DISPOSITIVO, REACTOR Y PROCEDIMIENTO PARA LA REDUCCIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN LA CORRIENTE DE GAS DE ESCAPE DE MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.

Reactor para la fabricación de amoniaco, para la reducción de óxido de nitrógeno en la corriente (14) de gases de escape de máquinas (1) de combustión interna,

a partir de una sustancia disociada del amoniaco, en especial a partir de urea (26) o a partir de una solución de urea diluida, con una cámara de reacción que presenta al menos una cámara (23) de termólisis, en la cual se puede introducir la sustancia disociada del amoniaco, caracterizado porque en el reactor (9) está integrado un quemador (10), que está conectado directamente antes de la cámara (23) de termólisis, estando el quemador (10) y la cámara (23) de termólisis mezclados entre si, y cuya energía calorífica, generada en el proceso de combustión, puede alimentarse a la cámara (23) de termólisis del reactor (9) a fin de disociar termolíticamente el amoniaco

Parte técnica:

La invención se refiere a un reactor, un procedimiento y un dispositivo para la reducción del óxido de nitrógeno en la corriente de gas de escape de máquinas de combustión interna, conforme al preámbulo de la reivindicación 1, de la reivindicación 18 y de la reivindicación 33.

Un aumento de la población a nivel mundial, una progresiva industrialización y un creciente aumento del tráfico, son los motivos para el aumento de las concentraciones de elementos contaminantes en el aire ambiental. Especialmente importantes en este contexto son las emisiones de óxido de nitrógeno, que en gran medida son atribuibles a la combustión de gasolina y gasoil en las máquinas de combustión interna. Dichas máquinas de combustión interna pueden estar estáticas, como por ejemplo en plantas modulares para generar energía y calor en forma combinada, pero también pueden ser móviles, como por ejemplo en automóviles, donde las emisiones de óxido de nitrógeno contribuyen entre otras cosas a aumentar las concentraciones de ozono en altitudes próximas al suelo.

Para contrarrestar estos desarrollos inquietantes, y a raíz del endurecimiento repetido de los valores límite de contaminación por parte de las autoridades legislativas, por parte de la industria se han emprendido esfuerzos para disminuir las concentraciones de óxido de nitrógeno que se originan durante el funcionamiento de las máquinas de combustión interna. Así, es muy prometedora la utilización del procedimiento SCR ya conocido, en el que se añade amoniaco a la corriente de gas de escape. Así, el amoniaco reduce el óxido de nitrógeno mediante la formación de nitrógeno, dióxido de carbono y agua.

Estado de la técnica:

Debido al peligro potencial que se le presupone al amoniaco, es ya conocido como fabricar el amoniaco, en cantidad suficiente para la ejecución del procedimiento SCR, mediante termólisis o hidrólisis a partir de urea inocua. Un procedimiento y un dispositivo adecuados para ello se conocen del documento EP 1 338 562 A1, que constituye el punto de partida de la invención, y en el que se explican más detalladamente los principios fundamentales de la ejecución de la termólisis y la electrólisis de la urea. A través de la referencia a este documento, debe considerarse su contenido como publicado en la publicación presente.

El documento EP 1 338 562 A1 publica un procedimiento para la producción de amoniaco, en el que la urea seca se somete a termólisis en un reactor térmico. Bajo el efecto del calor se disocia así la urea en amoniaco y ácido isociánico. La correspondiente mezcla de gases se sigue preparando químicamente a continuación mediante hidrólisis, disociándose el compuesto de ácido isociánico, en presencia de agua a modo de catalizador, en amoniaco y dióxido de carbono. El amoniaco conseguido gracias a la termólisis y la hidrólisis se introduce directamente en la corriente de gas de escape de un proceso de combustión, y sirve allí para la reducción del óxido de nitrógeno.

El dispositivo para la ejecución del procedimiento, descrito en el documento EP 1 338 562 A1, comprende entre otros un reactor térmico con una cámara de reacción, la cual está subdividida en una cámara de termólisis y una cámara de hidrólisis. En la cámara de termólisis está colocado un elemento de calefacción eléctrico, que genera la energía calorífica necesaria para la termólisis, a través de la conversión de energía eléctrica. Con la ayuda de un dispositivo dosificador, se alimenta la urea seca en la cámara de termólisis del reactor desde un dispositivo de almacenamiento, en la cantidad necesaria para la ejecución del procedimiento SCR, y se somete al procedimiento arriba descrito. Las primeras experiencias con la ejecución del procedimiento descrito con el dispositivo descrito han demostrado que este método es muy prometedor.

