ES2282933T3 - Boquilla de inyeccion y metodo para inyectar uniformemente una corriente de fluid0 en una corriente de gas a alta temperatura mediante la boquilla de inyeccion. - Google Patents

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Abstract

Método para inyectar uniformemente una corriente de fluido (8) en una corriente de gas (9) a elevada temperatura mediante una boquilla de inyección que comprende un cabezal de boquilla (1) y un tubo de suministro interno (3) que está rodeado concéntricamente con un tubo de revestimiento externo (2) separado del tubo de suministro interno (3), y del paso de la corriente de fluido (8) a través del tubo interno (3) y el cabezal de boquilla, caracterizado porque el método comprende mantener la temperatura de la corriente de fluido (8) en el tubo interno (3) proporcionando aislamiento térmico (4) en al menos parte de un espacio anular entre el tubo interno (3) y el tubo externo (2); mantener un flujo constante del fluido (8) dentro del tubo interno (3) y el cabezal de boquilla (1) obturando el cabezal de boquilla (1) en el extremo de salida y pulverizar la corriente de fluido (8) a través de numerosos orificios de boquilla (6) provistos en el cabezal de boquilla (1) adyacente al extremo de salida del cabezal de boquilla (1); pulverizar la corriente de fluido (8) a través de los orificios de boquilla (6) en una dirección que está formando sustancialmente un ángulo recto respecto a la dirección del flujo de la corriente de gas (9) y adyacente al eje central del canal de corriente de gas (11); y distribuir uniformemente la corriente de fluido pulverizada (8) en la corriente de gas (9) estrechando cónicamente el tubo de revestimiento externo (2) en la región adyacente al cabezal de boquilla (1).

Description

Boquilla de inyección y método para inyectar uniformemente una corriente de fluido en una corriente de gas a alta temperatura mediante la boquilla de inyección.
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención
La invención se refiere a la inyección de un fluido en un gas mediante una boquilla. La invención se refiere específicamente a la inyección de una solución en un gas caliente, donde un uso específico de la invención está relacionado con la retirada de NO_{x} del gas de escape de un motor diesel.
2. Descripción de la técnica relacionada
Las boquillas se usan ampliamente para inyectar un fluido en otro, también en relación con la retirada de NO_{x} de los gases de escape de un motor.
En la solicitud de patente WO 96/36797 Hofmann et al. describen la inyección de una mezcla de solución de urea/aire en un gas de escape en un vehículo. La mezcla se pulveriza en la tubería del gas de escape justo dentro de la tubería cerca de la pared de la tubería de manera que la solución no se caliente demasiado antes de pulverizarla en el gas. La distribución del líquido inyectado no es uniforme cuando se observa desde una sección transversal de la tubería del gas de escape.
Tsuneaki describe otro sistema de limpieza del gas de escape en el documento JP 2001152831. Aquí los óxidos de nitrógeno se reducen también mediante solución de urea pulverizada en el gas de escape en un vehículo. La boquilla de inyección se inserta a través de la pared de una tubería del gas de escape que se extiende sólo una corta distancia desde la superficie interna, que crea un patrón de flujo no uniforme.
Kupper et al. describen una boquilla de inyección para combustible en la Patente de Estados Unidos Nº 4.502.196 que comprende dos tubos coaxiales con un espacio estrecho entre ellos lleno con material aislante. El tubo externo forma una cubierta también alrededor de la punta de la boquilla para mantener el combustible por debajo de una temperatura a la que comienza la formación de coque. El combustible se pulveriza a través de un orificio sólo a través de ambos tubo interno y cubierta en una dirección coaxial con la boquilla.
Otro método de limpieza de gas lo describe Zauderer en la Patente de Estados Unidos Nº 6.048.510. El contenido de óxidos de nitrógeno en un gas de combustión en una caldera que funciona con carbón se reduce por inyección de aire con gotas de agua atomizadas que contienen urea o amoniaco disueltos. Las gotas se inyectan cuando la temperatura es óptima, y el tamaño de las gotas se ajusta a esta temperatura mediante la construcción de la boquilla.
