BR112012014923B1

BR112012014923B1 - método para dosagem de um agente de redução baseado em ureia em um fluxo de exaustão de gás

Info

Publication number: BR112012014923B1
Application number: BR112012014923-7A
Authority: BR
Inventors: John Campbell; Harald Hagin; Fritz Papst
Original assignee: Fpt Motorenforschung Ag
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2021-01-19
Also published as: CN102652210A; US20120263632A1; EP2339139A1; ES2434865T3; BR112012014923A2; ES2434865T8; JP6082968B2; JP2013514487A; AU2010332964A1; CN102652210B; RU2557055C2; RU2012129924A; EP2339139B1; WO2011073240A1; AU2010332964B2; US8752365B2

Abstract

MÉTODO PARA DOSAGEM DE UM AGENTE DE REDUÇÃO BASEADO EM UREIA EM UM FLUXO DE EXAUSTÃO DE GÁS. A presente invenção proporciona um método para dosagem de um agente de redução baseado em ureia em um fluxo de exaustão de gás gerado de um motor de combustão e endereçado para um sistema de pós-tratamento , por exemplo, um sistema de SCR ou SCRT. De acordo com o método da invenção , o fluxo de exaustão de gás é transportado no referido alojamento de dosagem, que se desenvolve ao longo de um eixo geométrico longitudinal. Em particular, o gás é transportado através de geração de um jato de entrada anular inclinado com relação ao referido eixo geométrico. O agente de redução baseado em ureia é injetado através de geração , no interior do alojamento, de um pulverização de agente de redução baseado em ureia, que é , de preferência, co-axial como o referido eixo geométrico do alojamento.

Description

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção se refere a um método para a dosagem de um agente de redução baseado em ureia (por exemplo, uma solução de ureia em água) em um fluxo de exaustão de gás gerado de um motor de combustão e endereçado para um sistema de pós-tratamento (por exemplo, dispositivo de SCR ou SCRT). O método de acordo com a invenção permite aperfeiçoar a mistura do agente de redução no fluxo de exaustão de gás e, em consequência, aperfeiçoar a eficiência de catalisador do dispositivo de pós-tratamento.

Descrição da Técnica Anterior

[0002] Como é conhecido, um problema no campo dos motores de combustão interna, em particular com motores diesel, que turbocarregados ou não, é a formação de óxidos de nitrogênio durante a combustão. Os óxidos de nitrogênio são descarregados com os gases de exaustão do motor e representam um dos principais poluentes. A fim de reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio em até, aproximadamente, 90%, dispositivos de redução seletiva de catalisador (SCR) têm sido desenvolvidos. Dependendo dos limites de emissão de partículas, esses sistemas podem ser equipados com um coletor de partículas (Sistema de SCRT). O funcionamento do dispositivo de SCR e SCRT é baseado na reação, promovida por uma unidade catalítica apropriada, entre os óxidos de nitrogênio nos gases de exaustão e a amônia introduzida, especificamente, como um agente de redução. A amônia, usualmente, é introduzida na forma de um reagente, de preferência, líquido, capaz de liberar amônia sob condições de temperatura adequadas ou pela ação de catalisadores específicos. A fonte preferida, usualmente, é ureia em uma solução aquosa, por exemplo, entre 10 e 60% em peso, da qual a amônia é obtida por meio de hidrólise.

[0003] A ureia, em geral, é nebulizada em um módulo de dosagem, que está localizado a montante do sistema SCR - SCRT. A figura 1 e a figura 2 são exemplos de disposições convencionais para um módulo de dosagem. Em particular, a figura 1 mostra uma porção de uma linha de gás de exaustão compreendendo um catalisador de SCR, um módulo de dosagem e um dispositivo de mistura interposto entre o módulo de dosagem e o catalisador de SCR. O dispositivo de mistura tem a função de promover e aperfeiçoar a mistura. O fluxo de gás de exaustão, vindo do motor, é introduzido axialmente no módulo de dosagem e a solução de ureia é pulverizada no gás de exaustão por um injetor colocado na linha central (eixo geométrico) do alojamento do módulo de dosagem. Na solução conhecida mostrada na figura 2, a solução de ureia - água é, na verdade, introduzida no módulo de dosagem por um injetor inclinado com relação à direção do fluxo de gás de exaustão. Em outras palavras, na solução na figura 2, o agente de redução é injetado lateralmente de uma porção da parede do alojamento do módulo de dosagem.

