BR112020002763B1

BR112020002763B1 - Geração de amônia a partir do gás de escape do motor em condições ambientes com o uso de catalisadores de mudança do vapor de água e de síntese de amônia

Info

Publication number: BR112020002763B1
Application number: BR112020002763-4A
Authority: BR
Inventors: Christopher John Keturakis
Original assignee: Cummins Emission Solutions Inc
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2022-04-05
Also published as: BR112020002763A2; GB202001811D0; WO2019036244A1; GB2579306B; CN111032195B; CN111032195A; DE112018004206B4; US20190055868A1; DE112018004206T5; US10502109B2; GB2579306A

Abstract

Os sistemas e métodos aqui descritos se referem à geração de amônia a partir do gás de escape do motor em vez de ou além do uso de dosador(es) e/ou tanque(s) de armazenamento a bordo para fornecer os reagentes químicos necessários para purificação da corrente de escape. Sistemas e métodos para geração de amônia e/ou hidrogênio a partir do gás de escape do motor em sistemas de pós-tratamento de escape sob condições ambientes compreendem ao menos um catalisador de mudança do vapor de água (catalisador de WGS) e ao menos um catalisador de síntese de amônia (catalisador de AMS - "Ammonia Synthesis Catalyst") posicionado a jusante do catalisador de WGS. O catalisador de WGS é configurado para, utilizando o gás de escape do motor como uma entrada, gerar hidrogênio usado pelo catalisador de AMS como entradas para gerar amônia e/ou hidrogênio. A amônia e/ou o hidrogênio assim gerados são usados a jusante em catalisadores de redução catalítica seletiva (SCR) à base de amônia e/ou de hidrogênio.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS CORRELATOS

[001] Este pedido reivindica a prioridade sobre o pedido de patente US n° 15/677.873, intitulado "AMMONIA GENERATION FROM ENGINE EXHAUST AT AMBIENT CONDITIONS USING WATER-GAS SHIFT AND AMMONIA SYNTHESIS CATALYSTS", depositado em terça-feira, 15 de agosto de 2017, que está aqui incorporado, por referência, em sua totalidade e para todos os propósitos.

CAMPO TÉCNICO

[002] O presente pedido se refere de modo geral ao campo de sistemas de tratamento de gases de escape para motores de combustão interna.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[003] Em motores de combustão interna, como motores a diesel, compostos de óxido de nitrogênio (NOx) podem ser emitidos no escape. Para reduzir emissões de NOx, um processo de redução catalítica seletiva (SCR - "Selective Catalytic Reduction") pode ser implementado para converter os compostos de NOx em compostos mais neutros, como nitrogênio diatômico, água ou dióxido de carbono, com o auxílio de um catalisador e um redutor. O catalisador pode estar incluído em uma câmara catalisadora de um sistema de escape, como aquele de um veículo ou de uma unidade de geração de energia. Um redutor, como amônia anidra, amônia aquosa ou ureia, pode ser introduzido no fluxo de gás de escape antes da câmara catalisadora. Em implementações convencionais, a amônia é produzida a partir de soluções de redutor armazenadas a bordo do veículo. Para introduzir o redutor no fluxo do gás de escape para o processo de SCR, um sistema de SCR pode dosar ou de outro modo introduzir o redutor através de um módulo de dosagem (dosador) que vaporiza ou asperge o redutor para dentro de uma tubulação de escape do sistema de escape a montante da câmara catalisadora. Processos convencionais de dosagem de redutor podem estar sujeitos à corrosão do sistema de pós-tratamento, condensação de solução em baixas temperaturas (que prejudica o desempenho do catalisador), a necessidade de um tanque de redutor que precisa ser reabastecido periodicamente, e precisão no controle de dosagem através, por exemplo, de bocais de aspersão que são complexos e caros para fabricar.

[004] A reação de síntese de amônia usa nitrogênio e hidrogênio para produzir amônia (3H2 + N2 2NH3), tipicamente sob altas pressões (50 a 200 atmosferas). Convencionalmente, os sistemas para fornecer síntese de amônia a bordo incluem tanques de H2/N2 ou reforma de combustível como a fonte de H2. Além disso, é frequentemente utilizado um circuito de síntese de amônia de alta pressão, similar ao que é usado em processos industriais. A complexidade de sistemas de síntese de amônia a bordo convencionais exige um esforço e espaço significativos para executar e é a maior limitação para sua plena aceitação comercial.

[005] Um catalisador de mudança do vapor de água (WGS - "Water-gas Shift") usa água e monóxido de carbono para produzir hidrogênio e dióxido de carbono (H2O + CO CO2 + H2). Os catalisadores de WGS são fornecidos em muitas variedades, dependendo de suas condições de aplicação. Os catalisadores de mudança de baixa e de alta temperatura (LTS e HTS - "Low Temperature Shift" e "High Temperature Shift" respectivamente) são as variedades mais comumente utilizadas e são tipicamente operados a temperaturas de 180 a 275°C (LTS) e de 300 a 450°C (HTS). Outras variedades incluem um catalisador de WGS de mudança de média temperatura (MTS - "Medium Temperature Shift") para uma faixa de temperatura de 190 a 330°C e um catalisador de mudança de gás ácido para uso com gases contendo enxofre. Os catalisadores de WGS podem também funcionar em uma ampla faixa de pressão de no mínimo 1/10° de uma atmosfera até 30 atmosferas de pressão.

SUMÁRIO

[006] As implementações aqui descritas se referem a sistemas e métodos para geração de amônia a partir do gás escape do motor em condições ambientes com o uso de catalisadores de mudança do vapor de água e de síntese de amônia. Uma modalidade se refere a um método para tratar gás de escape em um sistema de pós- tratamento. O método compreende receber uma quantidade de gás de escape de um motor. A quantidade de gás de escape contém uma quantidade de água, uma quantidade de nitrogênio e uma quantidade de monóxido de carbono. Uma quantidade de hidrogênio é gerada a partir da quantidade de água e da quantidade de monóxido de carbono com o uso de um catalisador de mudança do vapor de água. Através de um catalisador de síntese de amônia, uma quantidade de amônia é gerada com o uso da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água a partir da quantidade de gás de escape e a quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape, como uma entrada. Um conduto de inserção alimenta um catalisador de redução catalítica seletiva com a quantidade de amônia, gerada pelo catalisador de síntese de amônia a partir da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água, e a quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape para um catalisador de redução de seleção catalítica.

[007] Em algumas modalidades, uma razão de conversão de água do catalisador de mudança do vapor de água não é maior que 25%. A quantidade de gás nitrogênio liberada a partir da quantidade de gás de escape pode fluir através do catalisador de mudança do vapor de água, e o método pode compreender adicionalmente alimentar o catalisador de síntese de amônia com a quantidade de gás nitrogênio e gerar ao menos a quantidade de amônia em uma razão de conversão de gás nitrogênio não maior que 15%.

[008] Em algumas modalidades, a quantidade de gás de escape recebido do motor é uma porção de uma quantidade total de gás de escape gerada pelo motor ao longo de um período de tempo, e o método compreende adicionalmente rotear a quantidade de gás de escape, através do conduto de escape, até o catalisador de mudança do vapor de água para gerar a quantidade de gás hidrogênio. Um conduto de recombinação de escape introduz a quantidade de amônia no catalisador de redução catalítica seletiva mediante a combinação da quantidade de amônia com a quantidade total de gás de escape gerada pelo motor.

