MX2007015902A - Sistema de conversion para la reduccion de emisiones de nox. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema para reducir las emisiones de Nox, que comprende un tanque de combustible en comunicacion de fluido con un convertidor de combustible, en donde el convertidor de combustible esta ubicado corriente abajo del tanque de combustible y en donde el convertidor de combustible comprende una composicion de catalizador que opera para convertir continuamente moleculas de hidrocarburo pesadas, teniendo 9 o mas atomos de carbono por molecula, a moleculas de hidrocarburo ligeras, teniendo 8 o menos atomos de carbono por molecula; un reactor de catalizador de reduccion catalitica selectiva en comunicacion de fluido con el convertidor de combustible y ubicado corriente abajo del convertidos de combustible, y un motor en comunicacion de fluido con el tanque de combustible y el reactor de catalizador de reduccion catalitica selectiva, en donde el motor esta ubicado corriente abajo del tanque de combustible y corriente arriba del reactor de catalizador de reduccion catalitica selectiva.

Description

SISTEMA DE CONVERSIÓN PARA LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE NO, Campo de la Invención La invención se relaciona con un sistema de conversión para reducir las emisiones de NOx en locomotoras y vehículos que emplean combustibles fósiles con base de hidrocarburos.

Antecedentes de la Invención La producción de emisiones de fuentes de combustión estacionarias y móviles, tales como locomotoras, vehículos, plantas de energía y sus semejantes, ha resultado en contaminación ambiental. Una fuente particular de tales emisiones son las emisiones de NOx de vehículos. La legislación ambiental restringe la cantidad de NOx que se puede emitir por s los vehículos. Con el fin de cumplir con la legislación, se han dirigido muchas medidas para reducir la cantidad de emisiones de NOx. Un método para la reducción de emisiones está dirigido a reducir al mínimo la cantidad de emisiones NOx producidas durante el proceso de combustión en motores. Este método, por lo general, involucra rediseñar motores para optimizar la combustión del combustible. Esta medida ha dado como resultado la reducción de NOx con los años, sin embargo, es costosa y todos los esfuerzos hasta ahora no han resultado en una reducción sustancial de emisiones NOx. Otro método está dirigido al uso de un reactor catalítico selectivo de amoníaco para reducir las emisiones NOx. En este método, una solución de amoníaco o urea hace contacto con la corriente de escape para reducir el NOx en nitrógeno, agua y dióxido de carbono (cuando se utiliza urea). Este método no es conveniente ya que los químicos tóxicos tales como el amoníaco y la urea deben llevarse en vehículos y mantenerse a suficientes niveles para la reducción de NOx. También otro método es el método de "captura ajustada de NOx" el cual involucra la dispersión de catalizadores de metal sobre sustratos tales como por ejemplo, óxido de bario (BaO), óxido de calcio (CaO), o carbonato de bario (BaCO3) para formar trampas de NOx. Cuando, por ejemplo, se satura BaO con NOx, lo cual forma nitrato de bario Ba(NO3)2, se utilizan agentes reductores para reducir el Ba(NO3)2 de regreso a BaO y nitrógeno. Las emisiones de NOx dentro de la atmósfera entonces se reducen de esta forma. El ciclo entonces se repite. Este método requiere una gran trampa de NOx con frecuencia, en un arreglo de doble lecho. Para la aplicación en una locomotora u otras fuentes de combustión móviles, este método para reducir NOx será demasiado costoso y ocupará mucho espacio. Por lo tanto, es deseable tener un sistema de conversión de combustible que no requiera llevar químicos tóxicos, y evite el desarrollo de una infraestructura costosa para la distribución del agente reductor. Este sistema es eficiente y no caro para la reducción de emisiones de NOx.

Breve Descripción de la Invención Aquí se describe un sistema para reducir emisiones de NOx, el cual comprende un tanque de combustible en comunicación fluida con un convertidor de combustible, en donde el convertidor de combustible está ubicado corriente abajo del tanque de combustible y en donde el convertidor de combustible comprende una composición de catalizador que opera para convertir continuamente las moléculas de hidrocarburos pesadas que tienen 9 o más átomos de carbono por molécula en moléculas de hidrocarburo ligeras que tienen 8 o menos átomos de carbono por molécula, un reactor catalizador de reducción catalítica selectiva en comunicación fluida con el convertidor de combustible y ubicado corriente abajo del convertidor de combustible; y un motor en comunicación fluida con el tanque de combustible y el reactor catalizador de reducción catalítica selectiva, en donde el motor se ubica corriente abajo del tanque de combustible y corriente arriba del reactor catalizador de reducción catalítica selectiva. También se describe un método que comprende convertir, en presencia de una composición de catalizador, una molécula de hidrocarburo pesada que tiene 9 o más átomos de carbono por molécula en una molécula de hidrocarburo ligera que tiene 8 o menos átomos de carbono por molécula, hacer reaccionar la molécula de hidrocarburo ligera con una corriente de escape de un motor en presencia de un reactor catalizador de reducción catalítica selectiva, y reducir el contenido de NOx en la corriente de escape.

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una ilustración esquemática de una modalidad ejemplificativa del sistema 10. La Figura 2 es una ilustración esquemática de una modalidad ejemplificativa de un convertidor de combustible giratorio; y La Figura 3 es una representación gráfica del desempeño de la composición del catalizador, así como un catalizador comparativo, en donde ambos se tratan con diesel en un convertidor de combustible en composiciones de temperatura elevada.

