ES2245479T3 - Reduccion de emisiones de nox de un motor por inyeccion de urea a temperatura controlada. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema fiable y seguro de SCR para reducir las emisiones de NOx de un motor de combustión interna de gas pobre mediante el empleo de urea en disolución acuosa. Se evita el sobrecalentamiento y la hidrólisis de la solución manteniendo la temperatura de la solución de urea suficientemente baja como para no permitir que se mantenga durante un tiempo suficiente a elevada temperatura y se hidrolice la urea hasta tal punto que precipiten sólidos. En una realización preferente, un sistema de inyección similar al que se emplea en la inyección de fuel, proporciona una alimentación constante a los inyectores (32) y una línea de retorno (33). La alimentación y la inyección se pueden controlar para proporcionar suficiente urea para la reducción de NOx y una capacidad de enfriamiento suficiente para que los sistemas de alimentación y de inyección eviten la hidrólisis y de depósitos de los productos de la hidrólisis.

Description

Reducción de emisiones de NO_{x} de un motor por inyección de urea a temperatura controlada.

Esta invención se refiere a un método que hace posible la reducción segura y fiable de emisiones de óxidos de nitrógeno (NO_{x}), mientras que permite que operen eficazmente los motores diesel u otros motores que queman mezclas pobres.

Los motores diesel y los motores de gasolina que queman mezclas pobres proporcionan la ventaja del ahorro de combustible, pero durante la operación normal producen NO_{x} y partículas. Cuando se toman medidas primarias para reducir uno de ellos (acciones que afectan el proceso de combustión en sí mismo, por ejemplo, recirculación de los gases de escape y ajustes en el reglaje del motor), normalmente aumenta el otro. De este modo, las condiciones de combustión seleccionadas para reducir la contaminación por partículas y obtener un buen ahorro de combustible tienden a aumentar los NO_{x}.

Las reglamentaciones actuales y propuestas exigen a los fabricantes conseguir un buen ahorro de combustible y reducir las partículas y los NO_{x}. Los motores que queman mezclas pobres son necesarios para conseguir el objetivo de ahorro de combustible, pero las altas concentraciones de oxígeno en los gases de escape vuelven ineficaces para reducir los NO_{x} a los típicos sistemas catalíticos de gases de escape.

Durante años, para reducir los NO_{x} en algunos contextos se ha dispuesto de la RCS (reducción catalítica selectiva). Sin embargo, hasta ahora la RCS ha dependido del uso de amoniaco, que tiene problemas de seguridad asociados con su almacenamiento y transporte. La urea es más segura, pero no es practicable para muchas aplicaciones de RCS
-particularmente con fuentes móviles de NO_{x}- debido a la dificultad de convertirla a partir de una forma sólida o acuosa en sus especies gaseosas activas, típicamente radicales NH_{i} y HNCO.

Hay una necesidad actual de una respuesta segura, económica y eficaz para los problemas asociados con la RCS, particularmente para motores móviles diesel y otros motores móviles que queman mezclas pobres.

Donde se emplean catalizadores de RCS para limitar las emisiones de NO_{x} de los motores diesel, se tienen que afrontar los peligros del amoniaco y el riesgo de ensuciamiento del catalizador bajo la mayoría de las condiciones. Con respecto a esto, véase R. J. Hulterman; "A Selective Catalytic Reduction Of NO_{x} from Diesel Engines Using Injection Of Urea"; tesis doctoral, septiembre de 1.995. Hulterman describe varios desafíos técnicos que incluyen el atascamiento de pulverizadores, los problemas de descomposición y la dinámica del sistema. Similarmente, en el artículo de SAE Nº 970.185, titulado "Transient Perfomance of a Urea DeNO_{x} Catalyst for Low Emissions Heavy-Duty Diesel Engines", se indica que las boquillas de inyección se deben proteger del calor excesivo.

