PIREP Procédé innovant de traitement des suies produites par les moteurs Diesel Réunion...

PIREPProcédé innovant de traitement des suies

produites par les moteurs Diesel

Réunion d’avancement du Projet

17 mars 2009 - Nancy

Permanents

Anne Giroir-FendlerAntoinette BoréaveBarbara D’AnnaChristian GeorgeCorinne FerronatoEric PuzenatFrançois GaillardLaurence Retailleau-MévelPhilippe Vernoux

Personnes impliquées dans le projetPersonnes impliquées dans le projet

Non permanents

Michel GuthLeonardo Lizarraga

Linda Mazri

Partenaires du projetPartenaires du projet

Clermont-Ferrand Nancy

Montbelliard Grenoble

2

Analyse Analyse ParticulesParticulesAnalyse Analyse

ParticulesParticules

Analyse Analyse GazGaz

Analyse Analyse GazGaz

AcquisitionAcquisitionSupervisionSupervisionAcquisitionAcquisitionSupervisionSupervision

AlimentationAlimentationGénéralGénéral

AlimentationAlimentationGénéralGénéral

GénérateurGénérateurDe SuiesDe Suies(CAST)(CAST)

GénérateurGénérateurDe SuiesDe Suies(CAST)(CAST)

Débitmètres Débitmètres Gaz (CAST)Gaz (CAST)Débitmètres Débitmètres Gaz (CAST)Gaz (CAST)

Débitmètres Débitmètres Gaz Gaz

AdditionnelsAdditionnels

Débitmètres Débitmètres Gaz Gaz

AdditionnelsAdditionnels

OnduleurOnduleurOnduleurOnduleur

SMPSSMPSDMA-CPCDMA-CPC

SMPSSMPSDMA-CPCDMA-CPC

GC-FIDGC-FIDGC-FIDGC-FID

µGCµGCµGCµGC

Analyseur Analyseur de NOxde NOx

Analyseur Analyseur de NOxde NOx

Lignes GazLignes GazLignes GazLignes Gaz

PC PC d’Analysesd’Analyses

PC PC d’Analysesd’Analyses

RéacteursRéacteursRéacteursRéacteurs

Rappel sur le fonctionnement d’un mini-CAST Rappel sur le fonctionnement d’un mini-CAST

Suies générées: CAST (Combustion Aérosol STandard) Propane et air

Air : 0 à 20 ln/min

N2:7,5 ln/min

C3H8 : 0,06 ln/min + N2 : 0 à 0,33 ln/min

Air : 1,32 à 1,55 ln/min

Les différents points de fonctionnement du CAST

PF Air [ln/h] (dilution)

N2 [ln/h] (Quench)

C3H8 [ln/h] (Fuel)

N2 [ln/h] (Mixing)

Air [ln/h] (Oxidation)

1 1200 450 3,6 0 93

2 1200 450 3,6 3 92,4

3 1200 450 3,6 6 91,2

4 1200 450 3,6 9 90

5 1200 450 3,6 12 88,2

6 1200 450 3,6 15 85,2

7 1200 450 3,6 18 81,6

8 1200 450 3,6 19,2 79,2

stoechiométrie

Excès d’O2

Pauvre en O2

PF1 à différentes pressions

en mode « simulation du chargement d’un FAP »

Débit total : 20 L/minPas de gaz additionnelSans H2OPerte de charge simulée par une vanne boisseau

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

P1

-Patm

[bar]

17:15 17:30 17:45 18:00 18:15 18:30 18:45

Temps

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

∆P

[bar]

P1

∆P

P1 : Pression de la flamme ΔP : perte de charge

Évolution des gaz de combustion avec la perte de charge

CO

/ p

pm

CO

2 / pp

m

C2H

4 /

pp

m

20 mBar 64 mBar 120 mBar 165 mBar

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

dw/d

log(D

p) x

106

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

Particle diameter [nm]