Descripción Detallada de la Invención Se debe observar que como se utilizan aquí, los términos "primero", "segundo" y sus similares no denotan algún orden o importancia, más bien se utilizan para distinguir un elemento de otro y los términos "el, la, los, las" y "un, uno, una" no denotan una limitación de cantidad, más bien señalan la presencia de por lo menos un artículo referenciado. Además, todos los intervalos descritos incluyen los puntos límite y se pueden combinar en forma independiente. Además, al describir el arreglo de componentes en modalidades de la presente invención, se utilizan los términos "corriente arriba" y "corriente abajo". Estos términos tienen el significado normal. Por ejemplo, un dispositivo "corriente arriba" como se utiliza aquí se refiere a un dispositivo que produce una corriente fluida de salida que se alimenta a un dispositivo "corriente abajo". Además, el dispositivo "corriente abajo" es el dispositivo que recibe la salida del dispositivo "corriente arriba". Sin embargo, será evidente para las personas experimentadas en la técnica que un dispositivo puede ser el mismo dispositivo "corriente arriba" y "corriente abajo" en ciertas configuraciones, por ejemplo, un sistema que comprende un ciclo de reciclado. Aquí se describe un sistema para la reducción continua de emisiones de NOx en locomotoras, generadores estacionarios y vehículos. El sistema con ventaja, utiliza hidrocarburos ligeros, hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO) obtenidos de un reactor de conversión para reducir las emisiones de NOx. El reactor de conversión convierte el combustible, por ejemplo, combustible diesel, en hidrocarburos ligeros con pequeñas cantidades de H2 y CO, también presentes como sub-productos. Estos se mezclan con la corriente de escape y facilitan la reducción de emisiones de NOx en presencia de un lecho catalizador de reducción catalítica selectiva con base en hidrocarburos (SCR). Los hidrocarburos ligeros más el CO y el H2 generados in-situ desde el convertidor de diesel reaccionarán con el NOx en la corriente de escape y reducen el NOx en nitrógeno en la superficie de la reducción catalítica selectiva (SCR), lo cual reduce las emisiones NOx del vehículo. El sistema con ventaja se puede utilizar a bordo en toda cíase de vehículos que emplean motores de combustión interna energizados por combustibles fósiles con base de hidrocarburo o unidad aisladas que no tienen acceso a otros agente reductores. El sistema también se puede utilizar con ventaja a bordo en toda clase de locomotoras que emplean motores y turbinas energizadas por combustibles fósiles con base en hidrocarburo. En una modalidad, los combustibles fósiles con base en hidrocarburo son líquidos. En particular, el sistema se puede utilizar con ventaja, en vehículos que emplean motores diesel. Las locomotoras que emplean motores diesel y turbinas de diesel pueden utilizar el sistema a bordo para la reducción de emisiones de NOx. El sistema también se puede aprovechar el fuentes de combustión estacionarias, las cuales queman combustibles con base de hidrocarburos. Con referencia ahora a la Figura 1, se muestra un ejemplo de un sistema 10 para la reducción de emisiones de NOx, el cual comprende un tanque 12 de combustible, un convertidor 14 de combustible, un reactor del catalizador 16 SCR y un motor 18. El tanque 12 de combustible está corriente arriba del convertidor 14 de combustible y del reactor del catalizador 16 SCR. El tanque 12 de combustible, el convertidor 14 de combustible y el reactor del catalizador 16 SCR están en comunicación fluida entre sí. El convertidor 14 de combustible se ubica entre el tanque 12 de combustible y el reactor del catalizador 16 SCR y está corriente arriba del reactor del catalizador 16 SCR. El motor 18 se ubica corriente abajo del tanque 12 de combustible y está en comunicación fluida con el tanque 12 de combustible. El motor se ubica corriente arriba del convertidor 14 de combustible y del reactor del catalizador 16 SCR y está en comunicación fluida con el convertidor 14 de combustible y con el reactor del catalizador 16 SCR. El sistema 10 también puede emplear dos separadores opcionales, un primer separador 20 y un segundo separador 22. Los separadores 20 y 22 opcionales comprenden columnas de destilación (con sistemas de vacío opcionales), columnas empacadas, membranas, condensadores, centrífugos o sus semejantes, los cuales se pueden utilizar para separar los aromáticos de parafinas o hidrocarburos pesados de hidrocarburos ligeros. En una modalidad, los aromáticos se separan de los hidrocarburos en el separador 20, mientras los hidrocarburos pesados se separan de los hidrocarburos ligeros en el separador 22. Los hidrocarburos pesados se reciclan en el tanque 12 de combustible para que se puedan consumir en el motor 18. Como se puede observar en la Figura 1, un separador 20 opcional está ubicado corriente abajo del tanque 12 de combustible y corriente arriba del convertidor 14 de combustible y está en comunicación fluida con el tanque 12 de combustible y con el convertidor 14 de combustible. Un ciclo de retroalimentación entre el primer separador 20 y el tanque 12 de combustible sirve para reciclar las especies de hidrocarburos pesados con el tanque 12 de combustible o con el motor 18. El primer separador comprende columnas de destilación con sistemas de vacío opcionales, membranas, condensadores, centrífugos o combinaciones de los mismos, las cuales se pueden utilizar para separar los hidrocarburos pesados aromáticos de los hidrocarburos ligeros parafínicos, y en donde la salida de aromáticos del primer separador se recicla de regreso al tanque de combustible y los hidrocarburos parafínicos se alimentan al convertidor de combustible. Un separador 22 opcional adicional también se puede ubicar entre el convertidor 14 de combustible y el reactor del catalizador 16 SCR. El segundo separador 22 está ubicado corriente abajo del convertidor 14 de combustible y corriente arriba del reactor del catalizador 16 SCR. El segundo separador 22 está en comunicación fluida con el convertidor 14 de combustible y corriente arriba del reactor del catalizador 16 SCR. Un ciclo de retroalimentación entre el segundo separador 22 y el tanque 12 de combustible sirve para reciclar los hidrocarburos pesados al tanque 12 de combustible o al motor 18. El separador 22 busca incrementar la eficiencia del combustible e incrementar la naturaleza robusta del catalizador SCR, mientras el separador 20 busca mejorar la confiabilidad del convertidor de combustible e incrementar la eficiencia de combustible. Como se menciona antes, los separadores son opcionales. Sin embargo, en una modalidad, cualquiera del primer separador 20 o del segundo separador 22 pueden utilizarse en el sistema. También, en otra modalidad, tanto el primer separador 20 como el segundo separador 22 se pueden utilizar en el sistema. Por lo general, es conveniente utilizar el segundo separador debido a su bajo costo y a su bajo consumo de combustible. Además, el segundo separador 22 introduce mayor robustez al sistema para producir una corriente rica en agente reductores útiles para el sistema SCR. En una modalidad ejemplificativa, el segundo separador 22 puede ser una sencilla columna empacada, por ejemplo, un recipiente con algún material de empaque, tales como anillos de resguardo empacados dentro de una columna, con algunas bobinas o encamisados, en donde el agua de enfriamiento a una temperatura de aproximadamente 70°C a aproximadamente 99°C, disponible en la locomotora, fluirá a través de la misma y mantendrá la temperatura de la columna aproximadamente de 100°C aproximadamente a 200°C. En otra modalidad, una placa sidra enfriada o un condensador que opera a una temperatura de aproximadamente 90°C a aproximadamente 150°C con líneas de retorno caliente que se pueden utilizar para regresar los hidrocarburos pesados al tanque 12 de combustible o al motor 18. Esto facilita características de viscosidad y flujo uniformes para los hidrocarburos pesados que se regresan al tanque 12 de combustible o al motor 18. El término "comunicación fluida" abarca la contención y/o transferencia de fluidos comprimibles y/o no comprimibles entre dos o más puntos en el sistema 10. Los ejemplos de fluidos apropiados son gases, líquidos, combinaciones de gases y líquidos o sus semejantes. El uso de transductores de presión, termoacopladores, sensores de flujo, hidrocarburos, NOx ayudan a la comunicación y al control. En una modalidad, se pueden utilizar computadoras para ayudar en el flujo de fluidos en el sistema. El término "a bordo" se refiere a la capacidad de un vehículo o locomotora para alojar el sistema 10 en su totalidad a bordo del vehículo o de la locomotora. Una variedad de combustibles se pueden almacenar en el tanque 12 de combustible y se utiliza en el sistema 10. En una modalidad, el combustible es un combustible fósil con base de hidrocarburos. Es deseable que el combustible fósil con base de hidrocarburos sea un líquido. Los ejemplos de líquidos apropiados son diesel, gasolina, combustible de chorro, combustible logístico (JP-8), queroseno, aceite combustible, bio-diesel, o sus semejantes o una combinación que comprenda por lo menos uno de los combustibles fósiles con base de hidrocarburos antes mencionados. Como será descrito con más detalle después, el convertidor 14 de combustible convierte los hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros que entonces se utilizan para reducir el NOx en el escape. Los hidrocarburos pesados son hidrocarburos que tienen 9 o más átomos de carbono. En una modalidad ejemplificativa, un hidrocarburo pesado ejemplificativo es el diesel. Los hidrocarburos ligeros son aquellos que tienen 8 o menos átomos de carbono. Los hidrocarburos ligeros ejemplificativos son los que tienen aproximadamente de 2 a 8 hidrocarburos. Los hidrocarburos ligeros también se llaman hidrocarburos parafínicos. Los hidrocarburos parafínicos pueden ser saturados o insaturados. El convertidor 14 de combustible comprende un reactor de lecho fijo que comprende una composición de catalizador. Es deseable que la composición de catalizador tenga la capacidad de operar bajo condiciones que varían de oxidarse en la entrada del reactor para reducir las condiciones en la salida del reactor. El catalizador debe tener la capacidad de operar efectivamente y sin ninguna degradación térmica de una temperatura de aproximadamente 200°C a aproximadamente 900°C. El catalizador debe operar efectivamente en presencia de aire, monóxido de carbono, dióxido de carbono, agua, alcanos, alquenos, compuestos cíclicos y lineales, hidrocarburos aromáticos y compuestos con contenido de azufre. La composición de catalizador debe proporcionar niveles bajos de cocimiento, tal como de preferencia, catalizar la reacción del carbón con agua para formar monóxido de carbono e hidrógeno, lo cual permite la formación de solamente un nivel bajo de carbón en la superficie del catalizador. La composición de catalizador debe tener la capacidad de resistir el envenenamiento de venenos comunes, tales como azufre y compuestos de halógeno. Además, la composición de catalizador ejemplificativa puede satisfacer todos los requerimientos anteriores con provecho, en forma simultánea. La composición de catalizador es bi-funcional, es decir, lleva a cabo una función de fraccionamiento y una función de oxidación parcial catalítica. La función de fraccionamiento involucra el rompimiento de las moléculas de combustible fósil con base de hidrocarburo (por ejemplo, diesel) en moléculas más cortas para extraer las fracciones de baja ebullición como la gasolina. Una función de fraccionamiento ejemplificativa involucra el rompimiento de moléculas de hidrocarburo pesado que tienen nueve o más átomos de carbono en moléculas de hidrocarburo ligeras que tienen ocho o menos átomos de carbono. La función de oxidación parcial catalítica involucra la oxidación de coque o hidrocarburos en monóxido de carbono e hidrógeno. La composición de catalizador comprende por lo general, sitios que desarrollan la función de oxidación parcial catalítica (sitios de oxidación parcial catalítica) ubicados adyacentes a sitios que realizan la función de fraccionamiento (sitios de fraccionamiento). En una modalidad, la composición de catalizador contenida en el convertidor 14 de combustible es bifuncional, es decir, sirve para fraccionar hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros, mientras, en forma simultánea, evita el envenenamiento de la composición de catalizador de deposiciones de coque. La acumulación de coque que ocurre durante el fraccionamiento de hidrocarburos mientras utiliza catalizadores de fraccionamiento de