[009] Em algumas modalidades, o catalisador de redução catalítica seletiva é à base de hidrogênio. Um conduto de gás hidrogênio captura uma quantidade de gás hidrogênio em excesso que permanece não reagido pelo catalisador de síntese de amônia durante a produção da quantidade de amônia. O conduto de gás hidrogênio introduz a quantidade de gás hidrogênio em excesso no catalisador de redução catalítica seletiva. A quantidade de gás hidrogênio em excesso não é maior que 1% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia.

[010] De acordo com várias modalidades, a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia a partir da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água não é maior que 2,5% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia. A quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água não é maior que 5% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água. A quantidade de água em relação à quantidade de gás de escape não é maior que 20%. A quantidade de monóxido de carbono em relação à quantidade de gás de escape não é maior que 3%.

[011] Em algumas modalidades, o catalisador de mudança do vapor de água é um catalisador de mudança de alta temperatura. O método compreende adicionalmente operar o catalisador de mudança do vapor de água a uma temperatura entre 200 e 550 graus Celsius. Em algumas modalidades, o catalisador de mudança do vapor de água é um catalisador de mudança de baixa temperatura e o método compreende adicionalmente operar o catalisador de mudança do vapor de água a uma temperatura entre 100 e 300 graus Celsius. Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia é operado a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm.

[012] O método pode compreender adicionalmente operar inicialmente o catalisador de síntese de amônia a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm, e aumentar progressivamente a pressão enquanto o catalisador de síntese de amônia está em operação de modo que o catalisador de síntese de amônia continue a gerar ao menos a quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água a partir da quantidade de gás de escape e de uma quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape, como uma entrada. A temperatura do catalisador de síntese de amônia pode ser progressivamente reduzida para 20 graus Celsius.

[013] Uma outra modalidade se refere a um sistema de pós-tratamento de escape. O sistema de pós-tratamento de escape compreende um conduto de escape estruturado para receber uma quantidade de gás de escape de um motor. A quantidade de gás de escape contém uma quantidade de água, uma quantidade de nitrogênio e uma quantidade de monóxido de carbono. O sistema de pós-tratamento de escape compreende adicionalmente um catalisador de mudança do vapor de água estruturado para gerar ao menos uma quantidade de hidrogênio a partir da quantidade de água e da quantidade de monóxido de carbono, um catalisador de síntese de amônia estruturado para gerar ao menos uma quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água e a quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape como uma entrada, um conduto de inserção estruturado para alimentar um catalisador de redução catalítica seletiva com a quantidade de amônia, gerada pelo catalisador de síntese de amônia a partir da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água e a quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape para um catalisador de seleção de redução catalítica.

[014] Em algumas modalidades, o sistema de pós-tratamento de escape compreende um catalisador de oxidação. Uma primeira porção da quantidade de gás de escape é roteada para o catalisador de síntese de amônia para gerar a quantidade de amônia e uma segunda porção do gás de escape é roteada para o catalisador de oxidação. A quantidade de amônia é combinada com a segunda porção do gás de escape de modo que uma corrente (fluxo) de escape combinada seja criada e alimentada no catalisador de redução catalítica seletiva.

[015] Em algumas modalidades, o catalisador de redução catalítica seletiva é à base de hidrogênio. O sistema compreende adicionalmente um conduto de gás hidrogênio configurado para capturar uma quantidade de gás hidrogênio em excesso que permanece não reagido pelo catalisador de síntese de amônia durante a produção da quantidade de amônia e introduzir a quantidade de gás hidrogênio em excesso no catalisador de redução catalítica seletiva. A quantidade de gás hidrogênio em excesso não é maior que 1% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia.

[016] Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia é configurado para operar a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm. A pressão pode ser progressivamente aumentada enquanto o catalisador de síntese de amônia está em operação de modo que o catalisador de síntese de amônia continue a gerar ao menos a quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio, gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água a partir da quantidade de gás de escape e de uma quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape, como uma entrada. Enquanto o catalisador de síntese de amônia estiver em operação, a temperatura do catalisador de síntese de amônia pode ser progressivamente reduzida para 20 graus Celsius.

[017] Em algumas modalidades, o sistema de pós-tratamento de escape compreende adicionalmente uma mídia de armazenamento legível por computador que tem instruções executáveis por computador nela incorporadas que, quando executadas por ao menos um processador, fazem com que a pressão seja progressivamente aumentada ou a temperatura seja progressivamente reduzida enquanto o catalisador de síntese de amônia continua a gerar ao menos a quantidade de amônia por um intervalo de tempo predeterminado.

BREVE DESCRIÇÃO

[018] Os detalhes de uma ou mais implementações são apresentados nos desenhos em anexo e na descrição abaixo. Outros recursos, aspectos e vantagens da revelação ficarão evidentes a partir da descrição, dos desenhos e das reivindicações, nos quais:

[019] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma arquitetura de pós- tratamento de escape exemplificadora que utiliza um catalisador de WGS e um catalisador de síntese de amônia para redução catalítica seletiva (SCR) de amônia de NOx, de acordo com uma modalidade exemplificadora;

[020] A Figura 2 é um diagrama de fluxo de espécies de gás através de catalisadores de WGS e de síntese de amônia, como aqueles do sistema da Figura 1, que usa tipicamente o escape de um motor a diesel como a alimentação, de acordo com uma modalidade exemplificadora; e

[021] A Figura 3 é um diagrama de um método para gerar amônia a partir do gás de escape do motor, de acordo com uma modalidade exemplificadora.

[022] Será reconhecido que algumas ou todas as Figuras são representações esquemáticas para propósitos de ilustração. As Figuras são fornecidas com o propósito de ilustrar uma ou mais implementações, com o entendimento explícito de que elas não serão usadas para limitar o escopo ou o significado das reivindicações.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[023] A seguir estão descrições mais detalhadas de vários conceitos relacionados a, e implementações de, métodos, aparelhos, conjuntos e sistemas para a geração de amônia a partir do gás de escape do motor em condições ambientes com o uso de catalisadores de mudança do vapor de água e de síntese de amônia. Sistemas e métodos para geração de amônia e/ou hidrogênio a partir do gás de escape do motor em sistemas de pós-tratamento de escape sob condições ambientes compreendem ao menos um catalisador de mudança do vapor de água (catalisador de WGS) e ao menos um catalisador de síntese de amônia (catalisador de AMS - "Ammonia Synthesis Catalyst") posicionado a jusante do catalisador de WGS. O catalisador de WGS é configurado para, utilizando o gás de escape do motor como uma entrada, gerar água e hidrogênio usado pelo catalisador de AMS como entradas para gerar amônia e/ou hidrogênio. A amônia e/ou o hidrogênio assim gerados são usados a jusante em catalisadores de redução seletiva (SCR) à base de amônia e/ou de hidrogênio. Em algumas modalidades, razões de conversão muito baixas necessárias para a operação bem-sucedida (a razão de conversão de H2O do catalisador de WGS não maior que 25% e a razão de conversão de N2 do catalisador de AMS não maior que 15%) possibilitam a miniaturização de catalisadores de SCR e/ou a eliminação gradual de componentes do sistema de pós-tratamento de escape convencionais, como armazenamento e/ou dosagem de redutor de SCR a bordo. Em algumas modalidades, a amônia e/ou o hidrogênio são gerados sob condições ambientes, como à pressão atmosférica e à temperatura ambiente. Os vários conceitos apresentados acima e discutidos com mais detalhes abaixo podem ser implementados de diversos modos, visto que os conceitos descritos não são limitados a nenhuma maneira específica de implementação. Os exemplos de implementações e aplicações específicas são fornecidos principalmente para propósitos de ilustração.