Los limitados intentos para usar la RCS de urea con motores diesel han requerido el uso de grandes cámaras de pirolización u otros dispositivos después del punto de introducción de la urea en el escape, como se describe en la patente de EE.UU. Nº 5.431.893 a Hug et al. El equipamiento de este tipo evidencia los problemas conocidos con la urea. Una vez introducida en el escape del motor diesel, la urea precisa cierto tiempo para descomponerse y puede provocar el taponamiento de las boquillas como se introduce convencionalmente y también como se propone en esa descripción. Para proteger al catalizador del ensuciamiento, Huget et al. proponen un equipamiento voluminoso. Además, esta descripción destaca la necesidad de mantener la solución de urea a una temperatura por debajo de 100ºC para evitar la descomposición antes de pasar a través de la boquilla. Se propone el uso de presiones de urea moderadas cuando se alimenta la urea y se encuentra necesario tener medios alternativos para introducir aire a alta presión en la tubería de alimentación cuando se tapona. Aparentemente, las boquillas empleadas por Huget et al. son capaces de producir pulverizaciones moderadamente finas, cuya dispersión se ayuda mediante aire auxiliar, pero todavía las gotitas son lo suficientemente grandes como para requerir una gran conducto de pirolización. Véase también la patente WO 97/01387 y la solicitud de patente europea 487.886 A1.

Cada una de las advertencias de estas referencias sobre las dificultades de usar urea con sistemas de RCS, especialmente para fuentes móviles, apunta al problema que la técnica ha tenido y continúa teniendo.

La técnica está a la espera del desarrollo de un procedimiento que permita el uso de urea en un procedimiento de RCS simple, fiable, económico y seguro.

Es un objeto de la invención eliminar los problemas de seguridad asociados con el almacenamiento y manipulación de amoniaco para usos móviles.

Es otro objeto de la invención hacer posible el uso de urea para la reducción de NO_{x} en la RCS, sin taponar las tuberías de alimentación debido a la hidrólisis de la urea.

Es también otro objeto de la invención hacer posible el uso de urea para la RCS evitando la humectación o la deposición de sólidos en el catalizador.

Es otro objeto, más específico, de un aspecto de la invención proporcionar un sistema de RCS simple y robusto y capaz de un tiempo de respuesta rápido con el fin de cumplir las condiciones transitorias reinantes en los motores diesel.

Es también un objeto adicional y más específico de la invención hacer posible el uso de urea en un sistema de RCS que haga posible el tratamiento de los gases de escape a temperaturas entre 180 y 650ºC.

Es también un objeto adicional y más específico de la invención hacer posible el uso de urea en un sistema de RCS que haga posible su integración con el sistema de gerencia del motor (SGM), evitando de ese modo la necesidad de un controlador adicional.

Estos y otros objetos se consiguen mediante la presente invención, que proporciona un método mejorado para la reducción de NO_{x}.

El método de la invención reduce las emisiones de NO_{x} de motores que queman mezclas pobres, utilizando un agente de urea y un reactor de RCS eficaz para la reducción catalítica selectiva de NO_{x}, y comprende: alimentar continuamente, entre un recipiente de almacenamiento a través de una tubería hasta un inyector, una solución acuosa reactiva de urea que comprende uno o más de urea; ammelide; ammeline; carbonato amónico; bicarbonato amónico; carbamato amónico; cianato amónico; sales amónicas de ácidos inorgánicos, que incluyen ácido sulfúrico y ácido fosfórico; sales amónicas de ácidos orgánicos, que incluyen ácido fórmico y acético; biuret; ácido cianúrico; ácido isociánico; melamina y tricianourea; entre un recipiente de almacenamiento a través de una tubería a un inyector, en el que la solución reactiva de urea proporciona enfriamiento al inyector, y la urea que regresa desde el inyector al recipiente de almacenamiento se mantiene a una temperatura por debajo de 140ºC; inyectar la solución reactiva de urea en los gases de escape a una temperatura de los gases de escape suficiente para la RCS; y hacer pasar los gases de escape a través de un reactor de RCS.

Entre los aspectos preferidos del método están el uso de soluciones concentradas de urea, por ejemplo, las que contienen al menos aproximadamente 25% en peso de urea. Preferiblemente, la urea se inyecta cuando la temperatura de los gases de escape está dentro del intervalo de 180 a 650ºC.

En una realización, el aparato comprende: medios para alimentar una solución acuosa de urea desde un recipiente de almacenamiento a través de una tubería hasta un inyector; medios para hacer regresar la solución de urea desde el inyector al recipiente de almacenamiento, siendo los caudales de alimentación y de retorno suficientes para suministrar urea a los gases de escape conforme se necesita para la reducción de NO_{x} y mantener la temperatura de la solución de urea suficientemente baja lo que no permite un tiempo a temperatura elevada suficiente para hidrolizar la urea hasta un punto en que se precipiten sólidos (por ejemplo, por debajo de 140ºC); medios de inyección para inyectar la solución de urea en los gases de escape a una temperatura de los gases de escape eficaz para la RCS; y medios de paso de los gases de escape que conducen desde los medios de inyección hasta un reactor de RCS.

