चयनात्मक उत्प्रेरक कटौती

चयनात्मक उत्प्रेरक कटौती (एससीआर) नाइट्रोजन ऑक्साइड को परिवर्तित करने का साधन है, जिसे डायटोमिक नाइट्रोजन (N
₂), और पानी (H
₂O) रिडक्टेंट में उत्प्रेरक की सहायता से NO
_x के रूप में भी जाना जाता है, सामान्यतः निर्जल अमोनिया (NH
₃) जलीय अमोनिया (NH
₄OH), या यूरिया (CO(NH
₂)
₂) घोल जोड़ा जाता है। ग्रिप या निकास गैस की एक धारा के लिए और एक उत्प्रेरक पर प्रतिक्रिया की जाती है। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया पूर्ण होने की ओर बढ़ती है, यूरिया के उपयोग के स्थितियों में नाइट्रोजन (N
₂), और कार्बन डाइऑक्साइड (CO
₂), उत्पन्न होते है।

1957 में एंगेलहार्ड कॉर्पोरेशन द्वारा संयुक्त राज्य अमेरिका में कम करने वाले प्रतिनिधि के रूप में अमोनिया का उपयोग करके NO
_x की चयनात्मक उत्प्रेरक कटौती का पेटेंट कराया गया था। 1960 के दशक की शुरुआत में जापान और अमेरिका में एससीआर तकनीक का विकास कम खर्चीले और अधिक टिकाऊ उत्प्रेरक प्रतिनिधों पर ध्यान केंद्रित करने के साथ जारी रहा था। आईएचआई निगम द्वारा 1978 में पहला बड़े पैमाने का एससीआर स्थापित किया गया था।

वाणिज्यिक चयनात्मक उत्प्रेरक कटौती प्रणाली सामान्यतः बड़े उपयोगिता, बॉयलरों, औद्योगिक बॉयलरों और नगरपालिका ठोस अपशिष्ट बॉयलरों पर पाई जाती है और NO
_x को 70-95% तक कम करने के लिए दिखाया गया है। अधिक हाल के अनुप्रयोगों में डीजल इंजन सम्मलित है, जैसे कि बड़े जहाजों, डीजल लोकोमोटिव, गैस टर्बाइन और यहां तक कि ऑटोमोबाइल पर पाए जाते है।

एससीआर सिस्टम अब भारी ट्रकों के लिए टीयर 4 फाइनल और यूरो 6 डीजल उत्सर्जन मानकों को पूरा करने के लिए और कारों और हल्के वाणिज्यिक वाहनों के लिए भी पसंदीदा विधि है। परिणामस्वरूप, पूर्व-उत्सर्जन इंजनों की तुलना में NO
_x कणों और हाइड्रोकार्बन के उत्सर्जन में 95% तक की कमी आई है।

रसायन विज्ञान

जब गैसें उत्प्रेरक कक्ष से गुजरती है तो NO
_x अपचयन अभिक्रिया होती है। उत्प्रेरक कक्ष में प्रवेश करने से पहले अमोनिया, या अन्य रिडक्टेंट (जैसे यूरिया) को इंजेक्ट किया जाता है और गैसों के साथ मिलाया जाता है। एक चयनात्मक उत्प्रेरक कमी प्रक्रिया के लिए या तो निर्जल या जलीय अमोनिया का उपयोग करके स्टोइकोमेट्रिक प्रतिक्रिया के लिए रासायनिक समीकरण है:

${\ce {2 NO + 2 NH3 + 1/2 O2 -> 2 N2 + 3 H2O}}$

${\ce {NO2 + 2 NH3 + 1/2 O2 -> 3/2 N2 + 3 H2O}}$

${\ce {NO + NO2 + 2 NH3 -> 2 N2 + 3 H2O}}$

कई माध्यमिक प्रतिक्रियाओं के साथ:

