ES2208792T3 - Empleo de una mezcladora estatica como catalizador de hidrolisis, asi como su empleo en un conducto de gases de escape para una instalacion de combustion. - Google Patents

Abstract

DE ACUERDO CON LA INVENCION SE DESCRIBE UNA MEZCLADORA ESTATICA (1) CON CARGA CATALITICA ACTIVA (26) PARA LA HIDROLISIS DE UREA (40) EN AMONIACO. MEDIANTE UNA MEZCLADORA ESTATICA DE ESTA CLASE (1) SE PUEDE SUSTITUIR UN CATALIZADOR DE HIDROLISIS. POR LO TANTO EL VOLUMEN DE CONSTRUCCION DEL CONJUNTO DE UN SISTEMA PARA LA ELIMINACION CATALITICA DE OXIDOS NITROSOS MEDIANTE UREA (4) POR EL PROCEDIMIENTO DE LA REDUCCION CATALITICA SELECTIVA SE REDUCE EN EL ESPACIO NECESARIO QUE OCUPARIA UN CATALIZADOR DE HIDROLISIS.

Description

Empleo de una mezcladora estática como catalizador de hidrólisis, así como su empleo en un conducto de gases de escape para una instalación de combustión.

La invención se refiere a una mezcladora estática, así como a un conducto de gases de escape, para una instalación de combustión en la que está dispuesta la mezcladora estática. En este caso, la mezcladora estática está dotada de una pluralidad de elementos mezcladores para generar una turbulencia en el fluido que pasa a través de la mezcladora, así como de un recubrimiento catalíticamente activo.

Por regla general, una mezcladora estática se instala en un canal de flujo por el que fluye un fluido y sirve para mezclar con el fluido las sustancias incorporadas previamente en éste y distribuirlas de la forma más homogénea posible. Con ello, por medio de una mezcladora estática pueden mezclarse entre sí, por ejemplo, los gases introducidos en el fluido. Asimismo, pueden distribuirse en el fluido de forma homogénea sustancias líquidas o en forma de polvo.

Una forma de aplicación preferida para una mezcladora estática es la mezcla de un gas de escape de una instalación de combustión, el cual contiene óxido de nitrógeno, con un medio reductor como, por ejemplo, amoniaco, que a continuación se conduce a un catalizador DeNO_{x} conocido. Allí, los óxidos de nitrógeno y el medio reductor se transforman catalíticamente, según el procedimiento de la reducción catalítica selectiva, en agua y nitrógeno molecular.

A partir del documento DE 43 13 393 A1 se conoce una mezcladora estática que presenta una pluralidad de elementos mezcladores que sobresalen del plano de la mezcladora en la dirección del flujo del fluido. En este caso, la mezcladora está recubierta además con una capa funcional que aprovecha ya las tareas de un componente subsiguiente de la instalación. Especialmente, la capa funcional está configurada como un recubrimiento catalíticamente activo que contiene dióxido de titanio con uno o varios de los aditivos trióxido de wolframio, trióxido de molibdeno y pentóxido de vanadio. De esta manera, la mezcladora estática asume ya parcialmente la tarea de un catalizador DeNO_{x} conectado posteriormente, es decir, la descomposición de los óxidos de nitrógeno contenidos en el fluido.

Especialmente durante la descomposición de los óxidos de nitrógeno contenidos en el gas de escape por medio del procedimiento de la reducción catalítica selectiva se conoce utilizar, en lugar de amoniaco, un medio reductor tal como urea, agua de amoniaco u otros compuestos precursores orgánicos, los cuales liberan amoniaco tras introducirlos en el gas de escape. Un medio reductor de este tipo ofrece la ventaja, respecto al amoniaco, de una capacidad de manipulación más sencilla. Se ha impuesto el empleo de urea para ello, especialmente durante la desnitrificación de gases de escape en instalaciones de combustión no estacionarias, tales como, por ejemplo, un motor diesel que se emplea para la tracción de un automóvil o de un camión.

Para acelerar la descomposición del medio reductor se conoce además pulverizarlo en un denominado catalizador de hidrólisis, que está conectado previamente a un catalizador DeNO_{x}, y transforma el medio reductor en amoniaco por hidrólisis.

