ES2293737T3 - Filtro para eliminacion de oxidos de nitrogena y particulas en corrientes de gases. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para la separación de óxidos de nitrógeno y partículas de una corriente de gas, compuesto de un ionizador para la carga eléctrica de moléculas de gas y partículas, un colector para la separación de partículas y un filtro posterior para la separación de NO2, caracterizado porque para la carga eléctrica de moléculas de gas y partículas se producen en el ionizador con un generador de impulsos breves de tensión eléctrica de un voltaje tal que se oxidan las moléculas de dióxido de nitrógeno existentes en la corriente de gas.

Description

Filtros para la eliminación de óxidos de nitrogéna y partículas en corrientes de gases.

Descripción de la invención

Es conocido separar óxidos de nitrógeno de una corriente de gas por encima de los 150ºC. Un procedimiento conocido es el procedimiento SCR, en el que a través de un catalizador, con el adicionado de amoníaco, se convierte químicamente NO_{x} en nitrógeno y agua.

En el marco de la protección ambiental se requiere cada vez más separar óxidos de nitrógeno a partir de una corriente de aire a temperatura ambiente o a temperatura exterior. De este modo, por ejemplo, se exige limpiar de óxidos de nitrógeno el aire de escape de las bocas de túneles viales. Los óxidos de nitrógeno provenientes de los gases de combustión de automotores se componen de 90% aprox. de NO y de 10% aprox. de NO_{2}. Mientras que el NO_{2} puede separarse mediante los procedimientos conocidos, por ejemplo mediante el lavado de una corriente de gas, por medio de dicho proceso no es posible una separación del NO.

Es por ello que en los últimos años se desarrollaron diferentes procesos para una separación de monóxido de nitrógeno de una corriente de gas a temperaturas exteriores o a temperaturas ambiente normales. En un proceso conocido, por medio de la adición de ozono producido por un generador de ozono, el monóxido de nitrógeno se oxida a NO_{2} y, a continuación, mediante potasa cáustica convierte el mismo en KNO_{2} y KNO_{3}. En este proceso, el gas con los óxidos de nitrógeno circula por un material de sustrato de forma alveolar impregnado de potasa cáustica. Después de consumida la potasa cáustica, el material de sustrato es lavado en agua, impregnado de potasa cáustica e insertado nuevamente en la corriente de gas.

En otro proceso conocido, el óxido de nitrógeno es ligado adsortivamente a un material adsorbente. La regeneración del material adsorbente se realiza mediante un circuito de gas separado. En el circuito se calienta una corriente de aire a 200ºC aproximadamente y se circula a través del material adsorbente, En ello, los óxidos de nitrógeno del material adsorbente se liberan. La separación del NO_{x}, del circuito de gas se produce, según el proceso SCR, por medio de un catalizador, adicionando amoníaco a la corriente de aire. En una concentración de óxido de nitrógeno de 4 ppm, aproximadamente, debe producirse una regeneración del material adsorbente después de 40 horas de funcionamiento.

Además se desarrollaron procesos para la separación microbiológica de NO en una corriente de gas. En un proceso se circula el gas a través de un material de sustrato cargado de microbios. En otro proceso, los microbios en solución nutritiva acuosa están separados de la corriente de gas por medio de una membrana permeable al gas.

Los procesos conocidos presentan un déficit que hasta ahora impidieron su aplicación masiva. Es así que el lavado periódico, la impregnación y la reinserción del material de sustrato en la corriente de gas requieren una mecánica y un control importantes.

Otro inconveniente del proceso es la utilización de un generador de ozono. Debido al reglaje sensible respecto del ozono, el proceso solamente encuentra una aceptación menor. Además, el generador de ozono es un componente adicional de la instalación, sujeto a un mantenimiento intensivo.

En los demás procesos descritos, la utilización de amoniaco como sustancia cáustica es un obstáculo, debido a las especiales medidas de precaución en su manipuleo. El calentamiento del circuito regenerador de gas a 200ºC requiere una producción de calor que, directa o indirectamente, se relaciona con una producción de contaminantes atmosféricos. La instalación de producción de calor representa un considerable coste en aparatos que encarece el proceso.

Debido a la duración prolongada de la reacción, los procesos microbiológicos requieren un tamaño constructivo del equipo de filtrado muy grande, lo que se opone a su utilización económica en una corriente de gas voluminosa.

En la Publicación para Información de Solicitud de Patente WO 98/15357 se describe un proceso y un dispositivo para la separación de partículas de NO_{x}, SO_{2} y Hg de los gases de un equipo de combustión alimentado con combustibles fósiles. El dispositivo se compone de un filtro electrostático para la separación de polvo, un convertidor (converter) posterior para la oxidación de NO_{x}, SO_{2} y Hg, seguido de un filtro electrostático húmedo para la separación de productos químicos de conversión. Los productos disueltos en agua se separan en un proceso ulterior. El dispositivo requiere tres etapas de proceso separadas con tres equipos separados.