${\ce {1/8 S8 + O2 -> SO2}}$

${\ce {SO2 + 1/2 O2 -> SO3}}$

${\ce {SO3 + H2O -> H2SO4}}$

${\ce {2 NH3 + H2SO4 -> (NH4)2SO4}}$

${\ce {NH3 + H2SO4 -> NH4HSO4}}$

यूरिया के साथ, प्रतिक्रियाएं है:

${\ce {3 NO + CO(NH2)2 -> 5/2 N2 + 2 H2O + CO2}}$

${\ce {3 NO2 + 2 CO(NH2)2 -> 7/2 N2 + 4 H2O + 2 CO2}}$

अमोनिया की तरह, सल्फर की उपस्थिति में भी कई माध्यमिक प्रतिक्रियाएं होती है:

${\ce {CO(NH2)2 + H2SO4 + H2O -> (NH4)2SO4 + CO2}}$

${\ce {CO(NH2)2 + 2 H2SO4 + H2O -> 2 NH4HSO4 + CO2}}$

आदर्श प्रतिक्रिया में 630 और 720 केल्विन (357 और 447 डिग्री सेल्सियस) के बीच एक इष्टतम तापमान सीमा होती है, लेकिन लंबे निवास समय के साथ 500 के (227 डिग्री सेल्सियस) के रूप में कम काम कर सकती है। न्यूनतम प्रभावी तापमान विभिन्न ईंधन, गैस घटकों और उत्प्रेरक ज्यामिति पर निर्भर करता है। अन्य संभावित रिडक्टेंट्स में सायन्यूरिक एसिड और अमोनियम सल्फेट सम्मलित है।

उत्प्रेरक

एससीआर उत्प्रेरक टाइटेनियम ऑक्साइड जैसे समर्थन के रूप में उपयोग की जाने वाली विभिन्न झरझरा सिरेमिक सामग्री से बने होते है और सक्रिय उत्प्रेरक घटक सामान्यतः बेस मेटल्स (जैसे वैनेडियम, मोलिब्डेनम और टंगस्टन), जिओलाइट्स या विभिन्न कीमती धातुओं के ऑक्साइड होते है। सक्रिय कार्बन पर आधारित एक अन्य उत्प्रेरक भी विकसित किया गया था जो कम तापमान पर NOx को हटाने के लिए उपयुक्त है। प्रत्येक उत्प्रेरक घटक के फायदे और नुकसान है।

वैनेडियम और टंगस्टन जैसे बेस मेटल उत्प्रेरक, उच्च तापीय स्थायित्व की कमी रखते है, लेकिन कम खर्चीले होते है और औद्योगिक और उपयोगिता बॉयलर (बिजली उत्पादन) अनुप्रयोगों में सामान्यतः लागू होने वाली तापमान सीमाओं पर बहुत अच्छी तरह से काम करते है। मोटर वाहन एससीआर अनुप्रयोगों के लिए थर्मल स्थायित्व विशेष रूप से महत्वपूर्ण है जो मजबूर पुनर्जनन के साथ डीजल पार्टिकुलेट फिल्टर के उपयोग को सम्मलित करता है। उनके पास SO
₂ को SO
₃ में ऑक्सीकरण करने की एक उच्च उत्प्रेरक क्षमता भी है, जो इसके अम्लीय गुणों के कारण अत्यंत हानिकारक हो सकती है।

जिओलाइट उत्प्रेरक में बेस मेटल उत्प्रेरक की तुलना में अधिक तापमान पर काम करने की क्षमता होती है; वे 900 K (627 °C) के तापमान पर लंबे समय तक संचालन और 1120 K (847 °C) तक की क्षणिक स्थितियों का सामना कर सकते है। जिओलाइट्स में SO
₂ ऑक्सीकरण की क्षमता भी कम होती है और इस प्रकार संबंधित संक्षारण जोखिमों को कम करता है।