Una realización preferida del aparato incluye además: medios para detectar la temperatura de los gases de escape; medios para generar una señal representativa de la temperatura de los gases de escape detectada; medios para detectar la carga del motor; medios para generar una señal representativa de la carga del motor detectada; medios para detectar la temperatura de la solución de urea; medios para generar una señal representativa de la temperatura de la solución de urea detectada; y medios para comparar las señales generadas con unos valores de referencia y generar señales de control para controlar la alimentación, la inyección y el retorno de urea.

La invención se comprenderá mejor y sus ventajas serán más evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, especialmente cuando se lee a la luz de los dibujos adjuntos; en los que:

La Figura es un diagrama de flujo que muestra los componentes principales de una realización de la invención.

En esta descripción, la expresión "motor que quema una mezcla pobre" significa que incluye motores que se pueden operar con una concentración de oxígeno de entrada mayor que la cantidad requerida para la combustión estequiométrica (o químicamente correcta) de un combustible hidrocarbonado, por ejemplo al menos 1% en peso de oxígeno en exceso.

La expresión "motor" significa en un amplio sentido que incluye todos los combustores que queman combustibles hidrocarbonados para proporcionar calor, por ejemplo para la conversión directa o indirecta en energía mecánica o eléctrica. Se incluyen y se pueden beneficiar de la invención los motores de combustión interna de los tipos Otto, diesel y de turbina, así como quemadores y hornos. Sin embargo, puesto que son tan pronunciados los problemas y ventajas de la consecución fructífera de una reducción fiable de NO_{x} en los motores diesel, en toda esta descripción los motores diesel se usan para propósitos de ejemplo. Se contemplan motores estacionarios y móviles.

La expresión "motor diesel" significa que incluye todos los motores de encendido por compresión, tanto los móviles (incluidos los marinos) como las plantas estacionarias de energía, y de los tipos de dos tiempos por ciclo, cuatro tiempos por ciclo y rotativo.

La expresión "combustible hidrocarbonado" significa que incluye todos los combustibles preparados a partir de "combustibles destilados" o "petróleo". Se incluyen la gasolina, el combustible para turbinas de combustión, el combustible diesel, y otros combustibles destilados diversos. La expresión "combustible destilado" significa todos los productos preparados mediante la destilación de petróleo o fracciones petrolíferas y residuos. La expresión "petróleo" en su sentido usual significa que incluye todos los materiales cualesquiera que sea la fuente normalmente incluida dentro del significado de la expresión, incluyendo materiales hidrocarbonados, cualquiera que sea la viscosidad, que están recubiertos de combustibles fósiles.

La expresión "combustible diesel" significa "combustibles destilados" que incluyen combustibles diesel que cumplen la definición ASTM para combustibles diesel u otros, incluso aunque no estén completamente comprendidos por destilados, y pueden comprender alcoholes, éteres, compuestos nitroorgánicos y similares (por ejemplo, metanol, etanol, dietiléter, metiletiléter, nitrometano). También dentro del alcance de esta invención, están los combustibles líquidos y emulsiones derivados de fuentes vegetales o minerales, tales como maíz, alfalfa, pizarra y carbón. Estos combustibles pueden contener también otros aditivos conocidos por los expertos en la técnica, que incluyen tintes, mejoradores de cetano, antioxidantes tales como 2,6-di-terc-butil-4-metilfenol, inhibidores de corrosión, inhibidores de oxidación tales como ácidos y anhídridos succínicos alquilados, agentes bacteriostáticos, inhibidores de gomas, desactivadores de metales, lubricantes del cilindro superior, agentes anticongelantes y similares.

La expresión "urea" significa que abarca urea en todas sus formas comerciales, incluyendo las que contienen: ammelide; ammeline; carbonato amónico; bicarbonato amónico; carbamato amónico; cianato amónico; sales amónicas de ácidos inorgánicos, que incluyen ácido sulfúrico y ácido fosfórico; sales amónicas de ácidos orgánicos, que incluyen ácido fórmico y acético; biuret; ácido cianúrico; ácido isociánico; melamina y tricianourea. Típicamente, la forma comercial de urea consiste esencialmente en urea, que contiene 95% o más de urea, o una solución acuosa que contiene urea de esta pureza.