zeolita tradicionales durante los procesos tales como el fraccionamiento catalítico fluido (FCC) desactiva el catalizador. Con ventaja, el catalizador bifuncional retrasa la acumulación de coque en la superficie de los catalizadores de fraccionamiento, lo cual permite que continúe activo para el fraccionamiento de hidrocarburos, lo que normalmente no ocurre en los catalizadores de fraccionamiento convencionales, que operan bajo condiciones similares. En la composición de catalizador, ya que la reacción de oxidación parcial catalítica es una reacción exotérmica, mientras el fraccionamiento es una reacción endotérmica, el calor generado en un sitio de oxidación parcial catalítica facilita la reacción de fraccionamiento endotérmica y también facilita la oxidación de coque. En una modalidad, los sitios de oxidación parcial catalítica se utilizan para oxidar el coque lejos de los sitios de fraccionamiento para mantener los sitios de fraccionamiento limpios y activos. El uso de un convertidor 14 de combustible que emplea la composición de catalizador es una ventaja, ya que solamente utiliza un reactor de lecho fijo para convertir el combustible de diesel en una mezcla de hidrocarburos ligeros y gas de síntesis. El gas de síntesis comprende hidrógeno y monóxido de carbono. Esta mezcla de hidrocarburos ligeros y gas de síntesis se puede utilizar como un agente reductor para la reducción de NOx en un escape de motor diesel y será descrito más tarde. Cuando se desea, el convertidor 14 de combustible puede emplear más que un reactor de lecho fijo para mejorar la productividad. Por ejemplo, el convertidor catalítico puede emplear de aproximadamente 2 a 6 reactores de lecho fijo, cuando sea conveniente. Por lo general, los sitios de oxidación parcial catalítica comprenden metales nobles que realizan la función de oxidación parcial catalítica. Los sitios de oxidación parcial catalítica comprenden uno o más componentes de metal "del grupo platino". Como se utiliza aquí, el término metal del "grupo platino" implica el uso de platino, paladio, rodio, iridio, osmio, rutenio o mezclas de los mismos. Los componentes de metal del grupo platino ejemplificativos son rodio, platino y opcionalmente, iridio. La composición de catalizador por lo general, comprende de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 20% en peso del metal del grupo platino. Los componentes del metal del grupo platino pueden complementarse, opcionalmente, con uno o más metales de base, en particular, metales de base del Grupo Vil, Grupo IB, Grupo VB y Grupo VIB de la Tabla Periódica de Elementos. Los metales base ejemplificativos son hierro, cobalto, níquel, cobre, vanadio y cromo. Los sitios de fraccionamiento por lo general comprenden zeolita. Las zeolitas, por lo general, tienen una relación molar de sílice a alúmina de por lo menos aproximadamente 12. En una modalidad, se utiliza una zeolita que tiene una relación molar de sílice a alúmina de aproximadamente 12 a 1000. En una modalidad, se utiliza una zeolita que tiene una relación molar de sílice a alúmina de aproximadamente 15 a aproximadamente 500. Los ejemplos de zeolitas apropiadas son RE-Y (itria sustituida con tierras raras). USY (zeolita de itria ultraestable), RE-USY ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35, zeolita beta, MCM-22, MCM-36, MCM-41, MCM-48 o sus similares o una combinación que comprende por lo menos una de las zeolitas anteriores. Otras zeolitas también contempladas para usarse en este proceso son silicoaluminofosfatos cristalinos (SAPO). Los ejemplos de silicoalumino-fosfatos apropiados incluyen SAPO-11, SAPO-34, SAPO-31, SAPO-5, SAPO-18 o sus similares, o una combinación que comprende por lo menos uno de los siguientes silicoaluminofosfatos. Los catalizadores del grupo platino junto con otros catalizadores de metal de base se enjuagan sobre tamices moleculares para formar la composición de catalizador. En una modalidad, los sitios de oxidación parcial catalítica comprenden de aproximadamente 0.1 a 5.0% en peso del peso total de la composición de catalizador. En una modalidad preferida, los sitios de oxidación parcial catalítica comprenden de aproximadamente 0.3 a 1.0% en peso del peso total de la composición de catalizador. En una modalidad ejemplificativa, en un método para operar el convertidor 14 de combustible, una boquilla asistida con gas se utiliza para atomizar el combustible en una entrada de baja presión dentro del convertidor 14 de combustible (no mostrado). El combustible, que comprende principalmente hidrocarburos pesados experimenta el fraccionamiento para formar hidrocarburos ligeros. Los hidrocarburos ligeros entonces se utilizan para reducir el NOx emitido en el escape del motor. La reducción de NOx con los hidrocarburos ligeros ocurre en presencia de un catalizador SCR, como será detallado después. Una porción del gas de escape caliente que se emite por el motor de la locomotora se puede utilizar como un gas secundario para atomizar el combustible. También se puede emplear aire como el gas secundario para atomizar el combustible. En una modalidad ejemplificativa, una porción de la corriente de escape se combina con aire para formar el gas secundario para facilitar la reacción de oxidación parcial catalítica. La cantidad de gas de escape del motor caliente es efectiva para aligerar la reacción de oxidación parcial catalítica en el convertidor 14 de combustible. El calor liberado de la reacción de oxidación parcial catalítica exotérmica conducirá la reacción de fraccionamiento endotérmico. El agua presente en la corriente de escape facilitará la reducción de formación de coque en el catalizador. En una modalidad, con el fin de aligerar la reacción de oxidación parcial catalítica, la relación molar de oxígeno/carbono (O2/C) en el gas de alimentación se suministra al convertidor 14 de combustible en una cantidad de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.5. En otra modalidad, la relación molar de oxígeno/carbono (O2/C) en el gas de alimentación está en una cantidad de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.4. En otra modalidad, la relación molar de oxígeno/carbono (O2/C) en el gas de alimentación está en una cantidad de aproximadamente 0.01 a aproximadamente 0.3. Una relación molar ejemplificativa de (O2/C) en el gas de alimentación es una cantidad de aproximadamente 0.1. La temperatura del convertidor de combustible se mantiene de aproximadamente 550°C a aproximadamente 650°C, durante la conversión de hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros. En una modalidad, la temperatura del convertidor de combustible se mantiene de aproximadamente 580°C a aproximadamente 640°C durante la conversión de hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros. Una temperatura ejemplificativa es de aproximadamente 600°C a aproximadamente 620°C. De aproximadamente 600°C a aproximadamente 620°C, la deposición de los grupos de sulfato derivados de los compuestos orgánicos que contienen azufre será reducida, y por lo tanto, se mejora la tolerancia de azufre del sistema 10. Cuando las especies de coque se acumulan en la composición de catalizador en el convertidor de combustible durante el proceso de oxidación parcial catalítica, la velocidad de flujo del gas de escape del motor (que contiene una cantidad considerable de oxígeno y agua) puede incrementarse periódicamente para quemar y evaporar el coque y para regenerar la actividad catalizadora híbrida. Una sola válvula (no mostrada) se puede utilizar periódicamente para incrementar la velocidad de flujo del gas de escape del motor y/o aire para quemar el coque. En una modalidad, con el fin de quemar el coque que se deposita en la composición de catalizador, la relación molar de O2/C en el gas de alimentación para el convertidor de diesel puede variar en una cantidad de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.95. En una modalidad, para quemar el coque que se deposita en la composición de catalizador, la relación molar de O2/C en el gas de alimentación para el convertidor de diesel puede variar en una cantidad de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.85. Una relación molar de O2/C ejemplificativa en el gas de alimentación para el convertidor de diesel es de aproximadamente 0.8. La temperatura del convertidor de combustible se mantiene de aproximadamente 550°C a aproximadamente 750°C, durante el quemado de coque que se deposita en la composición de catalizador. En una modalidad, la temperatura del convertidor de combustible se mantiene de aproximadamente 600°C a aproximadamente 720°C, durante el quemado de coque que se deposita en la composición de catalizador. En otra modalidad, la temperatura del convertidor de combustible se mantiene de aproximadamente 620°C a aproximadamente 710°C, durante el quemado de coque que se deposita en la composición de catalizador. Una temperatura ejemplificativa es de aproximadamente 650°C a aproximadamente 700°C durante el quemado de coque que se deposita en la composición de catalizador. El uso de la composición catalítica junto con un gas de escape incrementado y/o el flujo de aire para quemar el coque es ventajoso, ya que satisface la necesidad de un sistema que comprende dos reactores para realizar las funciones de fraccionamiento y regeneración. Los metales nobles, tales como rodio, iridio y platino también son catalizadores de oxidación, y ayudarán a quemar el coque en forma más eficiente que el catalizador de fraccionamiento de zeolita. El metal noble promueve la oxidación de coque en dióxido de carbono y reduce al mínimo o evita por completo la formación de monóxido de carbono durante el proceso de oxidación de coque. En otra modalidad, en otro método para operar el convertidor 14 de combustible, el convertidor 14 de combustible puede comprender un reactor giratorio, en donde el puerto de entrada de tal reactor puede girar periódicamente a través de un primer ángulo pequeño. La Figura 2 es una modalidad ejemplificativa de un reactor 100 giratorio que se puede utilizar como el convertidor de combustible. El reactor 100 giratorio comprende 4 (cuatro) cámaras de reacción, 102, 104, 106 y 108, cada una de las cuales contiene la composición de catalizador. Cada cámara de reacción también comprende un puerto 110 de entrada que se utiliza para permitir la alimentación de gases dentro del reactor. Las cámaras y los puertos de entrada pueden girar alrededor de una flecha 112. La rotación del puerto de entrada se puede conducir en forma automática a través de la computadora. Al girar el puerto de entrada del reactor, una pequeña porción del reactor se puede someter a gases de escape de alta temperatura. El coque dispuesto sobre la composición de catalizador contenida en esta pequeña porción del reactor se oxida por los gases de escape calientes y se retira. De este modo, una pequeña porción de la composición de catalizador se regenera por completo, y el puerto de entrada se puede girar a través de un segundo ángulo pequeño con el fin de regenerar otra porción del catalizador. La rotación se puede continuar a través del proceso para convertir, continuamente, los hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros y el gas de síntesis sin una desactivación importante del catalizador debido al cocimiento. Como se menciona antes, el gas de síntesis comprende hidrógeno y monóxido de carbono, ambos son útiles como agentes reductores cuando se utilizan gases de escape que tienen una baja temperatura. El uso de un convertidor 14 de combustible de operación continua permite que sea utilizado a bordo de vehículos y de locomotoras. A los hidrocarburos ligeros obtenidos del convertidor 14 de combustible se les permite fluir con el reactor del catalizador 16 SCR, en donde se utilizan pa ra reducir el NOx en la corriente de escape del motor. La red ucción de NOx ocurre sobre un catalizador de red ucción catal ítica selectiva. Los ejem plos de catal izadores de reducción catal ítica selectiva son metales tales como plata, galio, cobalto, mol ibdeno, tu ngsteno, indio , bismuto, vanadio o una combinación que com prende por lo menos u no de los meta les anteriores en una mezcla binaria , terciaria o cuaternaria dispuesta sobre un soporte apropiado. Los óxidos de metal se pueden utilizar como catalizadores, cuando sea deseado. Los óxidos de metales tam bién se pueden utilizar como soportes del catalizador. Los ejem plos de soportes de óxido de metal apropiados son alúmina , titanio , zi rconio, cerio, carburo de silicio o una combinación que comprende por lo menos uno de los soportes anteriores . Los hidrocarburos l igeros se pueden utilizar para reducir NOx en la corriente de escape de conform idad con la siguiente reacción general ( 1 ) .

