METODO DE SUPRESION DE COV EN GASES DE ESCAPE MEDIANTE EFECTO CORONA DE PULSOS VIA HUMEDA.

Un método de supresión de compuestos orgánicos volátiles (COV) en una corriente de gas de escape,

que comprende hacer pasar una corriente de gas de escape a través de una cámara de efecto corona pulsado en presencia de un rocío de gotas de agua o una película fluyente de agua para formar uno o más productos de oxidación que se disuelven en las gotas de rocío de agua o en la película fluyente para proporcionar así una corriente de agua de efluentes y una corriente de gases de efluentes, en el que:

(a) dichos efectos corona pulsados se producen a un ritmo de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 2 kHz,

(b) el cociente entre el caudal o rocío de agua y el flujo de gas de escape es de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2 mililitros/minuto para un flujo de gas de escape de un litro por minuto en condiciones estándar, y

(c) se emplea un gasto no superior a 50 eV (8,01·10 -8 J) por molécula de COV, proporcionando dicho método una eficiencia de destrucción y eliminación de aproximadamente el 90 por ciento o más, suprimiendo así dichos COV

Método de supresión de COV en gases de escape mediante efecto corona de pulsos vía húmeda.

Referencia cruzada a solicitud relacionada

Esta solicitud reivindica prioridad de la solicitud provisional estadounidense con nº de serie 60/367.231 que se depositó el 25 de marzo de 2002.

Apoyo gubernamental

La invención se hizo en el marco de un proyecto patrocinado por el DOE, con nº de identificación del proyecto DE-FC07-00ID13868. El gobierno tiene determinados derechos sobre la invención de conformidad con dicho apoyo.

Descripción

Los plasmas de baja temperatura, fuera del equilibrio (también denominados plasmas "no térmicos") son una tecnología emergente para suprimir emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) que actúan como disolventes. Estos plasmas se pueden producir mediante una diversidad de descargas eléctricas o haces de electrones.

La característica básica de las tecnologías de plasma es que producen plasma en el que la mayoría de la energía eléctrica (más del 99%) se invierte en la producción de electrones energéticos, en vez de calentar toda la corriente de gas. Estos electrones energéticos producen especies excitadas, radicales libres e iones, así como electrones adicionales, mediante la disociación por impacto de electrones, excitación e ionización de las moléculas de fondo. Estas especies excitadas, a su vez, oxidan, reducen o descomponen las moléculas contaminantes.

Este mecanismo de eliminación de los COV contrasta con el mecanismo implicado en procesos térmicos (tales como hogares o sopletes de plasma, oxidación térmica regenerativa (OTR) y diversas técnicas químicas) que necesitan calentar toda la corriente de gas para destruir los contaminantes. Además, la tecnología de plasmas de baja temperatura es muy selectiva y tiene relativamente pocos requisitos de mantenimiento. Sus resultados altamente selectivos con costes de energía relativamente bajos para el control de emisiones así como el poco mantenimiento necesario mantienen bajos los gastos de funcionamiento anuales. Además, estas descargas de plasma son muy uniformes y homogéneas (excepto los arcos deslizantes), lo que tiene como resultado una elevada productividad del proceso.

Como se mencionó anteriormente, la OTR es más eficaz a elevadas concentraciones de COV. El plasma se usa generalmente para bajas concentraciones de COV y en los casos en los que la combustión no es eficaz, tal como para la eliminación de óxidos de nitrógeno (NO_X) o compuestos que contienen azufre. La depuración de gases de escape con agua puede ser necesaria en ambas técnicas, pero algunos reactores de plasma se pueden diseñar como una única unidad con un depurador para reducir el coste del equipamiento.

El arco deslizante es una descarga de gas a alta presión con una alta temperatura y densidad de los electrones y se ha propuesto para el procesamiento químico de gases [Lesueur y col., J. de Physique 51: C557-C564, 1990]. El arco comienza en un espacio estrecho entre dos o más electrodos divergentes en un flujo de gas cuando el campo eléctrico de este espacio alcanza aproximadamente 3 kV/mm en aire [Raizer, Gas Discharge Physics, Berlín, Springer-Verlag, 1997]. A continuación, la corriente del arco aumenta muy rápidamente y el voltaje del arco disminuye. Si el flujo de gas es suficientemente fuerte, fuerza al arco a moverse a lo largo de los electrodos divergentes y a alargarse.