[0004] Na figura 1 também reações referentes ao agente de redução baseado em ureia (por exemplo, solução de ureia - água) são indicadas. Após a atomização da referida solução através de pulverização, a evaporação de água começa de acordo com a reação:

[0005] Após a evaporação de água, a decomposição de ureia começa de acordo com as reações:

[0006] Foi verificado que os métodos de injeção propostos pelas soluções nas figuras 1 e 2 envolvem muitas desvantagens. Em particular, os referidos métodos não permitem uma decomposição completa de ureia (reações relativas à fase 3 na figura 1) e uma mistura uniforme de amônia (NH3[gás]) com o gás de exaustão (CO2[gás]). Uma mistura não uniforme reduz, desvantajosamente, a eficiência do sistema de SCR.

[0007] Na solução mostrada na figura 1, a decomposição incompleta de ureia é devido ao fato de que o tamanho das gotículas de pulverização é fixado através de característica de bocal e de que o fluxo de gás de exaustão é introduzido, axialmente, no interior do alojamento do módulo de dosagem. Em consequência, após a atomização (fase 1) nenhum rompimento de gotícula aerodinâmica ocorre. Em vez disso, na solução da figura 2, a instalação assimétrica do injetor gera uma distribuição irregular de pulverização de ureia - água no alojamento de módulo de dosagem, desse modo, reduzindo a taxa máxima possível de conversão de Nox.

[0008] Também tem que ser notado que a decomposição de solução de ureia - água pode causar a formação de outros produtos, em particular, ácido isociânico. Esse é um composto altamente reativo que tende a formar depósitos de líquido, tais como filmes de líquido ou depósitos sólidos nas várias partes do sistema de exaustão (por exemplo, tubos, defletores, Sistema SCR - SCRT). Isso é causado pelo contato da solução de agente de reação com superfícies frias, tais como, por exemplo, as paredes do alojamento de módulo de dosagem ou aquelas do tubo de exaustão de gás.

[0009] As disposições propostas nas figuras 1 e 2, bem como as outras conhecidas na técnica, mostram uma interação forte e inconveniente entre pulverização - parede. Em consequência, soluções conhecidas não permitem evitar a formação de depósitos de líquido na parede lateral do alojamento de módulo de dosagem.

Sumário da Invenção

[0010] Portanto, o principal objetivo da presente invenção é proporcionar um método para a dosagem de um agente de redução em um fluxo de gás de exaustão gerado de um motor de combustão e endereçado para um sistema de pós-tratamento que permite vender os problemas/desvantagens mencionados acima.

[0011] Dentro desse alvo, um primeiro objeto da presente invenção é proporcionar um método para dosagem de um agente de redução em um fluxo de gás de exaustão, que permite uma decomposição completa da ureia e uma mistura uniforme de amônia com gás de exaustão.

[0012] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar um método para a dosagem de um agente de redução em um fluxo de gás de exaustão que evita a interação a jusante da posição de injeção entre o agente de redução e as paredes frias do sistema de gás de exaustão (por exemplo, paredes de módulo de dosagem, paredes de gás de exaustão, paredes de sistema de pós-tratamento).

[0013] Não é o último objetivo da presente invenção proporcionar um método que é altamente confiável e relativamente fácil de realizar em custos competitivos.

[0014] Esses e outros objetivos são alcançados por um método como descrito nas reivindicações anexas que formam uma parte integral da presente descrição. Em particular, de acordo com o método da invenção, o referido gás de exaustão é transportado em um alojamento de módulo de dosagem que se desenvolve ao longo de um eixo geométrico longitudinal. Em particular, o gás de exaustão é transportado através da geração de um jato de entrada anular inclinado com relação ao eixo geométrico do alojamento de dosagem. Além disso, de acordo com o método da invenção, o agente de redução baseado em ureia é dosado através da geração de uma pulverização de agente de redução baseado em ureia que é, de preferência, co-axial ao referido eixo geométrico do alojamento.

Breve Descrição dos Desenhos

[0015] A invenção se tornará completamente clara a partir da descrição detalhada seguinte, dada à guisa de um mero exemplo ilustrativo e não limitativo, para ser lida com referência às figuras dos desenhos anexos, em que:

[0016] As figuras 1 e 2 mostram disposições convencionais de um alojamento de dosagem usado para dosar um agente de redução baseado em ureia e um módulo de dosagem atravessado por um fluxo de gás de exaustão;

[0017] As figuras 3 e 4 mostram, esquematicamente, uma primeira disposição para um módulo de dosagem que permite realizar o método de acordo com a invenção.