[024] A fim de reduzir emissões, deseja-se que sistemas e métodos melhorem o desempenho dos sistemas de pós-tratamento. Uma forma de melhorar o desempenho de sistemas de pós-tratamento é aumentar o nível de amônia (NH3) alimentado em um sistema de redução catalítica seletiva (SCR). É desejável realizar o aumento em amônia sem armazenamento adicional a bordo para amônia e/ou precursores de amônia, como ureia. Vantajosamente, os sistemas e métodos aqui descritos e relacionados à geração de amônia a partir do gás de escape do motor em condições ambientes com o uso de catalisadores de mudança do vapor de água e de síntese de amônia aumentam o nível de amônia no sistema de pós-tratamento do motor.

[025] Em algumas modalidades, os sistemas e métodos apresentados na presente invenção fornecem uma opção alternativa ou secundária para introduzir amônia no sistema de SCR por meio de um dosador embutido, que reduz os custos de fabricação, operação e manutenção devido ao fato de que ao menos uma porção da amônia é produzida diretamente a partir do gás de escape do motor. A injeção de amônia a partir de soluções à base de ureia pode ser reduzida ou eliminada. Uma modalidade compreende uma combinação de um ou mais catalisadores de WGS para produzir H2 e um ou mais catalisadores de síntese de amônia para produzir amônia a partir do gás de escape do motor. Vantajosamente, em uma modalidade exemplificadora, esses processos são executados sob condições de escape que são típicas para a redução catalítica seletiva de NOx. Em algumas modalidades, os catalisadores de WGS e/ou de AMS são operáveis em conversões muito baixas: uma dose máxima de 25.000 ppm de NH3 é aceitável para sistemas de pós-tratamento de motores a diesel que funcionam sob razões de NH3-para-NOx extremamente altas (0 a 15). Embora contraintuitivo em relação ao uso típico de catalisadores para obter conversões extremamente altas, isso é adequado sob condições de escape do motor, que não fornecem a pressão ideal para conversões de síntese de amônia altas. Vantajosamente, a amônia é produzida em temperaturas muito baixas, na faixa de 150 a 180°C, devido ao uso dos catalisadores em conversões muito baixas que não exigem altas temperaturas. As modalidades da presente revelação não se limitam ao uso de qualquer formulação de catalisador específica e compreendem catalisadores de WGS e catalisadores de síntese de amônia, em várias configurações adequadas, para, por fim, produzir amônia em quantidades desejáveis a partir do gás de escape do motor. Uma implementação exemplificadora, conforme apresentado adicionalmente na presente invenção, é projetada para gerar amônia a partir do gás de escape do motor em condições ambientes com o uso de catalisadores de mudança do vapor de água e de síntese de amônia.

[026] A Figura 1 é um diagrama esquemático de uma arquitetura de pós- tratamento de escape exemplificadora de um sistema de pós-tratamento de escape 100 que utiliza um catalisador de WGS e um catalisador de síntese de amônia para a redução catalítica seletiva (SCR) de amônia de NOx. O sistema de pós-tratamento de escape 100 pode ser usado em aplicações para tarefas pesadas, como motores estacionários, caminhões e/ou ônibus e/ou em outras aplicações, como carros de passeio e/ou veículos a diesel para tarefas leves. Conforme mostrado, o sistema de pós-tratamento de escape 100 compreende um catalisador de oxidação 102, um filtro 104, um catalisador de WGS 106, um catalisador de síntese de amônia 108 e um catalisador de SCR 110. Em algumas modalidades, um catalisador de oxidação de amônia (também chamado de catalisador deslizante de amônia (ASC - "Ammonia Slip Catalyst")) 124 é posicionado a jusante do catalisador de SCR 110 e é configurado para reduzir o excesso de amônia do catalisador de SCR.

[027] O catalisador de oxidação 102 é configurado para oxidar hidrocarbonetos e monóxido de carbono na corrente de escape 114, que é recebida pelo catalisador de oxidação 102 através do conduto de escape 116. Em algumas modalidades, o catalisador de oxidação 102 é um catalisador de oxidação de diesel (DOC - "Diesel Oxidation Catalyst").

[028] O filtro 104 é configurado para remover matéria particulada, como fuligem, da corrente de escape 114 que flui no sistema de pós-tratamento 100 através do conduto de escape 116. Em algumas modalidades, o filtro 104 é um filtro de particulados de diesel (DPF - "Diesel Particulate Filter"). O filtro 104 compreende uma entrada, na qual o gás de escape é recebido, e uma saída, da qual o gás de escape sai depois de filtrar adequadamente o material particulado substancialmente do gás de escape e/ou depois de converter a matéria particulada em dióxido de carbono.

[029] O catalisador de WGS 106 é configurado para produzir hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2). Vantajosamente, o catalisador de WGS 106 é configurado para operar sob condições ambientes, conforme adicionalmente descrito com referência à Figura 2. O catalisador de WGS 106 recebe uma quantidade de gás na corrente de escape 114 de um motor através do conduto de escape 116. De acordo com várias modalidades, o conduto de escape 116 pode compreender um metal, como aço aluminizado, ferro fundido, cromo, níquel, manganês, cobre e/ou titânio e/ou uma liga metálica adequada. A(s) superfície(s) do conduto de escape 116 pode(m) compreender um revestimento cerâmico adequado. A quantidade de gás na corrente de escape 114 contém ao menos uma quantidade de água e uma quantidade de monóxido de carbono, que são utilizadas como entradas para o catalisador de WGS 106 e suas reações químicas usadas para produzir o hidrogênio e o dióxido de carbono. Em uma modalidade exemplificadora, o catalisador de WGS 106 é configurado para produzir o hidrogênio e o dióxido de carbono de acordo com a reação química H2O + CO CO2 + H2. Em algumas modalidades, o catalisador de WGS 106 compreende cobre, cromo e óxido de ferro (Cu/Cr/Fe2O3). Em algumas modalidades, o catalisador de WGS 106 compreende cobre, zinco, óxido de alumínio (Cu/Zn/Al2O3). Em algumas modalidades, o catalisador de WGS 106 compreende sulfetos de cobalto e molibdênio, como CoS2 e/ou MoS2.

[030] O catalisador de síntese de amônia 108 é configurado para produzir amônia na saída usando ao menos o hidrogênio gerado pelo catalisador de WGS 106. Vantajosamente, o catalisador de síntese de amônia 108 é configurado para operar sob condições ambientes, conforme adicionalmente descrito com referência à Figura 2. Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende óxido de ferro (Fe2O3). Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende césio, rênio e óxido de alumínio (Cs/Re/Al2O3). Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende rutênio e óxido de magnésio (Ru/MgO). Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende nanopartículas de rutênio em amida de cálcio (Ru/Ca(NH2)2).