NOx + O2 + agente reductor orgánico ? N2 + CO2 + H2O ( 1 ) Por lo general, la corriente de escape comprende aire, agua, CO, CO2, NOx, SOx, H2O y pueden también comprender otras impurezas. El agua contenida en la corriente de escape está por lo general , en forma de vapor. Además, el com bustible no quemado por com pleto o incompleto puede también estar presente en la corriente de escape. Las moléculas de hid rocarburo ligeras q ue comprenden menos o igual que aproximadamente 8 átomos de carbono junto con CO y H2 se alimentan dentro de la corriente de escape para formar una mezcla de gas , la cual entonces se al imenta a través del reactor catalizador de reducción catalítica selectiva. Suficiente oxígeno para dar soporte a la reacción de reducción de NOx puede ya estar presente en la corriente de escape. Cuando el oxígeno presente en la corriente de escape no es suficiente para la reacción de reducción de NOx, se puede introducir gas de oxígeno adicional dentro de la corriente de espacio en forma de aire. En algunas modalidades, la mezcla de gas comprende aproximadamente 1 por ciento de fracción molar (% de fracción molar) a aproximadamente 21% de fracción molar de gas de oxígeno. En otras modalidades, la mezcla de gas comprende de aproximadamente 1% de fracción molar a aproximadamente 15% de fracción molar de gas de oxígeno. La reacción de reducción de NOx puede llevarse a cabo sobre un intervalo de temperaturas. En una modalidad, la reacción de reducción ocurre a una temperatura de aproximadamente 200°C a aproximadamente 600°C. En otra modalidad, la reacción de reducción puede ocurrir a una temperatura de aproximadamente 300°C a aproximadamente 500°C. Incluso, en otra modalidad, la reacción de reducción puede ocurrir a una temperatura de aproximadamente 350°C a aproximadamente 450°C. Cuando se produce gas de síntesis durante la conversión del hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros en el convertidor 14 de combustible, entonces la reducción de NOx en el reactor del catalizador 16 SCR con los hidrocarburos ligeros y el gas de síntesis puede llevarse a cabo a temperaturas tan bajas como aproximadamente 150°C, de conformidad con la siguiente ecuación (2): NOx + H2 + CO + agente reductor orgánico ? N2 + H2O + CO2 (2) En una modalidad, la reacción (2) ocurre a una temperatura de aproximadamente 100 a aproximadamente 500°C. En otra modalidad, la reacción ocurre a una temperatura de aproximadamente 150°C a aproximadamente 350°C. El sistema 10 detallado antes proporciona muchas ventajas que pueden ser útiles en locomotoras diesel. En una modalidad, la composición de catalizador, con ventaja presenta una función de fraccionamiento así como una función de oxidación parcial catalítica. Esto reduce la necesidad de un sistema que tenga dos reactores con múltiples válvulas calientes, que alternativamente cambian entre los modos de fraccionamiento y regeneración, lo cual reduce los costos. Además, el uso de una válvula de aire sencilla para incrementar periódicamente la velocidad de flujo de un gas de escape del motor y/o aire para quemar el coque, también reduce la necesidad de un sistema que tenga dos o más reactores. El uso de una boquilla asistida con gas facilita la atomización de hidrocarburos pesados como el diesel a baja presión. En una modalidad, la presión de combustible es menor o igual que aproximadamente 8 bar (8.15 kg/cm2) y la presión del aire es menor o igual que aproximadamente 6.5 bar (6.62 kg/cm2) antes de la entrada dentro del convertidor 14 de combustible. En una modalidad, la presión del combustible es menor o igual que aproximadamente 6 kg/cm2 y la presión del aire es menor o igual que aproximadamente 4.5 bar kg/cm2 antes de la entrada dentro del convertidor 14 de combustible. En otra modalidad, la presión del combustible es menor o igual que aproximadamente 4.5 kg/cm2 y la presión del aire es menor o igual que aproximadamente 3.5 bar kg/cm2 antes de la entrada dentro del convertidor 14 de combustible.