La inyección de una solución atomizada en un gas caliente se describe en Huffman et al. en el documento WO 2004/030827, en el que el gas caliente crea un riesgo de obturación una boquilla de atomización, si tiene lugar la cristalización de la solución. Para evitar la formación de partículas debido a la solución calentada, parte de la solución se recicla desde el extremo del tubo de suministro de la solución y de vuelta a través de un tubo anular por fuera del tubo de suministro. El aire de atomización se suministra a la boquilla de atomización a través de un tubo anular por fuera del tubo de retorno, y se asegura una refrigeración adicional mediante un líquido de refrigeración o un aire de refrigeración que fluye por fuera del tubo anular con aire de atomización. Este dispositivo comprende por lo tanto cuatro tubos concéntricos cada uno con su dispositivo de entrada y salida para evitar que el cabezal de una boquilla de atomización se bloquee, lo que le hace compacto y rígido.
Sin embargo, estas boquillas tienden a bloquearse y ninguna de las inyecciones asegura un grado muy alto de distribución uniforme del material inyectado.
El objeto general de esta invención es proporcionar un proceso y una boquilla para inyectar una solución acuosa de una sal obteniendo una inyección estable y bien distribuida. La inyección pretende como objetivo poder funcionar en todas las condiciones sin las interrupciones causadas por el bloqueo de la boquilla. Simultáneamente, debe funcionar con un alto grado de distribución uniforme del fluido pulverizado en el gas, que se pulveriza en su interior.
Se han descubierto ahora un proceso y una boquilla, de manera que cuando la boquilla se diseña de acuerdo con la invención, una solución de urea puede pulverizarse en un gas de escape de un vehículo obteniendo una distribución muy uniforme en el gas de escape.
Una boquilla de la invención funciona durante un largo periodo sin bloquear las boquillas.
Sumario de la invención
La invención es un método y aparato para inyectar uniformemente una corriente de fluido en una corriente de gas a elevada temperatura mediante una boquilla de inyección que comprende un cabezal de boquilla y un tubo de suministro interno que está rodeado concéntricamente con un tubo de revestimiento externo separado del tubo de suministro interno. Comprende hacer pasar la corriente de fluido a través del tubo interno y el cabezal de la boquilla y mantener la temperatura de la corriente de fluido en el tubo interno proporcionando aislamiento térmico en al menos parte del espacio anular entre el tubo interno y el tubo externo. Adicionalmente, comprende mantener un flujo constante del fluido dentro del tubo interno y del cabezal de boquilla por obturación del cabezal de boquilla en el extremo de salida y pulverizar la corriente de fluido a través de numerosos orificios de boquilla provistos en el cabezal de boquilla adyacente al extremo de salida del cabezal de boquilla. Comprende también pulverizar la corriente de fluido a través de los orificios de boquilla en una dirección sustancialmente en ángulo recto respecto a la dirección del flujo de la corriente de gas y adyacente al eje central de la corriente del canal de gas, y finalmente distribuir uniformemente la corriente de fluido pulverizada en la corriente de gas mediante un estrechamiento cónico del tubo de revestimiento externo en la región adyacente al cabezal de boquilla.
El material aislante preferido es cerámico y está formado a partir de una capa fina del material y enrollado con la forma deseada usando un pegamento orgánico.
El tubo interno puede estar equipado con un ángulo de 90º entre el final del tubo externo y el final del tubo interno.
El fluido puede ser una mezcla de aire y una solución acuosa de urea con 20-50% en peso de urea, preferiblemente el 30-35% y más preferiblemente el 32,5% en peso de urea.
La invención es particularmente útil para la distribución uniforme de una solución acuosa de urea pulverizada en un gas de escape diesel caliente, en el que el agua puede retirarse por ebullición dando como resultado la cristalización de urea. La invención es especialmente ventajosa en furgonetas grandes y camiones.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una sección transversal de una boquilla recta de acuerdo con la invención.
Figura 2 es una sección transversal de boquilla con un ángulo de 90º de acuerdo con la invención.
La Figura 3 es una sección transversal de un tubo de escape con una boquilla de acuerdo con la invención.
La Figura 4 es una sección frontal de boquilla con un ángulo de 90º de acuerdo con la invención.
Descripción detallada de la invención
En los vehículos con motor diesel la combustión tiene lugar con una cierta cantidad de exceso de aire. Esto da como resultado la formación de óxidos de nitrógeno, NO_{x} en el gas de escape, que es una grave contaminación para el medio ambiente.
Los NO_{x} pueden reducirse con amoniaco, NH_{3}, que es difícil de almacenar en los vehículos y, por lo tanto, se usa una solución acuosa de urea, H_{2}NCONH_{2}, como agente reductor.
