Sulfur Deactivation of NO_x Storage Catalysts: A Multiscale Modeling Approach

Empoisonnement des matériaux de stockage des NO_x par le soufre : approche multi-échelles

¹ IFP Energies nouvelles, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison - France
² Institut Jean Le Rond d’Alembert, Université Pierre et Marie Curie, UPMC Paris 6, CNRS UMR 7190, place de la gare de ceinture, 78210 Saint-Cyr-l’École - France
³ IFP Energies nouvelles, Rond-point de l’échangeur de Solaize, BP 3, 69360 Solaize - France
e-mail: nikola.rankovic@aramcooverseas.com - andre.nicolle@ifpen.fr

^⋆ Corresponding author

Abstract

Lean NO_x Trap (LNT) catalysts, a promising solution for reducing the noxious nitrogen oxide emissions from the lean burn and Diesel engines, are technologically limited by the presence of sulfur in the exhaust gas stream. Sulfur stemming from both fuels and lubricating oils is oxidized during the combustion event and mainly exists as SO_x (SO₂ and SO₃) in the exhaust. Sulfur oxides interact strongly with the NO_x trapping material of a LNT to form thermodynamically favored sulfate species, consequently leading to the blockage of NO_x sorption sites and altering the catalyst operation. Molecular and kinetic modeling represent a valuable tool for predicting system behavior and evaluating catalytic performances. The present paper demonstrates how fundamental ab initio calculations can be used as a valuable source for designing kinetic models developed in the IFP Exhaust library, intended for vehicle simulations. The concrete example we chose to illustrate our approach was SO₃ adsorption on the model NO_x storage material, BaO. SO₃ adsorption was described for various sites (terraces, surface steps and kinks and bulk) for a closer description of a real storage material. Additional rate and sensitivity analyses provided a deeper understanding of the poisoning phenomena.

Résumé

Les pièges à NO_x représentent une technologie prometteuse pour la réduction des émissions d’oxydes d’azote issus des moteurs opérant en mélange pauvre. Leur utilisation est limitée par la présence de composés soufrés dans les gaz d’échappement. Le soufre contenu dans le carburant et le lubrifiant est oxydé lors de la combustion en SO₂ et SO₃. Ces oxydes de soufre présentent une forte affinité pour le matériau de stockage du piège, la formation de sulfate étant favorisée thermodynamiquement. Cette formation contribue au blocage des sites d’adsorption des NO_x et influence l’opération de l’organe de post-traitement. La modélisation moléculaire représente un outil précieux pour prédire le comportement et les performances du système catalytique. Notre étude présente une méthodologie d’exploitation des calculs ab initio pour la formulation de modèles cinétiques développés dans la librairie de post-traitement véhicule IFP Exhaust. Nous illustrons notre approche par le cas de l’adsorption de SO₃ sur un matériau modèle, BaO. Afin d’obtenir une description fidèle du matériau de stockage réel, l’adsorption de SO₃ est décrite sur plusieurs sites : terrasses, marches, crans et le site massique. Des analyses de sensibilité et de vitesses de réactions permettent d’obtenir une compréhension plus approfondie des phénomènes d’empoisonnement mis en jeu.