Reductor catalítico selectivo

TECNOLOGÍAS DE CONTROL DE CONTAMINACIÓN DE AIRE

Reducción Catalítica Selectiva (Selective Catalytic Reduction, SCR).

Tipo de Tecnología: Dispositivo de Control - Reducción Química por medio de un agente reductor y un catalizador.

Contaminantes Aplicables: Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Límites de Emisión Alcanzables/Reducción: La SCR es capaz de eficiencias de reducción de NOx en el rango de 70% al 90% (ICAC, 2000). Reducciones mayores son factibles, pero generalmente no son efectivas en costo.

Tipo de Fuente Aplicable: Punto.

Aplicaciones Industriales Típicas: Unidades estacionarias de combustión de combustible fósil, tales como calderas generadoras de electricidad, calderas industriales, calentadores de proceso, turbinas de gas y motores reciprocantes de combustión interna. Además, la SCR ha sido también aplicada a plantas de ácido nítrico. (ICAC, 1997

CARACTERÍSTICAS DE LA EMISIÓN:

A. TAMAÑO DE LA UNIDAD DE COMBUSTIÓN:

En los Estados Unidos, la SCR ha sido aplicada a

calderas generadoras de electricidad que queman carbón y gas natural de

tamaño que varía de 250 a 8,000 MMBtu/hr ( 25 a 800

MW).

B. TEMPERATURA: El rango óptimo de

temperatura depende del tipo de catalizador

utilizado y la composición del gas de combustión. Las

temperaturas óptimas varían desde 480°F a

800°F (250°C a 427°C) (ICAC, 1997)

C. CARGA DE CONTAMINANTES:

La SCR puede alcanzar eficiencias de reducción

altas (>70%) en concentraciones de NOx

tan bajas como 20 partes por millón (ppm).

Niveles más altos de NOx resultan en un incremento en el rendimiento, sin

embargo, a concentraciones por

encima de 150 ppm, la razón de reducción no

incrementa significativamente (Environex, 2000).

Los costos de capital son significativamente más altos que otros tipos de controles de NOx debido al gran volumen de catalizador que se requiere. El costo del catalizador es de aproximadamente 10,000 $/m3 (283$/ft3).

La SCR es una tecnología patentada y los diseños en unidades grandes de combustión son específicos al sitio donde se aplican.

Los costos de operación y mantenimiento (O&M) se rigen por el uso del reactivo, la reposición del catalizador y el incremento en el uso de electricidad.

Información de Costos:

c. La SCR instalada en una caldera activada por madera asume un precipitador electrostático en el “lado caliente” para la remoción de PM

El proceso de la SCR reduce químicamente la molécula de NOx a nitrógeno molecular y vapor de agua. Un reactivo a base de nitrógeno tal como el amoníaco o la urea se inyecta en los ductos, corriente abajo de la unidad de combustión. Los gases de combustión se mezclan con el reactivo y entran a un módulo reactor que contiene un catalizador. Los gases de chimenea calientes y el reactivo se difunden a través del catalizador. El reactivo reacciona selectivamente con el NOx dentro de un rango de temperatura específico y en presencia del catalizador y oxígeno.

Los factores principales que determinan la eficiencia de remoción real: La temperatura, La cantidad del agente reductor, El diseño de la rejilla de inyección del amoníaco y La actividad del catalizador

Teoría de la Operación:

La desactivación del catalizador es causada por:

Envenenamiento de los sitios activos por constituyentes del gas de combustión,

Sinterización térmica de los sitios activos debido a las altas temperaturas dentro del reactor,

Taponamiento/cegado/ensuciamiento de los sitios activos por sales de amoníaco y azufre y materia particulada, y

Erosión debida a altas velocidades de gas.

A medida que la actividad del catalizador disminuye, la remoción del NOx disminuye y el escabullimiento de amoníaco aumenta.

LA SCR es efectiva en costo en unidades que queman gas. Se requiere menos catalizador, ya que la corriente del gas residual tiene niveles más bajos de NOx, azufre y MP.

Ventajas:-Reducciones más altas de NOx en comparación a los quemadores de bajoNOx y la Reducción Selectiva No Catalítica (Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)-Es aplicable a fuentes con bajas concentraciones de NOx-Las reacciones ocurren dentro de un rango de temperatura más bajo y más amplio que en la SNCR-No requiere modificaciones a la unidad de combustión

Desventajas:-Costos de capitales y de operación significativamente más altos que los quemadores de bajo NOx y la SNCR-La reconversión de la SCR en calderas industriales es difícil y costosa-Se requieren grandes cantidades de reactor y catalizador-Puede requerir limpieza del equipo corriente abajo.-Resulta en amoníaco en la corriente del gas residual, lo cual puede impactar la visibilidad de la pluma y la reventa o dispoción de la ceniza.

REDUCCION CATALITICA DE NOx CON NH3 USANDO

CATALIZADORES DE Pt, Pd Y Au/WOx-Al2O3

José Luis Contreras Larios(1)Profesor de Ingeniería Química de la Universidad Autónoma Metropolitana- Azcapotzalco. Doctorado en Catálisis Heterogénea con especialidad en catalizadores para la industria petrolera y catálisis ambiental.

Armando Vázquez RodríguezMaestro en Ciencias con estudios de Doctorado en Catálisis Heterogénea, Responsable del Laboratorio de Caracterización de Catalizadores del Instituto Mexicano del Petróleo.

Maria Elena LlanosDoctora en Ciencias en especialidad en Catálisis Heterogénea por la UAM-Iztapalapa dedicada a los estudios de termorreducción programada y técnicas de caracterización de catalizadores en el Instituto Mexicano del Petróleo

Dirección: Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. División de CBI, Departamento de Energía - Av. San Pablo 180, Col.

