Development of prediction for novel aftertreatment performance of methane slip using active site model of methane oxidation catalyst

使用甲烷氧化催化剂活性位点模型开发新型甲烷逃逸后处理性能预测

• 批准号: 22K14436
• 负责人: 新田 好古
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14436/
• 关键词: ガスエンジン; メタンスリップ; メタン酸化反応; パラジウム触媒; 性能予測; 吸着; 活性点; メタン; 酸化触媒; シミュレーション

舶用ガスエンジンは、温室効果が高いメタンスリップの懸念がある。その対策として、メタン酸化能力の高い、白金系貴金属を用いたメタン酸化触媒(以下、触媒)を用いた排気後処理技術の研究開発が進められている。一方で、その適用にあたっては舶用ガスエンジンの運転条件に伴う排気組成の変化により、反応場である活性点に阻害物質が吸着しメタン酸化反応を阻害する現象や、低い排気温度が複合することで、メタン酸化反応の反応速度が低下し、安定した触媒性能の発揮が厳しくなる問題がある。本研究は、舶用ガスエンジン排気中の触媒の性能を精度よく予測するため、詳細化学反応速度モデリング及びシミュレーションDETCHEMを用いて、申請者が開発した活性点評価法より得られた触媒の活性点量をモデル化し、活性点量の実測値をベースとした新しい触媒の性能予測法の構築を目指す。R4年度は，実排気及び模擬排気を用いて、舶用ガスエンジンの各排気組成及び温度が触媒性能に与える影響を実験的に調査した。この結果、実排気に含まれる水分及びNOxの吸着により性能低下が起こること、COの共存及びメタンの発熱により性能が向上することが確認された。これらの結果とりまとめ、日本機械学会が主催するCOMODIA2022にて発表した。また、これらの結果を実際のガスエンジンの運転に応用するため、実排気中における触媒性能を改善するガスエンジンの運転方法を提案し、その効果を実験的に検証した。この結果、ガスエンジンの空気過剰率を変化させ、排気中のメタン及びNOx濃度を変化させることにより、負荷率75％におけるメタン酸化性能を7%ポイント程度改善することを確認し、成果を英文投稿論文にとりまとめた。R5年度は、これらの実験結果を理論的に検証するため、触媒反応モデルを構築し数値解析を行う予定である。

船用燃气发动机担心甲烷泄漏，这种泄漏具有很强的温室效应。作为对策，正在研究开发使用甲烷氧化催化剂（以下简称催化剂）的废气后处理技术，该催化剂使用铂基贵金属且具有高甲烷氧化能力。另一方面，在其应用中，由于船用燃气发动机的运行工况导致废气成分发生变化，抑制剂被吸附到活性位点，即反应位点，抑制甲烷氧化反应，实现低排放。如果温度升高，则存在甲烷氧化反应的反应速度降低、难以发挥稳定的催化剂性能的问题。为了准确预测船用燃气发动机排气中的催化剂的性能，本研究的目的是使用详细的化学反应速率建模和模拟DETCHEM来估计由申请人开发的活性位点评估方法获得的催化剂中的活性位点的数量。创建一种根据活性位点数量的实际测量来预测催化剂性能的新方法。在R4年，我们利用实际排气和模拟排气，实验研究了船用燃气发动机的各种排气成分和温度对催化剂性能的影响。结果，确认了由于实际废气中所含的水分和NOx的吸附而导致性能劣化，并且由于CO和甲烷的发热的共存而导致性能提高。这些结果在日本机械工程师学会主办的 COMODIA2022 上进行了汇编和展示。此外，为了将这些结果应用到实际燃气发动机运行中，我们提出了一种提高实际废气中催化剂性能的燃气发动机运行方法，并通过实验验证了其有效性。结果证实，通过改变燃气发动机的空气过剩率，改变废气中的甲烷和NOx浓度，负载率75%时的甲烷氧化性能可提高约7个百分点，并将结果以英文发表。结果总结在一篇论文中。在R5年，我们计划构建催化反应模型并进行数值分析，从理论上验证这些实验结果。

项目成果

Performance Evaluation of Methane Oxidation Catalyst for Marine Gas-Engine in Actual Exhaust and Simulated Gas

船用燃气机甲烷氧化催化剂在实际排气和模拟气体中的性能评价

• DOI: 10.1299/jmsesdm.2022.10.c7-1
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Proceedings of the International symposium on diagnostics and modeling of combustion in internal combustion engines
• 作者: Nitta Yoshifuru;Ichikawa Yasuhisa;Niki Yoichi;Masuda Akiko;Hirata Koichi
• 通讯作者: Hirata Koichi