[0018] A figura 5 mostra, esquematicamente, uma segunda disposição para um módulo de dosagem que permite realizar o método de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

[0019] A presente invenção se refere a um método para dosagem de um agente de redução baseado em ureia em um fluxo de gás de exaustão gerado a partir de um motor de combustão, por exemplo, um motor diesel. Para as finalidades da presente invenção, pela expressão “agente de redução baseado em ureia” se quer dizer uma solução baseada em ureia, por exemplo, solução de ureia - água, capaz de desenvolver amônia, quando injetada em uma corrente de gás de exaustão endereçada para um dispositivo de pós-tratamento, tal como, por exemplo, um dispositivo SCR ou SCRT.

[0020] O método de acordo com a invenção compreende uma primeira etapa de fornecimento de um módulo de dosagem 20, tendo um alojamento de dosagem 20 que se desenvolve ao longo de um eixo geométrico x (também indicado com o eixo geométrico longitudinal x). Com relação a isso, a figura 3 mostra um sistema de gás de exaustão de um motor de combustão dotado de um cano de escape 4 e um módulo de dosagem 20, que está localizado a montante de um dispositivo de mistura 25. Este último, por sua vez, está localizado a montante de um dispositivo catalítico 30, tal como, por exemplo, um dispositivo de SCR ou SCRT. Conforme ilustrado, o alojamento de dosagem 20 pode ser uma parte do cano de escape 4 e pode ter, de preferência uma seção transversal circular. Para os fins da invenção, pela expressão “seção transversal” se quer dizer uma seção perpendicular ao eixo geométrico x do alojamento 20.

[0021] De acordo com o método da invenção, o fluxo de gás de exaustão vindo do motor é transportado no referido alojamento de dosagem 20 através da geração de um jato de entrada anular (indicado com AJ) inclinado com relação ao eixo geométrico x. Em outras palavras, o gás de exaustão é introduzido, anularmente, no alojamento de módulo de dosagem de acordo com uma direção de entrada Y inclinada em relação ao referido eixo geométrico x. Dessa maneira, o fluxo de gás de exaustão de entrada apresenta um componente radial perpendicular ao eixo geométrico longitudinal x e um componente axial que é paralelo ao próprio eixo geométrico longitudinal.

[0022] O método de acordo com a invenção também proporciona a dosagem do referido agente de redução baseado em ureia através da geração de uma pulverização de agente de redução baseado em ureia (indicada com UWS), que é interna ao alojamento de dosagem 20 e, de preferência, co-axial com o eixo geométrico x do próprio alojamento. Em mais detalhes, o agente de redução é pulverizado, por intermédio de meios de pulverização, de modo que o cone de abertura da pulverização UWS é incidente na direção de entrada Y do jato de entrada anular AJ do gás de exaustão. Conforme mostrado nas figuras 3 e 4, a pulverização do agente de redução baseado em ureia UWS é gerada de modo que o ângulo de abertura de cone de pulverização faceia o ângulo α entre a direção de entrada Y do referido jato anular AJ e o eixo geométrico x do referido alojamento 20.

[0023] A figura 4 mostra em detalhes a região anular do alojamento de dosagem 20 onde o agente de redução pulverizado é misturado ao jato de entrada anular Aj. Nessa região, uma forte turbulência é gerada. Essa turbulência aumenta a evaporação de gotículas do agente de redução baseado em ureia e, em consequência, aumenta a decomposição seguinte em partículas de ureia. Dessa maneira, as taxas de reação são aumentadas, vantajosamente.

[0024] Com referência mais uma vez à figura 4, o jato de entrada anular AJ permite impedir as gotículas da pulverização de baterem contra as paredes laterais 20B do alojamento de dosagem 20. De fato, as gotículas de pulverização dirigidas para as paredes laterais 20B são defletidas para dentro do alojamento de dosagem 20 devido à direção de entrada Y do jato de entrada anular AJ. Dessa maneira, as gotículas de pulverização podem ser circuladas em um espaço central (indicado com a referência CS) do alojamento de dosagem 20, sem contatar as paredes laterais 20B. Na figura 4, o referido espaço central CS é esquematizado pelas linhas tracejadas L1. A extensão diametral (indicada de D1) desse espaço central CS depende da velocidade de entrada do jato anular AJ.

