ES2235938T3 - Dispositivo para alojar un aditivo en un gas de escape. - Google Patents

Dispositivo para alojar un aditivo en un gas de escape.

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Abstract

Dispositivo para alojar un aditivo (R) en un gas de escape (A), que se aloja en una tubería de gas de escape (1) de un motor diesel, con al menos una tobera (12) y con al menos un mezclador (8, 9, 10) para la mezcla a fondo del gas de escape (A) con el aditivo (R), estando combinados el mezclador (8, 9, 10) y la tobera (12) entre sí para formar una unidad constructiva y funcional, caracterizado porque el mezclador (8, 9, 10) presenta un cuerpo tubular (8) al menos aproximadamente paralelo al flujo, que está abierto por ambos lados y sustenta allí láminas (9 y 10), que respecto a la dirección del flujo (3) del gas de escape (A) están orientadas corriente arriba en el extremo del cuerpo tubular situado corriente arriba y corriente abajo en el extremo del cuerpo tubular situado corriente abajo.

Description

Dispositivo para alojar un aditivo en un gas de escape.
La invención se refiere a un dispositivo para alojar un aditivo en un gas de escape (corriente de gas), que está alojado en un canal de gas, en particular en una tubería de gas de escape de un motor diesel, con al menos una tobera y con al menos un mezclador. El aditivo puede ser un agente reductor o bien un compuesto que libera dicho agente.
Un dispositivo como el indicado se conoce por ejemplo por la DE-A-36 42 612. La DE-A-36 42 612 describe al respecto un dispositivo para alojar mezclando intensamente elementos reductores en un canal de gas que contiene NO_{x}. Con el dispositivo debe lograrse una mezcla homogénea de agente reductor y gas de escape en un tramo de canal relativamente corto.
En la transformación del combustible fósil o del obtenido a partir de plantas en energía mecánica y/o térmica se realizan esfuerzos para alcanzar elevados grados de rendimiento. Al respecto, las temperaturas de conversión son a menudo tan altas que durante la transformación (combustión) se forman en una proporción apreciable óxidos de nitrógeno (NO_{x}). Esto es así especialmente para motores diesel, que son accionados por ejemplo con aceite mineral o con aceite de colza.
Puesto que la liberación de óxidos de nitrógeno es extremadamente indeseada y por lo tanto ha de evitarse, se reducen usualmente los óxidos de nitrógeno catalíticamente. Ello exige no obstante la presencia de un agente reductor en el gas de escape de una instalación de transformación de la energía, por ejemplo en un motor diesel. Se ha comprobado que es conveniente la adición de un agente reductor como el indicado o bien de un aditivo que libera el mismo como portador del agente reductor, en particular amoniaco o bien urea (disuelta en agua), al gas de escape sólo después de la salida de la instalación de transformación de la energía.
En el funcionamiento de un dispositivo como el indicado o de un equipo para la purificación del gas de escape, es a menudo problemático lograr una mezcla a fondo suficientemente buena del gas de escape o corriente de gas con el agente reductor. La razón de ello es que no puede realizarse la longitud necesaria del canal de gas o gas de escape, que se encuentra en el orden de magnitud de aproximadamente 50 veces el diámetro del canal. Para instalaciones comparativamente pequeñas, como por ejemplo motores diesel hasta varios cientos de kW, existe básicamente la posibilidad de introducir el portador del agente reductor mediante un dispositivo de introducción por toberas, por ejemplo a través de una única tobera, así como un generador de agente reductor situado inmediatamente detrás del motor, en el canal del gas de escape. Esto implica no obstante costes que crecen más que proporcionalmente al aumentar la potencia nominal.
En instalaciones comparativamente grandes, por ejemplo en un bloque de central de calefacción o en un accionamiento de un barco, con diámetros del canal de gas de escape superiores a 200 mm, están dispuestos por lo tanto usualmente al menos dos mezcladores estáticos detrás de un sistema de introducción por toberas que es un dispositivo de tobera complejo. Al respecto, las distancias entre este sistema de introducción por tobera y el mezclador son al menos iguales al doble del diámetro del canal del gas de escape. El espacio necesario para la longitud del canal del gas de escape que de ello resulta no se encuentra a menudo disponible.
Por lo tanto, la invención tiene como tarea básica indicar un dispositivo del tipo antes citado que permita la utilización tanto de un dispositivo de introducción por tobera o al menos de una tobera para un aditivo, así como también de una cierta cantidad de mezcladores necesarios en un canal de gas de escape manteniendo a la vez la longitud del canal lo más pequeña posible. Al respecto, el dispositivo debe poder alojarse en particular en un canal para gas redondo, cuyo diámetro sea de entre unos 200 mm y unos 1000 mm.
