azote ainsi qu'au moins un gaz réducteur. C'est le cas, par exemple, des fumées d'usine ou des gaz résiduaires de fabrication de l'acide nitrique ; les conditions opératoires (température, pression, vitesses spatiales) seront déterminées de manière à assurer la meilleure efficacité d'emploi du catalyseur dans chacune des ces applications. Les exemples suivants sont destinés à illustrer l'invention et ne doivent en aucune manière en limiter la portée. Les Exemples B à 10 sont donnés à titre de comparaison. On décrit tout d'abord les solutions d'imprégnation utilisées dans la préparation des catalyseurs. Solution A On dissout dans 200 ml d'eau, 78,8 g de nitrate de manganèse tétrahydraté, 456 g de nitrate de nickel hexahydraté, 75,6 g de nitrate de cuivre trihydraté et 50 g d'acide citrique monohydraté. La solution est ajustée à 680 ml. Solution B On dissout dans 360 ml d'eau, 183,9 g de nitrate de manganèse tétrahydraté, 582,1 g de nitrate de nickel hexahydraté, 91,02 g de nitrate de cuivre trihydraté et 85 g d'acide malique. La solution est ajustée à 960 ml. Solution C On dissout dans 380 mi d'eau 180 g de nitrate de manganèse tétréhydraté, 321,6 g de nitrate de nickel hexahydraté, 80,3 g de nitrate d cui- vre trihydraté, 60 g d'acide tartrique et 55 g d'acide citrique monohydraté. La solution est ajustée à 900 mi. Solution D Dans 170 mi d'eau, on ajoute 91,40 g de nitrate de manganèse tétre- hydraté, 264,6 g de nitrate de nickel hexahydraté, 44 g de nitrate de cuivre trihydraté, 60 g d'acide citrique monohydraté et 40 g de glucose. La solution est ajustée à 430 mi. Solution E Une solution de 100 g d'acide citrique et 200 mi d'eau est traitée par 357 g de nitrate de nickel hexahydraté et 40,2 g de nitrate de cuivre trihydraté. La solution est étendue à 450 mi. Solution F Une solution de 197 g d'oxalate double de titane et d'ammonium dihydraté dans 300 mi d'eau. Solution G La solution B étendue à 840 ml. Solution H Une solution de 100 g d'acide citrique,200 ml d'eau, 357 g de nitrate de nickel hexahydraté, étendue à 450 mi. Solution I On traite 186,5 g d'acétate de nickal tétrahydraté par une solution de 150 g d'anhydride chromique dans 150ml d'eau. Après dissolution et refroi dissement, on ajoute 100 g d'acide citrique monohydraté. Solution J On dissout 118,4 g de nitratede cuivre trihydraté dans 200 mi d'eau et 50 g d'acide citrique. La solution est ajustée à 460 mi. Exemples 1 à 10 : Préparation des catalyseurs On a préparé des catalyseurs par imprégnation de supports dans les conditions indiquées au Tableau I. Le support utilisé pour préparer les catalyseurs des Exemples 2 é 10 est un support alumineux constitué principalement d'alumine- en sodium (moins de 1000 ppm de Na20), ayant un volume poreux d'environ 45 ml/~- 100g et une surface spécifique masurés au sorhtomètre d'environ 8 m g-1. Ce sup port est disponible dans le commerce sous la désignation SES 9. Il présente une attrition, mesurée par la méthode IFP, de 2,5 % et des valeurs d'écrase- ment grain à grain, abtenuss pour des grains de taille comprise entre 3,2 et 4 mm, de 8 à 15 kg (valeur moyenne 12,5). Un support de memes caractéristiques, mais ayant une surface spéci fique d'environ 25 m g-1 a été utilisé dans l'Exemple 1. Ce support est dispo nible dans le commerce sous la désignation SES 19. Les catalyseurs des Exemples 1 à 5 et 7 à 10 ont été testés sur véhicule : un véhicule Peugeot 204 hreak-est équipé d'un pot catalytique cylindrique, de diamètre 125 mm, de hauteur 122 mm et de çapacité 1,5 litre, placé en sortie du circuit d'échappement. Après respectivement 1 000 et 20 000 km d'essai sur route, le véhicule est placé sur banc à rouleaux et les performances du catalyseur sont évaluées selon la norme C.V.S. décrite dans Federal Registrer, vol. 36, n0 128, juillet 1971. Selon cette norme, le véhi cule est soumis à des cycles d'accélérationset de décélérations, pendant environ environ 23 minutes. Ces cycles sont réalisés une première fois, départ moteur froid, puis répétés une deuxième-fois, départ moteur chaud, après 10 minutes de refroidissement.Les gaz d'échappement sont recusillis en totalité après dilution dans l'air pour chacun des deux essais, puis on dose