BR112015020229B1 - Método para a redução dos óxidos de nitrogênio nos gases de escapamento de um processo de combustão de motores a combustão de misturas pobres, pela reação com amônia através de um conversor catalítico scr de gases de escapamento - Google Patents
Método para a redução dos óxidos de nitrogênio nos gases de escapamento de um processo de combustão de motores a combustão de misturas pobres, pela reação com amônia através de um conversor catalítico scr de gases de escapamento Download PDFInfo
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Abstract
método para a redução dos óxidos de nitrogênio nos gases de escapamento de um processo de combustão de motores a combustão de misturas pobres, pela reação com amônia através de um conversor catalítico de gases de escapamento a presente invenção se refere à possibilidade de melhorar a redução catalítica seletiva (rcs), que é a reação seletiva de óxidos de nitrogênio com amônia no gás de escapamento de processos de combustão, em um conversor catalítico de gases de escapamento adequado para isso - o conversor catalítico rcs. pra este fim, os materiais utilizados no conversor catalítico para o armazenamento de amônia são distribuídos sobre o suporte do catalisador de tal forma que, visto na direção do fluxo, uma região com baixa capacidade de armazenamento de amônia é seguida por uma região com capacidade de armazenamento de amônia mais elevada.
Description
[001] A presente invenção se refere à possibilidade de melhorar a redução catalítica seletiva (RCS), que é a reação seletiva de óxidos de nitrogênio com amônia nos gases de escapamento de processos de combustão, em um conversor catalítico de gases de escapamento adequado para isso - o conversor catalítico RCS. Para esta finalidade, os materiais utilizados no conversor catalítico para armazenamento de amônia são distribuídos sobre o suporte do catalisador de uma maneira particular.
[002] Os gases de escapamento dos processos de combustão, em particular aqueles de motores a diesel, mas também aqueles de motores de injeção direta a gasolina operados com misturas pobres, também contêm material particulado (MP) e óxidos de nitrogênio (NOx), além dos gases nocivos de monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos (HC) resultantes da combustão incompleta do combustível. Além disso, os gases de escapamento dos motores diesel contêm, por exemplo, até 15 % em volume de oxigênio. É sabido que os gases nocivos oxidáveis CO e HC podem ser convertidos a dióxido de carbono (CO2) inofensivo e água (H2O), pela passagem dos mesmos em conversores catalíticos adequados e que as partículas podem ser removidas pela passagem dos gases de escapamento por um filtro de partículas adequado. As tecnologias para a remoção de óxidos de nitrogênio dos gases de escapamento, na presença de oxigênio, também são bem conhecidas do estado da técnica. O método RCS é um desses "métodos de desnitrificação". Aqui, amônia, como tal ou na forma de um composto precursor decomponível em amônia nas condições ambiente, pode ser adicionada à corrente de gases de escapamento, sendo as "condições ambientes" entendidas como significando as condições correntes na área espacial da corrente de gases de escapamento a montante do conversor catalítico RCS. Para executar o método de RCS, são necessárias uma fonte para o fornecimento do agente de redução, um dispositivo de injeção para a dosagem do agente de redução no gás de escapamento, conforme necessário, e um conversor catalítico RCS disposto no percurso de escoamento dos gases de escapamento. A totalidade da fonte do agente de redução, o conversor catalítico RCS e o dispositivo de injeção disposto a montante do conversor catalítico RCS também é chamado de sistema de RCS.
[003] Com os futuros valores limite legais aplicáveis, será necessário, em geral, um pós-tratamento dos gases de escapamento, para a remoção de todos os gases nocivos emitidos pelo motor, para todos os veículos a diesel recém-registrados e todos os motores de injeção direta a gasolina operados com mistura pobre. Assim, torna-se necessário, para as aplicações atuais, para o pós-tratamento dos gases de escapamento de diesel, combinar conversores catalíticos de oxidação de diesel, filtros de partículas para diesel e sistemas de RCS, a combinação destes agregados alterando as condições de operação, especialmente para o conversor catalítico RCS. Neste momento, três de tais sistemas estão em testes: No chamado "sistema de SCRT®", de acordo com o documento EP1054722 B1, um conversor catalítico de oxidação de diesel, um filtro de partículas para diesel e um sistema de RCS são dispostos consecutivamente na direção do fluxo dos gases de escapamento. Outra modificação deste sistema é mostrada no documento EP2112339 A1 (cFPD - COD - RCS). Alternativamente, o sistema de RCS pode ser disposto entre um conversor catalítico de oxidação de diesel próximo ao motor e um filtro de partículas para diesel no chassi do veículo (COD - RCS - FPD; WO12123660 A1).