Esta tarea se resuelve en el marco de la invención mediante las particularidades de la reivindicación 1. Para ello, el mezclador y la tobera están combinados para inyectar el aditivo o el propio agente reductor en una unidad constructiva y funcional. Esta combinación está alojada en el canal de gas, es decir, durante el funcionamiento reglamentario se encuentra esta unidad constructiva montada en aquél. De esta manera se suprime ya en cuanto a longitud la distancia entre la tobera y el mezclador de una primera etapa de mezcla, con lo que la longitud del canal puede acortarse ventajosamente a solamente entre dos y cuatro veces el diámetro del canal (dos a cuatro diámetros de canal). De esta manera no se ve afectado negativamente ni el funcionamiento ni la efectividad de cada parte funcional, es decir, la función de introducción en tobera por un lado y la función de mezclador estático por otra parte.
Según un perfeccionamiento conveniente, el propio cuerpo tubular del mezclador, situado en un canal de gas de sección circular, tiene igualmente una sección circular. El diámetro del canal de gas, en el que puede alojarse la unidad constructiva formada por mezclador y tobera, debe ser convenientemente no inferior a unos 200 mm y no superior a unos 1000 mm.
En perfeccionamientos ventajosos del cuerpo tubular, su diámetro es de aprox. 0,5 a 0,2 veces el diámetro del canal de gas. La longitud del cuerpo tubular corresponde a aprox. 0,2 a 0,5 veces el diámetro del canal de gas. Al respecto, el cuerpo del tubo está soportado convenientemente por una tubuladura introducida en el canal de gas transversalmente respecto a la corriente de gas, por la que se extiende hasta el eje central del cuerpo tubular un tubo que sirve como tubería de entrada y como soporte para la tobera o el equipo de introducción en la tobera.
La tobera está dispuesta, ventajosamente, en la zona del eje central del cuerpo tubular, y con ello, cuando está montada, del eje central común al canal de gas y al cuerpo tubular. En esta posición, inyecta la tobera o el equipo de introducción por tobera el aditivo, por ejemplo amoniaco como elemento reductor o una solución de urea como aditivo, en la dirección del flujo de la corriente de gas. Un cono de inyección que sale de la tobera abarca entonces en su punta un ángulo de 20º a 60º, preferentemente un ángulo de 30º.
Unas láminas sustentadas por los extremos del cuerpo tubular forman preferentemente con el eje del cuerpo tubular un ángulo de 30º a 60º, en particular un ángulo de 45º. Las láminas están orientadas de tal manera que, cuando el dispositivo está montado, se apoyan por sus extremos libres en la cara interior de las paredes del canal de gas. Al respecto, las láminas son en sus extremos libres aproximadamente de una anchura doble que en sus extremos de base unidos con el cuerpo tubular. Los espacios libres entre láminas contiguas son entonces aproximadamente de la misma anchura que las propias láminas.
De manera conveniente, las láminas orientadas hacia arriba están colocadas respecto a las láminas orientadas hacia abajo rellenando huecos, con lo que cada corriente parcial del flujo de gas forma remolinos, previéndose en cada caso la misma cantidad de laminas orientadas hacia arriba que orientadas hacia abajo. De manera conveniente, el cuerpo tubular soporta a ambos lados en cada caso entre cuatro y ocho laminas, compuestas ventajosamente por chapas planas.
Las ventajas que se logran con la invención consisten esencialmente en que, como consecuencia de la combinación espacial y funcional de al menos un mezclador y una tobera de un dispositivo que presenta estos elementos funcionales para aportar un aditivo, como por ejemplo amoniaco o solución de urea, es posible en un gas de escape una forma constructiva especialmente corta de un canal de gas de escape que aloja el dispositivo, sin el peligro de incrustaciones en el mezclador, incluso cuando se utiliza una solución de urea.
La razón de ello es que, cuando se garantiza a la vez una uniformidad de temperatura y velocidad en toda la sección del canal, sólo es necesario un corto tramo de recorrido posterior inercial en el canal de gas. Además, y debido a la reducida cantidad de componentes en el sistema completo, se logra una reducción de los costes de fabricación.
A continuación se describe más en detalle un ejemplo de ejecución de la invención en base a un esquema. En el mismo muestran:
Fig. 1 en vista lateral parcialmente seccionada, un equipo de purificación del gas de escape con un dispositivo combinado de mezcla e introducción por tobera,
Fig. 2 el equipo de purificación en vista en planta parcialmente seccionada,
Fig. 3 una vista frontal del equipo de purificación,
Fig. 4 el equipo de purificación en una sección a lo largo de la línea IV-IV de la fig. 1 y
Fig. 5 el equipo de purificación en una sección a lo largo de la línea V-V de la fig. 1.
Las piezas que se corresponden entre sí en todas las figuras, están dotadas de la misma referencia.
