BR112016019709B1

BR112016019709B1 - Método para a limpeza dos gases de escape de um motor de ignição de compressão

Info

Publication number: BR112016019709B1
Application number: BR112016019709-7A
Authority: BR
Inventors: Pär L. T. Gabrielsson
Original assignee: Umicore Ag & Co. Kg
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2022-06-28
Also published as: WO2015128247A1; CN113958387A; US20190321782A1; AR099507A1; CN106062333A; CN106062333B; RU2687854C2; BR112016019709A2; US10399036B2; RU2016138322A3; EP3110530A1; US20160346733A1; RU2016138322A; CN113958387B

Abstract

MÉTODO PARA A LIMPEZA DOS GASES DE ESCAPE DE UM MOTOR DE IGNIÇÃO DE COMPRESSÃO. Um método para a limpeza de gases de escape de um motor de ignição por compressão, que compreende os passos de injetar uma primeira quantidade de uma solução aquosa de ureia no gás; em um primeiro modo de operação e a uma temperatura dos gases de escape entre 150 e 220 ° C hidrolisando a primeira quantidade de ureia ao agente redutor de amônia na presença de um primeiro catalisador que compreende um óxido de vanádio suportado em titânio e, subsequentemente, removendo parte de óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape por contato do gás misturado com o agente redutor de amônia através de um segundo catalisador compreendendo platina sobre óxido de titânio e/ou de alumina; e num segundo modo de funcionamento a uma temperatura dos gases de escape acima de 220 ° C a remoção de uma parte dos óxidos de nitrogênio na presença do primeiro catalisador e do agente de redução de amônia e subsequentemente oxidar hidrocarbonetos, monóxido de carbono e a quantidade restante do agente redutor de amônia ainda contido nos gases de escape, passando o gás através do segundo catalisador.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método e sistema para a redução da emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) e matéria particular que é presente nos gases de escape de um motor de ignição de compressão interna de queima. Em particular, o método e sistema da invenção proporciona uma melhor redução de NOx durante a partida a frio do motor.

[002] Próximas legislações pedem emissões muito baixas de caminhões e automóveis de passageiros. Ao mesmo tempo, os ciclos de ensaio utilizados começam a temperaturas relativamente baixas. É dificil reduzir o NOx nestes ciclos frio, especialmente quando os chamados sistemas de pós- tratamento são cada vez mais complicados com muitas funcionalidades diferentes como a oxidação de hidrocarbonetos, a filtração de fuligem, a redução de NOx e redução de amónia. O sistema mais viável consiste em componentes na seguinte ordem, catalisador de oxidação, filtro de fuligem, catalisador de redução de NOx e de catalisador de amónia.

[003] 0 sistema de escape convencional de carros e caminhões com modernos motores de combustão simples é equipado com uma sequência de um catalisador de oxidação, um filtro de partículas e um catalisador para a redução seletiva de NOx (SCR) na presença de um agente de redução.

[004] Catalisadores de oxidação ativos na oxidação de compostos orgânicos voláteis e de monóxido de carbono e catalisadores SCR são conhecidos na arte e descritos em numerosas publicações.

[005] Tipicamente os filtros de partículas utilizadas são os chamados filtros de fluxo de parede com uma pluralidade de canais de entrada e de saída. Os canais de entrada de ar são fechados em sua saída e os canais de saída são fechados na sua entrada, de modo que o gás que flui para o filtro é forçado a passar através das paredes porosas que definem os canais, em que a matéria em partículas é separada por filtração a gás.

[006] A emissão mais difícil de lidar é óxidos de nitrogênio (NOx). Para conseguir um resultado de ciclo aceitável, a redução de NOx precisa começar no início do ciclo de certificação. Nos sistemas de limpeza dos gases de escape convencionais, como descrito acima, o catalisador SOR é colocado como unidade de limpeza dos gases de escape como o terceiro nos sistemas e isso leva algum tempo após o motor ter sido iniciado antes deste catalisador atingir a sua temperatura de reação.

[007] No tratamento de SCR, a amónia é geralmente utilizada como o agente redutor. A amónia é um composto nocivo e é preferido para gerar amónia no local pela decomposição térmica de uma solução de ureia a ser injetada como precursora de amónia no gás de escape quente a montante do catalisador SCR.

[008] Mesmo que a ureia seja inócua e relativamente fácil de armazenar a bordo de um veículo, a utilização de uma solução líquida de ureia na forma de um precursor de agente de redução de amónia é problemática, em particular na fase de partida a frio do motor, isto é, quando a temperatura do gás de escape está abaixo de 200 °C.

[009] Quando injetada na forma de solução líquida no gás de escape, a ureia decompõe-se em amónia em quantidades suficientes para o SCR unicamente a uma temperatura acima de cerca de 150 °C. Os catalisadores SCR convencionais são, no entanto, não muito ativos até a temperatura atingir 200 °C.