[031] Em uma modalidade exemplificadora, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende uma entrada configurada para receber o hidrogênio do catalisador de WGS 106 através do conduto de liberação de gás hidrogênio 118. De acordo com várias modalidades, o conduto de liberação de gás hidrogênio 118 pode compreender um metal, como aço aluminizado, ferro fundido, cromo, níquel, manganês, cobre e/ou titânio e/ou uma liga metálica adequada. A(s) superfície(s) do conduto de liberação de gás hidrogênio 118 pode(m) compreender um revestimento cerâmico adequado. Na modalidade exemplificadora, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende uma saída configurada para liberar a amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia 108 no catalisador de SCR 110 através do conduto de liberação de amônia 120.

[032] De acordo com várias modalidades, o conduto de liberação de amônia 120 pode compreender um metal, como aço aluminizado, ferro fundido, cromo, níquel, manganês, cobre e/ou titânio e/ou uma liga metálica adequada. A(s) superfície(s) do conduto de liberação de amônia 120 pode(m) compreender um revestimento cerâmico adequado.

[033] Em algumas modalidades, o catalisador de síntese de amônia 108 compreende uma célula eletroquímica. De acordo com várias modalidades, a célula eletroquímica pode compreender um ânodo, um cátodo, um circuito de carga externa, uma fonte de tensão e um eletrólito, como uma membrana ou como uma solução. Como entradas, a célula eletroquímica recebe o gás de escape do motor que contém uma quantidade de gás nitrogênio e uma quantidade de água ou um gás gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água contendo uma quantidade de hidrogênio, uma quantidade de água e uma quantidade de nitrogênio.

[034] De acordo com várias implementações, a célula eletroquímica pode ser uma célula de combustível de membrana por troca de prótons (PEMFC - "Proton Exchange Membrane Fuel Cell") compreendendo um ânodo. O ânodo gera uma quantidade de prótons (H+) e elétrons (e-) a partir de uma quantidade de hidrogênio, gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água, ou de uma quantidade de água, presente no gás de escape gerado pelo motor. A PEMFC compreende adicionalmente uma membrana de eletrólito que transfere uma quantidade de prótons do ânodo para o cátodo, um circuito de carga externa que transfere os elétrons do ânodo para o cátodo, e um cátodo que converte os prótons, elétrons e gás nitrogênio, que está presente no escape gerado pelo motor, para formar amônia. Nos casos em que a reação química não ocorre espontaneamente, uma tensão é aplicada à célula a partir de uma fonte de tensão externa para induzir a reação. Em outras implementações, a célula eletroquímica pode ser uma célula galvânica/voltaica que compreende componentes similares à PEMFC, mas com o ânodo e o cátodo submersos, cada um, em uma solução de eletrólito separada e uma membrana porosa separando as duas meias-células.

[035] O catalisador de SCR 110 é configurado para auxiliar na redução de emissões de NOx mediante aceleração de um processo de redução de NOx entre a amônia e o NOx do gás de escape em nitrogênio diatômico, água e/ou dióxido de carbono. Em algumas modalidades, qualquer hidrogênio em excesso produzido pelo catalisador de síntese de amônia 108 é roteado para um catalisador de SCR à base de hidrogênio (não mostrado). Em algumas modalidades, o catalisador de SCR à base de hidrogênio é configurado para converter NOx em N2O, N2 e H2O na presença de H2 e O2. O catalisador de SCR à base de hidrogênio pode compreender um revestimento à base de metal nobre. Na modalidade exemplificadora, o catalisador de SCR 110 é um catalisador de SCR à base de amônia. O catalisador de SCR 110 compreende uma entrada a partir da qual o gás de escape e o redutor são recebidos e uma saída em comunicação fluida com uma extremidade do sistema de pós-tratamento de escape 100. Em uma modalidade exemplificadora, o catalisador de SCR 110 recebe gás de escape contendo amônia através do conduto de liberação de amônia 120.

[036] Em algumas modalidades, toda a quantidade de amônia usada pelo catalisador de SCR 110 é recebida do catalisador de síntese de amônia 108. Em certas modalidades, o catalisador de SCR 110 recebe e usa uma quantidade adicional de amônia através de um sistema de dosagem de redutor (não mostrado). Um sistema de dosagem de redutor exemplificador compreende um módulo de dosagem configurado para dosar uma quantidade adicional de amônia para dentro de uma câmara de decomposição associada ao catalisador de SCR 110. A câmara de decomposição é configurada para converter um redutor, como ureia ou fluido de escape de diesel (DEF - "Diesel Exhaust Fluid"), em amônia. A câmara de decomposição está em comunicação fluida com um sistema de liberação de redutor no qual o módulo de dosagem é configurado para dosar o redutor para dentro da câmara de decomposição. O módulo de dosagem é fluidamente acoplado a uma ou mais fontes de redutor. Uma bomba pode ser usada para pressurizar o redutor para fora da fonte de redutor para liberação no módulo de dosagem. O redutor é inserido a montante do catalisador de SCR 110 e a jusante do catalisador de oxidação 102 e/ou do filtro 104. As gotículas de redutor passam, então, pelos processos de evaporação, termólise e hidrólise para formar amônia gasosa. A câmara de decomposição compreende uma entrada em comunicação fluida com o catalisador 102 e/ou o filtro de oxidação 104 para receber o gás de escape, como a corrente de escape 114, que contém emissões de NOx e uma saída para que o gás de escape, as emissões de NOx, a amônia e/ou o redutor restante fluam para o catalisador de SCR 110.

[037] Em algumas modalidades, o sistema de pós-tratamento de escape 100 é configurado para rotear toda a quantidade de gás na corrente de escape 114 através do catalisador de WGS 106 e do catalisador de síntese de amônia 108, desviando do catalisador de oxidação 102 e do filtro 104. Nessas implementações, o catalisador de oxidação 102 e o filtro 104 podem ser omitidos do sistema de pós-tratamento 100. O catalisador de WGS 106 recebe uma quantidade de gás na corrente de escape 114 de um motor através do conduto de escape 116. O catalisador de WGS 106 produz uma quantidade de hidrogênio, que é liberada pelo conduto de liberação de gás hidrogênio 118 para o catalisador de síntese de amônia 108. O catalisador de síntese de amônia 108 produz uma quantidade de amônia, que é liberada pelo conduto de liberação de amônia 120 para o catalisador de SCR 110.

[038] Em outras modalidades, o sistema de pós-tratamento de escape 100 é configurado para rotear apenas uma porção de toda a quantidade da corrente de escape 114 através do catalisador de WGS 106 e do catalisador de síntese de amônia 108. Em tais modalidades, o catalisador de WGS 106 e o catalisador de síntese de amônia 108 são configurados para processar o gás na corrente de escape 114 em paralelo com o catalisador de oxidação 102 e o filtro 104. O conduto de escape 116 é configurado para se dividir em ao menos dois segmentos para desviar uma primeira porção de gás na corrente de escape 114 para o catalisador de WGS 106. De acordo com uma modalidade exemplificadora, o conduto de escape 116 é dividido em um primeiro conduto de roteamento de escape 116a, um segundo conduto de roteamento de escape 116b, um terceiro conduto de roteamento de escape 116c e um quarto conduto de roteamento de escape 116d.