आयरन- और कॉपर-एक्सचेंज जिओलाइट यूरिया एससीआर को वैनेडियम-यूरिया एससीआरs के लगभग समान प्रदर्शन के साथ विकसित किया गया है यदि NO
₂ का अंश कुल NO
_x का 20% से 50% है। आज उपयोग किए जाने वाले दो सबसे आम उत्प्रेरक ज्यामितीय मधुकोश उत्प्रेरक और प्लेट उत्प्रेरक है। मधुकोश के रूप में सामान्यतः एक एक्सट्रूडेड सिरेमिक होता है जो पूरे वाहक में सजातीय रूप से लगाया जाता है या सब्सट्रेट पर लेपित होता है। विभिन्न प्रकार के उत्प्रेरकों की तरह, उनके विन्यास के भी फायदे और नुकसान है। प्लेट-प्रकार के उत्प्रेरकों में कम दबाव की बूंदें होती है और छत्ते के प्रकारों की तुलना में प्लगिंग और फाउलिंग के लिए कम संवेदनशील होते है, लेकिन बहुत बड़े और अधिक महंगे होते है। हनीकॉम्ब कॉन्फ़िगरेशन प्लेट प्रकारों से छोटे होते है, लेकिन उच्च दबाव की बूंदें होती है और अधिक आसानी से प्लग होती है। एक तीसरा प्रकार नालीदार है, जिसमें बिजली संयंत्र अनुप्रयोगों में लगभग 10% बाजार सम्मलित है।

रिडक्टेंट्स

कई नाइट्रोजन युक्त रिडक्टेंट्स वर्तमान में एससीआर अनुप्रयोगों में निर्जल अमोनिया, जलीय अमोनिया या भंग यूरिया सहित उपयोग किए जाते है। वे तीनों रिडक्टेंट बड़ी मात्रा में व्यापक रूप से उपलब्ध है।

निर्जल अमोनिया को स्टील के टैंकों में लगभग 10 बार तरल के रूप में संग्रहित किया जा सकता है। इसे इनहेलेशन खतरे के रूप में वर्गीकृत किया गया है, लेकिन यदि अच्छी तरह से विकसित कोड और मानकों का पालन किया जाए तो इसे सुरक्षित रूप से संग्रहीत और संभाला जा सकता है। इसका यह लाभ है कि इसे एससीआर के भीतर संचालित करने के लिए और रूपांतरण की आवश्यकता नहीं होती है और सामान्यतः बड़े औद्योगिक एससीआर ऑपरेटरों द्वारा इसका समर्थन किया जाता है। जलीय अमोनिया का उपयोग करने के लिए पहले वाष्पीकृत होना चाहिए, लेकिन यह निर्जल अमोनिया की तुलना में भंडारण और परिवहन के लिए अधिक सुरक्षित है। यूरिया स्टोर करने के लिए सबसे सुरक्षित है, लेकिन थर्मल अपघटन के माध्यम से अमोनिया में रूपांतरण की आवश्यकता होती है। प्रक्रिया के अंत में, शुद्ध निकास गैसों को बॉयलर या कंडेनसर या अन्य उपकरण में भेजा जाता है, या वातावरण में छोड़ा जाता है।

सीमाएं

अनुपचारित गैस में संदूषकों की ज्ञात मात्रा के कारण अधिकांश उत्प्रेरकों को परिमित सेवा जीवन दिया जाता है। सबसे उल्लेखनीय जटिलता सल्फर और सल्फर यौगिकों से अमोनियम सल्फेट और अमोनियम बाइसल्फेट का निर्माण है, जब उच्च-सल्फर ईंधन का उपयोग किया जाता है, साथ ही SO
₂ से SO
₃ और H
₂SO
₄ के अवांछनीय उत्प्रेरक-प्रेरित ऑक्सीकरण निकास गैस बॉयलरों का उपयोग करने वाले अनुप्रयोगों में, अमोनियम सल्फेट और अमोनियम बाइसल्फेट बॉयलर ट्यूबों पर जमा हो सकते है, भाप उत्पादन को कम कर सकते है और निकास बैक-प्रेशर बढ़ा सकते है। समुद्री अनुप्रयोगों में, यह ताजे पानी की आवश्यकताओं को बढ़ा सकता है क्योंकि जमा को हटाने के लिए बॉयलर को लगातार धोना चाहिए।