[004] A eficiência de limpeza de sistemas de RCS modernos para os óxidos de nitrogênio é superior a 95 %, em intervalos ideais. É por isso que o método de RCS é visto, atualmente, como o método de limpeza mais promissor para a desnitrificação dos gases de escapamento do diesel para aplicações em automóveis de passageiros e para a aplicação padrão em veículos comerciais. Em particular com automóveis de passageiros, no entanto, deve ser observado que as temperaturas dos gases de escapamento a serem limpos, que ocorrem no NEDC ("Novo Ciclo de Condução Europeu") ou WHTC (Ciclo Transiente Harmonizado Mundial), se movem cada vez mais para o intervalo mais frio. Isto significa que um conversor catalítico RCS instalado no chassi experimenta menos calor para a reação necessária. A reação de RCS só começará, em uma extensão considerável, a cerca de 200 - 250 °C. Além disso, a dosagem de ureia, como fonte para o agente redutor de amônia, só se torna possível de uma maneira controlada a temperaturas de 180 °C. De modo a não ter de aceitar depósitos indesejáveis de ureia e produtos de reação no sistema de escapamento, esta tendência na temperatura dos gases de escapamento resulta em o sistema de RCS não poder mais ser utilizado, de forma eficaz, na chamada "parte interna da cidade" (Ciclo de Condução Urbana da ECE [Comissão Econômica para a Europa]) do NEDC, devido às baixas temperaturas que prevalecem. O resultado é o alcance do volume de saturação do óxido de nitrogênio durante o ECE e, portanto, a ultrapassagem dos valores limite de NOx exigidos no ciclo total do NEDC. O mesmo também se aplica ao ciclo transiente correspondente de veículos comerciais, o WHTC. Com os limites de dosagem estabelecidos pelo equipamento de dosagem, particularmente, a parte fria, bem como o início da parte quente após a fase de corte, são um desafio especial.
[005] Portanto, continuam a ser procuradas possibilidades para aumentar a eficácia dos conversores catalíticos RCS, de modo a assegurar a redução ideal dos óxidos de nitrogênio ao longo da faixa de temperatura mais ampla possível. Uma estratégia é sempre encontrar materiais mais novos e mais potentes, que possam catalisar a reação de RCS. Mostrou-se vantajoso, por exemplo, usar em adição a, ou como material cataliticamente ativo, um material tal que é capaz de armazenar temporariamente a amônia, de modo a equilibrar um excedente seletivo ou uma falta de amônia suficiente para a redução (WO05099873 A1). Além disso, combinações especiais de conversores catalíticos de redução de óxido de nitrogênio, em particular, conversores catalíticos de armazenamento de óxido de nitrogênio e conversores catalíticos RCS (por exemplo, WO10022909 A1), entram em consideração para serem capazes de realizar a redução para nitrogênio inofensivo em uma faixa de temperatura mais ampla. Uma possibilidade adicional é a utilização de conversores catalíticos RCS na forma de pilhas (por exemplo, documento EP2428659 A1) ou divididos em zonas (por exemplo, documento EP2040834 A1).
[006] Para aumentar a eficácia de conversores catalíticos, também foi proposto o fornecimento de uma carga anisotrópica do suporte com um material cataliticamente ativo (US20040254072 A1, US20110123421 A1, EP1486248 A1). Com relação a conversores catalíticos RCS, o documento US20120186229 A1 ensina que deve ser aplicada uma concentração mais elevada de componentes cataliticamente ativos na entrada do que na saída. O documento EP1892396 B1 defende um aumento das espécies cataliticamente ativas na direção do fluxo, para os conversores catalíticos RCS dispostos na área de saída dos filtros de partículas, por razões de isolamento térmico.
[007] A presente invenção também se refere ao aperfeiçoamento dos conversores catalíticos RCS. Para tal, a solução encontrada deve ser superior aos conversores catalíticos do estado da técnica, pelo menos, com relação à eficiência ou, se tiverem a mesma eficiência, com relação ao fator de custo.
[008] Estas e outras tarefas que surgem para um técnico no assunto, de forma evidente, a partir do estado da técnica, são resolvidas por um conversor catalítico RCS ou um arranjo de conversores catalíticos RCS de acordo com as características da presente reivindicação 1. As reivindicações dependentes da reivindicação 1 se referem à configurações preferidas do método de acordo com a invenção. As reivindicações 5 e 6 se referem a um sistema de limpeza de gases de escapamento equipado com o conversor catalítico de acordo com a invenção e a reivindicação 7 se refere a um método realizado com os conversores catalíticos RCS para minimizar o óxido de nitrogênio.