Por tanto, un sistema global eficaz para la desnitrificación de un fluido o de un gas de escape por medio del medio reductor introducido, según el procedimiento de la reducción catalítica selectiva, comprende un dispositivo de aporte para el medio reductor, un catalizador de hidrólisis conectado posteriormente en la dirección de flujo del gas de escape o del fluido, una mezcladora estática conectada a éste posteriormente para la mezcla del amoniaco generado con el fluido o con el gas de escape, y un catalizador DeNO_{x} que sigue a la mezcladora. Debido a los múltiples componentes individuales, un sistema de este tipo requiere un volumen estructural relativamente grande, lo que conduce a problemas, especialmente en espacios constructivos pequeños predeterminados, como, por ejemplo, en un conducto de gases de escape de un automóvil o de un camión. Sin embargo, de forma poco conveniente, un sistema de este tipo requiere también mucho espacio constructivo en un conducto de gases de escape de una instalación de combustión a escala industrial, tal como una central de energía a partir de fósiles o una instalación de combustión de residuos.

En el documento EP 0 555 746 A1 se da a conocer un dispositivo para la reducción catalítica del NO_{x}. En este caso está previsto especialmente un vaporizador que está diseñado, por una parte, para la vaporización de urea como medio reductor y, por otra parte, para la mezcla y la distribución de la solución de urea con gas de escape cargado de sustancias nocivas. La última tarea mencionada se soluciona en el documento mencionado porque el vaporizador está equipado con canales no rectilíneos que se extienden longitudinalmente, los cuales se unen entre sí de forma reológica.

A pesar de la reducción de la longitud estructural del dispositivo para la reducción NO_{x} conseguida, realizada por la combinación de la hidrólisis con la función de mezcla, un dispositivo de este tipo siempre se extiende de forma relativamente larga en la dirección del flujo del gas de escape ya que la función de mezcla por medio de los canales anteriormente citados requiere una determinada longitud mínima para conseguir una mezcla suficiente del gas de escape con el producto de la hidrólisis antes de que la mezcla se alimente a un catalizador DeNO_{x}. Por tanto, es tarea de la invención reducir, frente al estado de la técnica, sin pérdidas efectivas, el espacio constructivo de un sistema global para la desnitrificación de un fluido o de un gas de escape mediante un medio reductor según el procedimiento de la reducción catalítica selectiva.

Esta tarea se soluciona mediante el empleo de una mezcladora estática según la reivindicación 1. A partir de las reivindicaciones dependientes correspondientes pueden desprenderse configuraciones ventajosas.

Las consideraciones actuales para la reducción del espacio constructivo aspiran a combinar la mezcladora estática y el catalizador DeNO_{x} en un elemento constructivo, el cual mezcla el medio reductor con el fluido y, con ello, al mismo tiempo, descompone catalíticamente los óxidos de nitrógeno contenidos.

Entonces, la invención parte de la consideración de que no puede conseguirse ninguna solución satisfactoria mediante la combinación de la mezcladora estática con el catalizador DeNO_{x} puesto que una mezcladora estática presenta una superficie demasiado reducida para una descomposición catalítica de los óxidos de nitrógeno, y un catalizador DeNO_{x}, por otra parte, no es apropiado para una buena mezcla debido a las particularidades estructurales necesarias para una descomposición catalítica, tales como una cierta cantidad de canales de flujo independientes.

Sin embargo, una mezcladora estática puede asumir la tarea de un catalizador de hidrólisis puesto que un catalizador de hidrólisis de este tipo sólo apoya la descomposición del medio reductor en amoniaco. Una parte del medio reductor se desintegra por sí misma debido a las temperaturas relativamente altas en el gas de escape.

Por tanto, si se dota una mezcladora estática con un recubrimiento catalíticamente activo para la hidrólisis del medio reductor, entonces ésta también puede sustituir completamente a un catalizador de hidrólisis previamente conectado debido a su superficie relativamente pequeña, en comparación con la de un catalizador.

