Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση σχηματισμού ΝΗ3 και Ν2Ο σε τριοδικό καταλύτη
Creators: name: Μαυροδής, Δημήτριος Σπύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Τριοδικός καταλύτης
Αμμωνία
Πρωτοξείδιο του Αζώτου
Three way catalyst
Ammonia
Nitrous oxide

description: Η χρήση των τριοδικών καταλυτών στην αυτοκινητοβιομηχανία λαμβάνει χώρα για πανω από 30 χρόνια. Όμως, οι ραγδαίοι ρυθμοί ανάπτυξης ειδικά των αναπτυσόμενων χωρών έχει επιφέρει περιβαλλοντικά προβλήματα, ένα από τα οποία και η ατμοσφαιρική ρύπανση. Έτσι η παγκόσμια κοινότητα πιέζει το σύνολο της βιομηχανίας για μείωση την ατμοσφαιρικής ατμόσφαιρας, μαζί με αυτή και της βιομηχανίας των μεταφορών. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες, στην προσπάθεια τους να μειώσουν τις συνολικές εκπομπές CO2 αλλά και την κατανάλωση καυσίμου αναπτύσουν νέες τεχνολογίες στα οχήματα τους. Η νομοθεσία εκπομπής ρύπων των μηχανών εσωτερικής καύσης αυστηροποιείται με ραγδαίους ρυθμούς πιέζοντας την παγκόσμια αυτοκινητοβιομηχανία. Όμως παρά την αυστηροποίηση των επιτρεπόμενων ορίων των βασικών ρύπων (CO, HC, NOx, αιθάλης) η νομοθεσία δεν εισάγει νέα ήδη ρύπων στη νομοθεσία. Απο την έρευνα πάνω στις εκπομπές των τριοδικών καταλυτών, καταγράφηκαν υψηλές συγκεντρώσεις ΝΗ3 και Ν2Ο για τα οποία η παγκόσμια κοινότητα δεν έχει νομοθετήσει. Η NH3 αποτελεί ένα από τους πιο προβληματικούς αέριους ρύπους στην Ευρώπη. Το N2O έχει διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 170 χρόνια, είναι σημαντικό αέριο θερμοκηπίου και έχει 300 φορές μεγαλύτερη επίδραση από το CO2. Γίνεται αντιληπτή η ανάγκη μελέτης των φαινομένων σχηματισμού ΝΗ3 και Ν2Ο καθως και ο έλεγχος τους. Η παρούσα εργασία έχει σαν αντικείμενο την μελέτη του σχηματισμού και της κατανάλωσης ΝΗ3 και Ν2Ο σε τριοδικούς καταλύτες. Πέρα από την παρατήρηση και τον σχολιασμό της συμπεριφοράς του τριοδικού καταλύτη με κατάλληλα πειράματα, στα πλαίσια της εργασίας αναπτύσεται μοντέλο προσομοίωσης των εκπομπών του τριοδικού καταλύτη. Η θέσπιση των πειραμάτων είναι στοχευμένη με τέτοιο τρόπο που η απεμπλοκή και αποδόμηση των φαινομένων θα είναι όσο τον δυνατόν πιο εφικτή. Το σύνολο των πειραματικών διαδικασιών πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής (Ε.Ε.Θ) του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκη (Α.Π.Θ). Ενώ, η δημιουργία του μοντέλου προσομοίωσης της συμπεριφοράς του τριοδικού καταλύτη έγινε με την βοήθεια του λογισμικού axisuite® στις εγκαταστάσεις της εταιρίας Exothermia Α.Ε. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ειδικά επεξεργασμένα δοκίμια στην διάταξη συνθετικού καυσαερίου του Ε.Ε.Θ. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται αναφορά της λειτουργία του τριοδικού καταλύτη, της υπάρχουσας νομοθεσίας των οχημάτων και των κενών που παρουσιαζει αυτή για τις εκπομπές των NH3 και N2O. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία της εργασίας και της πειραματικής διάταξης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για το σύνολο των ρύπων και έπειτα πιο εξειδικευμένα για τις εκπομπές ΝΗ3 και Ν2Ο. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του μοντέλου προσομοίωσης που δημιουργήθηκε για κάθε ένα από τις τεχνολογίες δοκιμίων που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της εργασίας και οι προτάσεις για μελλοντική εργασία. Στο παράρτημα της εργασίας περιγράφεται το λογισμικό του axisuite® και το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση του καταλύτη στο πλαίσιο της εργασίας.
description: The use of three way catalysts (TWC) in the automotive industry has been taking place for over 30 years. However, the rapid growth rates of developing countries have caused environmental problems, one of which is air pollution. Therefore the global community attempts to enforce several measures for the reduction of air pollution to the entire industry; consecutively to the transport industry as well. Automotive industry, in their efforts to reduce overall CO2 emissions and fuel consumption, is developing new technologies in their vehicles. The emissions legislation for internal combustion engines is getting stricter and stricter expeditiously, pushing the global automotive industry. Although there seems to be tightening of the permitted limits for the main pollutants (CO, HC, NOx, soot), the legislation does not introduce new pollutants into the legislation. Research on TWC emissions has shown high concentrations of NH3 and N2O which have not undergone a legislation process required by the global community. NH3 is one of the most problematic air pollutants in Europe. N2O, which has a lifetime of more than 170 years, constitutes an important greenhouse gas and has a 300 times greater effect than CO2. Consequently, the need to study the phenomena of NH3 and N2O formation and their control is urgent. The present study aims to study the formation and consumption of NH3 and N2 O in TWC. In addition to observing and commenting on the behavior of the TWC with appropriate experiments, a model of the TWC emission simulation is being developed. The introduction of experiments is targeted in such a way that the disengagement and deconstruction of phenomena will be as feasible as possible. All experimental procedures were carried out at the Laboratory of Applied Thermodynamics (LAT) of the Aristotle University of Thessaloniki (AUTH). Additionally, the modeling of the TWC simulation model was formulated with the help of the axisuite® software at Exothermia SA's facilities. The experiments were carried out on specially processed TWC samples, in the synthetic gas bench (SGB) of the LAT. In the first chapter of the thesis we report the operation of the TWC, the existing vehicle legislation and its weakness concerning NH3 and N2O emissions. The second chapter presents the methodology of this research and also the SGB. The third chapter presents the experimental results for all pollutants and then greater emphasis is placed on the NH3 and N2O emissions. The fourth chapter deals with the results of the simulation model created for each of the TWC samples used. Finally, the fifth chapter provides the conclusions of the thesis and analyzes the proposals for future research. The appendix of the paper describes the axisuite® software and the mathematical model used to model the catalyst within the research.