El arco creciente necesita más energía para mantenerse. En el momento en que su resistencia se hace igual a la resistencia externa total, la descarga consume la mitad de la energía suministrada por la fuente. Esta es la máxima energía que se puede transferir al arco desde la fuente de alimentación de voltaje constante. A continuación, la longitud continúa aumentando, pero la energía suministrada no es suficiente para equilibrar la energía perdida en la transferencia de calor al gas circundante. El arco se enfría y, finalmente, se extingue. El siguiente ciclo comienza inmediatamente después de que el voltaje alcance el valor de ruptura, generalmente justo después de que se desvanezca el arco anterior. (Si el voltaje es suficientemente alto y el espacio es muy estrecho, un nuevo arco comienza incluso antes de la extinción del anterior [Pellerin y col., J. Physics D-Applied Physics, 33(19): 2407-2419, 2000]. Un típico ritmo de repetición del arco está en el intervalo de 10 Hz a 100 Hz hbox{y varía con el caudal de gas: cuanto mayor es el caudal, mayor es la frecuencia.

A diferencia de los arcos térmicos de alta corriente habituales, en los que las temperaturas (T y T_e) tanto del gas como de los electrones pueden ser tan altas como 10000 K, se estima que los arcos deslizantes de baja corriente (de 0,1 a 1 A) funcionan en regímenes fuera del equilibrio (T < T_e) y tienen bajas temperaturas de gas. El voltaje del arco podría ser tan elevado como de varios kilovoltios. Las temperaturas vibracionales y traslacionales típicas del gas en un arco deslizante de baja temperatura se midieron y fueron, respectivamente, de aproximadamente 2000-3000 K y 800-2100 K [Czernihowski y col., Acta Physica Polonica A, 89: 595 -603, 1996]. Características similares también son intrínsecas de las descargas de microondas, mostrando que los arcos deslizantes de baja corriente podrían ser indudablemente útiles en la química del plasma.

Los principios físicos de la evolución del arco deslizante no se comprenden bien, especialmente el desarrollo de las condiciones fuera del equilibrio y la estabilidad con corrientes decrecientes. Los modelos antiguos [Mutaf-Yardimci y col., J. Applied Physics, 87: 1632-1641, 2000] no tienen en cuenta la variación de la conductividad y temperatura del plasma durante el progreso del arco deslizante. Este enfoque no explica algunos de los efectos fuera del equilibrio recientemente descubiertos de los arcos deslizantes de baja corriente.

Mario Sobacchi [Sobacchi, M.G., "Hydrocarbon Processing in Non-equilibrium Gas Discharges", Master of Science Thesis, Universidad de Illinois en Chicago, 2001] investigó la posibilidad de eliminar compuestos químicos específicos con una descarga de arco deslizante de baja corriente. Un valor típico de consumo de energía para esta descarga fue de 1 kW-h/m³, cuando el valor previsto era de 0,02 kW-h/m³. Se observó que la no uniformidad de la descarga plantea ciertas dificultades a la hora de tratar el gas eficientemente. Los experimentos se realizaron usando tres valores diferentes de resistencia externa; es decir, 25, 50 y 100 kW. El voltaje de salida de la fuente de alimentación era de 10 kV, cuando el caudal de aire varía de 20 a 80 SLM (l/min en condiciones estándar).

Se usó metanol (de 100 a 1000 ppm) como sustancia para demostrar la viabilidad de la tecnología de arco deslizante. En algunos ciclos, se roció agua en la dirección del flujo. Se descubrió que con 20 SLM (l/min en condiciones estándar) de aire y, independientemente de la concentración del COV, se eliminaba todo el metanol de la corriente con un consumo de energía de 0,2 kW-h/m³. No se detectaron subproductos orgánicos mediante cromatografía de gases en la corriente de escape. Los resultados se interpretaron como prometedores, mostrando la posibilidad de una reducción adicional del consumo de energía. Desafortunadamente, se detectó NO_x en el escape en una concentración de 3000 ppm, superando mucho todos los límites razonables. Sin embargo, se podría esperar que para más arcos fuera del equilibrio con menores corrientes o mayores caudales de aire, la temperatura del canal del arco fuese inferior y se lograsen niveles razonables de NO_x.