Es especialmente ventajoso para la actividad catalítica en relación con la hidrólisis de la urea que el recubrimiento catalíticamente activo contenga, junto al dióxido de titanio, uno o varios de los aditivos trióxido de wolframio, trióxido de molibdeno, y pentóxido de vanadio. El dióxido de titanio es ventajosamente un dióxido de titanio con una superficie específica de 5 a 100 m^{2}/g y un volumen de poro de 20 a 800 ml/g. Gracias a la relativamente alta superficie específica con el volumen de poro indicado, se consigue una transformación eficaz del medio reductor en amoniaco.

En el perfeccionamiento ventajoso de la invención, el recubrimiento catalíticamente activo comprende 65 a 95% en peso del dióxido de titanio así como, como aditivos, en cada caso, como máximo 10% en peso de trióxido de wolframio, trióxido de molibdeno, sulfato y fosfato y, como máximo, 8% en peso de pentóxido de vanadio. A este respecto se consigue especialmente una alta actividad catalítica para la hidrólisis de la urea gracias a los aditivos sulfato y fosfato, que en el recubrimiento catalíticamente activo se presentan en forma de iones.

Especialmente para el empleo de la mezcladora estática en un conducto de gases de escape de una instalación de combustión no estacionaria en un motor diesel incorporado para la tracción, es ventajoso que la mezcladora estática esté dotada de un dispositivo de calentamiento. De esta manera, especialmente en la etapa inicial o en un cambio de carga en el que proporcionalmente se presentan temperaturas más bajas, puede calentarse el gas de escape al pasar a través de la mezcladora estática. Con ello se mejora considerablemente la reducida actividad catalítica a bajas temperaturas de un catalizador DeNO_{x} conectado posteriormente. Al mismo tiempo, por medio del calentamiento de la mezcladora estática también se aumenta su reactividad para la hidrólisis del medio reductor. De esta manera se consigue una alta eficacia para la reducción del óxido de nitrógeno también a frías temperaturas del gas de escape.

En este caso es ventajoso que el dispositivo de calentamiento sea un dispositivo eléctrico de calentamiento. Con ello puede adaptarse fácilmente la potencia de calentamiento aplicada de la temperatura imperante en cada caso del fluido mediante un cambio de corriente o de tensión. En este caso, el dispositivo eléctrico de calentamiento puede estar realizado de forma indirecta junto a o al lado de la mezcladora estática, por ejemplo, en forma de un serpentín de calentamiento o en forma de una bobina de calentamiento que transforma la tensión de la conducción de fluido que la rodea, o también directamente intercalando la mezcladora estática como resistencia de calentamiento en un circuito eléctrico de corriente.

Especialmente para la realización directa del dispositivo eléctrico de calentamiento es ventajoso que el recubrimiento catalíticamente activo de la mezcladora estática esté aplicado sobre un soporte de metal y que el dispositivo eléctrico de calentamiento incluya el soporte como resistencia de calentamiento. Esto posibilita una forma estructural sencilla del dispositivo eléctrico de calentamiento puesto que sólo el soporte metálico, mediante la conexión a hilos conectores correspondientes debe intercalarse en el circuito de corriente de una fuente de corriente o de tensión.

En otra configuración ventajosa para un dispositivo eléctrico directo de calentamiento, el propio recubrimiento catalíticamente activo es conductor eléctrico, con lo que el dispositivo eléctrico de calentamiento incluye ahora el recubrimiento catalíticamente activo como resistencia de calentamiento. El recubrimiento verdaderamente de óxido o de cerámica puede hacerse conductor eléctrico de forma relativamente sencilla especialmente por la introducción de hilos metálicos.

Además, la tarea conduce a un empleo de una mezcladora estática en un conducto de gases de escape para una instalación de combustión, especialmente para un motor diesel según la reivindicación 9.

Gracias al recubrimiento catalíticamente activo de la mezcladora estática puede renunciarse a un catalizador de hidrólisis conectado previamente para la descomposición del medio reductor, de manera que se reduce el volumen estructural del sistema.