[039] O catalisador de WGS 106 recebe a primeira porção de toda a quantidade de gás na corrente de escape 114 de um motor através do primeiro conduto roteamento de escape 116a. O catalisador de WGS 106 produz uma quantidade de hidrogênio, que é roteada e liberada pelo conduto de liberação de gás hidrogênio 118 para o catalisador de síntese de amônia 108. O catalisador de síntese de amônia 108 produz uma quantidade de amônia, que é roteada e liberada pelo conduto de liberação de amônia 120 para o catalisador de SCR 110. O catalisador de oxidação 102 recebe uma segunda porção de toda a quantidade de gás na corrente de escape 114 de um motor através do segundo conduto de roteamento de escape 116b. O catalisador de oxidação 102 é configurado para oxidar hidrocarbonetos e monóxido de carbono contidos na segunda porção de toda a quantidade de gás na corrente de escape 114 e injetar o produto na corrente de escape 114, que, depois de fluir através do catalisador de oxidação 102, é roteado pelo terceiro conduto de roteamento de escape 116c para o filtro 104. O filtro 104 é configurado para remover matéria particulada, como fuligem, da corrente de escape 114 e liberar a corrente de escape 114 através do quarto conduto de roteamento de escape 116d. Em algumas modalidades, o filtro 104 é desviado ou omitido de modo que o terceiro conduto de roteamento de escape 116c e o quarto conduto de roteamento de escape 116d sejam combinados e a corrente de escape 114 flua diretamente para a entrada do catalisador de oxidação 102.

[040] A amônia produzida pelo catalisador de síntese de amônia 108 é recombinada com a corrente de escape 114 antes de a corrente combinada entrar no catalisador de SCR 110 a fim de fornecer amônia para o catalisador de SCR 110. O conduto de liberação de amônia 120, que libera amônia a partir do catalisador de síntese de amônia 108, e o quarto conduto de roteamento de escape 116d, que libera a corrente de escape 114 processada pelo catalisador de oxidação 102 e/ou o filtro 104, são estruturados para convergir de modo que a amônia e a corrente de escape 114 combinadas sejam liberadas em um único fluxo pelo conduto de recombinação de gás de escape 122. De acordo com várias modalidades, o conduto de recombinação de gás de escape 122 pode compreender um metal, como aço aluminizado, ferro fundido, cromo, níquel, manganês, cobre e/ou titânio e/ou uma liga metálica adequada. A(s) superfície(s) do conduto de recombinação de gás de escape 122 pode(m) compreender um revestimento cerâmico adequado.

[041] Algumas modalidades compreendem um controlador (não mostrado). Em algumas modalidades, o controlador compreende um microprocessador, um circuito integrado para aplicação específica (ASIC - "Application-specific Integrated Circuit"), uma matriz de portas programável em campo (FPGA - "Field-programmable Gate Array"), etc., ou combinações dos mesmos. O controlador pode incluir uma memória que pode compreender, mas não se limita a, um dispositivo de transmissão ou armazenamento eletrônico, óptico, magnético ou qualquer outro que tenha capacidade para fornecer instruções de programa a um processador, ASIC, FPGA, etc. A memória pode compreender um circuito integrado de memória, memória só de leitura programável eletricamente apagável (EEPROM - "Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory"), memória só de leitura programável apagável (EPROM - "Erasable Programmable Read-Only Memory"), memória flash ou qualquer outra memória adequada a partir da qual o controlador pode ler as instruções. As instruções podem compreender código de qualquer linguagem de programação adequada.

[042] Algumas modalidades compreendem adicionalmente ao menos um sensor eletronicamente acoplado ao controlador e configurado para fornecer valores e/ou sinais relacionados à operação dos componentes do sistema de pós-tratamento 100. Por exemplo, um sensor pode ser posicionado a montante do catalisador de WGS 106 e/ou do catalisador de oxidação 102 e é configurado para medir a quantidade, velocidade, composição (como os componentes descritos em relação à Figura 2), rendimento e/ou outras características associadas à corrente de escape 114. Os valores e/ou sinais fornecidos pelo sensor são usados pelo controlador configurado para determinar a quantidade de gás na primeira porção da corrente de escape 114 para rotear para o catalisador de WGS 106 e/ou a quantidade de gás na segunda porção da corrente de escape para rotear para o catalisador de oxidação 102. Em algumas modalidades, os valores e/ou sinais fornecidos pelo sensor são usados pelo controlador configurado para definir e/ou ajustar os parâmetros para operação do catalisador de WGS 106, como a sua temperatura de operação, temporização de operação e/ou pressão.

[043] Um sensor posicionado a jusante do catalisador de WGS 106 pode ser configurado para determinar a composição da corrente de saída do catalisador de WGS 106. Os valores e/ou sinais fornecidos pelo sensor são usados pelo controlador configurado para definir e/ou ajustar os parâmetros para operação do catalisador de síntese de amônia 108, como a sua temperatura de operação, temporização de operação e/ou pressão.

[044] Em algumas modalidades, um sensor é posicionado a jusante do catalisador de síntese de amônia 108 e é configurado para determinar a composição da corrente de saída do catalisador de síntese de amônia 108. O sensor pode ser configurado para determinar a quantidade do hidrogênio em excesso produzido pelo catalisador de síntese de amônia 108 para roteamento para o catalisador de SCR à base de hidrogênio. Os valores e/ou sinais fornecidos pelo sensor são usados pelo controlador configurado para determinar a temporização e/ou a quantidade do hidrogênio em excesso para roteamento para o catalisador de SCR à base de hidrogênio. Os valores e/ou sinais fornecidos pelo sensor são usados pelo controlador para definir e/ou ajustar os parâmetros para operação do catalisador de SCR 110, como a temporização de atuação do módulo de dosagem para liberar amônia adicional. O módulo de dosagem e a bomba podem ser elétrica ou comunicativamente acoplados ao controlador e configurados para controlar o módulo de dosagem a fim de dosar o redutor para produzir amônia adicional para inserção na câmara de decomposição associada ao catalisador de SCR 110.

[045] A Figura 2 é um diagrama de fluxo 200 de espécies de gás através de catalisadores de WGS e de síntese de amônia, como aqueles do sistema da Figura 1, que usa tipicamente o escape de um motor a diesel como a alimentação, de acordo com uma modalidade exemplificadora. O diagrama de fluxo 200 na Figura 2 fornece um exemplo das espécies de gás através dos catalisadores nesse processo juntamente com conversões necessárias para produzir 25.000 ppm de NH3 na saída.

[046] O diagrama de fluxo 200 inclui o catalisador de WGS 106 da Figura 1 e o catalisador de síntese de amônia 108 da Figura 1. O catalisador de WGS 106 é configurado para receber uma corrente de entrada 206 e para produzir uma corrente de produto intermediário 208. A corrente de entrada 206 compreende a corrente de escape 114. Na modalidade exemplificadora, a composição da corrente de entrada 206 compreende 0 a 21% de O2, 0 a 20% de H2O, 0 a 18% de CO2, 0 a 3% de CO, 0 a 5.000 ppm de NOx e/ou N2. A reação de WGS executada na modalidade exemplificadora pelo catalisador de WGS 106 está sob a forma H2O + CO CO2 + H2. A quantidade de gás nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape flui através do catalisador de mudança do vapor de água e pode não participar da reação química do catalisador de mudança do vapor de água.

