Reducció catalítica selectiva

Representació esquemàtica de la llínea de gasos d'escape d'un motor diésel en catalisador d'oxidació, injecció de urea i catalisador SCR.

La reducció catalítica selectiva (SCR) és un procés per a convertir òxits de nitrogen (també coneguts com Plantilla:Fquim2) en nitrogen diatómico (Plantilla:Fquim2) i aigua (Plantilla:Fquim2), en l'ajuda d'un catalisador. Un agent reductor, típicament amoníac (Plantilla:Fquim2), hidròxit d'amoni (Plantilla:Fquim2) o urea (Plantilla:Fquim2), s'afig a una corrent de fums o gasos d'escape i es fa reaccionar en un catalisador. En cas d'usar urea, a mida que la reacció alvança cap a la seua finalisació, es produïxen nitrogen (Plantilla:Fquim2) i diòxit de carbono (Plantilla:Fquim2).

La reducció catalítica selectiva de Plantilla:Fquim2 usant amoníac com a agent reductor va ser patentat en els Estats Units per Engelhard Corporation en 1957. El desenroll de la tecnologia SCR va continuar en Japó i els Estats Units a principis de la década de 1960, en investigacions centrades en agents catalisadors menys costosos i més duradors. El primer SCR a gran escala va ser instalat per IHI Corporation en 1978.

Els sistemes comercials de reducció catalítica selectiva es troben típicament en grans calderes i plantes incineradora, i s'ha demostrat que reduïxen les emissions Plantilla:Fquim2 en un 70-95%. Aplicacions més recents inclouen els motors diésel, com els que es troben en grans bucs, locomotores diésel, turbines de gas i inclús automòvils.

Els sistemes SCR són ara el método preferit per a complir en els estàndars d'emissions diésel Tier 4 Final i EURO 6 per a camions pesats i també per a automòvils i vehículs comercials llaugers. En molts casos, les emissions de Plantilla:Fquim2 i PM (matèria en partícules) s'han reduït en més del 90% en comparació als vehículs de principis de la década de 1990.

Química

La reacció de reducció Plantilla:Fquim2 té lloc quan els gasos passen a través de la cambra del catalisador. Abans d'entrar en el catalisador, s'injecta amoníac o un atre reductor (com l'urea), que es mescla en els gasos. l'equació química per a una reacció estequiomètrica que usa amoníac per a un procés de reducció catalítica selectiva és la següent:

$2NO+2N{H}_3+\frac{1}{2}{O}_2\to 2N_2+3H_{2}O$

$N{O}_2+2N{H}_3+\frac{1}{2}{O}_2\to \frac{3}{2}{N}_2+3H_{2}O$

$NO+N{O}_2+2N{H}_3\to 2N_2+3H_{2}O$

En vàries reaccions secundàries:

$S{O}_2+\frac{1}{2}{O}_2\to S{O}_3$

$2N{H}_3+S{O}_3+H_{2}O\to (N{H}_4{)}_{2}S{O}_4$

$N{H}_3+S{O}_3+H_{2}O\to N{H}_{4}HS{O}_4$

La reacció en urea en lloc de l'amoníac és la següent:

$2NO+CO(N{H}_2{)}_2+\frac{1}{2}{O}_2\to 2N_2+2H_{2}O+C{O}_2$

La reacció ideal té un ranc de temperatura òptim entre 630 i 720 K (357 i 447°C), pero pot operar de 500 a 720 K (227 a 447 °C) en temps de residència més llarcs. La temperatura mínima efectiva depén dels diversos combustibles, components dels gasos i geometria del catalisador. Atres possibles reductors inclouen l'àcit cianúrico i el sulfat d'amoni.

Catalisadors

Els catalisadors SCR estan fets de varis materials ceràmics porosos utilisats com a soport (com l'òxit de titani) i els components catalítics actius solen ser òxits de metals bàsics (com vanadi, molibdeno i tungsteno), zeolitas o diversos metals preciosos. També ha segut desenrollat un atre catalisador basat en carbó activat que és aplicable per a l'eliminació de Plantilla:Fquim2 a baixes temperatures. Cada component catalisador té ventages i desventages.

Els catalisadors de metals bàsics, com el vanadi i el tungsteno, carixen d'una alta durabilitat tèrmica, pero són menys costosos i funcionen molt be en els rancs de temperatura més comunament aplicats en aplicacions de calderes industrials i de servicis públics. La durabilitat tèrmica és particularment important per a les aplicacions SCR automotrices que incorporen l'us d'un filtre antipartículas en regeneració forçada. També tenen un alt potencial catalisador per a oxidar Plantilla:Fquim2 en Plantilla:Fquim2, lo que pot ser extremadament amolador pels seus propietats àcides.

Els catalisadors d'zeolita tenen el potencial d'operar a una temperatura substancialment més alta que els catalisadors de metal base; poden soportar un funcionament prolongat a temperatures de 900 K (627 °C) i condicions transitòries de fins a 1120 K (847 °C). Les zeolita també tenen un potencial menor d'oxidació de SO2 i açò disminuïx els riscs de corrosió relacionats. S'han desenrollat SCRs d'zeolita-urea en intercanvi de ferro - i coure- en un rendiment aproximadament igual al dels SCR de vanadi-urea quan la proporció de Plantilla:Fquim2 és del 20% al 50% de el Plantilla:Fquim2 total.

Les dos geometria de catalisador més comuns que s'utilisen en l'actualitat són els catalisadors de panal i els catalisadors de placa. La forma de panal generalment consistix en una ceràmica extruida aplicada de manera homogénea en tot el soport o revestida sobre el substrat. De la mateixa manera que els diversos tipos de components catalisadors, la seua configuració també té ventages i desventages. Els catalisadors de tipo placa tenen caigudes de pressió més baixes i són menys susceptibles a obstruir-se que els de tipo panal, pero són molt més grans i més costosos. Les configuracions en forma de panal són més chicotetes que els de tipo placa, pero tenen majors caigudes de pressió i es tapen molt més fàcilment. Un tercer tipo són els de forma corrugado, que comprén solament al voltant del 10% del mercat d'aplicacions per a centrals elèctriques.