El efecto corona es un descarga eléctrica de gas auto-mantenida que se produce solo cuando el campo eléctrico es no acusadamente uniforme. El campo cerca de uno o ambos electrodos debe ser más intenso que en el resto del espacio. Esta situación surge generalmente cuando el tamaño r característico del electrodo al que se aplica el alto voltaje es mucho menos que la distancia entre los electrodos d. Si se considera una configuración tipo cable dentro de un cilindro, el campo eléctrico en el espacio entre los cilindros coaxiales de radios r (cilindro interno) y R es función de la coordenada radial x como:

en la que V es el voltaje entre los cilindros.

Siempre hay algo de ionización de la atmósfera debido a las partículas de alta energía que proceden...

1. Un método de supresión de compuestos orgánicos volátiles (COV) en una corriente de gas de escape, que comprende hacer pasar una corriente de gas de escape a través de una cámara de efecto corona pulsado en presencia de un rocío de gotas de agua o una película fluyente de agua para formar uno o más productos de oxidación que se disuelven en las gotas de rocío de agua o en la película fluyente para proporcionar así una corriente de agua de efluentes y una corriente de gases de efluentes, en el que:

(a)        dichos efectos corona pulsados se producen a un ritmo de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 2 kHz,

(b)        el cociente entre el caudal o rocío de agua y el flujo de gas de escape es de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 2 mililitros/minuto para un flujo de gas de escape de un litro por minuto en condiciones estándar, y

(c)        se emplea un gasto no superior a 50 eV (8,01•10^-18 J) por molécula de COV, proporcionando dicho método una eficiencia de destrucción y eliminación de aproximadamente el 90 por ciento o más, suprimiendo así dichos COV.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos efectos corona pulsados se producen a un ritmo de aproximadamente 0,01 a aproximadamente 1 kHz.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha corriente de gases de escape contienen de aproximadamente 60 a aproximadamente 6000 ppm de COV.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha corriente de gases de escape es la producida a partir de un proceso seleccionado del grupo constituido por fabricación de papel, limpieza o recubrimiento de metales, fabricación de pinturas, fabricación de plásticos, refinado de petróleo y fabricación de tintes.

5. El método de la reivindicación 1, usado para suprimir los COV de la corriente de gases de escape de un proceso seleccionado del grupo constituido por fabricación de papel, limpieza o recubrimiento de metales, fabricación de pinturas, fabricación de plásticos, refinado de petróleo y fabricación de tintes y en el que la corriente de gases de escape contiene de aproximadamente de 60 a 6000 ppm de COV.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho método se lleva a cabo a una temperatura de la corriente de escape de aproximadamente 40ºC a aproximadamente 65ºC.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha corriente de escape contiene de aproximadamente 200 a aproximadamente 4200 ppm de COV.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha corriente de escape es producida a partir de un proceso de fabricación de papel.

9. El método de la reivindicación 1, usado para suprimir los COV de una corriente de gases de escape a una temperatura de aproximadamente 40ºC a aproximadamente 65ºC producida a partir de un proceso de fabricación de papel que contiene de aproximadamente 200 a aproximadamente 4200 ppm de COV, proporcionando dicho método una eficiencia de destrucción y eliminación de aproximadamente el 90 por ciento o más, suprimiendo así los COV.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicha corriente de escape contiene de aproximadamente 300 a aproximadamente 3000 ppm de COV.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicha eficiencia de eliminación es de aproximadamente el 99 por ciento o más.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en dicho proceso de fabricación de papel es la producción de pasta de descarga y cartón de fibra orientada.

13. El método de acuerdo con la reivindicación 9, que incluye la etapa adicional de mezclar la corriente de agua de efluentes que contiene los COV oxidados con otra corriente de agua residual.

14. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el agua de dicho rocío de agua se proporciona a partir del agua residual de dicho proceso de fabricación de papel.