[047] Vantajosamente, a reação de WGS executada pelo catalisador de WGS 106 é realizada sob uma razão alta de H2O/CO (1 a 700). O gás de escape do motor a diesel contém aproximadamente 8% de H2O, 7% de CO2 e 300 a 500 ppm de CO, todas as espécies de gás necessárias para produzir hidrogênio com uma razão muito alta de H2O/CO. Vantajosamente, os catalisadores de WGS só precisam obter 25% de conversão de H2O para produzir a quantidade máxima de NH3 necessária na modalidade exemplificadora da Figura 1. Um catalisador de HTS, que é tipicamente operado a 300 a 450°C, é ativo com conversões muito baixas até 200°C. Dessa forma, os catalisadores de LTS, que são tipicamente operados a 180 a 275°C, são configuráveis para produzir H2 em conversões muito baixas de H2O a temperaturas reduzidas a ao menos 150°C.

[048] O catalisador de síntese de amônia 108 é configurado para receber a corrente de produto intermediário 208 e para produzir uma corrente de saída 210. Na modalidade exemplificadora, a corrente de produto intermediário 208 compreende 0 a 21% de O2, 0 a 20% de H2O, 0 a 18% de CO2, 0 a 6% de CO, 0 a 5.000 ppm de NOx, 0 a 5% de H2 e/ou N2. A reação de síntese de amônia executada na modalidade exemplificadora pelo catalisador de síntese de amônia 108 está sob a forma 3H2 + N2 2NH3. Em uma modalidade exemplificadora, a corrente de saída 210 compreende 0 a 21% de O2, 0 a 20% de H2O, 0 a 18% de CO2, 0 a 6% de CO, 0 a 5.000 ppm de NOx, 0 a 1% de H2, 0 a 2,5% de NH3 e/ou N2.

[049] Ainda com referência ao catalisador de síntese de amônia 108, o gás de escape do motor a diesel, como o gás na corrente de escape 114 da Figura 1, contém 75% de N2 à pressão atmosférica e temperaturas de até 550°C ou mais, que é uma boa fonte de N2 para a síntese de amônia. Apesar da alta pressão tipicamente exigida pelo processo industrial para obter conversões altas, o catalisador de síntese de amônia 108 da modalidade exemplificadora é configurado para realizar essa reação em uma pressão aproximadamente igual à atmosférica (0,5 a 3 atm). Um dos fatores contribuintes nessa configuração é a composição do catalisador de síntese de amônia 108 que, de acordo com modalidades exemplificadoras, compreende césio, rênio e óxido de alumínio (Cs/Re/Al2O3); rutênio e óxido de magnésio (Ru/MgO); nanopartículas de rutênio em amida de cálcio (Ru/Ca(NH2)2); e/ou uma célula eletroquímica. Essas configurações produzem razões de conversão baixas, mas o inventor constatou que, vantajosamente, catalisadores de síntese de amônia só precisam atingir < 15% de conversão de N2 para produzir a quantidade máxima de NH3 necessária, por exemplo, na modalidade exemplificadora da Figura 1. Os catalisadores de síntese de amônia convencionais têm demonstrado atividade catalítica em temperaturas de no mínimo 200°C e à pressão atmosférica. De acordo com uma modalidade exemplificadora, em pontos de pressão mais altos que a pressão atmosférica, o catalisador de síntese de amônia 108 permanece ativo em temperaturas de no mínimo 20°C (temperatura ambiente). Dessa forma, conversões baixas de N2 de 15% ou menos são suficientes nas modalidades exemplificadoras da Figura 2 e são obtidas à pressão atmosférica. Vantajosamente, embora tipicamente a contaminação do catalisador de síntese de amônia com oxigênio seja uma preocupação, o requisito de conversão baixa reduz esse risco, por exemplo, porque um catalisador de síntese de amônia à base de rutênio 108 da modalidade exemplificadora é configurável para uso tanto em aplicações de síntese de amônia quanto de SCR passiva de amônia. Além disso, de acordo com algumas modalidades, a síntese de amônia é feita diretamente a partir do ar (oxigênio e nitrogênio) e da água da corrente de entrada à temperatura ambiente de 20 a 40°C e pressão de 0,5 a 1,5 atm com o uso de métodos eletroquímicos, como uma PEMFC. Em algumas modalidades, a síntese de amônia é feita a partir de uma corrente de hidrogênio e nitrogênio na faixa de temperatura de 200 a 340°C e na faixa de pressão de 1 a 10 atm com o uso de catalisadores de óxido metálico ou metal sólido, como nanopartículas de rutênio em amida de cálcio (Ru/Ca(NH2)2).

[050] A Figura 3 é um diagrama de um método 300 para gerar amônia a partir do gás de escape do motor de acordo com uma modalidade exemplificadora. Em 302, uma quantidade de gás de escape é recebida do motor, por exemplo, na corrente de escape 114 da Figura 1. A quantidade de gás de escape contém uma quantidade de água (H2O) e uma quantidade de monóxido de carbono (CO). A quantidade de água em relação à quantidade de gás de escape é de 20% ou menos. A quantidade de monóxido de carbono em relação à quantidade de gás de escape é de 3% ou menos.

[051] Em 304, é determinado se a quantidade total do gás de escape recebida do motor deve ser dividida. Em algumas modalidades, essa determinação é feita pelo controlador com base na entrada de ao menos um sensor, conforme descrito em referência à Figura 1. O controlador pode definir um sinalizador digital para indicar que a quantidade total do gás de escape foi dividida. Em outras modalidades, essa determinação é integrada à funcionalidade dos condutos, descrita em referência à Figura 1, de modo que, por exemplo, a primeira porção de gás na corrente de escape 114 seja automaticamente roteada através do primeiro conduto de roteamento de escape 116a e a segunda porção de gás na corrente de escape 114 seja automaticamente roteada através do segundo conduto de roteamento 116b quando a corrente de escape 114 alcançar o ponto onde o conduto de escape 116 se divide no primeiro conduto de roteamento de escape 116a e no segundo conduto de roteamento de escape 116b.

[052] Se a quantidade total de gás na corrente de escape 114 for dividida, então, em 306, apenas uma porção da quantidade do gás de escape recebida do motor em 302 é roteada para o catalisador de WGS 106 da Figura 1. Caso contrário, a quantidade total do gás de escape na corrente de escape 114 recebida do motor é roteada para o catalisador de WGS 106 em 308. O catalisador de WGS 106 é configurado para gerar uma quantidade de hidrogênio a partir do gás de escape recebido como uma entrada, conforme descrito, por exemplo, em referência à Figura 2.