[009] A utilização de um conversor catalítico de gases de escapamento para a redução dos óxidos de nitrogênio nos gases de escapamento de motores a combustão de misturas pobres, por reação com amônia, que tem um ou mais corpos de suporte e compreende um ou mais materiais de armazenamento de amônia, em que um material com capacidade de armazenamento de amônia é distribuído sobre o(s) corpo(s) de suporte na direção do fluxo dos gases de escapamento, de tal maneira que, quando visto na direção do fluxo, uma área de menor capacidade de armazenamento de amônia é seguida por uma área de maior capacidade de armazenamento de amônia, em que o material que determina a atividade catalítica para a reação considerada consiste em um material que tem uma capacidade de armazenamento de amônia e, em que como estes últimos, são utilizados compostos selecionados a partir do grupo que compreende zeólitas, tais como mordenita (MOR), Y-zeólita (FAU), ZSM-5 (MFI), ferrierita (FER), chabazita (CHA) e β- zeólita (BEA), bem como materiais semelhantes à zeólita, tais como fosfato de alumínio (AlPO) e silicoaluminofosfato (SAPO) ou misturas destes e, em que um filtro de partículas, como um corpo de suporte em si, não tem um aumento do material cataliticamente ativo, resulta em uma solução surpreendentemente simples, mas não menos vantajosa da tarefa em questão. Com o conversor catalítico, ou sistema de conversor catalítico, de acordo com a invenção é possível economizar nos custos de material de partida com atividade semelhante ou garantir uma maior eficácia do conversor catalítico ou sistema de conversor catalítico, com a mesma utilização de componentes.
[010] Basicamente, o conversor catalítico de gases de escapamento reivindicado aqui consiste em um ou mais corpos de suporte, sobre o qual ou dentro do qual - por exemplo, nas estruturas porosas da parede - são introduzidos o material cataliticamente ativo (isto é, o material que, no final, executa a função catalítica) e o material de armazenamento mencionado acima (o material que proporciona a capacidade de armazenamento de amônia). É evidente, para um técnico no assunto, quais podem ser os suportes, neste caso. O que é referido são os chamados monólitos de passagem ou filtros de partículas (Christian Hagelüken, "Autoabgaskatalysatoren" ["Automobile exhaust gas catalytic converters"], 2005, 2nd edition, pp. 27-46). Tais agregados (filtros, bem como os monólitos de passagem) - mesmo com um revestimento de RCS ativo - são suficientemente conhecidos dos técnicos no assunto (por exemplo, documento US2011271664 AA).
[011] Corpos de filtro comuns, conhecidos no estado da técnica, podem ser feitos de metal e/ou materiais cerâmicos. Estes incluem, por exemplo, corpos de filtro em tecido e malha metálica, corpos de filtro de metal sinterizado e estruturas de espuma de materiais cerâmicos. De preferência, são utilizados substratos porosos de filtros de passagem através da parede de cordierita, de carboneto de silício ou de titanato de alumínio. Estes substratos de filtros de passagem através da parede têm canais de entrada e saída, as extremidades de saída dos canais de entrada e as extremidades de entrada dos canais de saída, respectivamente, sendo deslocadas umas em relação às outras e sendo vedadas com um "tampão" estanque a gás. Aqui, os gases de escapamento a serem limpos e que fluem através do substrato do filtro, tem a passagem forçada através da parede porosa entre o canal de entrada e o canal de saída, o que induz um efeito excelente de filtragem de partículas. A característica de filtragem para as partículas pode ser concebida por meio da porosidade, da distribuição dos poros/raios e pela espessura da parede. Os materiais de armazenamento de amônia, bem como o material cataliticamente ativo, podem estar presentes na forma de revestimentos sobre e/ou nas paredes porosas entre os canais de entrada e de saída. Filtros extrudados a partir dos respectivos materiais de armazenamento ou conversores catalíticos, diretamente ou utilizando ligantes, também podem ser utilizados, ou seja, as paredes porosas são feitas diretamente a partir do material conversor catalítico e do material de armazenamento. De preferência, os substratos de filtro utilizados podem ser obtidos conforme os documentos WO2005016497A1 ou EP2117681A.
[012] Com relação aos filtros de partículas utilizados como corpos de suporte, deve-se mencionar que estes devem ser concebidos de acordo com a reivindicação, de tal maneira que não haja aumento do material cataliticamente ativo, ou seja, do material que catalisa a reação de RCS real, em um filtro de partículas. Isto significa que existe, em cada elemento de volume do filtro de partículas ao longo da direção do fluxo, uma concentração de material cataliticamente ativo que não aumenta, dentro do contexto da precisão de fabricação. De preferência, o material cataliticamente ativo está presente no filtro de partículas, distribuído uniformemente, quando observado na direção do fluxo. Uma vez que, de acordo com a invenção, o material cataliticamente ativo também pode proporcionar a capacidade de armazenamento de amônia, este último, neste caso, também está presente no filtro de partículas distribuído uniformemente no sentido do fluxo. De acordo com a reivindicação, um filtro de partículas projetado respectivamente está, portanto, neste caso, sempre associado com, pelo menos, um corpo de suporte adicional o qual, de acordo com a reivindicação, tem uma capacidade de armazenamento de amônia diferente da do filtro de partículas.
