ES2248492T3 - Metodo para reducir las emisiones de nox de una caldera de vapor. - Google Patents

Metodo para reducir las emisiones de nox de una caldera de vapor.

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ES2248492T3 ES02252626T ES02252626T ES2248492T3 ES 2248492 T3 ES2248492 T3 ES 2248492T3 ES 02252626 T ES02252626 T ES 02252626T ES 02252626 T ES02252626 T ES 02252626T ES 2248492 T3 ES2248492 T3 ES 2248492T3
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Abstract

Un método para reducir las emisiones de NOX en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua, provista de agua de aportación y de la que se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, caracterizado porque el método comprende combinar al menos una porción de dicho vapor de agua de purga con dicho combustible fluido.

Description

Método para reducir las emisiones de NO_{x} de una caldera de vapor.
Esta invención se refiere a métodos mejorados para reducir las emisiones de NO_{x} producidas por una caldera de vapor de agua alimentada con un combustible líquido y combustión en quemadores de aire.
La unidad compacta y otras calderas de vapor de agua que son alimentadas con combustible líquido y combustión en quemadores de aire se utilizan normalmente en las instalaciones químicas y de otros procesos. Tales calderas incluyen un depósito para vapor de agua que se alimenta con agua de aporte y del mismo se retira el vapor producido. Para mantener en contenido de sólidos disueltos totales a un nivel adecuado en el agua de la caldera y evitar la formación de incrustaciones, se retira vapor de agua de purga del depósito de vapor de agua. El flujo del vapor de agua de purga depende de la calidad del agua de aportación y normalmente, las cantidades están en el intervalo de 1,5 a aproximadamente 5% de la cantidad total del vapor producido por la caldera. El vapor de agua de purga se libera a la atmósfera o se usa para precalentar al agua de aportación y a continuación se libra a la atmósfera.
Para reducir las emisiones de NO_{X} producidas por las calderas de vapor de agua, una porción del vapor de proceso producido con anterioridad se combina con el aire de combustión utilizado por el quemador de la caldera de vapor de agua de agua. Este uso del vapor de proceso reduce la eficacia de la caldera o requiere agua de aportación adicional lo que incrementa el coste de operación de la caldera.
De este modo, existe una necesidad de métodos más eficaces para reducir las emisiones de NO_{x} producidas por las calderas de vapor de agua.
El documento de patente de los EE.UU. de número US 5.582.137 describe un método para reducir los niveles de NO_{x} en las emisiones de chimenea en el que los gases de combustión se inyectan en el aire primario y secundario del quemador de la caldera junto con la inyección del gas de combustión directamente en el proceso de combustión; y el vapor de agua generado en la caldera se inyecta al quemador de la caldera para ayudar a reducir las emisiones de NO_{x}.
La presente invención proporciona métodos para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos en una caldera de vapor de agua de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemadores de aire que se ajusta a las necesidades descritas anteriormente y supera las deficiencias de la técnica anterior. Los métodos de la presente invención comprenden básicamente combinar al menos una porción del vapor de agua de purga de agua que de otra forma se desperdiciaría con el combustible fluido utilizado por la caldera. Además, la purga de vapor de agua de agua se puede combinar con el aire de combustión e inyectarse dentro del horno de la caldera para reducir los NO_{X} y estabilizar la llama en el horno.
Un método mejorado de la presente invención para reducir las emisiones de NO_{X} producidas por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemadores de aire incluye las etapas de combinar una porción de los gases de combustión producidos por la caldera con el aire de combustión y combinar una porción del vapor de agua de purga procedente de la caldera con el combustible fluido.
Otro método mejorado de reducción de las emisiones de NO_{X} producidas por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemadores de aire incluye las etapas de combinar una porción de los gases de combustión producidos por la caldera y una porción del vapor de agua de purga procedente de la caldera con el aire de combustión y combinar otro porcentaje de las gases de combustión y otro porcentaje del vapor de agua de purga con el combustible fluido.
Otro método mejorado de la presente invención para reducir de las emisiones de NO_{X} producidas por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemadores de aire incluye las etapas de retirar una porción secundaria del vapor de agua de purga y una porción principal del agua de purga que contiene un elevado nivel de sólidos disueltos de la caldera, purificando el agua de purga y recirculándola como una parte de agua de aportación a la caldera, combinar una porción de los gases de combustión producidos por la caldera con el aire de combustión y combinar al menos una porción del vapor de agua de purga procedente de la caldera con el combustible líquido.
