ES2238301T3 - Procedimiento y dispositivo de descontaminacion de gas de combustion. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de descontaminación de los gases de combustión dispuesto a lo largo del circuito de escape de dichos gases y montado sobre un vehículo a motor, que comprende: una caldera (1) en la que la energía térmica llevada por los gases de escape produce la evaporación de una mezcla refrigerante-absorbente, un separador de líquido (3) situado a la salida de la parte superior de la caldera (1), un evaporador (9) que permite la refrigeración de los gases de escape seguido de un absorbedor (11) colocado entre dicha caldera (1) y dicho evaporador (9) para la recombinación de la mezcla refrigerante-absorbente, caracterizado porque comprende un catalizador (23) dispuesto a la salida de los gases del motor y antes de la caldera (1), una válvula de expansión (8) dispuesta aguas arriba del evaporador (9), comprendiendo este último un recuperador (15) de los gases condensados y estando montado en un recolector de escape (10), una bomba (12) aguas abajo del absorbedor (11) para enviar la mezcla refrigerante- absorbente a la caldera (1) y un condensador (4) dispuesto entre el separador de líquido (3) y la válvula de expansión (8), que transforma en forma líquida, y gracias a la presión producida por el dispositivo, los vapores filtrados por el separador de líquido (3), estando destinado este último a dejar pasar sólo los vapores de refrigerante.

Description

Procedimiento y dispositivo de descontaminación de gas de combustión.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo de tratamiento de los gases de combustión, y más particularmente a un procedimiento y a un dispositivo para la descontaminación de gas de combustión.

En una combustión de carburantes tales como gasolina o gasóleo, se producen un gran número de compuestos tales como óxidos de nitrógeno (NO_{x}), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC). A estos se añade el ozono (O_{3}), un contaminante secundario formado por reacciones fotoquímicas entre óxidos de nitrógeno e hidrocarburos.

Los poderes públicos han fomentado las investigaciones con el objetivo de reducir estas emisiones nocivas, y se han propuesto numerosos dispositivos. Se conoce, en el campo de los automóviles, la utilización de un catalizador cuya acción es quemar estas sustancias nocivas.

Desgraciadamente, el catalizador sólo reduce ciertas emisiones, y en contrapartida transforma ciertos compuestos en sustancias aún más peligrosas.

Se han presentado otras soluciones, particularmente en el campo de la industria, con la utilización de filtros de agua dispuestos en los conductos de chimeneas para capturar y recuperar las sustancias tóxicas en el agua. Esta agua se retira con el fin de separar estas sustancias y a continuación se reinyecta en el circuito de filtración.

Aunque se ha constatado una cierta mejora de la calidad del aire gracias a la utilización de estos dispositivos de descontaminación, estos presentan lagunas, o bien en su utilización o bien por su coste o su eficacia.

Es el objetivo de la presente invención proponer un procedimiento y un dispositivo que suprime el 100% de las sustancias más tóxicas no generando ninguna otra sustancia nueva.

Este objetivo se consigue plenamente mediante el dispositivo de descontaminación de los gases de combustión de la presente invención, caracterizado porque este dispositivo comprende una cámara de refrigeración de los gases a baja temperatura.

Según la invención, el procedimiento consiste en descontaminar los gases de combustión refrigerándolos a baja temperatura.

Se obtiene el efecto de descontaminación mediante la condensación de las sustancias contaminantes en una cámara en la que los gases se refrigeran a una temperatura de varios grados por encima de cero. El efecto de condensación se produce desde que se refrigeran los gases, entendiéndose que cuanto más descienda la temperatura, más aumenta el efecto.

La temperatura de condensación óptima se sitúa cerca de 0ºC, preferiblemente entre 3 y 6ºC, es decir, justo antes de que se formen cristales de hielo. En efecto, la formación de hielo tendría como consecuencia la rápida obstrucción del escape.

El líquido de condensación se recupera a continuación con vistas a su eliminación ecológica.

Este tipo de dispositivo puede utilizarse en un gran número de instalaciones, por ejemplo en chimeneas de fábricas de incineración, así como para otras aplicaciones de chimeneas industriales e igualmente en el campo de los vehículos a motor de combustión interna.

