La riduzione selettiva catalitica indicata con l’acronimo SCR è un processo mirante ad abbattere gli ossidi di azoto dai gas di scarico emessi da industrie e autoveicoli.
La tecnologia SCR trovò applicazione per la prima volta nelle centrali termiche in Giappone alla fine degli anni ’70, e si diffuse in Europa dalla metà degli anni ’80. Negli USA, negli anni ’90 si introdussero sistemi SCR per le turbine a gas, con un numero crescente di installazioni per il controllo degli NOx da centrali a carbone.
Nel processo di riduzione selettiva ai gas di scarico è aggiunto un riducente quale ammoniaca o urea in presenza di catalizzatore
Il sistema è fondamentalmente costituito da un:
- reattore con catalizzatore
- serbatoio riducente per lo stoccaggio di NH3
- sistema di iniezione.
Prima di entrare nel reattore, il riducente è miscelato con i fumi.
Nel reattore catalitico, si verifica una reazione selettiva tra ammoniaca e gli ossidi di azoto quando passano attraverso il catalizzatore. I prodotti della reazione sono azoto gassoso e vapore acqueo. La temperatura ottimale per questa reazione redox varia da 290°C a 400°C.
Nel caso sia utilizzata l’urea, si ottengono, dalla sua decomposizione termica, dapprima ammoniaca e acido isocianico secondo la reazione:
NH2CONH2 → NH3 + HCNO
E successivamente, dall’idrolisi dell’acido isocianico, si formano ammoniaca e biossido di carbonio:
HCNO + H2O → NH3 + CO2
Reazioni
Nel corso della riduzione selettiva catalitica si verificano reazioni che riducono gli NOx ad azoto molecolare secondo una reazione di comproporzione come, ad esempio:
6 NO + 4 NH3 → 5 N2 + 6 H2O
Tuttavia la reazione dominante è:
4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O
Le reazioni che coinvolgono il biossido di azoto sono le seguenti:
6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O
2 NO2 + 4 NH3 + O2 → 3 N2 + 6 H2O
Può inoltre avvenire la reazione cineticamente favorita tra monossido di azoto, biossido di azoto e ammoniaca:
NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O
Reazioni indesiderate
Durante la riduzione catalitica si verificano reazioni competitive e non selettive nei confronti dell’ossigeno. Da esse derivano sottoprodotti ed inoltre si verifica il consumo dell’ammoniaca.
Esempi di queste reazioni sono l’ossidazione parziale dell’ammoniaca da cui si ottengono, rispettivamente, ossido nitroso o azoto elementare.
2 NH3 + 2 O2 → N2O + 3 H2O
4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O
L’ossidazione completa dell’ammoniaca, invece, porta alla formazione di monossido di azoto:
4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O
A temperature inferiori ovvero a 100-200 °C si può verificare la reazione tra ammoniaca e biossido di azoto con formazione del nitrato di ammonio che è esplosivo e nitrito di ammonio:
2 NH3 + 2 NO2 + H2O → NH4NO3 + NH4NO2
Il nitrato di ammonio può depositarsi in forma solida o liquida nei pori del catalizzatore, portando alla sua disattivazione temporanea.
Se il gas di scarico contiene zolfo come per i motori diesel l’anidride solforosa può ossidarsi a solforica con successiva formazione, per reazione con acqua, di acido solforico
Inoltre l’ammoniaca può reagire con l’anidride solforosa per dare in due diverse reazioni solfato di ammonio e solfato acido di ammonio che possono avvelenare il catalizzatore:
2 NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2 SO4
NH3 + SO3 + H2O → NH4H SO4
Catalizzatore
I catalizzatori utilizzati nel corso della riduzione catalitica selettiva sono:
Questi catalizzatori sono supportati da vari materiali ceramici porosi