[013] No estado da técnica, os monólitos de passagem são suportes de conversores catalíticos comuns, que podem consistir de materiais metálicos ou cerâmicos. De preferência, são utilizados materiais cerâmicos à prova de fogo, tal como a cordierita. Os monólitos feitos de materiais cerâmicos, na sua maioria, têm uma estrutura de favo de mel que consiste em canais contínuos, razão pela qual eles também são referidos como monólitos de canais de escoamento. Os gases de escapamento podem fluir através dos canais e, ao fazê-lo, entram em contacto com as paredes do canal, que são fornecidas com uma substância cataliticamente ativa e um material de armazenamento. O número de canais por área é caracterizado pela densidade celular, que está, em geral, entre 300 e 900 células por polegada quadrada (cpsi). A espessura de parede das paredes do canal em um material cerâmico está entre 0,5 a 0,05 mm. Existe a opção de fabricar os monólitos de passagem a partir do material cataliticamente ativo em si.
[014] De preferência, o conversor catalítico de gases de escapamento de acordo com a invenção tem um ou mais corpos de suporte, que consistem de um ou mais materiais de armazenamento de amônia e, em que um material com capacidade de armazenamento de amônia é distribuído sobre o(s) corpo(s) de suporte na direção do fluxo dos gases de escapamento, de tal maneira que, com relação ao conversor catalítico de gases de escapamento, há menos capacidade de armazenamento de amônia na extremidade de entrada do que na extremidade de saída. Deve ser observado que o conversor catalítico de gases de exaustão utilizado aqui pode consistir em um corpo de suporte ou vários corpos de suporte individuais, de preferência, dispostos diretamente um atrás do outro, na direção do fluxo. Aqui, o corpo de suporte é preparado de tal modo que o material de armazenamento está localizado sobre ou dentro do suporte ou corpo de suporte. Aqui, o material com capacidade de armazenamento de amônia deve ser distribuído sobre ou no interior do suporte ou corpos de suporte, de modo que, quando visto na direção do fluxo, uma área com uma menor capacidade de armazenamento de amônia e atividade catalítica é seguida por uma área de maior capacidade de armazenamento de amônia. De preferência, a disposição é tal que, na direção do fluxo dos gases de escapamento, há menos capacidade de armazenamento de amônia na extremidade de entrada do que na extremidade de saída do conversor catalítico de gases de escapamento.
[015] Particularmente de preferência, a proporção da capacidade de armazenamento de amônia de uma área com menor capacidade de armazenamento de amônia para uma área com maior capacidade de armazenamento de amônia, ou a relação preferida de capacidade de armazenamento presente no lado da entrada para a capacidade de armazenamento presente no lado da saída, é de 30 a 70 %. Com relação a isso, diferenças de 35 a 65 % são vantajosas e diferenças de 40 a 60 % são especialmente vantajosas. A capacidade de armazenamento total dos componentes de armazenamento de amônia utilizados deve estar entre 0,25 e 3,5 g de NH3 por litro de volume do conversor catalítico, de preferência, entre 0,5 e 2,2 g de NH3 por litro de volume do conversor catalítico e, particularmente de preferência, entre 0,5 e 2,0 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico. Considerando as relações especificadas acima com relação à capacidade de armazenamento de amônia, uma área de menor capacidade de armazenamento é caracterizada, com isso, por uma capacidade de 0,1 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico a 2,5 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico, de preferência, 0,2 g de NH3/litro de volume conversor catalítico a 1,45 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico e, particularmente de preferência, 0,25 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico a 1,2 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico. Com isso, uma área de maior capacidade de armazenamento é caracterizada por uma capacidade de 0,2 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico a 3,5 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico, de preferência, 0,4 g de NH3/litro de volume conversor catalítico a 2,2 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico e, particularmente de preferência, 0,5 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico a 2 g de NH3/litro de volume do conversor catalítico. Áreas vantajosas, no sentido da presente invenção, são seções do conversor catalítico de gases de escapamento na direção do fluxo com um comprimento relativo de 10 a 50 %, de preferência, de 15 a 45 % e, particularmente de preferência, de 20 a 40 % do comprimento total do conversor catalítico de gases de escapamento. A extremidade do conversor catalítico dos gases de escapamento do lado da entrada ou do lado da saída, geralmente, tem uma área de 10 a 50 %, de preferência, de 15 a 45 % e, particularmente de preferência, de 20 a 40 % do comprimento total do conversor catalítico dos gases de escapamento, calculada a partir da entrada ou calculada a partir da saída.