[053] Em 310, o catalisador de WGS 106 é operado para gerar uma quantidade de hidrogênio a partir da quantidade de gás de escape, conforme descrito, por exemplo, em referência à Figura 2. A quantidade de todo o gás de escape é a quantidade total do gás de escape recebida do motor na corrente de escape 114, roteada para o catalisador de WGS 106 em 308, ou uma porção da quantidade do gás de escape recebida do motor na corrente de escape 114, roteada para o catalisador de WGS 106 em 306.

[054] Em 312, um catalisador de síntese de amônia, como o catalisador de síntese de amônia 108 da Figura 1, é operado para gerar uma quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de WGS 106 em 310, conforme descrito, por exemplo, em referência à Figura 2.

[055] Em algumas modalidades que incluem um catalisador de SCR à base de hidrogênio, em 314, é determinado se o catalisador de síntese de amônia 108 gerou uma quantidade em excesso de hidrogênio. Essa determinação pode ser feita pelo controlador com base na entrada de ao menos um sensor, conforme descrito em referência à Figura 1. Se for determinado que o hidrogênio em excesso está disponível, em 316, o hidrogênio em excesso é roteado para o catalisador de SCR à base de hidrogênio, onde ocorre um processo de redução de NOx. Essa determinação pode ser feita pelo controlador e pode incluir um cálculo da quantidade de hidrogênio em excesso. Em 318, é determinado se a quantidade total de gás na corrente de escape foi dividida. Essa determinação pode ser feita com base na estrutura física do(s) conduto(s) e/ou com base em se um sinalizador foi digitalmente definido pelo controlador em 304. Em algumas modalidades, essa determinação é feita com base ao menos na(s) entrada(s) de um ou mais sensores configurados para capturar a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia 108 em relação à quantidade de gás da corrente de escape 114. Se a resposta em 318 for afirmativa, então, em 320, a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia 108 em 312 é recombinada (por exemplo, conforme descrito em referência à Figura 1) com a quantidade de gás da corrente de escape 114 processada através do catalisador de oxidação 102 e/ou do filtro 104.

[056] Em 322, a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia 108 é alimentada em um catalisador de SCR, como o catalisador de SCR 110 da Figura 1.

[057] Embora este relatório descritivo contenha diversos detalhes de implementação específicos, estes não devem ser interpretados como limitações ao escopo do que pode ser reivindicado, mas sim como descrições de recursos específicos para implementações específicas. Certos recursos descritos neste relatório descritivo, no contexto de implementações separadas, podem ser também implementados de maneira combinada em uma implementação única. Por outro lado, vários recursos descritos no contexto de uma implementação única podem ser também implementados em múltiplas implementações, separadamente ou em qualquer subcombinação adequada. Além disso, embora os recursos possam ser descritos acima como agindo em determinadas combinações e mesmo inicialmente reivindicados dessa forma, um ou mais recursos de uma combinação reivindicada podem, em alguns casos, ser removidos da combinação, e a combinação reivindicada pode ser direcionada a uma subcombinação ou a uma variação de uma subcombinação.

[058] De modo similar, embora as operações sejam representadas nos desenhos em uma ordem específica, isso não deve ser entendido como uma exigência de que tais operações sejam executadas na ordem específica mostrada ou em ordem sequencial, ou que todas as operações ilustradas sejam executadas, a fim de se obter os resultados desejados. Em determinadas circunstâncias, a separação de vários componentes do sistema nas implementações descritas acima não deve ser entendida como exigindo tal separação em todas as implementações, e deve-se entender que os componentes e sistemas descritos podem geralmente ser integrados em um único produto ou embalados em múltiplos produtos incorporados em meios tangíveis.

[059] O termo "controlador" abrange todos os tipos de aparelhos, dispositivos e máquinas para processamento de dados, inclusive, a título de exemplo, um processador programável, um computador, um sistema em um circuito integrado, ou múltiplos destes, uma porção de um processador programado ou combinações dos itens anteriormente mencionados. O aparelho pode compreender circuitos lógicos de propósito específico, por exemplo, um FPGA ou um ASIC. O aparelho pode compreender também, além do hardware, um código que cria um ambiente de execução para o programa de computador em questão, por exemplo, um código que constitui um firmware de processador, uma pilha de protocolo, um sistema de gerenciamento de base de dados, um sistema operacional, um ambiente de tempo de execução multiplataforma, uma máquina virtual ou uma combinação de um ou mais desses itens. O aparelho e o ambiente de execução podem efetuar várias infraestruturas de modelo de computação diferentes, como infraestruturas de computação distribuída e computação em grade.

[060] Conforme utilizados na presente invenção, o termo "substancialmente" e termos similares se destinam a ter um significado amplo em harmonia com o uso comum e aceito pelos versados na técnica à qual o assunto desta revelação se refere. Deve ser entendido, pelos versados na técnica que revisam a presente revelação, que esses termos se destinam a permitir uma descrição de certos recursos descritos e reivindicados, sem restringir o escopo desses recursos às exatas faixas numéricas fornecidas. Consequentemente, esses termos devem ser interpretados como indicando que modificações ou alterações insubstanciais ou inconsequentes do assunto descrito e reivindicado são consideradas como estando dentro do escopo da invenção, conforme mencionado nas reivindicações anexas. Adicionalmente, nota-se que limitações nas reivindicações não devem ser interpretadas como constituindo limitações de "meios mais funções" sob as leis de patentes dos Estados Unidos da América, caso o termo "meios" não seja usado nas mesmas.

[061] O termo "acoplado" e similares, conforme usado na presente invenção, significa a união de dois componentes direta ou indiretamente um ao outro. Tal união pode ser estacionária (por exemplo, permanente) ou móvel (por exemplo, removível ou liberável). Tal união pode ser obtida com os dois componentes ou os dois componentes e quaisquer componentes intermediários adicionais sendo integralmente formados uns com os outros como um único corpo unitário, ou com os dois componentes ou os dois componentes e quaisquer componentes intermediários adicionais sendo fixados uns aos outros.

[062] Os termos "fluidamente acoplado", "em comunicação fluida" e similares, como usados aqui, significam que os dois componentes ou objetos têm uma rota formada entre os dois componentes ou objetos na qual pode fluir um fluido, como água, ar, redutor gasoso, amônia gasosa, etc., com ou sem componentes ou objetos intermediários. Exemplos de acoplamentos fluidos ou configurações para possibilitar a comunicação fluida podem compreender tubulações, canais ou quaisquer outros componentes adequados para possibilitar o fluxo de um fluido a partir de um componente ou objeto para outro.

[063] É importante notar que a construção e a disposição do sistema mostrado nas várias implementações exemplificadoras são de caráter apenas ilustrativo e não restritivo. Deseja-se que estejam protegidas todas as alterações e modificações que estão dentro do espírito e/ou escopo das implementações descritas. Deve-se compreender que alguns recursos podem não ser necessários e que implementações desprovidas das várias características podem ser contempladas como dentro do escopo do pedido, sendo o escopo definido pelas reivindicações a seguir. Na leitura das reivindicações pretende-se que, quando forem usadas as palavras como "um", "uma", "ao menos um/uma" ou "ao menos uma porção", não haja intenção de limitar a reivindicação a somente um item, exceto quando especificamente declarado em contrário na reivindicação. Quando forem usadas as expressões "ao menos uma porção" e/ou "uma porção", o item pode compreender uma porção e/ou a totalidade do item, exceto quando especificamente declarado em contrário.