En la Publicación para Información de Solicitud de Patente EP-A-0 627 263 Al se presenta un dispositivo para la separación de partículas y NO, compuesto de un material poroso, permeable al gas y conductor eléctrico e, insertado detrás en la corriente de gas, una rejilla conductora eléctrica como separadora de partículas. Ambas redes de rejillas están conectadas a la tensión negativa o positiva de una fuente de tensión continua con un voltaje de 12 V a 500 V. Además, para la reducción de NO a N_{2} y CO se encuentra postinsertada en la corriente de gas, igualmente conectada a una fuente de tensión continua, una rejilla de fibras de carbón o de alambres metálicos revestidos de carbón. El dispositivo tiene, según la descripción, una pérdida de presión de 18,3 mm Hg (2,400 Pa) y, en consecuencia, sólo es aplicable a corrientes de gases de combustión menores. Debido a la elevada pérdida de presión, no es posible la aplicación del dispositivo para la limpieza de corrientes de aire y de gas de grandes volúmenes, como, por ejemplo, las provenientes del aire de escape de túneles viales. El proceso de reducción solamente produciría un índice de conversión satisfactorio a temperaturas de gas elevadas. Por consiguiente, el proceso no es apropiado para la limpieza de gases a temperatura ambiente.

La invención, de una manera sencilla y económica soluciona el problema planteado.

Impulsos de una duración de hasta pocos nanosegundos posibilitan en el ionizador tensiones eléctricas superiores sin que se presenten descargas eléctricas, que en una tensión continua. Como mostraron los ensayos, se consigue aumentar de esta manera la formación de ozono en una corriente de gas, de modo tal que el monóxido de nitrógeno existente en una corriente de gas se oxida en gran parte. El NO_{2} producido en el ionizador puede separarse de la corriente de gas por medio de un proceso conocido.

Los impulsos eléctricos pueden producirse mediante un generador de impulsos y ser enviados directamente al ionizador, o ser superpuestos a un voltaje de base, en combinación con un generador de alta tensión.

Mediante la duración y la amplitud de los impulsos eléctricos puede controlarse la generación de ozono, y con ello la oxidación del monóxido de nitrógeno.

Una configuración de la invención consiste en medir mediante un sensor de ozono la oxidación de ozono de la corriente de gas en el ionizador y utilizar los valores medidos como magnitud de entrada de un regulador electrónico, con el que se controla la amplitud y duración de los impulsos eléctricos. De este modo, es posible ajustar estequiométricamente la concentración de ozono a la cantidad de ozono necesaria para una oxidación del NO y evitar la formación de ozono libre.

Otra configuración de la invención consiste en anteponer al ionizador un preionizador, en el que las moléculas de gas y las partículas son cargadas eléctricamente ya antes de su entrada al ionizador. El preionizador puede estar compuesto de dos o más placas paralelas conectadas a tierra, entre las que se encuentran dispuestos electrodos activos, como puntas de emisión o alambres de emisión, en forma transversal o longitudinal a la dirección de la corriente, de acuerdo a un esquema precalculado para que se produzca un campo coronario homogéneo. Para conseguir una carga suficiente, las placas deben tener una longitud mínima. Conduciendo la corriente de gas entre las placas se produce una carga eléctrica de las moléculas de gas y partículas que es incrementada en el ionizador siguiente. Tal como quedó demostrado en los ensayos, con el preionizador puede aumentarse considerablemente la carga eléctrica conseguida, sin el peligro de descargas eléctricas. En los ensayos se demostró como ventajosa la realización de los electrodos de emisión en forma de varillas verticales con alambres transversales.

Otra configuración ventajosa de la invención es la utilización de un filtro de carbón para la separación del NO_{2}. Como demostraron ensayos de muchos años, el dióxido de nitrógeno puede separarse en gran medida en un filtro de carbón. El ozono eventualmente aún existente en la corriente de gas puede eliminarse igualmente en forma completa de la corriente de gas, mediante el filtro de carbón postconectado. En los ensayos se obtuvieron, con una concentración de NO_{2} de más o menos 4 ppm como la que existe habitualmente en el aire de escape de los túneles viales, una vida útil del filtro de carbón de varios años. El carbón permite ser regenerado después de su carga y aplicado nuevamente al filtro. Es posible una regeneración múltiple. Finalmente, el carbón puede aprovecharse térmicamente como combustible. Mediante la combinación con un proceso sencillo de oxidación para NO antepuesto, como descrito anteriormente, se consigue un filtro de óxido de nitrógeno sencillo y económico para conseguir el objetivo descrito al comienzo.

El ionizador aplicado en la invención sirve al mismo tiempo también para la recarga eléctrica de las partículas contenidas en la corriente de gas, que son eliminadas de la corriente de gas en el colector postconectado. Como por regla general se exige una separación de partículas de la corriente de gas, la invención significa de esta forma una reducción ostensible de los componentes de la instalación y, con ello, una disminución de los costes de construcción y de funcionamiento del filtro.