[016] Isso pode resultar em um aumento contínuo da capacidade de armazenamento em determinadas áreas, de preferência, ao longo do comprimento do conversor catalítico dos gases de escapamento, ou áreas com capacidade respectivamente maior de uma área para a outra estão dispostas, de preferência, a partir da entrada para a saída do conversor catalítico dos gases de escapamento. Também pode ser obtida uma maior capacidade de armazenamento para a amônia por meio de revestimentos adicionais dispostos um em cima do outro, ou por utilização de diferentes materiais de armazenamento (ver, por exemplo, a Fig. 6). No escopo da presente invenção, no caso de um conversor catalítico de gases de escapamento que consiste em vários suportes, pelo menos, um corpo de suporte subsequente na direção do fluxo dos gases de escapamento pode, vantajosamente, ter uma maior capacidade de armazenamento de amônia do que o anterior. O número de corpos de suporte do conversor catalítico de gases de escapamento é, de preferência, de 1 a 4, particularmente de preferência, de 1 a 3 e, ainda mais particularmente de preferência, de 2 ou 3.
[017] O conversor catalítico de gases de escapamento para a redução de óxidos de nitrogênio por reação com amônia tem, de acordo com a invenção, um ou mais materiais de armazenamento de amônia, estes materiais de armazenamento, caso necessário, sendo distribuídos de acordo com a capacidade de armazenamento, tal como descrito acima, no suporte ou nos corpos de suporte. De acordo com a invenção, o material que determina a atividade catalítica para a reação considerada já é feito de um material que tem a capacidade de armazenar amônia, tal como zeólita. Neste caso, pode ser usado menos material adicional de armazenamento de amônia, desde que o material cataliticamente ativo existente já tenha a capacidade de armazenamento de amônia necessária. No caso extremo, pode ser dispensado até material de armazenamento de amônia adicional em excesso ao material cataliticamente ativo existente, se a capacidade de armazenamento existente do material cataliticamente ativo for considerada suficiente, dentro do escopo da invenção (ver abaixo).
[018] Os materiais que mostraram ser vantajosos para a aplicação no armazenamento de NH3 são conhecidos de um técnico no assunto (documentos US2006/0010857 AA; WO2004076829 A1). Em particular, materiais sólidos microporosos, tais como as chamadas peneiras moleculares, são usados como materiais de armazenamento. São utilizados, como materiais de armazenamento de amônia, compostos tais, selecionados a partir do grupo que compreende zeólitas, tais como mordenita (MOR), Y-zeólita (FAU), ZSM-5 (MFI), ferrierita (FER), chabazita (ACS) e β-ze0lita (BEA), bem como materiais semelhantes à zeólita, tais como fosfato de alumínio (AlPO) e silicoaluminofosfato (SAPO) ou misturas destes (EP0324082 A1). Particularmente, de preferência, são utilizados ZSM-5 (MFI), chabazita (CHA), ferrierita (FER), SAPO-34 e β-ze0lita (BEA). Especialmente de preferência são utilizados CHA, BEA e AlPO-34 ou SAPO-34. São utilizados, extremamente de preferência, materiais do tipo CHA e aqui, mais de preferência, SAPO-34.
[019] O material cataliticamente ativo, geralmente, é entendido como sendo o "revestimento lavável", com o qual o suporte é fornecido. No entanto, este último pode, além do componente cataliticamente ativo no sentido estrito, conter também materiais adicionais, tais como ligantes de óxidos de metais de transição, óxidos de suporte de área de superfície elevada, tais como óxido de titânio, óxido de zircônio, óxido de alumínio, em particular, gama- Al2O3, ou óxido de cério. No entanto, o material cataliticamente ativo, utilizado de acordo com a invenção, de preferência, tem compostos do grupo das zeólitas com troca do metal de transição ou materiais semelhantes à zeólita. Tais compostos são suficientemente conhecidos de um técnico no assunto (EP324082 A1). As zeólitas ou materiais semelhantes às zeólitas utilizadas podem ser as mesmas que aquelas que proporcionam o armazenamento de amônia no conversor catalítico dos gases de escapamento. Com relação a isso, são preferidos materiais a partir do grupo que compreende chabazita, SAPO-34, ALPO-34, zeólita β e ZSM-5. AS zeólitas ou materiais semelhantes às zeólitas, do tipo da chabazita, particularmente SAPO-34, são utilizados particularmente de preferência. Estes materiais são fornecidos, de preferência, com metais de transição a partir do grupo que compreende ferro, cobre, manganês e prata, de modo a assegurar atividade suficiente. Deve ser mencionado que o cobre é especialmente vantajoso, com nesse sentido. Um técnico no assunto sabe, neste contexto, como fornecer as zeólitas ou materiais semelhantes às zeólitas com metais de transição (documento PCT/EP2012/061382 e literatura citada aqui), de modo a poder fornecer uma boa atividade para a redução de óxidos de nitrogênio com amônia.