Reynosa - C.P.02200 - México - D.F.

El presente estudio consistió en determinar, la conversión de NOx en catalizadores monometalicos de Pt, Pd y los bimetálicos de Pt-Pd, Pt-Au, y Pd-Au en función de la temperatura de reacción en un sistema de flujo continuo pasando una mezcla de composición conocida de NOx de 0.058% y de 0.103% de NH3 siendo el resto N2.

Se encontró que el Au no mostró quimisorción de H2 y el Pd y el Pt mostraron dispersiones de 44 y 61% mientras que los bimetálicos mostraron dispersiones menores del orden de 53, 48 y 46% para los de Pt-Pd, Pt-Au y Pd-Au.

Las conversiones en función de la temperatura mostraron que el sistema Pt-Pd es el más efectivo ya que a temperaturas tan bajas como 350ªC se logran conversiones de mas del 90%, en seguida la conversión para el sistema de Pt/WOx-Al2O3 fue de más de 50% y después el sistema Pt-Au fue de 22%, luego el sistema de Pd/WOx-Al2O3 fue de menos de 4%, finalmente el sistema Pd-Au no mostró actividad a esa temperatura.

El sistema Pt-Pd no se desactivó como los otros catalizadores. La actividad catalítica es función de la dispersión metálica.

RESUMEN

En las investigaciones para la reducción de NOx proveniente de los escapes de fuentes de combustión fijas, se tienen tanto la reducción selectiva como la no selectiva, en el primer caso, se tiene que consumir el exceso de O2 y en la segunda se minimiza el consumo de este gas y es este último caso el que nos interesa.

La reducción se puede efectuar usando H2,CO, hidrocarburos y NH3. Si utilizamos el NH3 en presencia de O2, se obtienen N2, H2O y el H2 a temperaturas entre 550 y 800°F en presencia de un catalizador, las reacciones son:

INTRODUCCIÓN

Actualmente estas reacciones deseadas, forman parte de la Reducción Catalítica Selectiva (SCR) y la reducción máxima alcanzable es de 90%

PARTE EXPERIMENTAL

CATALIZADORES SOLUCIONES DE IMPREGNACIÓN

Tres monometálicos de Pt, Pd y Au soportados en una Al2O3 (ketjen) estabilizada con 1% de W como WOx

Tres bimetálicos de: Pt-Pd, Pt-Au y Pd-Au.

Se utilizaron como soluciones de impregnación los siguientes compuestos:

(NH4)12W12O415H2O, H2PtCl6, PdCl2 y HAuCl4 3H2O.

1. Se prepararon seis catalizadores por impregnación en medio acuoso:

La impregnación sobre la Al2O3, fue secuencial impregnando en todos los casos Primero el tungstato de amonio, Luego el metal noble Pt y Luego ya sea Pd o el Au.

Una vez que se impregnó el Pt, con H2PtCl6 a 50°C se secó a 110°C, se calcinó a 500°C y luego se impregnó el segundo metal repitiéndose el mismo tratamiento térmico de secado y calcinado y finalmente la reducción en H2.

2. IMPREGNACIÓN

3. DETERMINACIÓN DE LAS FASES METALICAS DE LOS

CATALIZADORES La fracción molar de los NOx en la mezcla fue de 0.058 y de NH3 fue de 0.103 el resto fue N2.

El área BET de los catalizadores se determinó en un equipo Micromeritics (ASAP-2505) midiendo la isoterma de adsorción con N2.

Las fases metálicas se determinaron por termorreducción programada de H2 de acuerdo con la técnica sugerida por Jenkins et al.,(1977).

La dispersión del Pt o Pd sobre el soporte fue determinada por hidrogenación de benceno de acuerdo a la técnica de Fajardie et al.,(1996)(9).

La reacción en ausencia de O2, se llevó a cabo en una instalación de microrreactor conectado en línea a un cromatógrafo de gases (Milton Roy 550) usando una columna Supelco, Hayesep D.MRL, 10´ y 1/8”.Las conversiones en función de la temperatura se muestran en la Figura 1.

3. DETERMINACIÓN DE LAS FASES METALICAS DE LOS

CATALIZADORES

Resultados de la preparación y caracterización de catalizadores

DISCUSION DE RESULTADOS

DISCUSION DE RESULTADOS

Los catalizadores de Au/WOx-Al2O3 no mostraron actividad catalítica incluso a alta temperaturas.

El catalizador de Pd/WOx-Al2O3 mostró actividad notable pero solo hasta temperaturas superiores a los 400°C, mostrando menor actividad que el catalizador de Pt/WOx-Al2O3 ya que éste mostró actividad desde los 350°C (56% de conversión). Esta actividad está relacionada con la dispersión evaluada por hidrogenación de benceno.

En ausencia de O2, el sistema Pt-Pd mostró la mayor actividad catalítica (conversión de 95%) pero a temperaturas menores a 450°C, por encima de esta temperatura la conversión decae debido a probable formación de aleación de los dos metales.

El sistema Pt-Au mostró alta actividad sólo hasta temperaturas de 500°C, siendo el incremento de conversión contra temperatura de reacción casi lineal.

El sistema Pd-Au también mostró alta actividad sólo a 500°C, siendo su incremento menor al del caso de Pt-Au, no existiendo actividad a 400°C. Estos comportamientos están relacionados a la posible formación de aleaciones inactivas o segregación de la fase Au sobre la superficie de partículas bimetálicas.

CONCLUSIONES