Un material soporte de catalizador constituido por:

- TiO2 en la forma de anatasa en una cantidad de al menos 20% en peso

- tierra de diatomeas en una cantidad de al menos 2% y menor que 80% en peso

Material soporte de catalizador, catalizadores preparados a partir del mismo, y proceso para el tratamiento de un gas de chimenea.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere al tratamiento catalítico de un gas de chimenea. Más particularmente, se refiere a un material soporte de catalizador mejorado, catalizadores producidos a partir del mismo y procesos que utilizan dicho material soporte de catalizador.

Descripción de la técnica anterior

Los gases de chimenea de diferentes fuentes, v.g. calderas en centrales de energía, unidades de procesos químicos, secciones de calentamiento para reformadores con vapor de agua, motores alimentados por gas o aceite, u hornos de cemento contienen numerosos compuestos ambientalmente problemáticos o incluso tóxicos. Éstos comprenden óxidos de nitrógeno (NO_x), óxidos de azufre (SO_x), dioxina, fluorocarbonos y compuestos de Hg.

La depuración catalítica del gas de chimenea reduce la cantidad de algunos de estos compuestos y es por tanto beneficiosa para el ambiente en general. En ciertas áreas, la legislación exige la reducción de estos compuestos en el gas de chimenea.

En la Reducción Catalítica Selectiva (SCR) de NO_x, los óxidos de nitrógeno se reducen selectivamente a nitrógeno inocuo y agua por reacción con un agente reductor, v.g. amoniaco, sobre un catalizador:

4 NO + 4 NH₃ + O₂ rightarrow 4 N₂ + 6 H₂O

NO + NO₂ + 2 NH₃ rightarrow 2 N₂ + 3 H₂O

En una central de energía alimentada por carbón, un catalizador SCR se instala típicamente aguas debajo de la sección del economizador y aguas arriba del precalentador de aire y los filtros de polvo, v.g. el precipitador electrostático. La instalación en otras aplicaciones depende de la temperatura óptima de operación y la disposición específica del proceso. La temperatura de operación de un catalizador SCR está comprendida típicamente en el intervalo de 200ºC a 500ºC.

Se sabe también que los catalizadores SCR reducen la cantidad de dioxina en el gas de chimenea procedente de, v.g. las calderas alimentadas por residuos. La Patente US No. 5.512.259, que se incorpora en esta memoria por referencia, describe un método de reducción de las emisiones de dioxina a partir de un gas residual utilizando catalizadores Denox bien conocidos en condiciones oxidantes. Los metales que son catalíticamente activos para la reacción Denox son adecuados también para degradación de la dioxina. Se mencionan catalizadores basados en wolframio, vanadio, titanio y molibdeno. Las Patentes U.S. Núms. 5.387.734 y 5.276.250, las dos cuales se incorporan en esta memoria por referencia, describen catalizadores adecuados para degradación de la dioxina.

Ciertos tipos de gases de chimenea contienen una gran fracción de sólidos en suspensión, v.g. polvo u hollín. Éstos proceden típicamente de calderas alimentadas por carbón, calderas alimentadas por biomasa, calderas de co-combustión u hornos de cemento. La carga de sólidos de un gas de chimenea con alto contenido de polvo es típicamente 2 a 100 g/Nm³.

Estos sólidos son partículas de cenizas o cenizas volantes, que son resultado de sustancias inorgánicas no quemadas contenidas en el combustible, v.g., carbón para una caldera. La cantidad de ceniza volante está comprendida entre 5% y 30% del carbón quemado en una caldera alimentada por carbón [Patente U.S. No. 6.572.420 B1]. La composición de la ceniza volante depende entre otras cosas del tipo de combustible, v.g. carbón. Por lo general, la misma será principalmente una mezcla de óxidos y sulfatos de Si, Al, Fe, Ca, Mg y metales alcalinos.

Las partículas de ceniza volante pueden tener una amplia distribución de tamaños de partícula. La distribución numérica puede estar constituida principalmente por partículas finas (< 10 µm) si bien las mismas ascienden solamente a 1% a 5% basado en peso [David H Scott: Ash behaviour during combustion and gasification, CCC/24, IEA Coal Research, 1999, ISBN 92-9029-334-9]. El tamaño mediano de partícula puede ser de 10 a varios centenares de micrómetros, y el tamaño de las partículas que entran en un reactor catalítico, v.g., un reactor SCR, puede oscilar desde 0,01 mm a 3 mm de diámetro [Patente US No. 6.571.420 B1].

Tales partículas sólidas se acumularán en la superficie de un catalizador situado en la corriente de dicho gas de chimenea. Por consiguiente, es ventajoso utilizar catalizadores monolíticos (de tipo panal, ondulados o de tipo placa) en lugar de catalizadores de lecho compactado para aplicaciones con una gran cantidad de sólidos suspendidos en el gas de chimenea, es decir, aplicaciones que implican un contenido elevado de polvo. Los catalizadores monolíticos tienen una pluralidad de canales esencialmente rectos que son orificios en las estructuras de panal u onduladas, o rendijas en los catalizadores de tipo placa [v.g. Patente US No. 6.571.420 B1]. Un diseño de catalizador de esta clase es útil para tratamiento de gases de chimenea con grandes caudales y para procesos que no toleran una gran caída de presión a lo largo del lecho catalítico.

