Aufbereitung von Harnstoff-Wasser-Lösung zur Emissionskontrolle von Stickoxiden: homogene Gasphasenreaktionen und Partikelbildung

Der Stickstoffoxidgehalt des Abgases von Dieselfahrzeugen wird heute großteils mithilfe von Ammoniak in selektiver katalytischer Reduktion (SCR) reduziert. In mobilen Anwendungen wird ein Vorläufer des Reduktionsmittels in Form von Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als feines Spray vor dem SCR-Katalysator getaktet eingespritzt.
Homogene chemische Prozesse, die zwischen der HWL-Dosierstelle und dem Eingang des Katalysators ablaufen, werden in der aktuellen Arbeit unter-sucht. Der Fokus liegt hauptsächlich auf Gasphasenreaktionen, die nach der thermischen Zersetzung von Harnstoff vor dem Katalysator ablaufen. ... mehrEs wird gezeigt, wie das für die schnellen SCR-Reaktionen im Oxidationskatalysator oxidiertes Stickstoffdioxid einen Reaktionsweg von Ammoniak zu Stickstoff-monoxid ermöglicht und dadurch die Reduktion in der Gasphase kontrapro-duktiv macht. Auch der fördernde Effekt und der Wirkungsmechanismus von erhöhtem Druck sowie Temperatur wurden erforscht, die bei „pre-turbine“ und „closed-coupled“ Anordnungen die Zusammensetzung der Gasmischung beeinflussen können. Neben Ammoniak wird auch Isocyansäure in der Harnstoffzersetzung freigesetzt. Für Reaktionen von Isocyansäure mit Stickstoffoxiden und mit Ammoniak unter abgasrelevanten Bedingungen wurde ein Mechanismus als Teil der Arbeit entwickelt und für Simulationen verwendet.
Neben Gasphasenreaktionen wurde die Verdampfung und die thermo-chemische Zersetzung von Einzeltröpfchen des HWL-Sprays simuliert, um eine
mögliche Partikelbildung vorherzusagen. Zudem wurden Möglichkeiten und Grenzen zur Eliminierung dieser Partikel mit Temperaturerhöhung geschildert.
Die durch diese Arbeit entstandenen neuen Kenntnisse ermöglichen es, Harnstoff-SCR Systeme noch realitätsnaher zu betrachten, diese genauer zu modellieren und dadurch eine sicherere und effizientere Stickstoffoxidreduktion zu realisieren.

The nitrogen oxide (NOx) content of diesel vehicles' exhaust gas is nowadays mainly removed using ammonia in selective catalytic reduction (SCR). In mobile applications, a precursor of the reducing agent is time-controlled injected in the form of a urea-water solution as a fine spray upstream of the SCR catalyst.
The subject of the present thesis is the modeling of the physical and chemical processes happening between the UWS injection point and the inlet of the catalyst. The focus primarily lays on gas-phase reactions that occur after the thermal decomposition of urea upstream of the catalyst. ... mehrIt is shown how nitrogen dioxide, oxidized for the fast SCR reactions in the diesel oxidation catalyst, enables a reaction path from ammonia to nitrogen monoxide, thereby counteracting NOx reduction in the gas phase. The promoting effect and the detailed mechanism of action of elevated pressure and higher temperature have also been studied, which can influence the composition of the gas mixture in “pre-turbine” and “closed-coupled” arrangements.
Besides ammonia, isocyanic acid is also the result of the urea decomposition. This thesis presents a novel mechanism modelling the reactions of isocyanic acid with nitrogen oxides and ammonia in exhaust gas relevant conditions. This mechanism suits for more accurate simulations.
Furthermore, the evaporation and the thermo-chemical decomposition of a single droplet of the HWL spray are simulated to predict possible particle formation. Finally, the possibilities and limitations of eliminating these particles at increased temperature are described.
The novel findings of this thesis enable more realistic characterizations and modeling of urea-SCR systems, leading to a safer and more efficient nitrogen oxide reduction.