ES2817444T3 - Recuperación de sustancias contaminantes de motores de combustión interna - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna (11), que comprende la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx) a partir de una corriente (12) del gas de escape del motor de combustión interna en una unidad de adsorción (13) que contiene un material adsorbente que comprende al menos una zeolita, la retirada de la unidad de adsorción (13) cargada con óxidos de nitrógeno (NOx) o del material adsorbente de la unidad de adsorción (13), desorción de óxidos de nitrógeno (NOx) adsorbidos a partir del material adsorbente, y reacción de los óxidos de nitrógeno (NOx) para formar compuestos (20) con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos.

Description

DESCRIPCIÓN
Recuperación de sustancias contaminantes de motores de combustión interna
La invención se refiere a la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en motores de combustión interna. Se presentan un sistema y un procedimiento con los cuales se pueden aprovechar los óxidos de nitrógeno para la preparación de productos químicos líquidos o sólidos.
Los motores de combustión interna queman combustible bajo la aportación de aire para formar gases de escape. Normas para los gases de escape establecen los límites superiores para la expulsión de sustancias contaminantes (por ejemplo NOx). Los valores límites están sometidos a un recrudecimiento creciente. Para reducir las emisiones de sustancias contaminantes se emplean actualmente diversas medidas de eficiencia y una construcción ligera, las cuales han de minimizar la generación de las sustancias contaminantes. Además, mediante un tratamiento posterior eficiente de los gases de escape se reduce la emisión de sustancias contaminantes.
Una medida para reducir las emisiones de sustancias contaminantes es un tratamiento posterior por adsorción de los gases de escape, el cual puede eliminar, por ejemplo, NOx de la corriente de gases de escape. En este caso, el gas de escape es conducido a través de una unidad con material de adsorción. Las emisiones quedan retenidas en el mejor de los casos en un 100% y se acumulan en el material. Si se ha agotado la capacidad de adsorción del material de filtro, éste se intercambia o se regenera.
Por ejemplo, del documento DE 102012208072 A1 se conoce un dispositivo para la purificación de los gases de escape de vehículos con un elemento de filtro de partículas. El elemento de filtro puede ser reemplazado y es intercambiado en el caso de una carga suficiente.
A partir del documento DE 11 2006 001 296 T5 se conoce una línea de escape para motores de combustión. La línea de escape comprende un dispositivo de filtro, el cual acumula los óxidos de nitrógeno en una trampa de óxidos de nitrógeno. Cuando se ha alcanzado el límite de capacidad de la trampa de óxidos de nitrógeno, ésta es regenerada. Para ello, el motor se hace funcionar con una mezcla abundante y el gas de escape generado se hace reaccionar con óxidos de nitrógeno procedentes de la trampa de óxidos de nitrógeno para dar nitrógeno y dióxido de carbono.
El documento EP 2476473 A1 se refiere a un módulo de filtro para la adsorción de partículas que se encuentran en el aire del entorno y/o para la reacción de sustancias contaminantes del aire gaseosas que se forman, p. ej., durante el funcionamiento de vehículos automóviles en carreteras o railes, o en el caso de otros procesos de combustión. El módulo de filtro filtra las sustancias contaminantes, tales como polvo fino, óxidos de nitrógeno o hidrocarburos fácilmente volátiles del aire del entorno, y transforma a éstas catalíticamente en compuestos menos nocivos. El material de filtro utilizado es reemplazable.
El documento EP 1625884 A1 da a conocer un procedimiento para la reducción de emisiones de NOx de vehículos, que comprende una etapa (a), la oxidación de NOx , con el fin de formar dióxido de nitrógeno, y una etapa (b), dejar que el dióxido de nitrógeno reaccione con un metal alcalinotérreo, con el fin de formar un nitrato de metal alcalinotérreo, el cual contiene una mezcla a base de calcio y magnesio.
El documento US 2016/312675 A1 da a conocer un proceso para la recuperación del rendimiento de un componente de un sistema de tratamiento posterior para gases de escape.
El documento DE 100 49 119 A1 da a conocer una instalación para la purificación de gases de escape para la purificación del gas de escape de un motor de combustión interna de un vehículo automóvil, con un catalizador de almacenamiento de óxido de nitrógeno y una trampa de azufre antepuesta a éste.