Cuando la ceniza volante se recoge en la superficie frontal del catalizador y en los canales, la caída de presión en el reactor aumentará. Por esta razón, la ceniza o polvo debe eliminarse a intervalos frecuentes, v.g., por el uso de soplantes de hollín o polvo que agitan de modo turbulento el polvo depositado en el lado de ataque de los catalizadores por medio de vapor caliente o aire caliente [Patente US No. 5.215.953].

Las partículas de ceniza volante fluyen a través de los canales del catalizador y causan erosión, y por consiguiente, degradación del material catalítico [Patente US No. 6.616.905 y Patente US No. 5.391.530]. La tasa de erosión depende de la composición de la ceniza volante, de la distribución de tamaños y la velocidad del gas. Por ejemplo, un contenido elevado de SiO₂ cuarcífero en la ceniza volante da como resultado una tendencia elevada a la erosión [Sverdrup et al., Control of fan erosion in coal-fired power plants: Phase 1, Westinghouse research laboratories, 1981]. Además, las partículas mayores tienen generalmente una mayor tendencia a la erosión [E. Raask, Erosion wear in coal utilization, Hemisphere Publishing Corporation, 1988].

La disminución de la porosidad de un material aumenta su resistencia y por consiguiente también la resistencia frente a la erosión [W.D. Kingery, Introduction to Ceramics, Wiley-Interscience, 1976].

La reducción catalítica de NO_x, v.g. en catalizadores basados en V₂O₅ está limitada por la difusión. Por esta razón, una reducción en la porosidad de un material soporte de catalizador del material catalítico reducirá la eficiencia de reducción de NO_x de un cuerpo catalítico. La Patente US No. 5.391.530 describe que la inmersión del borde de ataque de los panales SCR constituidos por TiO₂/V₂O₅/WO₃ extrudidos en una solución de fosfato de aluminio seguida por un tratamiento térmico aumenta la resistencia frente a la erosión.

Alternativamente, pueden utilizarse cargas inorgánicas duras como parte del material soporte del catalizador a fin de aumentar la resistencia a la erosión. Por ejemplo, la Patente US No. 5.420.085 describe la adición de partículas duras de SiC a artículos compuestos cerámicos de nitruro de Al a fin de mejorar su resistencia a la erosión. Tales aditivos o cargas pueden denominarse "promotores estructurales" para el soporte del catalizador.

La Patente US No. 4.929.586 describe un catalizador para SCR de NO_x que contiene sílice sintética en forma de gel o precipitada sobre la cual se precipita TiO₂. No se indican propiedades concernientes a la resistencia a la erosión.

La Patente US NO. 5.198.403 describe un soporte de catalizador SCR extruido que contiene anatasa TiO₂ y fibras de vidrio (10% del peso de TiO₂, 1-8 mm de longitud) y arcilla exenta de álcalis (4% del peso de TiO₂). No se mencionaban propiedades de resistencia o erosión, pero es bien sabido que las fibras pueden mejorar la resistencia y tenacidad de una estructura cerámica porosa.

La tierra de diatomeas encuentra uso como carga (extendedor) para pinturas y como material poroso en catalizadores....

1. Un material soporte de catalizador constituido por:

- TiO₂ en la forma de anatasa en una cantidad de al menos 20% en peso
- tierra de diatomeas en una cantidad de al menos 2% y menor que 80% en peso.

2. Un material soporte de catalizador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por estar conformado en una estructura monolítica que tiene una pluralidad de canales rectos.

3. Un catalizador preparado a partir del material soporte de catalizador de acuerdo con la reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque comprende Pt o Pd o al menos un óxido o sulfato de metales base seleccionados del grupo de V, W, Mn, Nb, Mo, Ni, Fe y Cu.

4. Un proceso para tratamiento de un gas de chimenea caracterizado por poner en contacto el gas de chimenea con un catalizador de acuerdo con la reivindicación 3 en condiciones de conversión en un reactor catalítico.

5. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por poner en contacto el catalizador con una partícula sólida que contiene gas de chimenea.

6. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por poner en contacto el catalizador con un gas de chimenea que tiene un contenido de partículas sólidas mayor que 2 g/Nm³ de gas de chimenea.

7. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por poner en contacto el gas de chimenea en condiciones de conversión consistentes en una temperatura comprendida en el intervalo de 200ºC a 500ºC y una velocidad superficial del gas en el reactor catalítico comprendida en el intervalo de 0,5 a 5 Nm/s.

8. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4-7, caracterizado porque es una reducción catalítica selectiva de óxido de nitrógeno y/o dioxina.