Claims

1. Sistema de pós-tratamento de escape CARACTERIZADO pelo fato de compreender: um conduto de exaustão (116) estruturado para receber uma quantidade de gás de escape de um motor (114), a quantidade de gás de escape contendo uma quantidade de água, uma quantidade de nitrogênio e uma quantidade de monóxido de carbono; um catalisador de mudança do vapor de água (106) estruturado para gerar ao menos uma quantidade de hidrogênio a partir da quantidade de água e a quantidade de monóxido de carbono, em que a taxa de conversão de água do catalisador de mudança do vapor de água (106) não é maior que 25%; um catalisador de síntese de amônia (108) estruturado para gerar, pelo menos, uma quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) e a quantidade de nitrogênio da quantidade de gás de escape como uma entrada; e um conduto de inserção (122) estruturado para alimentar a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia (108) da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) e a quantidade de nitrogênio da quantidade de gás de escape, para um catalisador de redução catalítica seletiva (110).

2. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente um catalisador de oxidação (102), em que uma primeira porção da quantidade de gás de escape é roteada para o catalisador de síntese de amônia (108) para gerar a quantidade de amônia e uma segunda porção do gás de escape é roteada para o catalisador de oxidação (102), e em que a quantidade de amônia é combinada com a segunda porção do gás de escape de modo que um fluxo de exaustão combinado é criado e alimentado no catalisador de redução catalítica seletiva (110).

3. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de o catalisador de redução catalítica seletiva (110) ser à base de hidrogênio, e o sistema compreende adicionalmente um conduto de gás hidrogênio configurado para: capturar uma quantidade de gás hidrogênio em excesso que permanece não reagido pelo catalisador de síntese de amônia (108) durante a produção da quantidade de amônia; e introduzir a quantidade de gás hidrogênio em excesso no catalisador de redução catalítica seletiva (110); sendo que a quantidade de gás hidrogênio em excesso não é maior que 1% em relação a um volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia (108).

4. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de o catalisador de síntese de amônia (108) ser configurado para operar a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm.

5. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de, enquanto o catalisador de síntese de amônia (108) estiver em operação, a temperatura do catalisador de síntese de amônia (108) é progressivamente reduzida para 20 graus Celsius.

6. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente uma mídia de armazenamento legível por computador que tem instruções executáveis por computador nela incorporadas que, quando executadas por ao menos um processador, fazem com que a pressão seja progressivamente aumentada e a temperatura seja progressivamente reduzida enquanto o catalisador de síntese de amônia (108) continua a gerar ao menos a quantidade de amônia por um intervalo de tempo predeterminado.

7. Sistema de pós-tratamento de escape, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de a pressão ser progressivamente aumentada enquanto o catalisador de síntese de amônia (108) está em operação de modo que o catalisador de síntese de amônia (108) continue a gerar ao menos a quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) da quantidade de gás de escape, e uma quantidade de nitrogênio da quantidade de gás de escape, como uma entrada.

8. Método para tratamento de gás de escape em um sistema de pós- tratamento, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, sendo o método CARACTERIZADO por compreender: receber, em um conduto de exaustão (116), uma quantidade de gás de escape de um motor (114), a quantidade de gás de escape contendo uma quantidade de água, uma quantidade de nitrogênio e uma quantidade de monóxido de carbono; gerar, usando um catalisador de mudança do vapor de água (106), uma quantidade de hidrogênio a partir da quantidade de água e a quantidade de monóxido de carbono, em que uma razão de conversão de água do catalisador de mudança do vapor de água (106) não é superior a 25%; gerar, usando um catalisador de síntese de amônia (108), uma quantidade de amônia usando a quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) da quantidade de gás de escape e a quantidade de nitrogênio da quantidade de gás de escape, como uma entrada; e alimentar, por meio de um conduto de inserção (122), a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia (108) da quantidade de hidrogênio gerada pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) e a quantidade de nitrogênio da quantidade do gás de escape para um catalisador de redução catalítica seletiva (110).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de gás nitrogênio da quantidade do gás de escape flui através do catalisador de mudança do vapor de água (106), e sendo que o método compreende adicionalmente alimentar a quantidade de gás nitrogênio ao catalisador de síntese de amônia (108) e gerar, pelo menos, a quantidade de amônia em uma razão de conversão de gás nitrogênio não maior que 15%.

10. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade do gás de escape recebido do motor (114) é uma porção de uma quantidade total de gás de escape gerada pelo motor (114) durante um período de tempo e sendo que o método compreende adicionalmente: rotear a quantidade do gás de escape, por um conduto de escape (116a), para o catalisador de mudança do vapor de água (106) para gerar a quantidade de gás hidrogênio; e introduzir, por um conduto de recombinação de escape (120), a quantidade de amônia no catalisador de redução catalítica seletiva (110) mediante a combinação da quantidade de amônia com a quantidade total de gás de escape gerada pelo motor (114).

11. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de o catalisador de redução catalítica (110) seletiva ser à base de hidrogênio e sendo que o método compreende adicionalmente: capturar, por meio de um conduto de gás hidrogênio, uma quantidade de gás hidrogênio em excesso que permanece não reagido pelo catalisador de síntese de amônia (108) durante a produção da quantidade de amônia; e introduzir, pelo conduto de gás hidrogênio, a quantidade de gás hidrogênio em excesso no catalisador de redução catalítica seletiva (110), sendo que a quantidade de gás hidrogênio em excesso não é maior que 1% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia (108).

12. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de a quantidade de amônia gerada pelo catalisador de síntese de amônia (108) a partir da quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) não ser maior que 2,5% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de síntese de amônia (108).

13. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) não é maior que 5% em relação ao volume do produto gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106).

14. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de água em relação à quantidade de gás de escape não é maior que 20%.

15. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de monóxido de carbono em relação à quantidade de gás de escape não é maior que 3%.

16. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de o catalisador de mudança do vapor de água (106) ser um catalisador de mudança de alta temperatura, e o método compreender adicionalmente operar o catalisador de mudança do vapor de água (106) a uma temperatura entre 200 e 550 graus Celsius.

17. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de o catalisador de mudança do vapor de água (106) ser um catalisador de mudança de baixa temperatura, e o método compreender adicionalmente operar o catalisador de mudança do vapor de água (106) a uma temperatura entre 100 e 300 graus Celsius.

18. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente operar o catalisador de síntese de amônia (108) a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm.

19. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de compreender adicionalmente: operar inicialmente o catalisador de síntese de amônia (108) a uma temperatura entre 100 e 550 graus Celsius e sob pressão atmosférica entre 0,5 e 3 atm; e aumentar progressivamente a pressão enquanto o catalisador de síntese de amônia (108) está em operação de modo que o catalisador de síntese de amônia continue a gerar ao menos a quantidade de amônia com o uso da quantidade de hidrogênio gerado pelo catalisador de mudança do vapor de água (106) a partir da quantidade de gás de escape, e uma quantidade de nitrogênio a partir da quantidade de gás de escape, como uma entrada.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, CARACTERIZADO pelo fato de ainda compreender reduzir progressivamente a temperatura do catalisador de síntese de amônia (108) para 20 graus Celsius.