Además, el uso de un convertidor 14 de combustible que puede girar (es decir, funciona como un reactor giratorio) permite la regeneración del lecho catalizador completo, lo cual permite la operación continua. Esto permite una utilidad a bordo efectiva, mientras reduce los costos operativos y de mantenimiento. El sistema 10, con ventaja, utiliza los gases de escape caliente desde la corriente de escape para aligerar la función de oxidación parcial catalítica de la composición de catalizador. Esto permite la integración del sistema 10 con el sistema de escape para mejorar la eficiencia del convertidor 14 de combustible. El uso de los gases de escape calientes con ventaja, facilita la producción de gas de síntesis, que se puede utilizar para reducir la concentración de NOx a temperaturas más bajas. Además, el hidrógeno contenido en el gas de síntesis reduce al mínimo la formación de coque. Sería conveniente facilitar una regeneración profunda del catalizador de conversión de combustible y del catalizador de NOx SCR, esto se puede lograr al acoplar un proceso de regeneración vigorosa en la salida del motor y el escape generado posteriormente. Dentro del ciclo de trabajo del motor, existen cargas de trabajo en donde el calor se maximiza mientras el NOx se reduce al mínimo. Esto hace útiles los puntos en el proceso para la regeneración de catalizadores con el uso mínimo de energía adicional. Los siguientes ejemplos, que tienen el propósito de ser ejemplificativos, no limitantes, ilustran las composiciones y los métodos para configurar las diferentes modalidades de las composiciones catalíticas aquí descritas. Los siguientes ejemplos, que son ejemplificativos, no limitantes, ilustran el proceso para utilizar el sistema que facilita la reducción de emisiones de NOx aquí descrito.