En el caso de los procedimientos descritos resultan desechos en forma de material del filtro consumido o, en el caso de la regeneración del material del filtro, las sustancias contaminantes adsorbidas son liberadas de nuevo o bien se hacen reaccionar bajo la formación de otras sustancias contaminantes gaseosas.
Ante estos antecedentes, la invención se ha planteado la misión de proporcionar un sistema para la reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno formados en motores de combustión interna que eviten los inconvenientes descritos.
El problema se resuelve, de acuerdo con la invención, mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1 y un sistema con las características de la reivindicación 4. Ejecuciones resultan de las reivindicaciones dependientes.
Una característica de la invención es que óxidos de nitrógeno (NOx) formados en motores de combustión interna, los cuales fueron extraídos del gas de escape mediante adsorción sobre un material adsorbente de un depósito de NOx y que se han acumulado en el depósito de NOx , después de la extracción del depósito de NOx cargado, son desorbidos de éste y son aportados a un proceso de transformación. Este proceso de transformación aprovecha los óxidos de nitrógeno desorbidos del material adsorbente para la preparación de compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos, por ejemplo agentes fertilizantes. El material adsorbente puede emplearse de nuevo para la adsorción de óxidos de nitrógeno, después de la desorción de los óxidos de nitrógeno (regeneración del material adsorbente).
Es objeto de la invención un procedimiento para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna.
El procedimiento de acuerdo con la invención comprende, como primera etapa, la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx) de una corriente del gas de escape del motor de combustión interna en una unidad de adsorción. Para ello, durante el funcionamiento del motor de combustión interna se conduce una corriente del gas de escape del motor de combustión interna a través de una unidad de adsorción. En la unidad de adsorción se adsorben los óxidos de nitrógeno (NOx) contenidos en la corriente del gas de escape. La unidad de adsorción se solicita con ello con NOx . En una forma de realización del procedimiento, esta etapa se lleva a cabo hasta que se haya alcanzado el límite de capacidad de la absorción de óxido de nitrógeno de la unidad de adsorción.
De acuerdo con la invención, la unidad de adsorción contiene un material adsorbente que puede unir óxidos de nitrógeno, y los óxidos de nitrógeno (NOx) son adsorbidos por el material adsorbente dispuesto en la unidad de adsorción.
El material adsorbente comprende al menos una zeolita. Zeolitas que pueden adsorber óxidos de nitrógeno son conocidas, en principio, por el experto en la materia. Ejemplos comprenden ZSM-5, zeolita Y y mordenita.
Después de finalizar la primera etapa del procedimiento de acuerdo con la invención, en particular, después de alcanzar el límite de capacidad de la unidad de adsorción, la unidad de adsorción cargada con óxidos de nitrógeno (NOx) es retirada de la corriente de gas de escape. Los óxidos de nitrógeno (NOx) adsorbidos, unidos en la unidad de adsorción son desorbidos a continuación y son aportados a una reacción de los óxidos de nitrógeno (NOx) para dar compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos.
En una forma de realización del procedimiento, la unidad de adsorción cargada con óxidos de nitrógeno (NOx) es intercambiada por una unidad de adsorción no cargada. En otra forma de realización, un material adsorbente cargado con óxidos de nitrógeno (NOx) en la unidad de adsorción es intercambiado por un material adsorbente no cargado. En una forma de realización adicional, el material adsorbente cargado con NOx es recogido en un punto de recogida y es almacenado temporalmente antes de desorber los óxidos de nitrógeno del material adsorbente.
En una forma de realización, la desorción de los óxidos de nitrógeno de la unidad de adsorción tiene lugar mediante calentamiento de la unidad de adsorción o mediante el paso de vapor de agua caliente, gas caliente o un disolvente líquido, p. ej., agua. Con ello, el NOx adsorbido es transformado en la fase de vapor o líquido.
En una forma de realización, la desorción de los óxidos de nitrógeno de un material adsorbente cargado con NOx, el cual fue recogido de la unidad de adsorción, tiene lugar mediante tratamiento del material adsorbente con calor, vapor caliente, gas caliente o un disolvente líquido (p. ej., agua). El NOx se transforma en la fase de vapor o líquido, el material adsorbente se mantiene inalterado. Eventualmente, el material adsorbente debe ser secado antes de que pueda ser empleado de nuevo para la separación de los óxidos de nitrógeno de los gases de escape. Preferiblemente, la temperatura asciende, tanto en el caso de la desorción como en el secado, como máximo a 200°C.