[020] Para sistemas de pós-tratamento de gases de escapamento que têm um conversor catalítico de armazenamento de óxido de nitrogênio, seguido por um conversor catalítico de gases de escapamento de acordo com a invenção - que constitui um sistema preferido de acordo com a invenção - entre outros, tem sido demonstrado ser vantajoso conceber o conversor catalítico RCS dos gases de escapamento de tal modo, que ele tenha a possibilidade de armazenar uma quantidade suficiente de amônia (NH3). A interligação de tais agregados de pós-tratamento de gases de escapamento foi descrita no documento EP1687514 A1, por exemplo. Nestes sistemas, é uma vantagem que o conversor catalítico de armazenamento de óxido de nitrogênio também produza um pouco de amônia na fase de regeneração. Se o conversor catalítico RCS de gases de escapamento a jusante tem um armazenamento de NH3, o NH3 produzido desta maneira pode ser armazenado neste e estaria disponível para a subsequente redução do NOx decomposto pelo conversor catalítico de armazenamento de nitrogênio precedente. Em tais sistemas, é utilizado, particularmente de preferência, o conversor catalítico RCS de gases de escapamento, concebido de acordo com a invenção.
[021] Geralmente, um conversor catalítico RCS é particularmente ativo se o seu armazenamento de amônia é, pelo menos, parcialmente preenchido. A dosagem de amônia no sistema de gases de escapamento ocorre, principalmente, por meio de uma unidade de dosagem externa, diretamente no sistema de gases de escapamento em frente ao conversor catalítico RCS. Um escapamento de amônia, como resultado de um excesso de dosagem ou de uma dessorção de amônia devido a um aumento rápido da temperatura, deve ser evitado de forma vantajosa, uma vez que a amônia tem um cheiro forte e irritante e não deve atingir a atmosfera como uma emissão secundária ou terciária, em uma condição não tratada. No entanto, devido à dinâmica elevada das condições de operação de um motor, é difícil dosar a amônia de tal modo que sempre haja amônia suficiente disponível para a redução do NOx, mas que, por outro lado, toda a amônia adicionada seja consumida, tanto quanto possível. Aqui, o material de armazenamento de amônia utilizado produz um certo tampão. No entanto, também é vantajoso se houver um conversor catalítico para oxidação da amônia (AMOX) na extremidade de saída do conversor catalítico de gases de escapamento, de acordo com a invenção. O excesso de amônia é oxidado aí, em nitrogênio inofensivo. O conversor catalítico AMOX pode ser disposto como uma unidade separada, atrás do conversor catalítico de gases de escapamento. No entanto, é vantajoso se um conversor catalítico para oxidação de amônia (AMOX) estiver localizado na, sobre ou em baixo da sua extremidade de saída. Conversores catalíticos correspondentes são conhecidos por um técnico no assunto (documento US5120695; documento EP1892395 A1; documento EP1882832 A2; documento EP1876331 A2; documento WO12135871 A1; documento US2011271664 AA; documento WO11110919 A1).
[022] O objeto da presente invenção também é um sistema de gases de escapamento, compreendendo o conversor catalítico de gases de escapamento de acordo com a presente invenção e dispositivos adicionais, selecionados a partir do grupo que compreende um ou mais conversores catalíticos de oxidação para a oxidação de CO e HC, um conversor catalítico de armazenamento de óxido de nitrogênio e, possivelmente, um filtro de partículas com revestimento catalítico para a coleta do material particulado de carbono e um dispositivo de injeção de amônia ou de um composto precursor de amônia. Os conversores catalíticos de oxidação, os filtros de partículas e os conversores catalíticos de armazenamento de nitrogênio são familiares para um técnico no assunto. É vantajoso se outro conversor catalítico para a oxidação de amônia a nitrogênio estiver instalado ou posicionado conforme descrito acima, no lado da saída deste sistema, de modo a minimizar o escapamento de amônia já mencionado.
[023] O objeto da presente invenção também é um método correspondente, no qual os gases de escapamento são conduzidos através do conversor catalítico de gases de escapamento, na presença de amônia, em condições de operação. Não é preciso dizer, que as configurações preferidas mencionadas para o conversor catalítico de gases de escapamento mencionado acima também se aplicam, mutatis mutandis, ao sistema e ao método mencionado aqui.