En este último campo, la presente invención se extiende igualmente a un dispositivo de producción de frío (por ejemplo climatización) mediante recuperación de la energía térmica de los gases de escape del vehículo.

Dichos dispositivos se describen en el estado de la técnica, particularmente en el documento GB-A-1357034, que describe un dispositivo de descontaminación de los gases de combustión según el preámbulo de la reivindica-
ción 1.

El documento US 5.383.341 describe un sistema de refrigeración basado en el principio de la absorción, y cuya energía se proporciona por los gases de escape. Este sistema sólo se refiere a la utilización juiciosa de la energía generada por los gases, energía térmica que se utiliza para la producción de frío.

Aunque el objetivo principal de esta invención sea la descontaminación de los gases de combustión, la invención se extiende igualmente a un sistema eficiente de producción de energía frigorífica mediante recuperación de la energía térmica de los gases de combustión.

Con el fin de refrigerar los gases de escape, se utiliza un evaporador situado en el colector de escape que refrigera sustancialmente dichos gases. Recuperadores situados a lo largo del evaporador recogen el líquido de condensación. Este líquido puede eliminarse ecológicamente a un ritmo equivalente al vaciado del aceite del motor, o reinyectarse en el depósito. En efecto, a la vista de su producción en baja cantidad, su mezcla con la gasolina o el diesel no plantea ningún problema.

En una forma particular de la invención, la mezcla refrigerante-absorbente utilizada para el ciclo térmico es una mezcla de agua (absorbente) y amoniaco (refrigerante). Este último presenta una buena propiedad de expansión, característica esencial en este tipo de utilización. Los ensayos han mostrado que con más de 70% de agua en la mezcla el ciclo no funciona de manera óptima.

La invención se comprenderá mejor gracias a la descripción detallada siguiente, que se refiere a los dibujos adjuntos que se dan a título de ejemplo, en modo alguno limitativos, en los que:

- La figura 1 representa el sistema de descontaminación de gases, utilizando como fuente de energía los gases de combustión de un motor de explosión;

- La figura 2 representa un dispositivo de limpieza automática del evaporador;

- La figura 3 representa la integración de un elemento catalizador-caldera.

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TABLA

1

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En la tabla se representa el resultado del análisis de una muestra de emisión de gas de escape de un tractor en el que se ha montado el sistema según la invención. Se puede observar que todos los compuestos de bajo peso molecular se han suprimido al 100%. De manera general, los contaminantes de bajo peso molecular tales como tolueno, aldehído, así como ciertos hidrocarburos de bajo peso (por ejemplo cloroparafina) desaparecen completamente. Sólo quedan las moléculas de pesos considerables que escapan a la condensación. Se observará particularmente la eliminación total del tolueno, sustancia conocida como peligrosa. Globalmente, con el descenso de la temperatura de los gases a 6ºC, se elimina un 75% de los contaminantes.

La figura 2 representa un sistema completo de utilización de la invención en un vehículo, con una primera utilización para la aplicación de descontaminación y otra secundaria como producción de frío en el vehículo. La mezcla de agua-amoniaco pasa por la caldera 1 alimentada con calor de los gases de escape que salen del motor 2. El punto de ebullición del amoniaco es muy bajo (del orden de -33ºC), y bajo el efecto del calor de los gases se evapora, abandonando el agua con la que estaba mezclada. Por el hecho de que una parte del agua se vaporiza igualmente, se dispone un separador de líquido 3 que tiene como misión retener los vapores de agua y dejar pasar sólo los vapores de amoniaco. Estos vapores pasan a continuación por un condensador 4, que transforma los vapores en forma líquida gracias a la presión producida por el sistema. El agua, más pesada que el amoniaco, se encuentra en la parte inferior de la caldera 1 y se conduce al absorbente 11 para su recombinación con el amoniaco, terminando su ciclo de transferen-
cia.