Así, es un objetivo principal de la presente invención proporcionar métodos mejorados de reducción de emisiones de NO_{X} producidas por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire.
Otros objetivos, características y ventajas adicionales de la presente invención se podrán fácilmente de manifiesto por aquellos habituados con la técnica en una lectura de la descripción de las realizaciones preferentes que se indican a continuación cuando se tomen en conjunto con las figuras que se acompañan.
A continuación se describirá la invención por medio del ejemplo no limitante con relación a las figuras que se acompañan, en las que:
La Figura 1 es una ilustración esquemática de una caldera de vapor de agua de unidad compacta que incluye la inyección del vapor de agua de purga y de los gases de combustión según la presente invención.
La Figura 2 es una ilustración esquemática de la caldera de vapor de agua de la Fig.1 que además incluye un separador de vapor de agua de purga y agua, una bomba de agua y un purificador de agua.
Como se menciona anteriormente, las calderas de vapor alimentadas por un combustible fluido y combustión en quemadores de aire incluyen depósitos de vapor de agua de los que se retiran el vapor de agua producido y el vapor de agua de purga. La extracción del vapor de agua de purga del depósito de vapor de agua se requiere para mantener un contenido de sólidos disueltos apropiado en el agua de la caldera de modo que no tenga lugar la formación indeseada de incrustaciones. El vapor de agua de purga bien se ventea a la atmósfera o bien se usa para precalentar el agua de aportación de la caldera con el vapor de agua restante que va a ser venteado a la atmósfera. Normalmente, el vapor de agua de purga residual comprende substancialmente desde aproximadamente 1,5 a aproximadamente 5% del total del vapor de agua producido en la caldera de vapor de agua.
Según la presente invención, el vapor de agua de purga residual citado con anterioridad se utiliza al menos parcialmente para reducir las emisiones de NO_{X} producidas por la caldera. Es decir, el vapor de agua de purga se combina con el combustible fluido de la caldera y/o el aire de combustión y/o se inyecta dentro de la llama producida por el quemador y/o se inyecta dentro del espacio del horno. Además, como es conocido en la técnica, una porción de los gases de combustión generados por la caldera se pueden reciclar e inyectar al aire de combustión y/o al gas combustible. Las cantidades particulares del vapor de agua de purga y de los gases de combustión reciclados además de los puntos particulares en el sistema de la caldera en donde el vapor de agua de purga y los gases de combustión se inyectan se determinan mediante procedimientos de ensayo y error para obtener las emisiones de NO_{X} lo más bajas posibles en los gases de combustión.
En referencia ahora a la Fig. 1, se ilustra un sistema de una caldera de vapor de agua para llevar a cabo los métodos de la presente invención y se designa de forma general por el número 10. El sistema de caldera 10 incluye una caldera de vapor de agua 11 que incluye un combustible fluido y combustión con quemador de aire 12 y un horno cerrado 14 en el que el combustible fluido y el aire de combustión entran en combustión. Dentro del horno se dispone un haz de tubos 14 (no mostrado) al que se bombea agua. A medida que el agua fluye a través del haz de tubos, ésta se calienta por los productos de la combustión en el horno y se convierte en vapor de agua tal como es perfectamente conocido y comprendido por los habituados con la técnica. Se dispone un depósito para vapor de agua 16 como una parte de la caldera de vapor de agua de agua 11. Se lleva agua de aportación a la caldera 11 por un conducto 18 que está conectado a un serpentín 20 colocado dentro de un intercambiador de calor o economizador 22 a través del cual fluyen los gases de combustión calientes generados dentro del horno 14 tal como se describirá de forma adicional más adelante. El agua de aportación se precalienta a medida que fluye a través del serpentín de intercambio de calor 20 en el economizador 22 y se lleva desde el economizador 22 a una conexión de entrada de agua 23 del depósito para vapor de agua 16 por medio de un conducto 24. En el depósito de vapor de agua 16 se mantiene un nivel de agua 26 y el agua del calderín de vapor de agua 16 fluye por medio de un conducto 28 a una bomba 30. La bomba 30 impulsa el agua al haz de tubos (no mostrado) dentro del horno 14 por medio de un conducto 32 conectado entre la bomba 30 y el haz de tubos. Mientras el agua fluye a través del haz de tubos, el agua se convierte a vapor de agua y el vapor de agua producido en el haz de tubos se lleva a una lanza de vapor de agua 34 situada dentro del depósito de vapor de agua 16 por un conducto 36. El vapor de agua producido se descarga desde la lanza 36 situada dentro del depósito de vapor de agua por encima del nivel del agua 26 y se retira del mismo por un conducto 38 conectado al depósito de vapor de agua 16. El conducto 38 lleva al vapor de agua producido a uno o más localizaciones en las que se utilice el vapor de agua.