Las soluciones acuosas de urea se pueden emplear hasta sus límites de solubilidad. Típicamente, la solución acuosa contiene aproximadamente 2 a aproximadamente 65% de reactivo, basado en el peso de la solución. Es una ventaja de la invención el que hace posible el uso de soluciones concentradas de urea. La técnica anterior ha enseñado que las soluciones diluidas de urea son necesarias para evitar problemas con la precipitación de productos de descomposición. La invención hace posible utilizar urea con sus ventajas máximas sin las inquietudes usuales del amoniaco o las inquietudes del taponamiento de tuberías y boquillas. Se prefieren las soluciones concentradas porque limitan la cantidad de agua que se debe almacenar, transportar, vaporizar y proteger de la congelación en el invierno. Las concentraciones típicas de urea están dentro del intervalo de 25 a 50%, por ejemplo aproximadamente 35%.

La urea se puede almacenar en forma de una solución o en seco en un bidón. Cuando se almacena en seco, el agua se pone en contacto con la urea conforme se necesita para preparar la solución. De esta manera, se puede variar la concentración de la solución desde cerca de la saturación (para minimizar el almacenamiento y uso de agua) o hasta cualquier concentración adecuada para una instalación estacionaria o en un vehículo. En algunas circunstancias, para evitar la congelación o para reducir el tiempo para la gasificación, se desea proporcionar calentadores para el almacenamiento de agua y/o solución de urea. Asimismo, puede ser útil emplear materiales anticongelantes.

Se hace referencia a la Figura, que representa en forma esquemática una realización de la invención. Brevemente, el motor diesel 10 se alimenta de combustible por medio de las tuberías 12 y los inyectores 13. El motor produce gases de escape que contienen NO_{x} que se hacen pasar a través del tubo de escape 20. La solución de urea se alimenta desde el recipiente 30 al tubo de escape 20 mediante uno o más inyectores, como el 32. Luego, los gases de escape se hacen pasar a través de la unidad 34 del reactor de RCS. Preferiblemente, el procedimiento se controla por medio de un controlador 40, que se puede integrar con el sistema de gerencia del motor (SGM), evitando de ese modo la necesidad de un controlador adicional. En una realización no mostrada la solución de urea se introduce en el escape entre las válvulas de escape del motor y la turbina del turbocompresor de gases de escape.

La invención hace posible la utilización de soluciones acuosas de urea, en lugar de amoniaco, para la reducción de NO_{x} por RCS de manera que se evita el taponamiento del sistema de alimentación de la solución y de los inyectores con depósitos de los productos de la hidrólisis de urea, o la humectación o la formación de depósitos de sólidos en el catalizador.

Las ventajas relativas a evitar depósitos en el sistema de suministro de reactivo se consiguen asegurando que no se produzca hidrólisis en el sistema de alimentación. La ventaja de evitar depósitos en el catalizador se consigue fomentando la descomposición rápida de la urea después de que la solución se introduce en los gases de escape. El hecho de que la invención no cuente con una concentración baja de urea para evitar la descomposición en las tuberías de alimentación, aumenta la velocidad de descomposición de la urea en el escape. Por otra parte, la invención no requiere el uso de aire para enfriar la solución diluida de urea por debajo de 100ºC - tales bajas temperaturas pueden retrasar la descomposición de la urea mediante los gases de escape, especialmente cuando se consiguen mediante el uso de grandes volúmenes de aire de enfriamiento introducidos en los gases de escape.

La Figura muestra un sistema de inyección de reactivo que emplea una tubería de alimentación, por ejemplo un colector común 31, con un retorno al suministro por medio de la tubería 33 de rebose. Este sistema mantiene un caudal continuo de reactivo entre el recipiente de almacenamiento 30 y el inyector 32. La expresión inyector se usa aquí para describir cualquier dispositivo capaz de controlar el caudal de la solución de urea desde el colector 31 a los gases de escape. El inyector puede ser un dispositivo de alta presión o de baja presión.