Una de las particularidades de este conjunto está constituida por las válvulas de solenoide 5 y 6 y el depósito 7. La primera válvula de solenoide 5 se abre cuando la presión del lado del depósito es menor que del lado del condensador 4. La segunda válvula de solenoide 6 está regida por el contacto de alimentación del motor. En estado detenido, la válvula de solenoide 6 está cerrada y la válvula de solenoide 5 se cierra cuando desaparece la presión provocada por la evaporación del amoniaco, es decir, cuando los gases no calientan ya la caldera 1. En este caso, el depósito 7 conserva la presión de funcionamiento en forma de líquido a presión, estando cerradas las dos válvulas de
solenoide.

Cuando arranca el motor, la válvula de solenoide 6 se abre y la presión acumulada en el depósito 7 produce inmediatamente frío en el evaporador del escape. Esta configuración se distingue del sistema de colector catalítico que no funciona inmediatamente, necesitando éste último un tiempo de calentamiento de varios minutos.

Aguas arriba del colector de escape final, se encuentra una primera etapa de refrigeración 16, que permite reducir la temperatura de los gases aproximadamente a 50ºC.

Cerca del colector de escape 10, se encuentra la válvula de expansión 8 regulada por un sensor de temperatura (no representado). El amoniaco se vaporiza en el evaporador 9 y su expansión provoca una bajada de la temperatura que puede alcanzar los -25ºC. La válvula de expansión 8 se regula para refrigerar los gases del colector de escape 10 aproximadamente a 4ºC.

En el interior del colector 10, bajo el evaporador 9, se encuentra el recuperador de líquido de condensación 15. Un canal permite bombear este líquido y reinyectarlo en el depósito de carburante.

La presión del amoniaco, inicialmente aproximadamente a 1500 kPa a la salida de la caldera, termina aproximadamente a 100 ó 200 kPa en el evaporador 9. Una vez termina el ciclo, se envía el amoniaco al absorbente 11 para ser absorbido por el agua después propulsada por una bomba 12 a la caldera 1. Una válvula anti-retroceso 13 impide el reflujo de la mezcla en la bomba al detener el motor.

En una forma de la invención, se deriva una parte del amoniaco a presión a un segundo circuito 14 para la producción de frío con el objetivo de refrigerar el habitáculo o una cámara frigorífica del vehículo. Ha de observarse que la producción de frío de esta manera no solamente no consume prácticamente ninguna energía, y por tanto no perjudica en nada al rendimiento del vehículo (lo que está lejos de ser el caso de los sistemas actuales), sino que tiene como ventaja descontaminar los gases de este vehículo.

La figura 2 indica una manera elegante de evitar la formación de depósitos a lo largo del serpentín 17 dispuesto en el colector de escape 10. Es sabido que los gases de escape tienen tendencia a ensuciar los diferentes objetos interiores, y el serpentín 17 con mayor razón. Esto provocaría una rápida degradación del rendimiento de la instalación. Para evitar este ensuciamiento se propone una solución inédita, que consiste en montar el serpentín 17 entre dos placas fijas 19 en cada extremo, y una pluralidad de placas móviles 18 entre estas dos placas, presentando estas últimas orificios ajustados al diámetro del serpentín. Las placas fijas 19 comprenden un gran número de orificios para dejar pasar libremente los gases. Las placas móviles 18 se sujetan entre ellas mediante las traviesas 21, y el conjunto formado por estas placas se mantiene en la posición de reposo mediante muelles de bajo momento de retorno 20, unidos a las placas fijas 19. Así, cuando los gases de escape entran en el colector, empujan las placas móviles 18 que frotan al serpentín a lo largo, liberándolo de los residuos que se le han fijado. Cuando el régimen del motor se reduce bruscamente, se induce una presión inversa en el colector de escape y las placas móviles 18 son atraídas hacia la entrada del colector. Este movimiento de vaivén permite asegurar una limpieza automática del serpentín.