En el área de la generación de hidrógeno se conocen dispositivos y procedimientos de los documentos DE 197 27 589 A1, DE 102 37 744 A1 y EP 1 484 103 A1, para la generación de un gas rico en hidrógeno, que sirve para el abastecimiento de una pila de combustible. Los documentos DE 197 24 589 A1 y DE 102 37 744 A1 prevén para tal fin un reactor, en el que en una primera etapa se mezcla hidrógeno con agua. En una segunda etapa tiene lugar una reacción auto térmica, en la cual los materiales de salida se transforman fundamentalmente en monóxido de carbono y un gas rico en hidrógeno. En una etapa de depuración posterior, el monóxido de carbono puede transformarse en dióxido de carbono e hidrógeno adicional, mediante una reacción de intercambio con agua. La energía térmica a aplicar, sobre todo en la fase de inicio, puede generases mediante un quemador de arranque, que se alimente mediante la corriente de hidrocarburo.

El documento EP 1 484 103 A1 prevé un reactor correspondiente, que está integrado en una corriente de gas de escape parcial de un motor de combustión interna. Así, el gas rico en hidrógeno producido se puede usar para la regeneración de los catalizadores o de los filtros conectados a continuación, o también para alimentar un pila de combustible.

El documento JP 2000 186532 A publica un motor de combustión interna con un catalizador de NOX eficiente, contando el motor de combustión interna, para conseguir dicho aumento de la eficiencia, con una conexión a modo de bypass conectada a la tubería de aspiración del motor, que primero conduce a un quemador y después conduce a la entrada del catalizador de NOX a través de otra conexión, a modo de bypass, que rodea el bloque del motor. Mediante el calor de combustión producido por el quemador se calienta la corriente del bypass, la cual contribuye con ello al calentamiento y activación del catalizador, especialmente en la fase crítica de arranque en frío. En las corrientes de gas de combustión de la conexión a modo de bypass y de la conexión de gas de escape se aporta adicionalmente un agente reductor para la regeneración del catalizador de NOX.

El documento JP 2005 098247 A se refiere finalmente a un dispositivo auxiliar para un dispositivo de tratamiento posterior de emisiones gaseosas, especialmente para un catalizador de NOX. Un dispositivo auxiliar de este tipo comprende dos inyectores, mediante los cuales se introduce una solución de combustible y una solución de urea en una corriente de aire. Esa mezcla de aire/combustible/urea se pulveriza finamente en una tobera en forma de anillo. Esta dispersión llega a un tubo en forma de cilindro, que está abierto por un lado. En ese tubo en forma de cilindro se inflama el combustible dispersado mediante bujías de encendido para lograr una ganancia de calor adicional, bajo la generación de gases de combustión calientes.

Exposición de la invención:

Con este trasfondo, la invención se plantea el objetivo de continuar desarrollando el procedimiento conocido del documento EP 1 338 562 A1, y el dispositivo conocido para la ejecución del procedimiento.

Este objetivo de alcanza mediante un reactor con las características de la reivindicación 1, mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 16, y mediante un dispositivo con las características de las reivindicación 31.

De las reivindicaciones secundarias resultan perfeccionamientos ventajosos.

Al contrario que los sistemas conocidos, que prevén un calentamiento eléctrico del reactor, la energía calorífica necesaria para la ejecución de la termólisis se proporciona, conforme a la invención, mediante un proceso de combustión en un quemador. La energía eléctrica de los sistemas conocidos se produce generalmente por un generador de corriente accionado por un motor de combustión interna, siendo éste la dinamo en los automóviles. Ya que las máquinas de combustión interna sólo convierten un tercio de la energía contenida en el combustible en energía cinética, usando este método de generación de energía eléctrica se pierden dos tercios de la misma. En comparación con esto, con el método de alimentación de energía conforme a la invención, se convierte aproximadamente el 100% de la energía del combustible en energía calorífica, de tal modo que el sistema conforme a la invención necesita menos combustible para la generación de la misma cantidad de energía calorífica.