El NOx separado de la unidad de adsorción es aportado a una reacción ulterior. En este caso, los óxidos de nitrógeno (NOx) reaccionan para formar compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos. Por ejemplo, el NOx puede ser incorporado en la cadena de producción de ácido nítrico, de nitratos o de disolventes no acuosos a base de NO2. En una forma de realización, los compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos comprenden nitratos, en particular nitrato de amonio.
El procedimiento de acuerdo con la invención ofrece una serie de ventajas, en particular puede contribuir en la reducción de la contaminación del medio ambiente y del consumo de energía. Si se considera el proceso completo, entonces el nitrógeno del aire, mediante la reacción en el motor de combustión interna, es oxidado en NOx, el cual es almacenado temporalmente en una unidad de adsorción, y después de la desorción se hace reaccionar para formar compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos.
Los óxidos de nitrógeno no acceden de esta forma a la atmósfera. Mediante el empleo del procedimiento de acuerdo con la invención se pueden reducir de manera significativa las emisiones de óxidos de nitrógeno de vehículos con motor de combustión interna.
El producto de reacción resultante puede ser aportado para un uso ulterior, por ejemplo como fertilizante. Al mismo tiempo se sustituye NO2 , el cual, de lo contrario, debería ser preparado para la preparación del producto. Mediante la sustitución de NO2 en la reacción de conversión se ahorra energía.
Los óxidos de nitrógeno contenidos en los gases de escape de motores de combustión interna se hacen industrialmente aprovechables mediante el procedimiento de acuerdo con la invención, dado que después de la desorción están a disposición en forma concentrada y ya no son diluidos mediante los otros componentes de los gases de escape. Dado que en diversos procedimientos industriales se consumen grandes cantidades de óxidos de nitrógeno, se pueden continuar elaborando enormes cantidades de los óxidos de nitrógeno obtenidos a partir de los gases de escape, es decir, el circuito de nitrógeno puede ser configurado de un tamaño grande casi de forma arbitraria.
También es objeto de la invención un sistema para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna. El sistema comprende una unidad de adsorción, la cual está diseñada para la adsorción de óxidos de nitrógeno de una corriente del gas de escape del motor de combustión interna, un módulo de desorción que está diseñado para desorber de la unidad de adsorción los óxidos de nitrógeno adsorbidos en la misma y una unidad de reacción que está diseñada para hacer reaccionar los óxidos de nitrógeno desorbidos para formar compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos. El sistema es adecuado particularmente para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención.
El sistema comprende una unidad de adsorción que está diseñada para la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx) de una corriente del gas de escape del motor de combustión interna. En una forma de realización, la unidad de adsorción está dispuesta en el tramo del gas de escape del motor de combustión interna, de modo que durante el funcionamiento del motor de combustión interna se conduce una corriente del gas de escape a través de la unidad de adsorción.
De acuerdo con la invención, la unidad de adsorción contiene un material adsorbente que está diseñado para unir por adsorción óxidos de nitrógeno (NOx). En especial, el material adsorbente comprende al menos una zeolita, por ejemplo, ZSM-5, zeolita Y o mordenita.
En una forma de realización, la unidad de adsorción está realizada como cartucho intercambiable. Esto tiene como consecuencia que sin una gran complejidad y de forma no destructiva dicho cartucho puede ser retirado de su posición en el tramo del gas de escape del motor de combustión interna y puede ser intercambiado por otro cartucho del mismo tipo.
En otra forma de realización, en la que un material adsorbente está dispuesto en la unidad de adsorción, la unidad de adsorción está configurada de modo que el material adsorbente cargado en ella con óxidos de nitrógeno (NOx) puede ser retirado de forma no destructiva y ser reemplazado por material adsorbente no cargado. Por ejemplo, la unidad de adsorción puede estar realizada como recipiente que puede volverse a cerrar, del cual se puede recoger o retirar el material adsorbente después de la apertura del recipiente, p. ej., mediante despliegue, atornillado o mediante la apertura de una cubierta o de una tapa. Después del llenado de un material adsorbente no cargado, la unidad de adsorción se puede cerrar de nuevo e incorporar nuevamente en la corriente del gas de escape del motor de combustión interna.