[0010] A presente invenção resolve este problema através da organização de um catalisador SCR perto do motor e acoplado com um catalisador de oxidação contendo platina. Este catalisador SCR tem, adicionalmente, a atividade de hidrólise de ureia a temperaturas mais baixas e a atividade de catalisador de oxidação SCR.

[0011] Catalisadores de platina são ativos no SCR com amónia. É, no entanto, dificil de se decompor a ureia em amónia na fase gasosa às temperaturas em que o catalisador de oxidação de platina é um catalisador SCR ativo.

[0012] Verificou-se que um catalisador de óxido de vanádio é eficaz na hidrólise de ureia antes que ela atinja o catalisador de oxidação de um sistema de limpeza dos gases de escape como descrito acima.

[0013] Em conformidade com as observações e conclusões acima, esta invenção proporciona um método para a limpeza de um gás de escape de um motor de ignição de compressão, que compreende os passos de injeção de uma solução aquosa de ureia para o gás de escape; num primeiro modo de operação e com um gás de escape de temperatura compreendida entre 150 e 220 °C cataliticamente hidrolisar a solução aquosa de ureia a um agente redutor de amónia através do contato com um primeiro catalisador que compreende óxido de vanádio suportado em titânia e subsequentemente remoção de parte do óxido de nitrogênio contido nos gases de escape entrando em contato com o gás de exaustão misturado com o agente de redução de amónia com um segundo catalisador disposto à jusante do primeiro catalisador e compreendendo platina sobre óxido de titânio e/ou de alumina; e num segundo modo de funcionamento e a uma temperatura dos gases de escape acima de 220 °C decompondo a solução aquosa de ureia ao agente redutor de amónia e remoção de uma parte dos óxidos de nitrogênio contidos nos gases de escape por meio da reação com o agente redutor de amónia na presença do primeiro catalisador e hidrocarbonetos subsequentemente oxidante, monóxido de carbono e amónia ainda contido nos gases de escape que saem do primeiro catalisador por contato do gás de escape com o segundo catalisador.

[0014] A vantagem do método de acordo com a invenção é que a redução dos NOx no primeiro catalisador próximo do motor vai aquecer rapidamente, de modo que a redução de NOX é iniciada no inicio do ciclo de ensaio. A fim de economizar espaço é sugerido que o NOx reduzido e o hidrocarboneto reduzindo o catalisador estão integrados numa unidade.

[0015] No método de acordo com o invento, um injetor de ureia é colocado a montante do primeiro catalisador. O ponto de injeção de ureia pode ser utilizado, em parte, apenas na partida a frio ou continuamente durante a operação do motor para aumentar o desempenho global do sistema total.

[0016] Como mencionado anteriormente, catalisadores de platina têm um excelente desempenho a baixa temperatura SCR mas a redução de NOX diminui quando a temperatura atinge a temperatura de ignição para a oxidação da amónia sobre o catalisador de Pt, que resulta em decomposição da amónia antes da redução de NOx poder acontecer.

[0017] O óxido de vanádio, contendo primeiro catalisador realmente começa a ser ativo no SCR na mesma gama de temperaturas como a oxidação de amónia acontece no catalisador contendo Pt.

[0018] Numa forma de realização da invenção, o primeiro catalisador compreende ainda óxido de tungsténio.

[0019] Em ainda uma forma de realização da invenção, o segundo catalisador compreende ainda paládio.

[0020] A vantagem destas formas de realização é um aumento da atividade de SCR mediante a inclusão de óxido de tungsténio no primeiro catalisador e estabilidade térmica melhorada, quando incluindo paládio no segundo catalisador.

[0021] Em ainda mais uma forma de realização da invenção, um catalisador de oxidação de amónia é colocado em camadas sobre pelo menos parte do segundo catalisador para remover quantidades restantes de amónia, que deixam o SCR a montante. Desse modo, a amónia SCR é substancialmente reduzida. O catalisador de oxidação de amónia preferido compreende platina e zeólitos promovidos com ferro e/ou cobre tendo uma elevada atividade para a oxidação de amónia para nitrogênio inócuo e água.

[0022] Em ainda uma forma de realização, a primeira unidade de catalisador pode ainda compreender um catalisador de zeólito SCR no primeiro catalisador. Os zeólitos preferidos são selecionados a partir do grupo de Y-zeólito, beta-zeólito, SAPO-zeólitos e chabazites.

[0023] É preferido, em todas as formas de realização acima que o primeiro e segundo catalisador sejam dispostos mais próximos em uma única unidade de catalisador.

[0024] A invenção é descrita em mais detalhe por referência aos desenhos, nos quais: a Fig. 1 A mostra esquematicamente um sistema de limpeza convencional de escape dos motores diesel e Fig. B um sistema de limpeza de escape de diesel de acordo com a invenção; a Fig. 2 é um gráfico que ilustra a eficiência do óxido de vanádio/Ti02 na hidratação da ureia para amónia a diferentes temperaturas; e a Fig. 3 a e b mostram a atividade do óxido de vanádio/Ti02 (SCR) e catalisador de Pt/TiO2 (DOC) de acordo com a invenção em dois intervalos de temperatura diferentes.

