El catalizador SCR también sigue la estructura del componente activo portador –recubrimiento–; sin embargo, sus componentes activos son fundamentalmente diferentes de los de TWC y DOC.
1. Transportador
Materiales: Dado que los sistemas SCR de los vehículos diésel suelen estar ubicados aguas abajo del DOC y el DPF, enfrentan altas temperaturas de escape y también deben soportar el riesgo de cristalización de urea. Por lo tanto:
Cerámica de panal de cordierita: de uso común y rentable.
Portadores metálicos: También ampliamente utilizados, especialmente para diseños compactos o aplicaciones que requieren un apagado rápido de la luz.
Portadores tipo placa: se emplean en algunos motores diésel grandes (por ejemplo, aplicaciones marinas o de centrales eléctricas) y ofrecen una capacidad antiobstrucción superior.
2. Recubrimiento
Materiales: El recubrimiento es el núcleo químico del catalizador SCR. Ya no es simple alúmina sino un óxido metálico con actividad catalítica y capacidad de adsorción.
Dióxido de titanio (TiO₂): el material principal para la mayoría de los recubrimientos catalizadores SCR. Generalmente se encuentra en forma de cristal de anatasa, lo que proporciona propiedades superficiales y estabilidad óptimas, soportando eficazmente los componentes activos.
Óxido de tungsteno (WO₃) u óxido de molibdeno (MoO₃): Agregado al TiO₂ como promotores y estabilizadores. Sus funciones principales son:
Mejorar la estabilidad térmica del catalizador, evitando que el TiO₂ se transforme de la fase anatasa activa a la fase rutilo inactiva.
Aumente la acidez de la superficie, que es crucial para la adsorción y reacción del NH₃.
Mejorar la resistencia al envenenamiento por SO₂.
3. Componentes activos
Estos determinan el tipo y el rendimiento del catalizador SCR. Los tipos principales incluyen:
Catalizadores basados en vanadio: uso de V₂O₅ como componente activo.
Características: Tecnología madura, costo relativamente bajo, alta actividad en el rango de temperatura media a alta (300–400°C).
Desventajas: El vanadio tiene cierta toxicidad biológica; a altas temperaturas (>450°C), el V₂O₅ puede volatilizarse, reduciendo la actividad y potencialmente causando contaminación ambiental; Actividad relativamente pobre a baja temperatura.
Aplicaciones: Vehículos diésel pesados antiguos y muchos actuales y desnitrificación de fuentes estacionarias.
Catalizadores de tamiz molecular de zeolita:
Zeolitas de cobre: especialmente estructuras Cu-CHA (p. ej., Cu-SAPO-34, Cu-SSZ-13), que son la opción preferida para los vehículos diésel modernos que cumplen con las normas de emisiones más estrictas.
Las zeolitas de hierro, como el Fe-Beta, exhiben buena actividad en ventanas de temperatura más alta.
Características:
Estabilidad térmica extremadamente alta: puede soportar temperaturas superiores a 650°C, adecuado para una colocación estrechamente acoplada cerca del motor.
Amplia ventana de temperatura de actividad: los catalizadores Cu-CHA, en particular, tienen una excelente actividad a baja temperatura (apagado de ~200 °C) y estabilidad a alta temperatura.
Alta eficiencia de conversión de NOx: capaz de cumplir con requisitos de emisiones ultrabajas de NOx, como China 6/Euro 6.
Catalizadores basados en tierras raras: un desarrollo reciente destinado a reducir o reemplazar metales preciosos y vanadio, aunque aún no se comercializa ampliamente.
Principios básicos de reacción química
La tecnología SCR se basa principalmente en reacciones entre NH₃ y NOx. La reacción principal es la reacción SCR estándar:
1. Reacción SCR estándar (reacción dominante):
4NH₃ 4NO O₂ → 4N₂ 6H₂O
Esta es la reacción más común y trata aproximadamente más del 90% del NO en los gases de escape.
2. Reacción SCR rápida (reacción crítica a baja temperatura):
2NH₃ NO NO₂ → 2N₂ 3H₂O
¡Esta velocidad de reacción es aproximadamente 10 veces más rápida que la reacción estándar! Esto explica por qué el DOC ascendente oxida el NO para formar NO₂. Cuando la relación NO a NO₂ alcanza 1:1, la eficiencia del sistema SCR a bajas temperaturas aumenta drásticamente.
3. Reacción lenta del SCR:
4NH₃ 2NO₂ O₂ → 3N₂ 6H₂O
Esto ocurre cuando la proporción de NO₂ es demasiado alta y la velocidad de reacción es relativamente lenta.
Reacciones secundarias:|
Oxidación de NH₃: A temperaturas excesivamente altas, el NH₃ puede oxidarse con oxígeno para producir NOx o N₂O, lo que puede aumentar las emisiones.
Formación de N₂O: Es un potente gas de efecto invernadero que puede generarse en condiciones específicas mediante reacciones secundarias. Los catalizadores bien formulados tienen como objetivo suprimir esta reacción.
Integración y condiciones de operación en sistemas de postratamiento diésel
Un proceso típico del sistema de postratamiento diésel Euro VI/China VI es el siguiente:
Motor → DOC → DPF → SCR → ASC
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