[024] O termo "zeólita" se refere a materiais porosos com uma estrutura reticulada de tetraedros de AlO4 e SiO4 ligados pelos cantos, de acordo com a fórmula geral (W.M. Meier, Pure & Appl. Chem., vol. 58, n° 10, págs. 13231328, 1986):
[025] Mm/z [m AlO2 * n SiO2] * q H2O
[026] Assim, a estrutura de uma zeólita consiste em uma grade que é feita de tetraedros e rodeia canais e cavidades. Existem zeólitas de ocorrência natural e zeólitas produzidas sinteticamente.
[027] Dentro do escopo do presente documento, o termo "composto semelhante à zeólita" se refere a um composto que tem o mesmo tipo estrutural de um composto de zeólita de ocorrência natural ou produzido sinteticamente, mas que difere destes porque a estrutura de gaiola correspondente não é feita exclusivamente a partir de estruturas de átomos de alumínio e de silício. Nesses compostos, os átomos estruturais de alumínio e/ou silício são substituídos por átomos estruturais trivalentes, tetravalentes ou pentavalentes, tais como átomos de B(III), Ga(III), Ge(IV), Ti(IV) ou P(V) . Na prática, é utilizada mais frequentemente a substituição dos átomos estruturais de alumínio e/ou silício por átomos de fósforo, tais como os de silicoaluminofosfatos de ou de fosfatos de alumínio, que se cristalizam em estruturas do tipo da zeólita. Exemplos importantes são o silicoaluminofosfato SAPO-34 cristalizado com a estrutura tipo chabazita e o fosfato de alumínio AlPO- 34, cristalizado com a estrutura tipo chabazita.
[028] Figuras
[029] Fig. 1: A Figura 1 mostra um exemplo de um sistema de limpeza de gases de escapamento de acordo com a invenção, em conjunto com os locais de amostragem analítica necessários para o desempenho da parte experimental. O sistema consiste em um conversor catalítico de oxidação, seguido por um filtro de partículas revestido cataliticamente, uma unidade para a adição de ureia e um conversor catalítico RCS, compreendendo três suportes.
[030] Fig. 2: A Figura 2 se refere à duas configurações diferentes do conversor catalítico RCS utilizado. No caso 1, o suporte frontal - designado WC1 - tem uma carga de revestimento lavável reduzida em 60 % em peso, e, portanto, uma capacidade de armazenamento de amônia correspondente reduzida, em comparação com o segundo e terceiro suportes (WC2). No exemplo de baixo, todos os suportes são iguais. Aqui, o material cataliticamente ativo também proporciona toda a capacidade de armazenamento de amônia.
[031] Fig. 3: A Figura 3 mostra os resultados que podem ser alcançados com os dois sistemas alternativos da Fig. 2. Aqui, é evidente que o sistema de acordo com a invenção, tendo o suporte WC1, tem uma conversão total de NOx mais elevada do que o sistema de referência, caracterizado por suportes tendo WC2 exclusivamente. São retratadas aqui as conversões de NOx no terceiro WHTC quente, de uma série de ciclos de aquecimento sucessivos.
[032] Fig. 4: A capacidade de armazenamento de amônia mencionada, dentro do escopo da presente invenção, é especificada como um quociente entre a massa de amônia armazenada por litro de volume do conversor catalítico. Esta é determinada experimentalmente em um reator tubular de escoamento. Para evitar a oxidação indesejável da amônia sobre o material do reator, é utilizado um reator feito de vidro de quartzo. É retirada uma amostra cilíndrica (corpo de prova) da área do conversor catalítico cuja capacidade de armazenamento de amônia deve ser determinada. De preferência, é retirada uma amostra cilíndrica com 1 polegada de diâmetro e 3 polegadas de comprimento como corpo de prova. A amostra cilíndrica é colocada no reator tubular e condicionada durante 10 minutos a uma temperatura de 600 °C em uma atmosfera gasosa de 500 ppm de monóxido de nitrogênio, 5 % em volume de oxigênio, 5 % em volume de água e o restante de nitrogênio com uma velocidade espacial de 30000 h-1. Subsequentemente, é feita a aproximação para a temperatura de medição de 200 °C, em uma mistura gasosa com 5 % em volume de oxigênio, 5 % em volume de água e o restante de nitrogênio com uma velocidade espacial de 30000 h-1. Após a estabilização da temperatura, é iniciada a fase de armazenamento de NH3 pela adição de uma mistura gasosa de 450 ppm de amônia, 5 % em volume de oxigênio, 5 % em volume de água e o restante de nitrogênio com uma velocidade espacial de 30000 h-1. Esta mistura gasosa é adicionada até ser registrada uma concentração de equilíbrio do gás permeado com amônia no lado da saída do corpo de prova. A concentração de NH3 medida na fase de equilíbrio (estacionária) após o conversor catalítico também pode ser inferior à concentração de NH3 dosada devido à oxidação da amônia pelo corpo de prova. A massa de amônia armazenada no corpo de prova é calculada por integração da curva de saturação de amônia, registrada a partir do início da fase de armazenamento de NH3 até ser atingida a fase de equilíbrio, com a inclusão da concentração de saturação de NH3 de equilíbrio medida e a vazão volumétrica conhecida (área sombreada na figura). A capacidade de armazenamento de amônia é calculada como um quociente entre a massa de amônia armazenada dividida pelo volume da amostra testada.