EJEMPLO Este ejemplo se toma para demostrar la efectividad de varias composiciones de catalizador que presentan la función de fraccionamiento así como la función de oxidación parcial catalítica. La zeolita se modifica al enjuagar un elemento de oxidación parcial (rodio) sobre una superficie de zeolita. La zeolita, que sirve como el catalizador de fraccionamiento, es un tipo FCC del catalizador. El rodio fue enjuagado en una cantidad de 5% en peso del peso total del catalizador (peso de la zeolita y el peso del rodio). El catalizador se añadió en un reactor de lecho fijo. También se probó un catalizador comparativo que consiste solamente del catalizador de fraccionamiento sin rodio (catalizador de oxidación parcial). Los catalizadores se alojaron en un reactor de lecho fijo. El combustible de diesel se suministró a los catalizadores para determinar su desempeño. Los catalizadores respectivos se probaron con una co-alimentación de aire y sin una co-alimentación de aire. La combinación del combustible diesel y la co-alimentación de aire tuvo una relación molar de oxígeno a carbón en una cantidad de 0.04 a aproximadamente 0.1. En el ejemplo de 4 horas de ejecución (ilustrado gráficamente en la Figura 3), la relación molar de oxígeno a carbón (O2/C) se incrementó para los primeros 30 minutos (a intervalos de aproximadamente 6 minutos cada uno) de aproximadamente 0.04 a aproximadamente 0.11. Esto se llevó a cabo para evitar que la temperatura del catalizador incrementara a aproximadamente 650°C, lo cual produjo demasiado coque inicial en la composición de catalizador. Después de 30 minutos, la relación molar de O2/C se mantuvo en 0.11. Los resultados se muestran en la Figura 3. La Figura 3 es una representación gráfica del desempeño de la composición de catalizador así como del catalizador comparativo, cuando ambos se someten a diesel en un convertidor de combustible a una temperatura elevada. Como se puede observar en la Figura 3, una co-alimentación de aire con diesel se suministró a la composición de catalizador o al catalizador comparativo. En una de las pruebas ilustrada en la Figura 3, no se utilizó una coalimentación de aire durante la prueba de la composición de catalizador. A partir de la Figura 3, se puede observar que luego de suministrar solamente diesel (sin co-alimentación de aire) en un reactor de lecho fijo, el cual contiene la composición de catalizador a una temperatura de aproximadamente 600°C a aproximadamente 635°C, el fraccionamiento catalítico ocurre inmediatamente y la temperatura del lecho cae, lo cual alcanza los 550°C en menos de un minuto. Este resultado se debe a la naturaleza endotérmica del fraccionamiento de hidrocarburos. La rápida caída de temperatura indica que la actividad de la composición de catalizador se acerca a niveles omisibles. Se cree que esto se debe a la baja temperatura así como al bloqueo de los sitios ácidos por el coque formado. Cuando el catalizador comparativo que consiste de solamente el catalizador de fraccionamiento se prueba con el uso de co-alimentación de aire con diesel, la caída de temperatura no es tan aguda como cuando no se utiliza la co-alimentación de aire. Sin embargo, la caída en temperatura indica que la reacción no puede ser sostenida a niveles bajos de coalimentación de aire, cuando solamente se utiliza el catalizador de fraccionamiento. Cuando se utiliza una co-alimentación de aire con la composición de catalizador que comprende el catalizador de fraccionamiento, así como el catalizador de oxidación parcial, la caída de temperatura se reduce mucho, como se muestra en la Figura 3. De este modo, al co-alimentar aire con combustible diesel en la composición de catalizador, el límite de la actividad de reacción se puede incrementar mucho. Estos resultados también demuestran que la combinación del . catalizador de fraccionamiento con un catalizador de oxidación parcial puede ser utilizada con ventaja para fraccionar hidrocarburos más pesados en hidrocarburos ligeros, mientras evita, en forma simultánea, el envenenamiento de la composición de catalizador de las deposiciones de coque. La acumulación de coque que ocurre durante el fraccionamiento de hidrocarburos mientras utiliza catalizadores de fraccionamiento de zeolita tradicionales se reduce con el uso de la composición de catalizador. El catalizador bi-funcional con ventaja retrasa la velocidad de acumulación de coque en la superficie de los catalizadores de fraccionamiento, lo cual permite continuar activos para el fraccionamiento de hidrocarburos, lo que normalmente no ocurrirá en catalizadores de fraccionamiento convencionales que operan bajo condiciones similares.