Otra ventaja de la invención reside en que los gases de escape del proceso de combustión contienen agua. Introduciendo los gases de escape a través de la cámara de hidrólisis del reactor térmico, ese agua puede... [Seguir leyendo]

1. Reactor para la fabricación de amoniaco, para la reducción de óxido de nitrógeno en la corriente (14) de gases de escape de máquinas (1) de combustión interna, a partir de una sustancia disociada del amoniaco, en especial a partir de urea (26) o a partir de una solución de urea diluida, con una cámara de reacción que presenta al menos una cámara (23) de termólisis, en la cual se puede introducir la sustancia disociada del amoniaco, caracterizado porque en el reactor (9) está integrado un quemador (10), que está conectado directamente antes de la cámara (23) de termólisis, estando el quemador (10) y la cámara (23) de termólisis mezclados entre si, y cuya energía calorífica, generada en el proceso de combustión, puede alimentarse a la cámara (23) de termólisis del reactor (9) a fin de disociar termolíticamente el amoniaco.

2. Reactor según la reivindicación 1, caracterizado porque el quemador (10) es un quemador catalítico.

3. Reactor según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el quemador (10) presenta un dispositivo de inyección para la alimentación del combustible (20).

4. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el quemador (10) presenta una tobera

(19) de inyección regulable para la regulación del caudal de combustible (20).

5. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el quemador (10) presenta una tobera

(19) de inyección para la regulación del caudal de combustible (20), que es alimentada de combustible (20) de manera discontinua.

6. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el quemador (10) contiene una estructura porosa para la distribución y evaporación del combustible (20) a través de una humidificación.

7. Quemador según la reivindicación 6, caracterizado porque la estructura porosa está recubierta catalíticamente.

8. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque para el abastecimiento del quemador

(10) con oxígeno, el quemador (10) presenta un compresor que está conectado al aire ambiental o a la corriente

(14) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

9. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque en la cámara (23) de termólisis está colocado un elemento (25) de masa para la absorción, almacenamiento y suministro de energía calorífica a la sustancia.

10. Reactor según la reivindicación 9, caracterizado porque el elemento (25) térmico de masa presenta una estructura con forma de parrilla o espiral, que puede ser atravesada por el flujo en la dirección longitudinal del reactor (9).

11. Reactor según la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque el elemento (25) térmico de masa está compuesto por metal o cerámica.

12. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque en la cámara (23) de termólisis está colocado un catalizador, y porque el elemento térmico de masa (25) está preferentemente recubierto catalíticamente.

13. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el reactor (9) presenta una cámara (24) de hidrólisis, conectada detrás de la cámara (23) de termólisis, en la que se hidroliza el ácido isociánico hasta amoniaco.

14. Reactor según la reivindicación 13, caracterizado porque la cámara (23) de termólisis y la cámara (24) de hidrólisis se mezclan abiertamente entre sí.

15. Reactor según la reivindicación 13 o 14, caracterizado porque la corriente de gas de escape del quemador (10) desemboca directamente en la cámara (24) de hidrólisis.

16. Procedimiento para la reducción del óxido de nitrógeno en la corriente (14) de gas de escape de máquinas (1) de combustión interna, en especial de motores diesel, en el que se introduce amoniaco en la corriente (14) de gas de escape, y éste disocia catalíticamente el óxido de nitrógeno, como agente reductor selectivo, formando nitrógeno y agua, generándose en amoniaco a través de la termólisis de una sustancia disociada de amoniaco, especialmente urea seca o una solución de urea diluida, en el interior de un reactor (9), caracterizado porque la energía calorífica necesaria para la disociación termolítica del amoniaco se consigue mediante un proceso de combustión en un quemador (10), integrado en el reactor (9), y directamente a continuación se suministra a un cámara (23) de hidrólisis conectada tras en quemador (10).

17. Procedimiento según la reivindicación 16, caracterizado porque el proceso de combustión se realiza de forma catalítica.