Al horno 11 se conectan un combustible fluido y un quemador de combustión con aire 12. Como será bien comprendido por aquellos habituados con la técnica, el combustible fluido y la combustión en un quemador de aire produce productos de combustión calientes que circulan a través y alrededor del haz de tubos ubicado dentro del horno 14 para de ese modo generar vapor de agua. Los productos calientes de la combustión se retiran del horno 14 como gases de combustión por medio de una conducción de salida de gases de combustión 40 conectada al economizador 22.
El término "combustible fluido" se usa en la presente invención para indicar un combustible gaseoso o un combustible líquido que es atomizado dentro del quemador 12. El combustible gaseoso puede estar comprendido por uno o una mezcla de hidrocarburos ligeros tales como metano, etano o gas natural. El combustible líquido es generalmente fuel oil estándar que comprende una mezcla de hidrocarburos líquidos.
El quemador 12 puede tomar una variedad de formas bien conocidas por aquellos habituados con la técnica. Generalmente el quemador 12, incluye una cámara de aire de combustión 42 y un inyector principal de combustible fluido ensamblado 44. El combustible fluido y el aire de combustión se descargan por el inyector primario 44 dentro de un zona de combustión primaria (no mostrada) en el horno 14. A menudo también se utilizan uno o más inyectores secundarios que introducen sólo combustible fluido o combustible fluido y aire de combustión dentro de una o más zonas de combustión secundarias (no mostradas). Independientemente de la forma que tome el quemador 12, el combustible fluido y el aire de combustión se queman dentro del hormo 14 formado de ese modo los productos de combustión calientes que fluyen a través y alrededor del haz de tubos de dentro del horno 14.
El combustible fluido procedente de su fuente (no mostrada) se lleva al inyector ensamblado 44 y a los otros inyectores (si los hay) del quemador 12 por un conducto 58. El aire de combustión se introduce a la cámara de aire de combustión 42 del quemador 12 por una soplante del aire de combustión 45. La salida de la soplante del aire de combustión 45 está conectada a la cámara de aire de combustión 42 por un conducto 47 y la entrada del aire de combustión está conectada a la soplante del aire de combustión 45 mediante un conducto 43.
Los productos de combustión procedentes del quemador 12 contienen varios componentes que incluyen óxidos de nitrógeno que se refieren en la presente invención como "NO_{X}". Con anterioridad se han desarrollado un número de técnicas para reducir la cantidad de emisiones de NO_{X} en los gases de combustión formados por la combustión del combustible fluido y el aire de combustión. Dichas técnicas incluyen combinar los gases de combustión recirculados con el combustible fluido del quemador, el aire de combustión o ambos. Además las técnicas incluyen combinar el vapor de agua producido con el combustible fluido y el aire de combustión así como introducir el vapor de agua producido dentro de la llama y de los gases de combustión en el horno para estabilizar la llama y reducir las emisiones de NO_{X}. Como ya se ha mencionado, la presente invención utiliza el vapor de agua de purga residual anterior procedentes de la caldera 11 para de ese modo evitar disminuir la capacidad de vapor de agua producido del sistema de la caldera y/o aumentar del coste de operación de la caldera.
En referencia otra vez a la Fig. 1, los gases de combustión generados dentro del horno 14 del sistema de caldera 10 fluyen a través del economizador 22 y salen del economizador por medio de un conducto 46 conectado al mismo. El conducto 46 está conectado a un conducto 48 que tiene una válvula de control 50 dispuesta en el mismo. El otro extremo del conducto 48 está conectado a una chimenea 52 y por el conducto 48 fluyen los gases de combustión hacia la chimenea 52 de donde se ventean a la atmósfera. Un segundo conducto 54, también conectado al conducto 46, lleva una porción de los gases de combustión generados en el horno 12 al conducto de entrada del aire de combustión 43 que está conectado a la soplante del aire de combustión 45. Un segundo conducto 56, conectado al conducto 54, lleva otro porcentaje de los gases de combustión al conducto de entrada del combustible fluido 58 que está conectado al quemador 12. Para controlar las cantidades de los gases de combustión que se mezclan con el combustible fluido y el aire de combustión que fluyen hacia quemador 12 se dispone de una válvula de control 60 en el conducto 54 y se dispone de una válvula de control 62 en el conducto 56. La válvula de control 50 en el conducto 48 divide el flujo de los gases de combustión del conducto 46 entre la chimenea 52 y el combustible fluido al quemador 12 y el aire a la soplante del aire de combustión 45.