selon la norme 1' oxyde d'azote résiduel et l'ammoniac produit. L'ammoniac, qui serait supposé se réoxyder en NO dans un pot catalytique d'oxydation associé au pot catalytique de réduction, 'est exprimé en NO et ajouté au NO résiduel dosé. Le résultat final est obtenu en pondérant les essais à froid et à chaud ; il est exprimé en ppm, et converti en grammes de polluant par mile de parcours (1 mile rr 1,609 km). On donne dans le Tableau 2 les quantités d'oxyde d'azote obtenues selon la norme après 1 000, puis 20 000 km sur route. Sans catalyseur la valeur pondérée pour l'émission d'oxydes d'azote 'a été trouvée égale à 2,5 i 0,5 g/milaà richesse 1,06. Sur les catalyseurs neufs et après 20 000 km sur route, on a procédé à un test de laboratoire effectué à VVH 20 000 volumes de gaz par volù- me de catalyseur et par heure, sur 20 ml de catalyseur, en présence d'un mélange gazeux-contenant en volume 0,2 % d'oxydes d'azote, 2 46 d'oxyde de carbone, 0,3 %-d'oxygène, 3,3 % de vapeur d'eau, 1 % d'hydrogène,le complément étant de l'azote. On donne également, dans} le Tableau 2, les températures (mesurées dans le lit catalytique) nécessaires pour avoir une réduction totale des oxydes d'azote en azote et en ammoniac ainsi que la teneur en ammoniac mesurée à 5000C. Tableau 1 Imprégnation Séchage Calcination Catalyseur obtenu Masse de Ex support Solu- Quanti- T ( C) Durée T ( C) Durée Masse Phase active (g) tion té (ml) (h) (h) (g) Composition %poids 1 1500 A 680 200 8 500 2 1670 Ni,Cu0,2 Mn0,2 O1,5 10 2 2000 B 960 190 15 550 1.30 2225 Ni1,1 Cu0,2 Mn0,4 O1,9 11,1 3 2000 C 900 200 10 500 2.30 2230 Ni1Cu0,3 Mon 0,65 O1,4 8,5 4 1000 D 430 180 18 550 1.30 1115 Ni1,5 Cu0,3 Mn0,6 O2,7 10 5 1000 E 450 200 10 450 3 1115 Ni1,5 Cu0,3 O1,8 10 6 2000 F 660 150 1 600 3 2048 Ti O2 2,3 7 2000* G 640 200 11 500 2 2230 Ni1,1 Cu0,2 Mn0,4 13,1 O1,9-0,37 Ti O2 8 1000 H 450 150 12 500 2 1092 Ni O 8,4 9 1500 I 670 200 8 500 2 1672 Ni Cr2 O4 10,2 10 1000 J 460 180 9 500 2 1039 Cu O 3,7 * catalyseur de l'Exemple 6 Tableau 2 Essai sur véhicule Essai labo Catalyseur NO après No après de 1x000 km 20x000 km Catalyseur neuf Catalyseur après 20 000 km l'Exemple g/mile ppm g/mile ppm T( C) pour (NH3) ppm T( C) pour (NH3) ppm (NO) = 0 % 500 C (NO) = 0 % 500 C 1 0,15 70 0,24 115 240 530 350 400 2 0,16 75 0,26 120 240 550 350 350 3 0,18 85 0,30 140 260 500 400 350 4 0,19 90 0,32 150 270 560 420 250 5 0,19 90 0,34 160 270 700 450 350 7 0,15 70 0,22 110 220 550 320 250 8 0,43 200 1,28 600 330 400 800 200 9 0,38 180 0,96 450 300 400 760 150 10 1,46 685* 1,60 750 200 1 200 700 800 * Tout le NO a été transformé en NH3 (85 ppm NO + 600 ppm NH3). REVENflICATIONS 1 - Procédé pour la réduction catalytique des oxydes d'azote dans un mélange gazeux en contenant ainsi qu'au moins un gaz réducteur, caratérisé en ce que l'on fait passer ledit mélange gazeux au contact d'un catalyseur constitué d' un support comprenant principalement de l'alumina- et d'une phase active comprenant principalement du nickel et du cuivre sous forme d'oxydes, en quantités relatives telles que la valeur du rapport atomique Eu soit de 0,05 à 0,5. Ni + ù 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase active renferme également de l'oxyda de manganèse, en une quantité relative telle la valeur du rapport atomique Mn soit de 0,1 à 0,7. Ni + Eu 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la phàse active représente de 3 à 20 % du poids du catalyseur. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase active représente de 5 à 15 % du poids du catalyseur. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le support a une surface spécifique inférieure à 30 m2/g. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support contient également jusqu'à 10 % de son poids d'oxyde d'au moins un élément choisi parmi le titane, le zirconium, le thorium, le baryum et le lithium. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en-ce que ledit mélange gazeux est un gaz d'échappement de moteur à combustion interne. 8 - Procédé selon la revendications 7, caractérisé..ence que le mélange gazeux passe dans le catalyseur, en lit fixe, à une vitesse de 20 000 à 60 000 volumes de gaz par volume de catalyseur et par heure.