Entre los dispositivos de baja presión están cualquiera de los medios de distribución de líquido a baja presión disponibles, tales como pulverizadores mecánicos del tipo empleado para pulverizar pinturas, pulverizadores sónicos, válvulas simples que se prolongan hasta un tubo con un dispositivo de dispersión que comprende una pluralidad de orificios para proporcionar una pulverización fina, boquillas de aguja controladas capaces de pautas de pulverización ajustables, o similares. Se pueden emplear boquillas accionadas con aire comprimido, pero se las prefiere operar con un mínimo de aire para reducir el coste del equipamiento y el efecto que tiene el aire sobre el enfriamiento del escape. En algunas circunstancias, cuando ni el suministro de aire ni su efecto de enfriamiento son compromisos inaceptables de diseño, se puede emplear aire para enfriar el inyector y/o ayudar a la inyección de solución de urea.

Entre los inyectores de alta presión están los dispositivos de inyección del tipo empleado para la inyección de combustible, que se abren repentinamente en 68 a 680 atmósferas manométricas (1.000 a 10.000 psig) y tienen unas presiones pico de inyección dinámica de hasta 3.400 atmósferas manométricas (50.000 psig). Los inyectores del tipo de aguja operan dentro de los intervalos de presión mencionados y pueden proporcionar la ventaja añadida de una característica autolimpiante por raspado para minimizar los depósitos en la boquilla de salida del inyector. También se pueden emplear otros inyectores, cualquiera que sea la presión de operación, por ejemplo algunos que operan a presiones del orden de 2 atmósferas manométricas (30 psig).

Medios de mezcladura en línea significan que se emplean preferiblemente para asegurar una buena distribución de la solución de urea dentro de los gases de escape, especialmente cuando se emplean inyectores de baja presión. La distribución es importante porque las altas concentraciones de solución de urea pueden provocar un enfriamiento localizado, y esto puede dar lugar a que subsistan gotitas de agua o partículas de urea o productos de pirólisis que luego chocan con el catalizador de RCS. El impulsor 46 se muestra como un dispositivo adecuado. Alternativamente, se puede emplear un cuerpo foraminoso, un eliminador de niebla, un mezclador estático, un separador de partículas u otro dispositivo similar que tenga una capacidad de mezcladura. La Figura muestra también un codo 21 en el tubo de escape 20, para actuar como protección frente al contacto de la urea líquida o sólida, o de los residuos de urea, con el catalizador del reactor 34 de RCS.

La realización representada en la Figura incluye un sensor 35 de la presión del colector y una válvula 36 de regulación de la presión. La presión dentro del colector y las tuberías de retorno se regula mediante la válvula 36 y la bomba 37, en respuesta a las señales de control proporcionadas por el controlador 40. En la Figura se observa que las tuberías presurizadas 31, 31' y 31'' se muestran más oscuras que las tuberías 33 y 33' de retorno no presurizadas. Opcionalmente, en la tubería 33 se puede emplear un intercambiador de calor 50 para enfriar la solución de urea en el caso de sobrecalentamiento. Las tuberías 38 y 38', entre la bomba 37 y el recipiente 30, proporcionan agitación para la solución de urea conforme se necesita.

Preferiblemente, el controlador 40 está integrado con el SGM del motor 10 para evitar la necesidad de varios controladores diferentes y para utilizar, tanto como sea posible, los haces de conductores y los sensores existentes. Se muestran varios sensores que funcionan para determinar varios parámetros de operación y generar señales de operación representativas de los parámetros determinados. Luego, las señales de operación se envían al controlador, que las compara con los valores de referencia, calcula una o más señales de control y envía las señales de control a uno o más de los dispositivos que se controlan.

La Figura muestra un sensor 41 para el motor, un sensor 42 para la temperatura de los gases de escape, un sensor 43 para el nivel de urea en el recipiente 30, y un sensor 44 para la temperatura de la solución de urea en la tubería de retorno 33. Es un parámetro clave la carga del motor, representada mediante uno o más parámetros adecuados, tales como el caudal de combustible, la velocidad del motor, los reglajes de la posición de la admisión o del sistema de inyección, y se puede vigilar uno de éstos o un factor similar para determinar la cantidad de NO_{x} que se genera y la necesidad de alimentación de reactivo a la unidad de calentamiento o sus productos de hidrólisis alimentados a los gases de escape. En tanto que eso sea práctico, para el control por realimentación se pueden emplear sensores opcionales, tales como el sensor 45 para las concentraciones de NO_{x} residual. La Figura muestra también con líneas de puntos las señales de operación que se envían al controlador y las señales de control que se envían a los dispositivos controlados.