[0025] Conforme mostrado na figura 4, o jato anular AJ é transportado, de preferência, por meio de uma entrada anular 9 que se comunica com o alojamento de dosagem 20 nas proximidades de uma parede transversal extrema 18. . Injeção de pulverização implica compreender preferencialmente um bocal 55 colocado no centro da parede terminal 18.De acordo com a invenção, o jato de entrada AJ é inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal X do módulo de alojamento de dosagem 20 de um ângulo α compreende entre 30 e 150 graus. Em particular, resultados grandemente significativos têm sido observados quando o referido ângulo α está compreendido entre 30 e 90 graus e quando a pulverização de agente de redução tem um meio cone com um ângulo de abertura β compreendido entre 5 e 40 graus.

[0026] A figura 5 mostra uma disposição alternativa de um módulo de dosagem em que o jato de entrada anular AJ é inclinado com relação ao eixo geométrico longitudinal x do módulo de alojamento de dosagem 20 de um ângulo α maior do que 90 graus. Em particular, tem sido observado que essa disposição, vantajosamente, evita depósitos perto do bocal 55.

[0027] Foi mostrado que a presente invenção alcança o alvo e os objetivos, conforme apresentado acima. Em mais detalhes, foi mostrado que o método para dosagem de um agente de redução baseado em ureia permite uma decomposição completa e uma mistura uniforme de amônia com o gás de exaustão. Além disso, o método também evita a formação de depósito de líquido na superfície interna do alojamento de dosagem e do cano de escape de gás.

[0028] Muitas mudanças, modificações, variações e outros usados e aplicações da invenção em questão se tornarão evidentes para aqueles habilitados na técnica após a consideração da especificação e dos desenhos anexos, que divulgam suas modalidades preferidas. Todas essas mudanças, modificações, variações e outros usos e aplicações que não se afastam do espírito e do escopo da invenção são considerados como sendo cobertos por esta invenção.

[0029] Outros detalhes de implementação não serão descritos, visto que uma pessoa habilitada na técnica é capaz de realizar a invenção que começa do ensinamento da descrição acima.

Claims

1. Método para dosagem de um agente de redução baseado em ureia em um fluxo de exaustão de gás gerado por um motor de combustão e endereçado para um sistema de pós-tratamento (30), o referido método compreendendo as etapas de: fornecimento de um módulo de dosagem tendo um alojamento (20); transporte do referido fluxo de gás de exaustão no referido alojamento de dosagem (20); e dosagem do referido agente de redução baseado em ureia através da geração, no interior do referido alojamento (20), de uma pulverização de agente de redução baseado em ureia (UWS), caracterizado pelo fato do referido alojamento (20) se desenvolve ao longo de um eixo geométrico (x) e o referido fluxo de gás de exaustão é introduzido de forma anular no referido alojamento de dosagem (20) pela definição de um jato de entrada anular (AJ) axialmente simétrico inclinado com relação ao referido eixo geométrico (x) do referido alojamento de dosagem (20), em que o jato de entrada anular (AJ) é axialmente simétrico em relação ao eixo geométrico (X) ao longo que o alojamento de dosagem (20) se desenvolve.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da referida pulverização de agente de redução baseado em ureia (UWS) ser gerada de modo a ser co-axial ao referido eixo geométrico (x).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato da referida pulverização de agente de redução baseado em ureia (UWS) ser gerada por intermédio de meios de injeção compreendendo um bocal (55) localizado no interior do referido alojamento de dosagem (20).

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato da referida pulverização de agente de redução baseado em ureia (UWS) ser gerada de modo a ter um cone de abertura incidente na direção de entrada (Y) do referido jato de entrada anular (AJ).

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato da referida pulverização de agente de redução baseado em ureia (UWS) ser gerada de modo que o ângulo de abertura de meio cone de pulverização (β) faceia o ângulo (α) entre a direção de entrada (Y) do referido jato anular (AJ) e o eixo geométrico (x) do referido alojamento (20).

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato do referido jato de entrada anular (AJ) ser inclinado com relação ao referido eixo geométrico (x) do referido alojamento de dosagem (20) de um ângulo (α) compreendido entre 30 e 150 graus.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do referido jato de entrada anular (AJ) ser inclinado com relação ao referido eixo geométrico (x) do referido alojamento de dosagem (20) de um ângulo (α) compreendido entre 30 e 90 graus.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato da referida pulverização de agente de redução baseado em ureia ser gerada de modo a ter um ângulo de abertura de meio cone (β) compreendido entre 5 e 40 graus.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato do referido agente de redução baseado em ureia ser formado por uma solução de ureia em água.