बाजार में उपलब्ध अधिकांश उत्प्रेरकों में झरझरा संरचनाएं होती है और ज्यामिति उनके विशिष्ट सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए अनुकूलित होती है (एक मिट्टी का रोपण बर्तन एससीआर उत्प्रेरक की तरह महसूस करने का एक अच्छा उदाहरण है)। यह सरंध्रता उत्प्रेरक को एनओएक्स की कमी के लिए आवश्यक उच्च सतह क्षेत्र प्रदान करती है। चूंकि, कालिख, अमोनियम सल्फेट, अमोनियम बाइसल्फेट, सिलिका यौगिक और अन्य महीन कण आसानी से छिद्रों को बंद कर सकते है। अल्ट्रासोनिक हॉर्न और सूट ब्लोअर यूनिट के ऑनलाइन होने के दौरान इनमें से अधिकांश दूषित पदार्थों को हटा सकते है। यूनिट को पानी से धोकर या निकास तापमान बढ़ाकर भी साफ किया जा सकता है।

एससीआर प्रदर्शन के लिए अधिक चिंता का विषय जहर है, जो रासायनिक रूप से उत्प्रेरक को खुद को नीचा दिखाएगा या उत्प्रेरक की सक्रिय साइटों को ब्लॉक कर देगा और NO
_x की कमी पर इसे अप्रभावी बना देगा, और गंभीर स्थितियों में इसके परिणामस्वरूप अमोनिया या यूरिया का ऑक्सीकरण हो सकता है और NO
_x में बाद में वृद्धि हो सकती है। उत्सर्जन जहर है क्षार धातु, क्षारीय पृथ्वी धातु, हलोजन, फास्फोरस, सल्फर, आर्सेनिक, सुरमा, क्रोमियम, भारी धातु (तांबा, कैडमियम, पारा, थालियम और सीसा), और कई भारी धातु यौगिक (जैसे ऑक्साइड और हैलाइड)।

अधिकांश एससीआर को ठीक से काम करने के लिए ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। ट्यूनिंग के हिस्से में उत्प्रेरक के माध्यम से गैस धारा और समान गैस वेग में अमोनिया का उचित वितरण सुनिश्चित करना सम्मलित है। ट्यूनिंग के बिना, एससीआर उत्प्रेरक सतह क्षेत्र का प्रभावी ढंग से उपयोग नहीं करने के कारण अत्यधिक अमोनिया स्लिप के साथ अकुशल एनओएक्स कमी प्रदर्शित कर सकते है। ट्यूनिंग के दूसरे पहलू में सभी प्रक्रिया स्थितियों के लिए उचित अमोनिया प्रवाह का निर्धारण करना सम्मलित है। अमोनिया का प्रवाह सामान्य रूप से गैस स्ट्रीम से लिए गए NOx मापों या किसी इंजन निर्माता (गैस टर्बाइनों और पारस्परिक इंजनों के स्थितियों में) से पहले से उपस्तिथ प्रदर्शन घटता के आधार पर नियंत्रित होता है। सामान्यतः, एससीआर सिस्टम को ठीक से डिजाइन और ट्यून करने के लिए भविष्य की सभी परिचालन स्थितियों को पहले से ही जाना चाहिए।

अमोनिया स्लिप, एससीआर से बिना प्रतिक्रिया के गुजरने वाले अमोनिया के लिए एक उद्योग शब्द है। यह तब होता है जब अमोनिया को अधिक मात्रा में इंजेक्ट किया जाता है, अमोनिया की प्रतिक्रिया के लिए तापमान बहुत कम होता है, या उत्प्रेरक को जहर दिया गया है। एससीआर और एक क्षारीय स्क्रबर दोनों का उपयोग करने वाले अनुप्रयोगों में, उच्च-सल्फर ईंधन का उपयोग भी अमोनिया स्लिप में अधिक वृद्धि करता है, क्योंकि NaOH और Ca(OH)₂ जैसे यौगिक अमोनियम सल्फेट और अमोनियम बाइसल्फेट को अमोनिया में वापस कम कर देंगे:

${\ce {2 OH- + NH4HSO4 -> NH3 + SO4^2- + 2 H2O}}$

${\ce {2 OH- + (NH4)2SO4 -> 2 NH3 + SO4^2- + 2 H2O}}$

तापमान एससीआर की सबसे बड़ी सीमा है। सभी इंजनों में स्टार्ट-अप के दौरान एक अवधि होती है जहां निकास तापमान बहुत कम होता है, और उत्प्रेरक को वांछित एनओएक्स में कमी के लिए पहले से गरम किया जाना चाहिए, जब इंजन पहली बार प्रारंभ होता है, खासकर ठंडी जलवायु में होता है।

बिजली संयंत्र

बिजली संयंत्रों में, बिजली उत्पादन और उद्योग में उपयोग किए जाने वाले बॉयलरों की फ्लू गैस से NO
_x को हटाने के लिए एक ही बुनियादी तकनीक का उपयोग किया जाता है। सामान्यतः, एससीआर इकाई भट्टी अर्थशास्त्री और एयर हीटर के बीच स्थित होती है, और अमोनिया को अमोनिया इंजेक्शन ग्रिड के माध्यम से उत्प्रेरक कक्ष में इंजेक्ट किया जाता है। अन्य एससीआर अनुप्रयोगों की तरह, ऑपरेशन का तापमान महत्वपूर्ण है। बिजली संयंत्रों में उपयोग की जाने वाली एससीआर तकनीक के साथ अमोनिया स्लिप (अप्रतिक्रियाशील अमोनिया) भी एक समस्या है।

कोयले से चलने वाले बॉयलरों में एक महत्वपूर्ण परिचालन कठिनाई ईंधन दहन से फ्लाई ऐश द्वारा उत्प्रेरक का बंधन है। फ्लाई ऐश द्वारा प्लगिंग से बचने के लिए इसके लिए सॉटब्लोअर, अल्ट्रासोनिक हॉर्न और डक्टवर्क और उत्प्रेरक सामग्री के सावधानीपूर्वक डिजाइन के उपयोग की आवश्यकता होती है। एससीआर उत्प्रेरकों का कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों में लगभग 16,000 - 40,000 घंटे (1.8 - 4.5 वर्ष) का विशिष्ट परिचालन जीवनकाल होता है, जो ग्रिप गैस संरचना पर निर्भर करता है, और स्वच्छ गैस से चलने वाले बिजली संयंत्रों में 80,000 घंटे (9 वर्ष) तक होता है।

उत्प्रेरक के जीवन को बढ़ाने के लिए एससीआर प्रणाली से पहले स्क्रबर्स स्थापित करके ज़हर, सल्फर यौगिकों और फ्लाई ऐश को हटाया जा सकता है, चूंकि अधिकांश बिजली संयंत्रों और समुद्री इंजनों में एससीआर सिस्टम की प्रभावशीलता को अधिकतम करने के लिए सिस्टम के बाद स्क्रबर्स स्थापित किए जाते है।

ऑटोमोबाइल

इतिहास

एससीआर को निसान डीजल कॉर्पोरेशन द्वारा ट्रकों पर लागू किया गया था, और पहला व्यावहारिक उत्पाद "निसान डीजल क्वान" 2004 में जापान में प्रस्तुत किया गया था।

22007 में, संयुक्त राज्य पर्यावरण संरक्षण एजेंसी (ईपीए) ने हानिकारक निकास उत्सर्जन को महत्वपूर्ण रूप से कम करने के लिए आवश्यकताओं को अधिनियमित किया। इस मानक को प्राप्त करने के लिए, कमिंस और अन्य डीजल इंजन निर्माताओं ने एक आफ्टरट्रीटमेंट प्रणाली विकसित की जिसमें डीजल पार्टिकुलेट फिल्टर (डीपीएफ) का उपयोग सम्मलित है। चूंकि डीपीएफ कम-सल्फर डीजल ईंधन के साथ काम नहीं करता है, डीजल इंजन जो 2007 ईपीए उत्सर्जन मानकों के अनुरूप है, उन्हें डीपीएफ को नुकसान से बचाने के लिए अल्ट्रा-लो सल्फर डीजल ईंधन (यूएलएसडी) की आवश्यकता होती है। एक संक्षिप्त संक्रमण अवधि के बाद, संयुक्त राज्य अमेरिका और कनाडा में ईंधन पंपों पर यूएलएसडी ईंधन आम हो गया। 2007 के ईपीए नियमों का मतलब एक अंतरिम समाधान होना था, जिससे निर्माताओं को 2010 के अधिक कड़े ईपीए नियमों के लिए तैयार होने का समय मिल सके, जिससे NOx का स्तर और भी कम हो गया।