El sistema de acuerdo con la invención comprende un módulo de desorción, el cual está diseñado para desorber de la unidad de adsorción los óxidos de nitrógeno adsorbidos en la misma.
En una forma de realización, el módulo de desorción está diseñado para calentar la unidad de adsorción o para aportar al mismo vapor de agua caliente, gas caliente o un disolvente líquido y, con ello, desorber óxidos de nitrógeno de la unidad de adsorción.
En otra forma de realización, el módulo de desorción está diseñado para calentar material adsorbente cargado con óxidos de nitrógeno o tratarlo con vapor de agua caliente, gas caliente o un disolvente líquido y, con ello, desorber óxidos de nitrógeno del material adsorbente.
El sistema de acuerdo con la invención comprende, además, una unidad de reacción, la cual está diseñada para hacer reaccionar los óxidos de nitrógeno desorbidos del módulo de desorción para formar compuestos con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos. La unidad de reacción está diseñada para absorber una corriente de educto con contenido en óxidos de nitrógeno y para hacer reaccionar los óxidos de nitrógeno con otros reaccionantes. En una forma de realización, la unidad de reacción comprende un reactor para la reacción de óxidos de nitrógeno para dar ácido nítrico. En otra forma de realización, la unidad de reacción comprende un reactor para la reacción de ácido nítrico con amoniaco para dar nitrato de amonio.
Se entiende que las características precedentemente mencionadas y las a explicar todavía más adelante pueden utilizarse no solo en la combinación en cada caso indicada, sino también en otras combinaciones o en una posición individual, sin abandonar el marco de la presente invención.
La invención se ilustra en lo que sigue con ayuda de un ejemplo de realización y se describe adicionalmente haciendo referencia al Ejemplo y al dibujo correspondiente. Muestra:
la Figura 1 una representación esquemática de una forma de realización del sistema de acuerdo con la invención para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna.
La Figura 1 muestra esquemáticamente una forma de realización del sistema 10 de acuerdo con la invención para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna 11.
En la forma de realización representada, el motor de combustión interna 11 está dispuesto en un vehículo. La corriente 12 del gas de escape del motor de combustión interna 11 fluye a través del tramo del gas de escape del vehículo. En el tramo del gas de escape está dispuesta una unidad de adsorción 13, por ejemplo un cartucho intercambiable que contiene un material adsorbente, el cual está diseñado para la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx) de la corriente 12 del gas de escape. Durante el funcionamiento del motor de combustión interna 11 tiene lugar una adsorción de NOx en la unidad de adsorción 13 del vehículo. Durante la marcha, la corriente 12 del gas de escape es conducida a través de la unidad de adsorción 13, la cual contiene, por ejemplo, material adsorbente, el cual puede unir NOx mediante adsorción. La unidad de adsorción 13 es solicitada con ello con NOx y puede absorber NOx hasta el límite de absorción de la unidad de adsorción.
Un intercambio de la unidad de adsorción 13 tiene lugar a lo más tardar después de alcanzar el límite de absorción, es decir, cuando el material adsorbente esté saturado por completo con NOx . La unidad de adsorción 13 es cambiada por completo o el material adsorbente en la unidad de adsorción 13 del vehículo es intercambiado por nuevo material no cargado. La unidad de adsorción 13 está realizada, por lo tanto, preferiblemente como cartucho intercambiable o permite una retirada del material adsorbente cargado y el reemplazo del material cargado por material adsorbente no cargado sin una gran complejidad de montaje y, en particular, sin que con ello se destruya la unidad de adsorción 13.
El material cargado con NOx puede ser recogido en un punto de recogida y ser almacenado temporalmente con el fin de disponer de grandes cantidades del material cargado para la siguiente etapa y, con ello, configurar de manera más eficiente el proceso de recuperación.