La temperatura de la solución de urea a través del sistema se mantiene en un valor suficientemente bajo, lo que no permite un tiempo a temperatura elevada suficiente para hidrolizar la urea hasta el punto en que se precipiten sólidos (por ejemplo, por debajo de 140ºC). El inyector 32 tenderá a calentarse, conforme se eleva la temperatura de los gases de escape después del arranque, hasta dentro del intervalo de 300 a 650ºC para una carga alta para algunos motores. A menos que se tomen precauciones, la alta temperatura provocará la hidrólisis de la urea antes de la inyección - provocando que precipiten los productos de la hidrólisis debido a que tienen una solubilidad más baja que la urea. La invención hace circular continuamente la solución de urea desde el recipiente 30 a través de las tuberías 31 y 33 (y las tuberías asociadas, conforme se controlan) para proporcionar enfriamiento al inyector. Con controles adecuados es práctico dejar que la temperatura de la solución se eleve entre 105 y 130ºC, cuando el sistema se presuriza hasta la presión de vapor saturado para las temperaturas implicadas. Debido a que el tiempo de residencia en la tubería de rebose es corto, se puede dejar que la solución de urea alcance temperaturas más altas pero sin alcanzar el límite de solubilidad para los productos de hidrólisis. Para conseguir la temperatura deseada se puede emplear un medio auxiliar de calentamiento (no mostrado) en el recipiente 30 o en otra parte del sistema de alimentación o retorno.

Es una clara ventaja de la invención el que no se requiere aire para conseguir el control de la temperatura - ahorrando en costes de equipamiento y evitando la reducción de la eficiencia debido al efecto de enfriamiento del aire en los gases de escape. También es una ventaja de la invención el que se puede diseñar un equipo de inyección de alta presión con una tubería de retorno para presiones de operación suficientemente altas para efectuar la pulverización, preferiblemente con al menos alguna gasificación, de la solución de urea al quitar la presión. Esta característica hace posible un mejor acoplamiento compacto del inyector con el reactor 34 de RCS.

Sin embargo, en otra realización no se emplean las tuberías de retorno 33 y 33' o no son los únicos medios para el mantenimiento de la temperatura. En esta realización, se puede poner en contacto con el inyector para intercambiar calor un fluido de intercambio de calor, tal como aire o el fluido refrigerante del motor. Permisiblemente, en esta realización se puede dejar que la temperatura de la solución de urea se eleve por encima de 100ºC en tanto que la solución de urea se mantenga a una presión por encima de la presión de vapor de saturación a esa temperatura.

Es posible proporcionar un catalizador para fomentar la hidrólisis y/o pirólisis de la urea como un revestimiento en una o más de las partes componentes del sistema de escape o como un elemento separado. Por ejemplo, puede revestir el tubo de escape 20, especialmente el codo 21. También, se puede emplear en el dispositivo 46 de mezcladura. Revestimientos de este tipo tienen la doble ventaja de mantener el sistema operativo limpio y hacer posible la gasificación de la urea. Entre los catalizadores de hidrólisis adecuados están los que comprenden un material seleccionado del grupo consistente en ácido fosfórico y fosfatos ácidos; hidróxidos y carbonatos de un metal alcalino, tales como hidróxido sódico, hidróxido potásico, carbonato sódico, carbonato potásico; silicatos de un metal alcalino; hidróxidos y óxidos de un metal alcalino-térreo; hidróxido y óxidos de aluminio; y mezclas de dos o más de estos. Para un listado adicional de catalizadores y técnicas, véanse también la patente de EE.UU. Nº 4.997.631 a Hofmannet et al., la solicitud PCT WO 92/02291 a von Harpe et al., la patente de EE.UU. Nº 5.139.754, Hofmann, Sun y Luftglass, la patente de EE.UU. Nº 5.281.403 a Jones y la patente japonesa HEI 2-191.528 a Ebina. Véase también la patente EP-615.777, que describe un catalizador de óxido mixto de Al_{2}O_{3}-TiO_{2}-SiO_{2}-ZrO_{2} capaz de descomponer la urea en el escape de un motor diesel.