Sin estar limitados a la teoría, el rodio aligera la oxidación parcial de una porción muy pequeña del suministro de hidrocarburos (es decir, diesel) que es suficiente para suministrar la cantidad de energía requerida para sostener el fraccionamiento catalítico endotérmico. Como se puede observar en la Figura 3, la reacción se sostiene por varias horas. El coque se forma a una velocidad más baja que el fraccionamiento catalítico convencional sin co-alimentación de aire. De esta forma, la actividad catalítica se puede mantener, con ventaja, durante varias horas antes de que se lleve a cabo la regeneración del catalizador. En una modalidad, la composición de catalizador puede utilizarse continuamente por un período de tiempo mayor que o igual a aproximadamente 50 horas. En otra modalidad, la composición de catalizador puede utilizarse continuamente por un período de tiempo mayor o igual que aproximadamente 100 horas. En otra modalidad, la composición de catalizador puede utilizarse continuamente por un período de tiempo mayor o igual que aproximadamente 500 horas. En otra modalidad, la composición de catalizador puede utilizarse continuamente, con ventaja, por un período de tiempo mayor o igual que aproximadamente 1,000 horas. Aunque la ¡nvención ha sido descrita con referencia a las modalidades ejemplificativas, se debe entender por las personas experimentadas en la técnica que se pueden realizar varios cambios y que se pueden sustituir equivalentes por elementos de la misma, sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular con las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se tiene la intención de que la invención no sea limitada a una modalidad particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo la invención.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para reducir las emisiones de NOx, caracterizado porque comprende: un tanque de combustible en comunicación fluida con un convertidor de combustible, en donde el convertidor de combustible se ubica corriente abajo del tanque de combustible y en donde el convertidor de combustible comprende una composición de catalizador que opera para convertir continuamente las moléculas de hidrocarburo pesadas que tienen 9 o más átomos de carbono por molécula en moléculas de hidrocarburo ligeras que tienen 8 o menos átomos de carbono por molécula; un reactor catalizador de reducción catalítica selectiva en comunicación fluida con el convertidor de combustible y ubicado corriente abajo del convertidor de combustible; y un motor en comunicación fluida con el tanque de combustible y el reactor catalizador de reducción catalítica selectiva, en donde el motor se ubica corriente abajo del tanque de combustible y corriente arriba del reactor catalizador de reducción catalítica selectiva