La unidad de adsorción 13 o el material adsorbente cargado en ella se transfiere entonces a un módulo de desorción 14. En el módulo de desorción 14 son desorbidos los óxidos de nitrógeno adsorbidos en la unidad de adsorción 13. En una variante, el material adsorbente cargado con NOx es tratado con calor, vapor caliente, gas caliente o un disolvente líquido (p. ej., agua). El NOx se transforma en la fase de vapor o líquido, el material adsorbente se mantiene inalterado. Eventualmente, el material adsorbente debe ser secado antes de una utilización renovada. En el caso de la desorción, al igual que en el caso del secado se debería trabajar a temperaturas moderadas de cómo máximo 200°C. El NOx separado es aportado a una unidad de reacción 15 para la reacción ulterior.
En la unidad de reacción 15 se hacen reaccionar los óxidos de nitrógeno desorbidos para formar compuestos 20 con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos. Por ejemplo, el NOx puede ser incorporado en la cadena de producción de ácido nítrico, nitratos o disolventes no acuosos a base de NO2.
En una variante, los óxidos de nitrógeno NOx se hacen reaccionar en la unidad de reacción 15 primeramente para formar ácido nítrico HNO3. El ácido nítrico se hace reaccionar a continuación con amoniaco NH3 para formar nitrato de amonio NH4NO3, el cual encuentra aplicación, por ejemplo, como fertilizante nitrogenado.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna (11), que comprende la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx ) a partir de una corriente (12) del gas de escape del motor de combustión interna en una unidad de adsorción (13) que contiene un material adsorbente que comprende al menos una zeolita, la retirada de la unidad de adsorción (13) cargada con óxidos de nitrógeno (NOx) o del material adsorbente de la unidad de adsorción (13), desorción de óxidos de nitrógeno (NOx) adsorbidos a partir del material adsorbente, y reacción de los óxidos de nitrógeno (NOx) para formar compuestos (20) con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los compuestos (20) con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos comprenden nitratos.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que el nitrato es nitrato de amonio.
4. Sistema (10) para la recuperación de óxidos de nitrógeno formados en un motor de combustión interna (11), que comprende una unidad de adsorción (13) que comprende un material adsorbente que comprende al menos una zeolita, unidad que está diseñada para la adsorción de óxidos de nitrógeno (NOx) de una corriente (12) del gas de escape del motor de combustión interna (11), un módulo de desorción (14) que está diseñado para desorber de la unidad de adsorción (13) los óxidos de nitrógeno (NOx) adsorbidos en la misma y una unidad de reacción (15) que está diseñada para hacer reaccionar los óxidos de nitrógeno (NOx) desorbidos para formar compuestos (20) con contenido en nitrógeno líquidos o sólidos, en donde el módulo de desorción (14) y la unidad de reacción (15) no están unidos con el motor de combustión interna (11) y no entran en contacto con la corriente (12) del gas de escape.
5. Sistema (10) según la reivindicación 4, en donde la unidad de adsorción (13) está realizada como cartucho intercambiable.
6. Sistema (10) según la reivindicación 4 o 5, en donde la unidad de adsorción (13) está configurada de modo que el material adsorbente cargado en ella con óxidos de nitrógeno (NOx) puede ser retirado de forma no destructiva y ser reemplazado por material adsorbente no cargado.
7. Sistema (10) según la reivindicación 6, en donde la unidad de adsorción (13) está realizada como recipiente que puede volverse a cerrar, del cual se puede retirar el material adsorbente después de la apertura del recipiente.
8. Sistema (10) según una de las reivindicaciones 4 a 7, en donde el módulo de desorción (14) está diseñado para calentar la unidad de adsorción (13) o para aportar al mismo vapor de agua caliente, gas caliente o un disolvente líquido y, con ello, desorber óxidos de nitrógeno (NOx) de la unidad de adsorción (13), o está diseñado para calentar material adsorbente cargado con óxidos de nitrógeno (NOx) o tratarlo con vapor de agua caliente, gas caliente o un disolvente líquido y, con ello, desorber óxidos de nitrógeno (NOx) del material adsorbente.
9. Sistema (10) según una de las reivindicaciones 4 a 8, en donde la unidad de reacción (15) comprende un reactor para la reacción de óxidos de nitrógeno para formar ácido nítrico.
10. Sistema (10) según la reivindicación 9, en donde la unidad de reacción (15) comprende un reactor para la reacción de ácido nítrico con amoniaco para formar nitrato de amonio.
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