El catalizador de RCS usado es capaz de reducir la concentración de óxidos de nitrógeno efluentes en presencia de amoniaco. Estos incluyen, por ejemplo, carbono activado, carbón vegetal o coque, zeolitas, óxido de vanadio, óxido de wolframio, óxido de titanio, óxido de hierro, óxido de cobre, óxido de manganeso, óxido de cromo, metales nobles tales como metales del grupo del platino tales como el platino, paladio, rodio e iridio, o sus mezclas. Para catalizador de RCS también se pueden utilizar otros materiales convencionales en la técnica y conocidos por los artesanos expertos. Típicamente, estos materiales para catalizador de RCS se montan en un soporte, tal como un soporte de metal, cerámico, de zeolita, o un monolito homogéneo, aunque también se pueden usar otros soportes conocidos.

Entre los catalizadores de RCS útiles están los representativos de los procedimientos de la técnica anterior descritos antes. Los procedimientos de reducción catalítica selectiva para reducir NO_{x} son muy conocidos y utilizan una variedad de agentes catalíticos. Por ejemplo, en la solicitud de patente europea WO 210.392, Eichholtz y Weiler comentan la separación catalítica de óxidos de nitrógeno usando carbón vegetal activado o coque activado, con la adición de amoniaco como catalizador. Kato et al. en la patente de EE.UU. 4.138.469 y Henke en la patente de EE.UU. 4.393.031 describen la reducción catalítica de NO_{x} usando metales del grupo del platino y/u otros metales, tales como titanio, cobre, molibdeno, vanadio, wolframio, o sus óxidos, con la adición de amoniaco, para conseguir la reducción catalítica deseada. Véase también la patente EP-487.886, que especifica un catalizador de V_{2}O_{5}/WO_{3}/TiO_{2} con un intervalo de trabajo de 220 a 280ºC. Otros catalizadores a base de platino pueden tener temperaturas de operación incluso inferiores, por ejemplo por debajo de aproximadamente 180ºC.

En la patente canadiense 1.100.292 a Knight se describe otro procedimiento de reducción catalítica, que se refiere al uso de un catalizador de un metal del grupo del platino, oro y/o plata, depositado sobre un óxido refractario. En la patente de EE.UU. 4.107.272, Mori et al. comentan la reducción catalítica de NO_{x} usando compuestos de oxisulfuro, sulfato o sulfito de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobre y níquel, con la adición de amoniaco gaseoso.

En un sistema catalítico de múltiples fases, en la patente de EE.UU. 4.268.488, Ginger describe la exposición de un efluente que contiene óxidos de nitrógeno a un primer catalizador que comprende un compuesto de cobre, tal como sulfato de cobre, y a un segundo catalizador que comprende combinaciones de metales, tales como sulfatos de vanadio y hierro o wolframio y hierro, en un soporte en presencia de amoniaco.

El efluente en el que se ha introducido la urea se hace pasar, preferiblemente, sobre el catalizador de RCS mientras que el efluente está a una temperatura adecuadamente alta, típicamente entre 180 y 650ºC; por ejemplo, al menos aproximadamente 300ºC. De esta manera, las especies activas presentes en el efluente debido a la hidrólisis y gasificación de la solución de urea facilitan, lo más eficazmente, la reducción catalítica de los óxidos de nitrógeno. El efluente contiene un exceso de oxígeno. El uso de la presente invención con cualquiera de los catalizadores de RCS anteriores (cuya descripción se incorpora específicamente como referencia) reduce o elimina las exigencias para el transporte, almacenamiento y manipulación de grandes cantidades de amoniaco o agua amónica.