2010 ईपीए नियम

हिनो मोटर्स और इसकी मानकीकृत एससीआर यूनिट जो एससीआर को डीजल पार्टिकुलेट एक्टिव रिडक्शन (डीपीआर) के साथ जोड़ती है। डीपीआर पुनर्जनन प्रक्रिया के साथ एक डीजल कण निस्पंदन सिस्टम है जो कालिख को जलाने के लिए निकास तापमान को नियंत्रित करने के लिए देर से ईंधन इंजेक्शन का उपयोग करता है।

1 जनवरी, 2010 के बाद निर्मित डीजल इंजनों को अमेरिकी बाजार के लिए निम्न NOx मानकों को पूरा करना आवश्यक है।

नेविस्टार इंटरनेशनल और कैटरपिलर को छोड़कर सभी हेवी-ड्यूटी इंजन (श्रेणी 7-8 ट्रक) निर्माताओं ने इस तिथि के बाद इंजन का निर्माण जारी रखा है और एससीआर का उपयोग करना चुना है। इसमें डेट्रायट डीजल (डीडी13, डीडी15, और डीडी16 मॉडल), कमिंस (आईएसएक्स, आइएसएल9, और आईएसबी6.7), पैकर, और वोल्वो/मैक सम्मलित है। इन इंजनों की प्रक्रिया को सक्षम करने के लिए डीजल निकास द्रव (डीईएफ, एक यूरिया समाधान) के आवधिक जोड़ की आवश्यकता होती है। डीईएफ अधिकांश ट्रक स्टॉप से ​​बोतलों और जग में उपलब्ध है, और एक अन्य हालिया विकास डीजल ईंधन पंपों के पास बल्क डीईएफ डिस्पेंसर है। कैटरपिलर और नेविस्टार ने प्रारंभ में पर्यावरण संरक्षण एजेंसी (ईपीए) मानकों का पालन करने के लिए उन्नत निकास गैस पुनरावर्तन (ईईजीआर) का उपयोग करा, लेकिन जुलाई 2012 में नेविस्टार ने घोषणा की कि यह मैक्सएक्सफोर्स 15 को छोड़कर अब अपने इंजनों पर इसका उपयोग नहीं करा। बंद करने के लिए एससीआर तकनीक का उपयोग किया जाएगा क्योंकि कैटरपिलर अंततः इन आवश्यकताओं के कार्यान्वयन से पहले ऑन-हाइवे इंजन बाजार से हट गया है।

बीएमडब्ल्यू, डेमलर एजी (ब्लूटेक के रूप में), और वोक्सवैगन ने अपनी कुछ यात्री डीजल कारों में एससीआर तकनीक का उपयोग किया है।

यह भी देखें

• अम्ल वर्षा
• उत्प्रेरक परिवर्तक, जो NO को भी उत्प्रेरित करता है_x रूपांतरण लेकिन यूरिया या अमोनिया का उपयोग नहीं करता
• डीजल निकास द्रव (DEF) या AdBlue
• निकास गैस पुनरावर्तन बनाम चयनात्मक उत्प्रेरक कमी
• पर्यावरणीय इंजीनियरिंग
• चयनात्मक गैर-उत्प्रेरक कमी (एसएनसीआर)
• NOx adsorber (LNT)
• वाहन उत्सर्जन नियंत्रण