Está claro que las placas móviles 18 no cierran completamente el diámetro del colector, sino que están parcialmente abiertas, una sobre su parte inferior y la siguiente sobre su parte superior, y así en adelante. Esta disposición fuerza a los gases a efectuar un zigzag antes de finalizar su ruta de la salida del colector, y asegura una presión contra las placas móviles. Esta configuración fuerza igualmente a los gases a atravesar un depósito de agua que se forma mediante condensación del vapor de agua contenido en los gases. Esta ruta a través del líquido permite capturar las partículas contenidas en los gases.

Estas partículas se depositan en el fondo del colector de escape y, cuando el nivel es suficiente, se vierten en el recuperador 15. Según una de las variantes reservadas para la invención, el recuperador se vacía aproximadamente cada 80.000 km.

En la figura 3, se ilustra una realización compacta de un conjunto catalizador-caldera. El papel del catalizador-caldera es:

-

quemar los residuos de los humos (CO-Nox-HC) gracias a un procedimiento de catálisis,

-

calentar la solución rica ejemplar de NH_{3}-H_{2}O con el fin de separar el NH_{3} del H_{2}O mediante un intercambiador (3) y una cámara de ebullición (4).

Los humos se admiten a través de una o varias entradas 24 (según si se ha elegido poner la caldera en lugar del colector o después del colector) en la cámara de catálisis, estando dotada ésta de placas 25 cuyo material y número pueden variar según los vehículos (de placa de oro a placa de platino, pasando por ciertos aceros inoxidables,
etc.).

Ejemplo: el oro que funde a 1064ºC será más indicado para el diesel. Para los motores a gasolina, estará indicado utilizar el platino, que funde a 1755ºC.

Después de la cámara de catálisis, los humos pasan a través de un intercambiador 26 en el que calientan un líquido, por ejemplo NH_{3}-H_{2}O, llevándolo a la temperatura suficiente para separar el NH_{3} del H_{2}O. En este aparato se liberan por tanto los humos de una gran parte de los Nox-CO y HC, y se calienta un líquido (solución rica 29) de forma que se obtiene, gracias a una separación, un fluido refrigerante.

Se toma el ejemplo del líquido NH_{3}-H_{2}O. A 20ºC, un litro de H_{2}O puede absorber aproximadamente 520 g o bien 0,8 l de NH_{3} aumentando la temperatura del NH_{3}. Este último, al entrar en ebullición a partir de - 33ºC, se separa del H_{2}O, y al hacerlo, crea una presión tal que aunque la temperatura vaya a más de 100ºC (y podría alcanzar 150ºC), el NH_{3} será vapor y el H_{2}O permanecerá líquida (ley de Mollier). Esta acción permite separar así el NH_{3} del H_{2}O transportando únicamente el NH_{3} en su forma de refrigerante 28 y el H_{2}O, que se denominará solución pobre 30, en su forma de absorbente para un nuevo ciclo.

En cuanto a los humos, separados de una gran parte de Nox-CO y HC y parcialmente enfriados, se dirigen mediante 31 hacia otros dispositivos de decantación.

Para motores pequeños, y particularmente cuando funcionan al ralentí, la producción de frío puede ser insuficiente. Este es particularmente el caso cuando el frío se utiliza igualmente para otros objetivos tales como la refrigeración del habitáculo del vehículo.

Se encuentra este mismo problema cuando se dispone un motor autónomo pequeño que está encargado de generar energía eléctrica así como frío para una cámara de refrigeración.

Para mejorar la producción de frío, es decir, mejorar el rendimiento de utilización del calor producido por el motor para la producción de frío, se propone añadir a la salida de la caldera 1 un primer intercambiador de calor 22 encargado de precalentar la mezcla de agua-amoniaco antes de su envío a la caldera. Este intercambiador 22 acelera el calentamiento de la mezcla y prerrefrigera eficazmente los gases de escape.

Los gases a la salida de la caldera están a una temperatura de aproximadamente 140ºC, y se reducen a una temperatura de aproximadamente 60ºC a la salida del intercambiador 22. Gracias a esta configuración, la presencia de la etapa de refrigeración 16 ya no es necesaria, al estar suficientemente refrigerados los gases mediante el intercambiador 22. El rendimiento global de transformación del calor producido por el motor para la producción de frío y de energía supera el 50%.