18. Procedimiento según la reivindicación 16 o 18, caracterizado porque la energía calorífica se transporta hasta el

lugar de la termólisis en su mayor parte a través de conducción de calor y/o convección, especialmente mediante los gases de escape del proceso de combustión.

19. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque la energía calorífica se almacena en parte en el lugar de la termólisis.

20. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizado porque a través de la regulación de la temperatura del proceso de combustión se manipula la temperatura de la corriente (14) de gas de escape.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, caracterizado porque para el control de la temperatura del proceso de combustión se alimenta continuamente una cantidad variable de combustible (20).

22. Procedimiento según la reivindicación 20, caracterizado porque para el control de la temperatura del proceso de combustión se alimenta de manera discontinua una cantidad constante de combustible (20).

23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 22, caracterizado porque a través de la humidificación de una estructura porosa se consigue una distribución del combustible para el proceso de combustión.

24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 23, caracterizado porque para el proceso de combustión se alimenta oxígeno a presión proveniente de la corriente (14) del gas de escape, o bien del aire ambiental.

25. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 24, caracterizado porque la termólisis de apoya catalíticamente.

26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 25, caracterizado porque a la termólisis le sigue a continuación una hidrólisis para el procesamiento de productos de reacción provenientes de la termólisis.

27. Procedimiento según la reivindicación 26, caracterizado porque los gases de escape del proceso de combustión se alimentan a la hidrólisis.

28. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 27, caracterizado porque la termólisis, preferentemente con una hidrólisis posterior, tiene lugar en proximidad directa con la corriente (14) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

29. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 27, caracterizado porque el proceso de combustión y la termólisis, preferentemente con una hidrólisis posterior, tiene lugar en la corriente (14) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

30. Procedimiento según una de las reivindicaciones 16 a 29, caracterizado porque es oxidada la fuga de amoniaco tras la reducción del óxido de nitrógeno.

31. Dispositivo para la ejecución de un procedimiento según las reivindicaciones 16 a 30 con

- un catalizador (7) SCR, intercalado en la corriente (14) de gas de escape, y en el que los óxido de nitrógeno se reducen de manera catalítica mediante amoniaco, formando nitrógeno y agua,

- una unidad para la producción de amoniaco a partir de una sustancia disociada del amoniaco, en especial a partir de urea (26) o de una solución de urea diluida, comprendiendo un depósito de reserva para la sustancia disociada del amoniaco, un reactor (9) según una de las reivindicaciones 1 a 15, y un dispositivo de transporte para la alimentación del reactor (9) con la sustancia del depósito de reserva,

- una alimentación del amoniaco producido en el reactor (9) en la corriente (14) de gas de escape, corriente arriba del catalizador (7) SCR.

32. Dispositivo según la reivindicación 31, caracterizado porque la alimentación (11) de combustible para el quemador

(10) está conectada al tanque de combustible de la máquina (1) de combustión interna.

33. Dispositivo según la reivindicación 31 o 32, caracterizado porque para abastecer el quemador (10) con oxígeno (21), el quemador (10) está conectado a un turbosobrealimentador (5) o a una zona de presión dinámica anterior a un catalizador (6), en la corriente (14) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

34. Dispositivo según una de las reivindicaciones 31 a 33, caracterizado porque el reactor (9) está colocado corriente arriba del catalizador (7) SCR directamente junto al conducto (4) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna, y porque la cámara (23) de termólisis, o bien la cámara (24) de hidrólisis, desembocan directamente en la corriente (14) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

35. Dispositivo según una de las reivindicaciones 31 a 33, caracterizado porque el reactor (9) y el quemador (10) están colocados en la corriente (14) de gas de escape corriente arriba del catalizador (7) SCR, en el interior de la conexión (4) de gas de escape de la máquina (1) de combustión interna.

36. Dispositivo según una de las reivindicaciones 31 a 35, caracterizado porque corriente abajo del catalizador (7) SCR está colocado un filtro (8) de partículas.

37. Dispositivo según la reivindicación 36, caracterizado porque el filtro (8) de partículas está recubierto catalíticamente para el refuerzo de su regeneración.

38. Dispositivo según la reivindicación 36 o 37, caracterizado porque el filtro (8) de partículas está recubierto catalíticamente para la oxidación de las fugas de amoniaco a través del catalizador (7) SCR.