El amoniaco se forma cuando la urea se descompone cuando se pulveriza y se mezcla con el gas de escape caliente de acuerdo con la siguiente reacción:
H_{2}NCONH_{2} + H_{2}O \rightarrow 2 NH_{3}, + CO_{2}
La urea se descompone completamente sólo si la temperatura supera los 200ºC. De esta manera 200ºC es la temperatura más baja a la que la urea puede inyectarse al gas de escape.
La mezcla de gas de escape y reductor, amoniaco, pasa después sobre un catalizador en el que los óxidos de nitrógeno, monóxido de nitrógeno, NO y dióxido de nitrógeno, NO_{2} reaccionan con el amoniaco para formar nitrógeno y agua de acuerdo con las siguientes reacciones:
4 NO + 4 NH_{3} + O_{2} \rightarrow 4 N_{2} + 6 H_{2}O, y
6 NO_{2} + 8 NH_{3} \rightarrow 7 N_{2} + 12 H_{2}O
Durante el funcionamiento normal el gas de escape va a estar y estará caliente, simultáneamente es importante que la solución de urea dentro de la boquilla de inyección no supere la temperatura a la que el agua se evaporará dando como resultado la cristalización de urea y el bloqueo de boquilla de inyección.
La invención proporciona además una boquilla para inyectar la solución de urea/mezcla de aire en un gas de escape caliente sin cristalización de urea. La boquilla de inyección comprende un tubo de revestimiento externo, un tubo interno de suministro coaxial y un material aislante en el espacio anular entre los dos tubos. Esto evita que el gas de escape a alta temperatura caliente la solución acuosa de urea a la temperatura a la que se evapora el agua y cristaliza la urea.
En la región de salida, el tubo interno está equipado con un cabezal de boquilla con obturador. Los orificios de boquilla están situados muy cerca del obturador. Esto asegura un flujo de solución en todo el volumen del tubo interno, de manera que se evita el "volumen muerto", que de otra manera se calentaría dando como resultado la cristalización de la urea. El obturador puede retirarse para limpiar el tubo interno.
Mediante este diseño de la punta de la boquilla, la solución puede fluir fuera en un ángulo recto respecto al eje de la boquilla asegurando una buena distribución y sin riesgo de formación de urea sólida y de bloqueo de la boquilla.
Tan pronto como la solución de urea/mezcla de aire fluya fuera de los orificios de boquilla, se forma un aerosol. Cuando el gas de escape caliente calienta el aerosol, la urea se convierte en amoniaco, y el amoniaco reduce los óxidos de nitrógeno en el gas de escape a nitrógeno sobre un catalizador instalado aguas abajo de la boquilla.
Cuando el catalizador se instala en toda el área de la sección transversal de una parte ampliada de la tubería del gas de escape, la distribución uniforme de urea/amoniaco en la tubería es muy importante para la conversión de los óxidos de nitrógeno.
El rendimiento y diseño de la invención se aclara adicionalmente mediante la siguiente descripción de los dibujos.
Una realización preferida de la invención se describe en la Figura 1, donde se muestra una boquilla recta de inyección. La boquilla comprende un cabezal de boquilla 1, un tubo de revestimiento externo 2 y un tubo interno de suministro coaxial 3, donde el espacio anular entre los tubos se llena con un material aislante 4. El material aislante 4 se forma en forma de un anillo sólido y se ajusta entre el tubo interno 3 y el tubo externo 2.
El extremo del cabezal de boquilla 1 es un obturador en forma de tornillo 5 que tiene un extremo plano. Justo al lado del extremo plano están perforados los orificios de boquilla 6, lo que elimina el volumen de la boquilla sin flujo. El tubo externo termina en una pieza cónica 7 con la parte estrecha cerca del tubo interno 3 adyacente al cabezal de boquilla 1. La solución de urea/mezcla de aire 8 fluye a través del tubo interno 3 manteniendo la baja temperatura, donde no se evapora agua y no cristaliza urea. La mezcla 8 fluye fuera a través de los orificios de boquilla 6, donde se forma un aerosol. En el gas de escape caliente 9 la solución de urea se convierte en amoniaco y dióxido de
carbono.
Otra realización preferida de la invención se muestra en la Figura 2, que en principio es igual a la boquilla de inyección anterior excepto por el cabezal de boquilla, que está provisto con un ángulo de 0º 10, donde los 5 mm entre el ángulo y los orificios de boquilla 6 son rectos.