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el motor es un motor de combustión interna, una turbina, una planta de energía que quema combustibles líquidos.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de escape desde el motor se alimenta al reactor catalizador de reducción catalítica selectiva.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el gas de escape del motor se alimenta al convertidor de combustible.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un primer separador ubicado corriente abajo del tanque de combustible y corriente arriba del convertidor de combustible.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el primer separador comprende membranas que separan los hidrocarburos aromáticos de los hidrocarburos parafínicos, y en donde los hidrocarburos aromáticos separados se reciclan de regreso al tanque de combustible, mientras los hidrocarburos parafínicos separados se alimentan al convertidor de combustible.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un segundo separador ubicado corriente abajo del convertidor de combustible y corriente arriba del reactor catalizador de reducción catalítica selectiva.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el segundo separador comprende columnas de destilación con sistemas de vació, membranas, condensadores opcionales, o combinaciones de los mismos, que se utilizan para separar los hidrocarburos pesados de los hidrocarburos ligeros y en donde los hidrocarburos pesados del segundo separador se reciclan a un tanque de combustible o al motor, mientras los hidrocarburos ligeros se alimentan al reactor catalizador de reducción catalítica selectiva.

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque el segundo separador comprende una columna empacada sencilla.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un primer separador y un segundo separador, en donde el primer separador comprende una membrana para efectuar la separación y el segundo separador comprende un condensador para efectuar la separación.

11. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la composición de catalizador comprende sitios que llevan a cabo la función de fraccionamiento y sitios que llevan a cabo la función de oxidación parcial catalítica, en donde la función de fraccionamiento permite la conversión de moléculas de hidrocarburo pesadas en moléculas de hidrocarburo ligeras, y en donde la función de oxidación parcial catalítica permite la oxidación de un combustible fósil con base de hidrocarburo y el coque se deposita en la composición de catalizador. o

12. El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la composición de catalizador comprende un metal del grupo platino dispuesto sobre un tamiz molecular.

13. El sistema de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el metal del grupo platino comprende platino, paladio, rodio, iridio, osmio, rutenio y mezclas de los mismos.

14. El sistema de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la composición de catalizador comprende aproximadamente 0 1 a aproximadamente 20% en peso del metal del grupo platino 15 El sistema de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el metal del grupo platino también comprende uno o más metales base del Grupo VIII, Grupo IB, Grupo VB, o Grupo VIB, de la Tabla Periódica de Elementos 16 El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la composición de catalizador comprende un catalizador de fraccionamiento de zeohta 17 El sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el catalizador de fraccionamiento de zeo ta comprende un aluminofosfato, un si coaluminofosfato o una combinación que comprende por lo menos una de las zeolitas anteriores 18 El sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el catalizador de fraccionamiento de zeolita comprende itpa sustituida con tierra rara, zeo ta de itpa ultra-estable, itpa sustituida con tierra rara ultra-estable, zeo ta beta, ZSM-5, ZSM-11, ZSM-12, ZSM-35, MCM-22, MCM-36, MCM-4 , MCM-40 o una combinación de por lo menos una de las zeo tas anteriores 19 El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el tanque de combustible comprende diesel, queroseno, bio-diesel, gasolina, combustible de chorro, combustible logístico y aceite de combustible 20 El sistema de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el convertidor de combustible se gira durante el proceso de conversión de las moléculas de hidrocarburo pesadas en moléculas de hidrocarburo ligeras 21 Un artículo que emplea el sistema de conformidad con la reivindicación 1 22 Un vehículo o generador estacionario que emplea el sistema de conformidad con la reivindicación 1 23 Una locomotora que emplea el sistema de conformidad con la reivindicación 1, a bordo 24 Un método caracterizado porque comprende convertir en presencia de una composición de catalizador, una molécula de hidrocarburo pesada que tiene 9 o más átomos de carbono por molécula en una molécula de hidrocarburo ligera que tiene 8 o menos átomos de carbono por molécula, en donde la composición de catalizador comprende sitios que realizan la función de fraccionamiento y sitios que realizan la función de oxidación parcial catalítica, en donde la función de fraccionamiento permite la conversión de moléculas de hidrocarburo pesadas en moléculas de hidrocarburo ligeras, y en donde la función de oxidación parcial catalítica permite la oxidación de un combustible fósil con base de hidrocarburo y el coque que se deposita en la composición de catalizador, hacer reaccionar la molécula de hidrocarburo ligera con una corriente de escape de un motor en presencia de una catalizador de reducción catalítica selectivo, y reducir el contenido de NOx en la corriente de escape 25 El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque la conversión de la molécula de hidrocarburo pesada en una molécula de hidrocarburo l igera ocurre en presencia de un gas secundario q ue com prende gases calientes de una corriente de escape de un motor y/o aire. 26. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porq ue la conversión ocurre en un convertidor de combusti ble , y en donde el convertidor de combustible comprende u na relación de oxígeno a carbón de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.95. 27. El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porq ue la conversión ocurre a una tem peratura de aproxi madamente 550°C a aproximadamente 650°C , durante la conversión de hidrocarburos pesados en hidrocarburos ligeros. 28. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque las moléculas de hidrocarburo pesadas también se convierten esencial mente en moléculas de hidrocarburo ligeras y en gas de síntesis , y en donde el gas de s íntesis comprende hidrógeno y monóxido de carbono. 29. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque además comprende oxidar el coq ue depositado en la com posición de catal izador. 30. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque además comprende separar los hidrocarburos aromáticos de los hidrocarburos parafínicos. 31 . E l método de conform idad co n l a reivi nd i cación 30 , caracterizado porq ue además comprende reciclar los hidrocarburos aromáticos en el tanque de combustible. 32. El método de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porq ue además comprende alimentar los hidrocarburos parafínicos en un convertidor de combustible. 33. El método de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque además com prende separar las moléculas de h idrocarbu ro ligeras de las moléculas de hidrocarburo pesadas. 34. El método de conformidad con la reivindicación 33, caracterizado porq ue además com prende alimentar las moléculas de hidrocarburo ligeras en un reactor catalizador de reducción catalítica selectiva . 35. U na locomotora que emplea el método de conform idad con la reivind icación 24, a bordo.