Un canal de gas o de gas de escape 1 con un diámetro d_{1} (fig. 5) de por ejemplo entre 200 y 1000 mm, está conectado con una brida 2 en un motor diesel, preferentemente estacionario, y es recorrida en la dirección de la flecha 3 por el gas de escape A. Una tubuladura 4 penetra en la pared del canal del gas de escape 1 y entra transversalmente respecto a la dirección del flujo 3 del gas de escape A y con ello en ángulo recto respecto al eje del canal 5 en el canal del gas de escape 1. Cuando la sección del canal, según el ejemplo de ejecución, es redonda, discurre así la tubuladura 4 radialmente. Ya fuera del canal del gas de escape 1, lleva la tubuladura 4 por el lado del extremo libre una brida 6, sobre la que se apoya directamente un disco terminal 7, que cierra así el espacio interior de la tubuladura 4 hacia fuera. El extremo de la tubuladura 4 que se encuentra en el canal del gas de escape 1, sustenta un cuerpo tubular 8 abierto por ambos lados, dispuesto coaxialmente respecto al canal del gas de escape 1. El eje del canal 5 forma así el eje central tanto del canal del gas de escape 1 como también del cuerpo tubular 8. Éste tiene un diámetro d_{2} (fig. 5) que se corresponde con 0,5 a 0,2 veces el diámetro d_{1} del canal del gas de escape 1. El cuerpo tubular 8 presenta una longitud aproximadamente igual a 0,2 hasta 0,5 veces el diámetro d_{1} del canal del gas de escape 1.
Al extremo del cuerpo tubular 8 del lado de entrada del flujo, está fijada una cierta cantidad de primeras láminas 9 orientadas corriente arriba respecto a la dirección del flujo 3 del gas de escape A. Una cantidad, ventajosamente igual de segundas láminas 10, que se extienden correspondientemente corriente abajo, están fijadas en el lado corriente abajo del cuerpo tubular 4. Las láminas 9 y las láminas 10 están colocadas mutuamente rellenando huecos, es decir, cada una de las láminas 9 se encuentra, vista en la dirección del eje del canal 5, en cada caso entre dos láminas 10 y viceversa. Esto puede verse de forma comparativamente clara en las figuras 3 a 5.
Las láminas 9 y 10 forman con el eje del canal 5 en cada caso un ángulo \alpha de 30º a 60º, preferentemente de \alpha = 45º (fig. 1) y se apoyan por sus extremos libres 9a y 10a respectivamente en la cara interior o pared interior 1' del canal del gas de escape 1. Los extremos libres 9a, 10a de las láminas 9 y 10 tienen aproximadamente el doble de anchura que sus extremos de base 9b y 10b respectivamente fijados al cuerpo tubular 8. A cada extremo del cuerpo tubular 8 están fijadas por ejemplo entre cuatro y ocho láminas 9, 10, estando compuestas las láminas 9, 10 por chapas planas. De esta manera las mismas originan fuertes remolinos en el gas de escape que fluye A.
La tubuladura 4 incluye un tubo 11 soportado por el disco terminal 6, en el que se sustenta una tobera 12 en el lado del extremo libre en el cuerpo tubular 8. El tubo 11 está conectado, de una manera no representada más en detalle, a través de una tubería con un depósito para un aditivo que libera un agente reductor o bien para un portador de un agente reductor R, por ejemplo para una solución acuosa de urea, así como, de manera conveniente, adicionalmente a una conexión de aire para la refrigeración y pulverización de por ejemplo la solución acuosa de urea. Una bomba (no representada) impulsa el portador del agente reductor R, por ejemplo la solución acuosa de urea, o el correspondiente agente reductor, por ejemplo amoniaco, a través del tubo 11 y a través de la tobera 12.
Las dimensiones geométricas de la tobera 12 están configuradas de tal forma que al alcanzar la presión de transporte del portador del agente reductor R éste forma a la salida de la tobera 12 un cono de inyección 13, cuya punta abarca un ángulo \beta de 20º a 60º, preferentemente de \beta = 30º a 45º. La tobera 12 y el cuerpo tubular 8 con las láminas 9 y 10 forman de esta manera una unidad constructiva y funcional, constituyendo el cuerpo tubular 8 y las láminas 9, 10 allí fijadas funcionalmente un mezclador estático o una etapa de mezcla. La tobera 12 se encuentra entonces sobre el eje central común correspondiente al eje 5 del canal de gas de escape 1 y del mezclador 8, 9, 10.
En funcionamiento, fluye gas de escape caliente A desde el motor diesel en la dirección del flujo 3 a través del canal del gas de escape 1. Entonces fluye una reducida proporción del gas de escape A y con ello al menos una corriente parcial de gas de escape a través del cuerpo tubular 8. Al alcanzar un determinado estado de servicio, se inyecta o se proyecta el portador del agente reductor R a través de la tobera 12 dentro del gas de escape A que fluye. En el gas de escape A que fluye, surgen en la zona del cuerpo tubular 8 fuertes remolinos causados por las láminas 9 y 10, que incluyen también el cono de inyección 13 y de esta manera fuerzan un buen entremezclamiento del gas de escape A con el portador del agente reductor R.
En el estado dominante en el canal del gas de escape 1, se descompone entonces por ejemplo la solución acuosa de urea mediante hidrólisis en gas amoniaco y agua, con lo que en la mezcla de gases que así se forma, al alcanzar un catalizador adecuado para ello y previsto, aunque no representado, se reducen los óxidos de nitrógeno contenidos en el gas de escape A prácticamente por completo, para formar nitrógeno.