Además de una separación de óxidos de nitrógeno se consigue con la invención reivindicada una mejor separación de partículas. Nuevas investigaciones muestran que, en especial, las partículas pequeñas en el aire respiratorio tienen un elevado efecto nocivo para la salud. Es de este modo que existe una exigencia cada vez mayor de separar las partículas finas de las corrientes de gases de combustión. Como mostraron mediciones en un túnel vial, los filtros electrostáticos conocidos eliminan solamente más o menos un 50% de las partículas menores a 0,01 \mum. Con una configuración del filtro, según la invención, aumenta ostensiblemente el grado de separación para partículas pequeñas. Con una tensión de impulsos en el ionizador pueden aumentarse las cargas eléctricas aplicadas a las partículas, lo que produce en el colector una separación mayor de las partículas pequeñas. Una carga y separación mayor de las partículas pequeñas también se consiguen con el preionizador antepuesto.

Para la separación de partículas de una corriente de gas también puede utilizarse el dispositivo de filtrado reivindicado por la invención, sin el separador para NO_{2}. Una aplicación especialmente ventajosa de la invención es su uso para la separación de humo, en especial humo de fuego, de una corriente de aire o gas.

La figura muestra a modo de ejemplo la forma de realización de la invención para una aplicación como filtro de aire de túnel para separar las partículas de hollín y óxidos de nitrógeno del aire de escape del túnel.

En una rejilla de mallas gruesas (1) se retienen en primer lugar los componentes más grandes del aire de escape, como hojas e insectos. A continuación, el aire circula a través de un filtro electrostático compuesto de un ionizador (4) y un colector (5), en el que se eliminan un 85% de las partículas de hollín y polvo contenidas en la corriente de aire. El ionizador (4) y el colector (5) están cada uno conectados a un generador de alta tensión (14). Cuando las placas filtrantes del filtro electrostático están cargadas de hollín y polvo se lavan con agua (3) mediante boquillas de rociado (3). El agua de lavado recogida en una cuba (15) es llevada por medio de una bomba (11) al separador (10). El proceso de despolvoreo se pone en marcha automáticamente y se ejecuta de forma completamente automática. Las adiciones de los filtros son separadas por medio de un separador (10) del agua de lavado, que a continuación se utiliza nuevamente para el despolvoreado del filtro. Durante el despolvoreado, el filtro electrostático es aislado mediante una válvula de aire.

Al mismo tiempo, en el ionizador (4) el monóxido de nitrógeno se convierte ampliamente en dióxido de nitrógeno. Con esta finalidad, para la generación de tensiones pulsantes el generador de alta frecuencia (14) del ionizador (4) está conectado a un generador de impulsos (12). Mediante un sensor de ozono (9) se mide constantemente la concentración de ozono (4) en el ionizador. La concentración de ozono sirve como magnitud de entrada para un regulador electrónico (13), que controla la amplitud y la duración de los impulsos eléctricos producidos en el generador de impulsos (12).

Un preionizador (2) situado en la dirección de la corriente delante del ionizador sirve para incrementar la oxidación del monóxido de nitrógeno y para una mejor separación de partículas pequeñas.

El dióxido de nitrógeno contenido en la corriente de aire es separado en un filtro de carbón (7) postconectado. En el filtro de carbón (7) se retienen asimismo hasta el 90% de los hidrocarburos y la bencina sin quemar. El movimiento del aire a través del equipo de filtrado se produce en la realización ilustrada por medio de ventiladores (8).

Claims (5)

1. Dispositivo para la separación de óxidos de nitrógeno y partículas de una corriente de gas, compuesto de un ionizador para la carga eléctrica de moléculas de gas y partículas, un colector para la separación de partículas y un filtro posterior para la separación de NO_{2}, caracterizado porque para la carga eléctrica de moléculas de gas y partículas se producen en el ionizador con un generador de impulsos breves de tensión eléctrica de un voltaje tal que se oxidan las moléculas de dióxido de nitrógeno existentes en la corriente de gas.

2. Dispositivo, según la reivindicación 1, caracterizado porque los impulsos eléctricos se superponen a un voltaje de base.

3. Dispositivo, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque existe un sensor de ozono para medir la concentración de ozono en el filtro y un regulador electrónico interconectado mediante el que puede controlarse la concentración de ozono, ajustando la amplitud y duración de los impulsos eléctricos.

4. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque delante del ionizador está dispuesto un preionizador por el que circula el gas, compuesto por dos o más placas paralelas conectadas a tierra, entre las que están dispuestos electrodos activos de acuerdo a un esquema precalculado, de manera tal que se produce un campo coronario homogéneo.

5. Dispositivo, según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el filtro para la separación de dióxido de nitrógeno es de carbón.