Mediante el dibujo se explica detalladamente un ejemplo de realización de la invención. Con ello se muestra:

la figura 1, una vista en perspectiva sobre el plano de mezcla de una mezcladora estática,

la figura 2, una vista sobre el plano de mezcla según la figura 1, a lo largo de la línea II a II, y

la figura 3, un motor diesel con un conducto de gases de escape conectado a él, así como una mezcladora estática allí dispuesta. La figura 1 muestra el plano de mezcla de una mezcladora 1 estática que contiene elementos 18 de mezclado de forma trapezoidal dispuestos en las filas 2 a 16. Las filas 2 a 16 están incorporadas paralelas entre sí en un soporte 20 metálico, en forma de una rejilla. Los elementos 18 de mezclado sobresalen en este caso del plano del soporte 20. Los elementos 18 de mezclado están dispuestos paralelos entre sí en el interior de cada una de las filas 2 a 16.

La figura 1 muestra el plano de mezcla de una mezcladora 1 estática que contiene elementos 18 de mezclado de forma trapezoidal dispuestos en las filas 2 a 16. Las filas 2 a 16 están incorporadas paralelas entre sí en un soporte 20 metálico, en forma de rejilla. En este caso los elementos 18 de mezclado sobresalen del plano del soporte 20. Los elementos 18 de mezclado están dispuestos paralelos entre sí en el interior de cada una de las filas 2 a 16, o están dispuestos desplazados a filas contiguas e inclinados aproximadamente 45º. Con ello, los elementos 18 de desviación de filas contiguas están inclinados en sentido contrario. Tanto el soporte 20, como también los elementos 18 de mezclado están recubiertos con un material 26 catalíticamente activo, que por motivos de claridad sólo se muestra en la figura 2. El recubrimiento 26 contiene 87% en peso de dióxido de titanio del tipo anatasa con una superficie específica de 60 m^{2}/g y un volumen de poro de 320 ml/g. Como aditivos están incluidos, además, 8% en peso de trióxido de wolframio, 2% en peso de sulfato y 0,1% en peso de pentóxido de vanadio así como un resto de aglutinante.

La mezcladora 1 estática está dotada de un dispositivo 21 eléctrico de calentamiento. Para ello, la mezcladora 1 estática está conectada a una fuente 22 de tensión por medio de hilos 23 conectores. Con ello, los hilos conectores están en contacto, en cada caso, con el soporte 20 metálico por medio de la conexión 24. En este caso la fuente 22 de tensión está realizada como una fuente controlable de tensión alterna.

La mezcladora 1 estática se dispone en un conducto de gases de escape de tal manera que es atravesada por el flujo de acuerdo con la dirección 27 indicada del flujo.

Para clarificar la construcción de la mezcladora estática, la figura 2 muestra una sección transversal según la línea II a II mostrada en la figura 1. Tanto el soporte 20 metálico, como también los elementos 18 de mezclado, están dotados del recubrimiento catalíticamente activo. El recubrimiento 26 catalíticamente activo puede aplicarse, por ejemplo, introduciendo la mezcladora 1 estática en una suspensión elaborada de forma correspondiente. También puede pulverizarse el recubrimiento 26 catalíticamente activo.

En la figura 3 se muestra un motor diesel como instalación 28 de combustión. El motor 28 diesel comprende en este caso un tubo 29 acodado de pulverización al que está conectado el conducto 30 de gases de escape.

Por medio del tubo 29 acodado de pulverización, el gas 32 de escape del motor diesel llega en primer lugar a un tubo 34 de gases de escape del conducto 30 de gases de escape. Por medio de un dispositivo 36 de aporte se alimenta el medio 40 reductor (en el presente caso es urea), que libera amoniaco, almacenado previamente en un tanque 38 de reserva, al gas 32 de escape. En este caso, se alimenta, por medio de una válvula 42 de dosificación, una cantidad que puede determinarse previamente del medio 40 reductor, por un conducto 44 de alimentación a una tobera 46 pulverizadora, y se pulveriza finamente distribuido en el gas 32 de escape.