P1 = 145 mbar²P = 10 mbar

90 nm

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

dw/d

log(D

p) x

106

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9



90 nm

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

dw

/dlo

g(D

p)

x10

6

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9



90 nm

P020 mBar

P164 mBar

10

8

6

4

2

0

dw

/dlo

g(D

p)

x10

6

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9


P1 = 257 mbar²P = 125 mbar

P2120 mBar

80 nm

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

dw

/dlo

g(D

p)

x10

6

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9


P1 = 310 mbar²P = 170 mbar

P3165 mBar

80 nm

1.5

1.0

0.5

0.0

dw

/dlo

g(D

p)

x10

6

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9


P1 = 360 à 380 mbar²P = 220 à 240 mbar

P4220 mBar

80 nm

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

dw

/dlo

g(D

p)

x10

6

3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9


P1 = 450 mbar²P = 325 mbar

P5322 mBar

70 nm

Données SMPS

Augmentation de la perte de charge : décalage vers PF plus élevé(combustion incomplète)

Mesures AMS en parallèle des particules

émises du CAST en mode « simulation du chargement d’un

FAP »

(simulation réalisée par la fermeture progressive d’une vanne boisseau)

Point de fonctionnement 1 (PF1)

P0 initialP1 = 64 mbarP2 = 120 mbarP3 = 165 mbarP4 = 221-240 mbarP5 = 322 + mbar

5 P :

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

PF1-P00.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

30

25

20

15

10

5

0

dM/d

log

10dva

(µ

g m

-3)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)

ug_log_NO3av_P0 ug_log_Orgav_P0 ug_log_NH4av_P0 ug_log_PAHav_P0

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Frac

tion

of s

igna

l

380360340320300280260240220200180

HAP

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

PF1-P10.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

30

25

20

15

10

5

0

-5

dM/d

log

10dva

(µg

m-3

)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)


0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

PF1-P20.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

deltaP = 250 mb

40

30

20

10

0

dM/d

log

10d va (µ

g m

-3)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)


0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n o

f si

gn

al

380360340320300280260240220200180

deltaP = 250 mb

HAP

IRIS : Integrated Risk Information System

B2, Probable human carcinogen - based on sufficient evidence of carcinogenicity in animals

D, Not classifiable as to human carcinogenicity

WOE, Weight of Evidence

http://cfpub.epa.gov/ncea/iris/compare_results.cfm?RequestTimeout=180#WOE

(RPF, Relative Potency Factor)

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f si

gn

al

24022020018016014012010080604020

PF1-P30.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

dM/d

log

10dva

(µ

g m

-3)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)


0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

PF1-P4

80x10-3

60

40

20

0

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

dM/d

log

10dva

(µ

g m

-3)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)


0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f si

gn

al

24022020018016014012010080604020

PF1-P50.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n of

sig

nal

380360340320300280260240220200180

40

30

20

10

0

dM/d

log

10dva

(µ

g m

-3)

102 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5 6 7 8 9

1000PToF size (nm)


Organiques

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00F

ractio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

24022020018016014012010080604020

P0

P2

P3

P5

PF1

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

0 0.1 0.2 0.3 0.4

P /mbar

rati

o /

44

(m/z

)

12

27

29

41

43

44

55

57

69

m/z

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Fra

ctio

n o

f si

gn

al

3803603403203002802602402202001800.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

deltaP = 250 mb

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

Fra

ctio

n o

f sig

na

l

380360340320300280260240220200180

P0

P2

P5

HAP

PF1

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0 0.1 0.2 0.3 0.4P / mbar

rati

o /

20

2(m

/z) 202

216

226

276

300

324

m/z

Conclusions partielles

• Une augmentation de la perte de charge entraîne une combustion incomplète (CO, HC dans phase gaz, HAP sur particules de suie), une diminution de la taille des particules.

• Fuites dans CAST décelées

PF1 : Stabilité SANS eauPF1 : Stabilité AVEC eau

PF1 : influence de la perte de charge

Débit total : 20 L/minGaz additionnelAvec et sans H2OPerte de charge simulée par une vanne boisseau

Modification du CAST : élimination des fuites

O2 10 %

CO 5000 ppmv

CO2 10 %

NOx 500 ppm

HC (C3H6, C3H8) 2000 ppm

ΔP0 initial

Pas de modification de la taille des particulesBaisse de la concentration en particules

Stabilité jusqu’à 1 Bar

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

P1

[bar]

19:00 19:15 19:30 19:45 20:00 20:15 20:30

Temps

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

∆P [bar]

P1

∆P

PF1 : Chargement d’un FAPRT -> 750°C

Mini-FAP IBIDEN en SiC (1 pouce sur 2 pouces)FAP non enduit

Débit total : 20 L/minGaz additionnelSans H2O

O2 10 %

CO 5000 ppmv

CO2 10 %

NOx 500 ppm

HC (C3H6, C3H8) 2000 ppm

600

400

200

0

T

Réacteur

[°C]

