Approfondimento 1: Catalizzatori per l`abbattimento degli NOx Il gas

Approfondimento 1:
Catalizzatori per l’abbattimento degli NOx
Il gas fuoriuscente da un motore Diesel viene convogliato nel primo stadio del convertitore
catalitico, dove si ha l’ossidazione del monossido di carbonio (CO) e degli idrocarburi
incombusti. I gas entrano quindi in un dispositivo di ceramica a “nido d’ape” che filtra e
adsorbe il particolato carbonioso. Quando i filtri tendono ad intasarsi il sistema elettronico di
controllo immette per breve tempo più gasolio nella camera di combustione che passando in
parte nel convertitore catalitico ossidante e il calore sviluppato fa bruciare anche i residui sui
filtri di particolato che agisce quindi da “forno autopulente”.
Riguardo agli NOx è stato sperimentato il riciclo di parte dei gas di scarico che vengono
mescolati con aria fredda esterna nel tubo compressore diminuendo l’eccesso di ossigeno e
rendendo la miscela più “magra” che raggiunge quindi una temperatura finale minore e minor
formazione di NOx.
Nei motori degli aerei e jet addirittura si ricorre a due iniezioni successive di aria in due
sezioni successive della camera di combustione. Nella prima si mescola il cherosene con un
difetto stechiometrico di aria e nella seconda si aggiunge altra aria per completare la
combustione scavalcando così l’intervallo di rapporti aria/combustibile in cui si avrebbe la
massima formazione di NOx.
Un metodo completamente diverso è quello di mescolare i gas fuoriuscenti dal convertitore
catalitico con urea (tecnologia Toyota): si forma ammoniaca, NH3, che a sua volta riduce gli
NOx ad N2 elementare. Vi è l’inconveniente del periodico rifornimento anche dell’urea. Infine
un sistema più elegante prevede l’utilizzo di un catalizzatore solido a doppio strato: il primo
contiene zeoliti acide microporose, ad ampia superficie di contatto, che converte gli NOx
direttamente in N2. Lo strato inferiore contiene ossido di cerio e platino che trasforma la
miscela vapor d’acqua – monossido di carbonio dei fumi in idrogeno e CO2. L’idrogeno
riduce gli NOx ad NH3 che viene fissata nello strato superiore e riduce a sua volta gli NOx a
N2. Si noti che la produzione di gasolio per i motori Diesel puliti è sviluppato da molto più
tempo in Europa che non nel Nord America, che è in notevole ritardo per la produzione di
auto rispetto al traffico pesante (TIR, autotreni, locomotive).
Approfondimento 2:
I filtri per i motori diesel
L’uso di miscele “magre” spinge però ad una maggior produzione di nero fumo, perciò per le
auto diesel Euro5 è stato reso obbligatoria l’uso del filtro, che era solo opzionale per auto
diesel Euro4, ma il costo elevato (400 ÷ 1200 Euro) ne ha scoraggiato spesso l’applicazione.
E’ richiesto comunque l’uso di combustibili del tutto privi di zolfo che avvelenerebbe il filtro.
I prodotti denominati retrofit sono classificati come filtri aperti, perché trattengono le polveri
nella marcia urbana e poi le bruciano quando l’auto viaggia a velocità prossime a quelle
autostradali e le temperature dei gas di scarico salgono. Però, quando questo non avviene, i
depositi vengono espulsi per evitare l’intasamento. Per questa ragione riescono a trattenere
solo il 40 – 50% delle polveri sottili prodotte dalla combustione del gasolio (la normativa
impone non meno del 30%). I filtri ufficiali montati in origine (DPF o FAP) sono invece
definiti chiusi perché imprigionano tutte le polveri e le bruciano periodicamente,
indipendentemente dall’uso che si fa dell’auto, modificando la temperatura dei gas di scrico
attraverso il controllo dell’iniezione del motore. In questo modo viene abbattuto oltre il 95%
delle emissioni.
Fig 1. Il motore diesel. L’aria viene aspirata nel cilindro mentre il pistone si ritrae da A a B e viene poi
compressa nella fase da B a C. A questo punto viene immesso il combustibile e l’accensione della miscela calda
continua mentre il pistone si ritrae fino a D. In D il processo diviene adiabatico (tutto il combustibile è stato
consumato) e la fase di produzione di potenza porta il motore nello stato E. Poi la valvola di scarico si apre,
agendo da sorgente fredda per i gas di scarico ad alta temperatura, che si portano così ai valori atmosferici di
pressione e temperatura. I gas sono espulsi dal cilindro nella fase che va da F ad A.
Fig. 2: Turbocompressore da pag. 105 di Le scienze giugno 2007
Fig.3 Camera per motori d’aereo a jet a due iniezioni
Fig.4 Marmitta catalitica e filtro per Diesel da pag 23 di Green Chemistry maggio 2007
Componenti
gassose/
Condizionia
NOx
Motore diesel
350-1000 ppm
Motore a
benzina (4tempi)
100-4000 ppm
HC
50-330 ppmC
500-5000 ppmC ≈ 1300 ppmC
CO
300-1200 ppm
0.1-6%
≈ 1300 ppm
1-3%
O2
10-15%
0.2-2%
4-12%
0.2-2%
H2O
1.4-7%
10-12%
12%
10-12%
CO2
7%
10-13.5%
11%
10-13%
SOxb
10-100 ppm
15-60 ppm
20 ppm
≈ 20 ppm
PM
65 mg/m3
1100°Cc
850°C
1000°C
30000-100000
30000-100000
30000-100000
≈ 1 (14.7)
≈ 1.16 (17)
≈ 1 (14.7)f
Temperatura di 650°C
utilizzo
Velocità spaziale 30000-100000
dei gas (GHSV
h-1)d
λ (A/F)e
≈ 1.8 (26)
Motore a benzina Motore 2-tempi
(4-tempicombustione magra)
100-200 ppm
≈ 1200 ppm
20000-30000 ppmC
Fig. Caratteristiche tipiche dei gas di scarico in funzione del tipo di motore. ppm: parti per milioni; ppmC: parti
per milioni di carbonio; NOx: ossidi di azoto; HC: idrocarburi non combusti o parzialmente combusti; CO: monossido
di carbonio; SOx: ossidi di zolfo; PM: particolato – polveri fini con diametro < 10μm.
fattori critici
fattori favorevoli. a Tutto il resto è azoto; b Dipende dalla quantità di carburante, utilizzando
carburante a basso contenuto di SOx si ottengono valori più bassi. c Catalizzatore di tipo CCC. d Velocità spaziale dei
gas di scarico- Gas Hourly Space Velocità: volume dei gas (L) che passa su un volume unitario del catalizzatore (L) in
un’ora. e λ è definita come rapporto Aria/Combustibile (A/F) diviso il rapporto A/F necessario per la combustione
stechiometrica (perfetta). Al punto stechiometrico λ = 1 corrisponde ad A/F = 14. f Parte del combustibile viene
utilizzata per espellere i gas esausti dal cilindro e ciò non permette di definire A/F.
Tabella da pag 16 Green Chemistry maggio 2007