El gas 32 de escape dotado de urea fluye a continuación a través de una mezcladora 1 estática según la figura 1 y la figura 2, la cual está dotada de un recubrimiento catalíticamente activo para la hidrólisis de la urea. Mediante el recubrimiento catalíticamente activo con la composición ya descrita se descompone la urea 40 en amoniaco así como en los componentes restantes. Al mismo tiempo, el gas 32 de escape se mezcla de forma homogénea con el amoniaco liberado al pasar a través de la mezcladora 1 estática.

A continuación, el gas 32 de escape mezclado de forma homogénea con amoniaco pasa a través de un catalizador 48 DeNO_{x} en forma de nido de abeja de composición conocida, con lo que los óxidos de nitrógeno contenidos en el gas de escape se descompone en nitrógeno molecular y agua por medio de amoniaco, según el procedimiento de la reducción catalítica selectiva. El gas 32 de escape se libera después depurado al entorno a través de un orificio 50 de escape.

Claims (9)

1. Empleo de una mezcladora (1) estática esencialmente plana con una pluralidad de elementos (18) de mezclado que sobresalen, por el lado del flujo, en un canal de flujo en la dirección del flujo de un fluido, del plano de la mezcladora (1) para generar una turbulencia en el fluido que pasa a través de la mezcladora (1), la cual está dotada de un recubrimiento (26) catalíticamente activo que contiene dióxido de titanio como catalizador de hidrólisis, con lo que el recubrimiento para la hidrólisis de un medio reductor, especialmente urea, es catalíticamente activo.

2. Empleo según la reivindicación 1, en el que el recubrimiento (26) catalíticamente activo contiene, junto al dióxido de titanio, uno o varios de los aditivos trióxido de wolframio, trióxido de molibdeno y pentóxido de vanadio.

3. Empleo según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dióxido de titanio es un dióxido de titanio con una superficie específica de 5 a 100 m^{2}/g y un volumen de poro de 20 a 800 ml/g.

4. Empleo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el recubrimiento (26) catalíticamente activo contiene 65 a 95% en peso del dióxido de titanio y, como aditivos, en cada caso, como máximo, 10% en peso de trióxido de wolframio, trióxido de molibdeno, sulfato y fosfato y, como máximo, 8% en peso de pentóxido de vanadio.

5. Empleo según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la mezcladora (1) estática está dotada de un dispositivo de calentamiento.

6. Empleo según la reivindicación 5, en el que el dispositivo de calentamiento es un dispositivo (21) eléctrico de calentamiento.

7. Empleo según la reivindicación 6, en el que el recubrimiento (26) catalíticamente activo se aplica sobre un soporte (20) de metal y el dispositivo (21) eléctrico de calentamiento comprende el soporte (20) como resistencia de calentamiento.

8. Empleo según la reivindicación 6, en el que el recubrimiento (26) catalíticamente activo es conductor eléctrico, especialmente por hilos metálicos introducidos, y el dispositivo (21) eléctrico de calentamiento comprende el recubrimiento (26) catalíticamente activo como resistencia de calentamiento.

9. Empleo de una mezcladora (1) estática esencialmente plana con una pluralidad de elementos (18) de mezclado que sobresalen, por el lado del flujo, en un canal de flujo en la dirección del flujo de un fluido, del plano de la mezcladora (1) para generar una turbulencia en el fluido que pasa a través de la mezcladora (1), la cual está dotada de un recubrimiento (26) catalíticamente activo que contiene dióxido de titanio como catalizador de hidrólisis en un conducto (30) de gases de escape para una instalación (28) de combustión, especialmente un motor diesel, con un tubo (32) de gases de escape por el que fluye a través un gas (34) de escape, con un dispositivo (36) de aporte para la urea (40), con la mezcladora (1) estática conectada posteriormente en la dirección (27) del flujo del gas (34) de escape, y con un catalizador (46) DeNO_{x} conectado posteriormente a la mezcladora (1) en la dirección (27) del flujo del gas (34) de escape para la reducción de los óxidos de nitrógeno contenidos en el gas (34) de escape, con lo que el recubrimiento para la hidrólisis de un medio reductor, especialmente de urea, es catalíticamente activo.