Las medidas efectuadas sobre los residuos contaminantes restantes después del sistema de refrigeración de los gases muestran que se ha condensado un 75% de las emisiones. En efecto, el sistema de refrigeración elimina la casi totalidad de los hidrocarburos y la totalidad de las partículas, pero deja pasar el monóxido de carbono (CO), el óxido de nitrógeno (NO_{x}), así como los hidrocarburos de baja temperatura de ebullición.

El catalizador por su parte quema todo esto, pero deja pasar las partículas y crea otras (platino, paladio, rodio, etc.) netamente más nocivas que el plomo.

Para mejorar este resultado, se ha propuesto combinar el catalizador utilizado generalmente en los vehículos a motor y el sistema de refrigeración descrito anteriormente.

Para hacer esto, se dispone un catalizador 23 debidamente aislado justo a la salida del motor 2 antes de la caldera 1. Gracias a la combinación de estas dos técnicas, se consigue la eliminación de todas las partículas cualesquiera que sean; los resultados han mostrado una eliminación de un 99% de las emisiones contaminantes.

Claims (10)

1. Dispositivo de descontaminación de los gases de combustión dispuesto a lo largo del circuito de escape de dichos gases y montado sobre un vehículo a motor, que comprende: una caldera (1) en la que la energía térmica llevada por los gases de escape produce la evaporación de una mezcla refrigerante-absorbente, un separador de líquido (3) situado a la salida de la parte superior de la caldera (1), un evaporador (9) que permite la refrigeración de los gases de escape seguido de un absorbedor (11) colocado entre dicha caldera (1) y dicho evaporador (9) para la recombinación de la mezcla refrigerante-absorbente, caracterizado porque comprende un catalizador (23) dispuesto a la salida de los gases del motor y antes de la caldera (1), una válvula de expansión (8) dispuesta aguas arriba del evaporador (9), comprendiendo este último un recuperador (15) de los gases condensados y estando montado en un recolector de escape (10), una bomba (12) aguas abajo del absorbedor (11) para enviar la mezcla refrigerante-absorbente a la caldera (1) y un condensador (4) dispuesto entre el separador de líquido (3) y la válvula de expansión (8), que transforma en forma líquida, y gracias a la presión producida por el dispositivo, los vapores filtrados por el separador de líquido (3), estando destinado este último a dejar pasar sólo los vapores de refrigerante.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la válvula de expansión (8) se regula para refrigerar los gases entre 3 y 6ºC.

3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el catalizador (23) y la caldera (1) están realizadas de una sola pieza.

4. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende un conjunto de almacenamiento (5, 6, 7) de líquido a presión que comprende una primera válvula de solenoide (5) abierta si la presión aguas arriba es superior a la presión aguas abajo, una segunda válvula de solenoide (6) abierta cuando funciona el motor (2), y un depósito (7) dispuesto entre estas dos válvulas de solenoide y que almacena el líquido refrigerante a presión.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el evaporador (9) está compuesto por un serpentín (17) alargado, cuyas partes rectilíneas se mantienen espaciadas entre ellas mediante placas móviles (18) que se desplazan longitudinalmente a lo largo de las partes rectilíneas del serpentín (17) bajo la presión de los gases de escape, asegurando la limpieza de dicho serpentín (17).

6. Dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende un intercambiador de calor (22) dispuesto entre la caldera y el colector de escape (10), destinado a precalentar la mezcla refrigerante- absorbente con destino a la caldera (1).

7. Procedimiento de descontaminación de los gases de combustión del dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en un primer momento en quemar dichos gases en una cámara catalítica que contiene dicho catalizador (23), y en enfriar después dichos gases a baja temperatura para provocar la condensación de las sustancias emitidas en la combustión.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque consiste en enfriar los gases a una temperatura situada entre 3 y 6ºC.

9. Procedimiento según las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque consiste en recuperar el líquido resultante de la condensación de los gases.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque consiste en utilizar la energía térmica de los gases de escape para alimentar una unidad de refrigeración que funciona basándose en la absorción por una mezcla refrigerante-absorbente.