13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

Temps

1.5

1.0

0.5

0.0

∆P [bar]

TRéacteur

∆P

2°C/min

4°C/min

Pb sur raccordement TC

0,8 Bar

640°C

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

dw/dlog(Dp) x10

9

2 3 4 5 6 7 8 9

1002 3 4 5


645 °C 655 °C 666 °C 675 °C 682 °C 692 °C 702 °C 710 °C 717 °C 729 °C 738 °C 745 °C 750 °C 750 °C 750°C

Chargement FAP et montée en Température20 °C -> 350 °C : 2 °C/min350 °C -> 750 °C : 4 °C/min

645°C

702°C

710°C

675°C

750°C

Charge du FAP SiC Ibiden à 800 mBar

• Proche de 100% à T<640°C• La combustion des suies démarre à 640°C

(perte de charge stabilisée, en bon accord avec suie collectée (TPO))

• La combustion s’accompagne d’émissions importantes de particules (distribution bimodale, 20-30 nm et 80-90 nm)

• Maximum de rejet à 700°C (sommet du pic de TPO)

PF1 : Chargement d’un FAPRT -> 750°C

avec PETITE colonne DMA (SMPS)

Débit total : 20 L/minGaz additionnelSans H2O

O2 10 %

CO 5000 ppmv

CO2 10 %

NOx 500 ppm

Pas d’HC

Mini-FAP IBIDEN en SiC (1 pouce sur 2 pouces)FAP non enduit

1000

800

600

400

200

0

T

Réacteur

[°C]

13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Temps

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

∆P [bar]

Temperature du Réacteur ∆P Suies ou Air seul440 mBar

750°C

Chargement du FAPJusqu’à 750°C

Essai cyclethermique

ArrêtParticuleAir seul

Régénération sous air

1000

800

600

400

200

0

T

Réacteur

[°C]

12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30

Temps

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

∆P [bar]

Temperature du Réacteur ∆P


440 mBar


608°C

360°C

A nouveau: émission de particulesà haute température

30

25

20

15

10

5

0

NO

2 [

ppm

]

13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

Temps

540

520

500

480

460

440

420

400

NO

,NO

x [ppm

]

NO2 NO NOx


NO

2 /

ppm

NO

, NO

x / ppm


ΔP

/ B

ar

Charge du FAP

PV=nRT

combustioncombustion


Charge du FAP

ΔP

/ B

ar

ΔP

/ B

ar


1000

800

600

400

200

0

TFour

[°C]

16:00 16:15 16:30 16:45 17:00

Temps

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

∆P [mbar]

50

40

30

20

10

0

x106

4 5 6 7 8 9

102 3 4 5 6 7 8 9

100

Temperature Four ∆P

ΔP

/ B

ar

combustion

Émissions de particulesDistribution bimodale


1000

800

600

400

200

0

TFour

[°C]

16:00 16:15 16:30 16:45 17:00

Temps

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

∆P [mbar]

50

40

30

20

10

0

x106

4 5 6 7 8 9

102 3 4 5 6 7 8 9

1004 5 6 7 8 9

102 3 4 5 6 7 8 9

100

Temperature Four ∆P


ΔP

/ B

ar

Régénération sous airΔP

/ B

ar

Régénération

ΔP

/ B

arRégénération sous air

20

15

10

5

0

CO [x10

3

ppm]

17:45 18:00 18:15 18:30 18:45

Temps

4000

3000

2000

1000

0

CO2 [

ppm]

Conclusions

• Banc de mesure opérationnel (CAST, µGC, SMPS, AMS)

• La charge du FAP (perte de charge) ne modifie pas la distribution en taille mais le nombre de particules. Composition phase gaz et organique ?

• Le FAP émet des particules dès le début de la combustion: distribution bimodale 20 nm et 80 nm et particules < 4nm

Perspectives

• Phase gaz et organiques avec perte de charge ?• Emissions de petites particules pendant charge

et régénération : campagne AIS (avec LamP)• Charge à l’isotherme: 300, 400, 500°C ?• Quelle ΔP max (300 mBar) ? • Charge FAP enduit catalyseur, critères de

comparaison : durée charge, émission de particules et CO, conversions HC et NOx, rapport NO/NOx

• Régénération: suivi des émissions de particules, quelle Temp ?

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