[0025] Como se mostra na Fig.l, os catalisadores SCR/DOC combinados no sistema B utilizado no método de acordo com a invenção substitui o catalisador DOC de oxidação no sistema convencional de limpeza de gás de escape A. O catalisador SCR/DOC tem funções duplas, um acoplada perto do catalisador SCR com óxido de vanádio sobre TiO2 e baixa temperatura SCR usando o Pt/TiO2 do segundo catalisador a temperaturas baixa e, em seguida, também usando o catalisador de óxido de vanádio/Ti02 para hidrolisar a ureia em amónia a baixas temperaturas, o que permite a utilização de ureia como precursor do agente redutor da amónia a temperaturas mais baixas até 150 °C.

[0026] FIG. 2 mostra o gráfico de hidratação da ureia a amónia e HNCO por contato com um catalisador/Ti02 óxido de vanádio. O catalisador foi impregnado com uma solução de ureia/água de 32,5% em volume.

[0027] O catalisador foi aquecido a uma taxa de 10 K/min e varrido com 70 ml/min com argônio e um humidificador.

[0028] Como é evidente a partir da Figura 2, o catalisador de óxido de vanádio tem uma elevada atividade na hidratação da ureia em amónia a uma temperatura entre 150 e 220 °C.

[0029] Figura 3a e 3b mostram a atividade do catalisador SCR/DOC de acordo com a invenção em dois intervalos de temperatura diferentes.

[0030] Como é evidente a partir Fig. 3a, numa gama de temperaturas entre 150 e 220 °C, uma certa quantidade de ureia é hidrolisada através do primeiro catalisador de óxido de vanádio/Ti02 (SCR) e a amónia é formada. A amónia reage então com o NOx no segundo catalisador de Pt/TiO2 (DOC), o qual é SCR ativo nesta gama de temperaturas. Tanto a concentração de NOX quanto a de amónia são reduzidas no catalisador de oxidação devido à reação SCR.

[0031] Quando a temperatura aumenta para 220 °C ou superior, como mostrado na Fig.3b, o primeiro catalisador SCR se torna mais ativo. A zona de reação é movida na direção da frente do catalisador e não ocorre reação SCR no catalisador DOC. A concentração de amónia formada é feita reagir com os NOx e ambos os reagentes são reduzidos devido à reação SCR.

Claims

1. Método para a limpeza de um gás de escape de um motor de ignição por compressão, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende os passos de injetar uma solução aquosa de ureia para o gás de escape a montante de um primeiro catalisador, que é um catalisador para redução catalítica seletiva de NOx (SCR) compreendendo óxido de vanádio suportado em titânia, em que o referido primeiro catalisador está disposto próximo ao motor e está acoplado próximo a um segundo catalisador, que é um catalisador de oxidação de diesel (DOC) que compreende platina em titânia e/ou alumina; em que o primeiro catalisador é efetivo em hidrolisar ureia antes que esta alcance o catalisador de oxidação de diesel e possui uma alta atividade na hidratação de ureia para amônia em temperaturas entre 150 e 220 °C, e o catalisador está disposto próximo ao motor de ignição por compressão de modo que o gás de escape deste aquece o primeiro catalisador a uma primeira temperatura, resultando na hidrólise via catalisador de ureia aquosa em amônia e então aquece o primeiro catalisador para uma segunda temperatura resultando em redução catalítica de NOx; em um primeiro modo de operação e a uma temperatura dos gases de escape entre 150 e 220 °C a) hidrolisar cataliticamente a solução aquosa de ureia a um agente redutor de amônia através do contato com um primeiro catalisador e b) remover subsequentemente uma parte do óxido de nitrogênio contido nos gases de escape entrando em contato com o gás de escape misturado com o agente redutor de amônia com um segundo catalisador disposto à jusante do primeiro catalisador; e em um segundo modo de funcionamento e a uma temperatura dos gases de escape acima de 220 °C a) decompor a solução aquosa de ureia ao agente redutor de amônia e remoção de uma parte dos óxidos de nitrogênio contidos nos gases de escape por meio de uma reação com o agente redutor de amônia na presença do primeiro catalisador e b) hidrocarbonetos e subsequentemente oxidantes, monóxido de carbono e amônia contidos nos gases de escape que saem do primeiro catalisador por contato do gás de escape com o segundo catalisador.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro catalisador compreende ainda óxido de tungsténio.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo catalisador compreende ainda paládio.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que um catalisador de oxidação de amônia é colocado em camadas sobre pelo menos parte do segundo catalisador.

5. Método, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o catalisador de oxidação de amônia compreende platina e zeólitos promovidos com ferro e/ou cobre.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERI ZADO pelo fato de que o primeiro catalisador compreende ainda um catalisador de zeólito SCR.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o catalisador de zeólito SCR compreende pelo menos um Y-zeólito, beta-zeólito, SAPO- zeólito e chabazites.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro catalisador e segundo catalisador são dispostos em uma única unidade de catalisador.