[033] Exemplos:
[034] A medição do sistema de acordo com a invenção foi realizada em um motor de veículo comercial com 13 l de capacidade cúbica. O sistema de pós-tratamento de escapamento completo consistia em um COD, um FPD a jusante e o sistema RCS, com três componentes conversores catalíticos sucessivos (Bloco 1 a Bloco 3). Em ambos os casos analisados, o sistema preliminar COD+FPD foi mantido inalterado. Como agente de redução, foi injetada uma solução aquosa de ureia (nome comercial AdBlue®) na direção do fluxo, em frente ao conversor catalítico de gases de escapamento. Para esta finalidade, foi utilizado um bico de injeção disponível comercialmente. A quantidade do agente redutor injetado foi selecionada de tal modo que estivesse disponível, todo o tempo, 30 % de excesso de fornecimento do agente redutor, em relação às emissões de NOx do motor presentes na entrada do sistema de RCS.
[035] No caso do sistema descrito na Figura 2, a série de teste consistiu em cinco ciclos WHTC sucessivos. Aqui, não foi rodado todo o ciclo, que consiste em uma parte fria e uma parte quente, mas apenas a parte quente após 10 minutos de marcha lenta em cada caso. A série de teste foi iniciada com um conversor catalítico de gases de escapamento cada, cujo armazenamento de amônia estava completamente vazio, no início.
[036] Durante os ciclos, foram medidas as emissões de NOx no lado de entrada e no lado de saída do sistema de RCS e integradas e, então, relacionadas com o trabalho realizado durante o ciclo. A conversão foi determinada para ambas as variantes do sistema testado, como a diferença das emissões específicas relativas à emissão de entrada específica.
Claims (4)
1. MÉTODO PARA A REDUÇÃO DOS ÓXIDOS DE NITROGÊNIO NOS GASES DE ESCAPAMENTO DE UM PROCESSO DE COMBUSTÃO DE MOTORES A COMBUSTÃO DE MISTURAS POBRES, PELA REAÇÃO COM AMÔNIA ATRAVÉS DE UM CONVERSOR CATALÍTICO SCR DE GASES DE ESCAPAMENTO, os gases de escapamento sendo guiados através um catalizador de armazenamento de nitrogênio, seguido pelo conversor catalítico SCR de gases de escapamento na presença de amônia e o conversor catalítico SCR de gases de escapamento tendo dois ou três corpos de suporte e compreendendo um ou vários materiais de armazenamento de amônia, em que um material com capacidade de armazenamento de amônia é distribuído sobre o(s) corpo(s) de suporte de tal maneira que, quando visto na direção do fluxo, uma área de menor capacidade de armazenamento de amônia é seguida por uma área de maior capacidade de armazenamento de amônia, caracterizado pelo material que determina a atividade catalítica da reação SCR contemplada também fornece a capacidade de armazenamento de nitrogênio, e onde este material é selecionado a partir do grupo que compreende zeólitas, tais como mordenita (MOR), Y-zeólita (FAU), ZSM-5 (MFI), ferrierita (FER), chabazita (CHA) e β-zeolita (BEA), bem como materiais semelhantes à zeólita, tais como fosfato de alumínio (AlPO) e silicoaluminofosfato (SAPO) ou misturas destes, em que um filtro de partículas, como um corpo de suporte em si, não deve ter um aumento do material cataliticamente ativo, de modo que, em cada elemento de volume do filtro particulado na direção do fluxo, uma concentração de material cataliticamente ativo não aumente dentro da estrutura de precisão de fabricação.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela área com menor capacidade de armazenamento de amônia ter apenas 30 a 70 % da capacidade de armazenamento de amônia da área com maior capacidade de armazenamento de amônia.
3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pela zeólita ou materiais semelhantes à zeólita, selecionados a partir do grupo que compreende chabazita, SAPO-34, ALPO-4 e zeólita β, serem utilizados como material de armazenamento de amônia.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por, na, sobre ou em baixo da extremidade de saída do conversor catalítico SCR, existir um conversor catalítico de oxidação de amônia.
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