En la Figura 3 se muestra un modo de instalación preferido. Una boquilla con un ángulo de 90º se inserta en un ángulo recto a través de la pared de la tubería del gas de escape 11 con las puntas en la dirección del flujo del gas de escape y se instala coaxialmente en el medio de la tubería del gas de escape 11. De esta manera la solución de urea fluye fuera a través de los orificios de boquilla 6 en ángulo recto respecto a la dirección del flujo del gas de escape y en el medio de la misma, lo que da como resultado una distribución muy buena.
Cuando se pulveriza a través de los orificios de boquilla 6, la solución acuosa de urea se convierte en amoniaco y dióxido de carbono; esto y el gas de escape fluyen a un catalizador 12, donde el amoniaco convierte los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua. La conversión óptima sobre el catalizador sólo se obtiene mediante una distribución apropiada de amoniaco en la tubería del gas de escape.
La Figura 4 muestra la posición de los orificios de boquilla cuando la boquilla de inyección está equipada con cuatro orificios de boquilla. Cuando se perforan a 45º respecto a la dirección vertical, la pieza vertical de la boquilla de inyección no alterará el flujo de gas de escape que viene desde atrás de la boquilla de inyección.
La invención tiene un uso particular en barcos, trenes, furgonetas, camiones accionados por motor diesel y similares, donde se forman los gases tóxicos anteriores y deben retirarse para no contaminar la atmósfera. La retirada de los gases tóxicos será un requisito gubernamental en un número creciente de países, puesto que los gases son dañinos para los seres humanos, animales e incluso para los edificios.
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Ejemplos
Las dimensiones de la boquilla de inyección son importantes para obtener una distribución uniforme de amoniaco en la tubería del gas de escape.
Una realización preferida de la invención se fabrica con dimensiones como las siguientes. Las dimensiones corresponden al flujo/consumo de aire y solución dadas también a continuación y estas figuras corresponden al uso de la invención en una furgoneta ordinaria con motor de tipo diesel.
Cuando funciona el motor, un flujo de aire de 20 Nl/min es apropiado. El consumo de la solución de urea se ajusta para que corresponda al contenido de NO_{x} en el gas de escape, sin embargo, es típico un flujo de 7,5 l/h de solución. La solución acuosa de urea tiene una concentración del 20-50% en peso preferiblemente, 30-35% y más preferiblemente 32,5% en peso de urea.
El tubo interno de la boquilla de inyección correspondiente tiene un diámetro externo de 6 mm y un espesor de pared de 1,5 mm, y el tubo externo tiene un diámetro externo de 25 mm y un espesor de pared de 1,22 mm y se ajusta un material cerámico entre los tubos. La boquilla está equipada con cuatro orificios cada uno con un diámetro de 0,55 mm y espaciados uniformemente. Para otros flujos la cantidad y tamaño de orificios se ajusta en consecuencia, a menudo se usan ocho orificios con un diámetro de 0,39 mm.
En una realización específica de la invención, la superficie interna de la pieza cónica 7 tiene un ángulo de 30º y la longitud de la pieza cónica es de 44,4 mm. Estas dimensiones han demostrado que dan una distribución muy buena del medio reductor en el gas de escape.
El material aislante en el espacio entre los tubos es un material cerámico, que está enrollado en la forma deseada y que se mantiene con esta forma mediante un aglutinante orgánico. El material cerámico está disponible en el mercado con el nombre "Isovac" de Keramax a/s, T\diameterll\diameterse, Dinamarca.
Aparte del material aislante un material de construcción adecuado para la boquilla es acero inoxidable SS 316.
Resultados del ensayo
Se ha demostrado que la boquilla de la invención es particularmente útil cuando se emplean soluciones acuosas de urea que se pulverizan en el gas de escape caliente, especialmente gas de escape diesel que contiene óxidos de nitrógeno.
Un sistema de Reducción Catalítica Selectiva se instaló en septiembre de 2003 para un ensayo de campo en un autobús con un motor diesel de 4 l y 150 hp. La boquilla usada para la inyección de urea fue al principio del ensayo de campo junto en una tubería sin ningún aislamiento. El autobús estuvo funcionando en condiciones reales de tráfico en la ciudad de Londres.
Después de un corto periodo de 2 días de trabajo, se descubrió que el sistema no funcionaba. Se descubrió que la razón era que la urea estaba obturando la boquilla.
La boquilla se limpió mecánicamente y el sistema se hizo operativo de nuevo.
Después de 2 días más la boquilla estaba de nuevo completamente obturada con residuos de urea.