Claims (13)

1. Dispositivo para alojar un aditivo (R) en un gas de escape (A), que se aloja en una tubería de gas de escape (1) de un motor diesel, con al menos una tobera (12) y con al menos un mezclador (8, 9, 10) para la mezcla a fondo del gas de escape (A) con el aditivo (R), estando combinados el mezclador (8, 9, 10) y la tobera (12) entre sí para formar una unidad constructiva y funcional,
caracterizado porque el mezclador (8, 9, 10) presenta un cuerpo tubular (8) al menos aproximadamente paralelo al flujo, que está abierto por ambos lados y sustenta allí láminas (9 y 10), que respecto a la dirección del flujo (3) del gas de escape (A) están orientadas corriente arriba en el extremo del cuerpo tubular situado corriente arriba y corriente abajo en el extremo del cuerpo tubular situado corriente abajo.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo tubular (8) presenta una sección circular.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el cuerpo tubular (8) tiene un diámetro (d_{2}) aproximadamente igual a 0,5 hasta 0,2 veces el diámetro (d_{1}) del canal de gas (1).
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cuerpo tubular (8) presenta una longitud de aproximadamente 0,2 a 0,5 veces el diámetro (d_{1}) del canal de gas (1).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en el cuerpo tubular (8) está conducida una tubuladura (4) que penetra en el canal de gas (1), a través de la cual se extiende hasta dentro del cuerpo tubular (8) un tubo (11) que sirve como tubería de entrada y como soporte para la tobera (12).
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la tobera (12) se encuentra sobre el eje central (5) del mezclador (8, 9, 10) de tal manera que el aditivo (R) puede inyectarse en la dirección del flujo (3) del gas de escape (A).
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque las laminas (9, 10) soportadas por los extremos del cuerpo tubular (8) forman con el eje (5) del cuerpo tubular (8) un ángulo (\alpha) de 30º a 60º, preferentemente de (\alpha) 45º, y para su apoyo están orientadas en el lado del extremo libre contra la cara interior 1' del canal de gas (1).
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las laminas (9, 10) tienen en sus extremos libres (9a, 10a) una anchura aproximadamente doble que en sus extremos de base (9b, 10b) unidos con el cuerpo tubular (8).
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los espacios libres entre láminas (9 ó 10) contiguas son aproximadamente tan anchos como las propias láminas.
10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque las láminas (9) orientadas corriente arriba están colocadas rellenando huecos respecto a las láminas (10) orientadas corriente abajo.
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque en cada caso se prevé la misma cantidad de laminas (9, 10) orientadas corriente arriba y corriente abajo.
12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el cuerpo tubular (8) soporta por ambos lados la misma cantidad de laminas (9, 10), por ejemplo de cuatro a ocho.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las laminas (9, 10) están compuestas por chapas planas.
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