Debido a que la invención es compatible con otras tecnologías que reducen las emisiones y ahorran combustible, una variedad de procedimientos híbridos están disponibles para los diseñadores de motores, los fabricantes de vehículos y el mercado de modificación. Por ejemplo, el combustible se puede catalizar con un aditivo adecuado de un metal del grupo del platino y/o una composición catalítica auxiliar seleccionada del grupo consistente en compuestos de sodio, litio, potasio, calcio, magnesio, cerio, hierro, cobre, manganeso, y sus mezclas. Entre los compuestos están cualquiera de los descritos, por ejemplo, en las patentes previas de EE.UU. números 4.892.562 y 4.891.050 a Bowers y Sprague, 5.034.020 a Epperly y Sprague, 5.215.652 a Epperly, Sprague, Kelso y Bowers, y 5.266.083 a Meter-Hoblyn, Epperly, Kelso y Sprague, WO 90/07561 a Epperly, Sprague, Kelso y Bowers, y la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 80/597.517 presentada el 31 de Enero de 1.996, por Peter-Hoblyn, Valentine y Sprague, incorporada aquí como referencia. Donde la aplicación lo permite, se puede usar una mezcla de estos compuestos con uno o más compuestos distintos de un metal del grupo del platino, tales como jabones, acetonatos de acetilo, alcoholatos, \beta-dicetonas, y sulfonatos, por ejemplo del tipo que se describe con más detalle más adelante.

El catalizador de un metal del grupo del platino y/u otro catalizador se puede añadir de cualquier manera eficaz para su propósito deseado, tal como añadiéndole al combustible en el almacenamiento a granel o en un depósito asociado con el motor, o mediante adición continua o intermitente, tal como mediante un dispositivo de dosificación adecuado, en: la tubería de alimentación de combustible al motor, o en forma de vapor, gas o aerosol en la entrada de aire, los gases de escape antes del separador, los gases de escape después del separador pero antes de la recirculación al motor, o en una cámara de mezcladura o medios equivalentes en la que los gases de escape se mezclan con aire de entrada.

Cuando se emplean composiciones catalíticas de un metal del grupo del platino, particularmente en combinación con separadores de partículas, preferiblemente se hace con concentraciones menores que 2 partes en peso del metal del grupo del platino por millón de partes en volumen (ppm). Para los propósitos de esta descripción, todas las cifras en "partes por millón" están en base del peso al volumen, es decir gramos/millón de centímetros cúbicos (que también se pueden expresar como miligramos/litro), y los porcentajes se dan en peso, salvo que se indique de otra manera. Se emplean catalizadores auxiliares con niveles eficaces para su propósito deseado, preferiblemente con niveles de 1 a 100 ppm del combustible utilizado, por ejemplo 10 a 60 ppm.

Claims (10)

1. Un método para reducir las emisiones de NO_{x} de motores que queman mezclas pobres, que utiliza urea y un reactor de RCS eficaz para la reducción catalítica selectiva de NO_{x}, que comprende:

alimentar continuamente, entre un recipiente de almacenamiento y un inyector, una solución acuosa reactiva de urea que comprende uno o más de urea; ammelide; ammeline; carbonato amónico; bicarbonato amónico; carbamato amónico; cianato amónico; sales amónicas de ácidos inorgánicos, que incluyen ácido sulfúrico y ácido fosfórico; sales amónicas de ácidos orgánicos, que incluyen ácido fórmico y acético; biuret; ácido cianúrico; ácido isociánico; melamina y tricianourea; en el que la solución reactiva de urea proporciona enfriamiento al inyector, y la urea que regresa desde el inyector al recipiente de almacenamiento se mantiene a una temperatura por debajo de 140ºC;

inyectar la solución reactiva de urea en los gases de escape a una temperatura de los gases de escape suficiente para la RCS; y

hacer pasar los gases de escape a través de un reactor de RCS.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea contiene al menos 25% en peso de urea.

3. Un método según la reivindicación 1, en el que la temperatura de los gases de escape está dentro del intervalo de 180 a 650ºC.

4. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea antes de la inyección se mantiene a una temperatura por debajo de 140ºC.

5. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea se inyecta en los gases de escape a una presión de al menos 2 atmósferas (30 psi).

6. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea antes de la inyección se calienta en su totalidad o en parte mediante medios auxiliares de calentamiento.

7. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea antes de la inyección se calienta en su totalidad o en parte mediante transferencia del calor de los gases de escape.

8. Un método según la reivindicación 1, en el que la solución reactiva de urea se introduce en el escape entre las válvulas de escape del motor y la turbina del turbocompresor de gases de escape.

9. Un método según la reivindicación 1, en el que el reactivo de urea se introduce en el escape en una relación de acoplamiento compacto con el catalizador de RCS.

10. Un método según la reivindicación 1, en el que la introducción en el escape de la solución reactiva de urea se controla mediante un controlador integrado con el sistema de gerencia del motor.