La boquilla convencional se sustituyó por una boquilla de tipo Haldor Tops\diametere A/S de acuerdo con la invención con aislamiento alrededor de la tubería de inyección.
El sistema estuvo funcionando entonces un total de 5 meses de operación sin ningún problema de obturación.

Claims (10)

1. Método para inyectar uniformemente una corriente de fluido (8) en una corriente de gas (9) a elevada temperatura mediante una boquilla de inyección que comprende un cabezal de boquilla (1) y un tubo de suministro interno (3) que está rodeado concéntricamente con un tubo de revestimiento externo (2) separado del tubo de suministro interno (3), y del paso de la corriente de fluido (8) a través del tubo interno (3) y el cabezal de boquilla, caracterizado porque el método comprende mantener la temperatura de la corriente de fluido (8) en el tubo interno (3) proporcionando aislamiento térmico (4) en al menos parte de un espacio anular entre el tubo interno (3) y el tubo externo (2);
mantener un flujo constante del fluido (8) dentro del tubo interno (3) y el cabezal de boquilla (1) obturando el cabezal de boquilla (1) en el extremo de salida y pulverizar la corriente de fluido (8) a través de numerosos orificios de boquilla (6) provistos en el cabezal de boquilla (1) adyacente al extremo de salida del cabezal de boquilla (1);
pulverizar la corriente de fluido (8) a través de los orificios de boquilla (6) en una dirección que está formando sustancialmente un ángulo recto respecto a la dirección del flujo de la corriente de gas (9) y adyacente al eje central del canal de corriente de gas (11); y
distribuir uniformemente la corriente de fluido pulverizada (8) en la corriente de gas (9) estrechando cónicamente el tubo de revestimiento externo (2) en la región adyacente al cabezal de boquilla (1).
2. Método de la reivindicación 1, en el que la corriente de gas (9) es una corriente de gas de escape de un motor diesel y la corriente de fluido (8) es una solución acuosa que contiene entre el 20% y el 50% en peso, preferiblemente entre el 30% y el 35% en peso de urea.
3. Método de la reivindicación 2, en el que la solución acuosa (3) se hace pasar al cabezal de boquilla (1) mediante aire comprimido.
4. Boquilla de inyección para usar en un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende un cabezal de boquilla (1) que está conectado a un tubo de suministro de corriente de fluido (3), estando el tubo de suministro (3) rodeado concéntricamente por y separado de un tubo de revestimiento externo; caracterizado porque
el espacio entre el tubo de suministro (3) y el tubo de revestimiento (2) está lleno al menos parcialmente con material de aislamiento térmico (4);
el tubo de revestimiento externo (2) se estrecha cónicamente en la zona adyacente a la pared externa del tubo de suministro interno (3) en la región adyacente al cabezal de boquilla (1);
el cabezal de boquilla (1) está obturado en el extremo de salida con un obturador (5); y
el cabezal de boquilla (1) está provisto con numerosos orificios de boquilla (6) espaciados uniformemente en la región adyacente al obturador (5) del cabezal de boquilla (1).
5. La boquilla de inyección de la reivindicación 4, en la que los tamaños del diámetro externo y el diámetro interno del cabezal de boquilla (1) son idénticos al tamaño del diámetro externo y el diámetro interno del tubo de suministro (3).
6. La boquilla de inyección de la reivindicación 4, en la que el cabezal de boquilla (1) es un tubo equipado con un ángulo de 90º (10) entre el tubo de suministro y los orificios de boquilla.
7. La boquilla de inyección de la reivindicación 4, en la que el material de aislamiento térmico (4) es un compuesto cerámico.
8. La boquilla de inyección de la reivindicación 4, en la que la superficie interna de la parte estrechada cónicamente (7) del tubo de revestimiento externo tiene un ángulo de 30º.
9. La boquilla de inyección de la reivindicación 4, en la que el tubo de suministro (3) tiene un diámetro externo de 6 mm y un espesor de pared de 1,5 mm, el tubo de revestimiento externo (2) tiene un diámetro externo de 25 mm y un espesor de pared de 1,22 mm, y el cabezal de boquilla (1) está equipado con cuatro orificios (6) espaciados uniformemente cada uno con un diámetro de 0,55 mm o con ocho orificios espaciados uniformemente cada uno con un diámetro de 0,39 mm.
10. La boquilla de inyección de la reivindicación 6, en la que la pieza recta del cabezal de boquilla (1) entre el ángulo (10) y los orificios de boquilla (6) tiene una longitud de 5 mm.
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