El vapor de agua de purga se retira del depósito para vapor de agua 16 por un conducto 64 que lleva el vapor de agua de purga al distribuidor principal 66. Un conducto 68 que tiene una válvula de control 70 dispuesta en el mismo está conectado entre el distribuidor principal 66 y la chimenea 52. Un conducto 72 que tiene una válvula de control 74 dispuesta en el mismo está conectado entre el distribuidor principal 66 y el conducto de entrada de aire de combustión 43 que está conectado a la soplante de aire 45. Un conducto 76 que tiene una válvula de control 78 dispuesta en el mismo está conectado entre el distribuidor principal 66 y el conducto de entrada de combustibles 58 que está conectado al quemador 12. Un conducto 80 que tiene una válvula de control 82 dispuesta en el mismo está conectado al distribuidor principal 66 y al inyector ensamblado 44 dentro de la cámara de aire 42. Un conducto 84 que tiene una válvula de control 86 dispuesta en el mismo está conectado entre el distribuidor principal 66 y el horno 14. Como se deduce, las válvulas de control 74, 78, 82 y 86 distribuyen el vapor de agua de purga desde el distribuidor principal 66 al aire de combustión del quemador, al combustible fluido del quemador, a la llama producida por el inyector primario ensamblado 44 y al horno de la caldera 14. Si se desea controlar la relación de vapor de agua de purga a los gases de combustión recirculados previo a la introducción de las mezclas en el combustible fluido y en el aire, se pueden utilizar las válvulas 88 y 90 para este propósito. La válvula de control 70 en el conducto 68 divide el flujo del vapor de agua de purga del conducto 64 entre la chimenea 52 y el aire a la soplante 45, el combustible al quemador 12, la mezcla de aire y combustible en el inyector ensamblado 44 y los gases de combustión que circular en el horno 14.
Como se menciona anteriormente, la presencia de vapor de agua de purga en el aire de combustión y en el combustible fluido con o sin presencia de gases de combustión en ello y en horno 14 funciona para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión. Las cantidades de vapor de agua de purga incluidos en uno o en más del combustible fluido, el aire de combustión y del horno 14 con o sin gases de combustión en ello se determina a base de probar y cometer errores para maximizar la reducción de las emisiones de NO_{X}.
La sustitución del vapor de agua de purga por vapor producido para reducir las emisiones de NO_{X} según la presente invención mejora el eficacia térmica neta de la caldera en aproximadamente 20%.
En referencia ahora a la Fig. 2, se ilustra un sistema de la caldera de vapor de agua 13 que idéntico al sistema 10 mostrado en la Fig. 1 y que se describe como anteriormente y usa los mismos números de referencia que la Fig. 1. La única diferencia entre el sistema 10 y el sistema 13 mostrado en la Fig 2. es que se han añadido al sistema 13 un separador de agua y un vapor de agua de purga 92, un bomba de agua separada 94, un purificador de agua 96 y los conductos 98, 100, 102 y 104.
En el sistema 13, se retira una corriente de vapor de agua de purga que contiene una porción secundaria de vapor de agua de purga y una porción principal de agua que contiene un elevado nivel de sólidos disueltos del depósito para vapor de agua y se lleva por el conducto 64 al separador 92. La corriente de vapor de agua de purga del vapor de agua y del agua se retira del depósito del vapor de agua 16 en un punto en el que la corriente de vapor de agua de purga contiene desde aproximadamente 5% a aproximadamente 10% del vapor de agua de purga y desde aproximadamente 90% a aproximadamente 95% agua en volumen de dicha corriente de vapor de agua de purga. El vapor de agua de purga y el agua retirados se separan en el separador 92 siendo el vapor de agua de purga separado conducido al distribuidor principal de vapor de agua de purga 66. El agua de retirada separada que contiene los sólidos disueltos se bombea desde el separador 92 por medio del conducto 98 y la bomba 94 y se lleva mediante el conducto 100 al purificador de agua 96. Desde el purificador de agua 96, el agua purificada, es decir, agua que tiene eliminado de la misma una porción principal de sólidos disueltos, se lleva al conducto de agua de aportación 18 de la caldera de vapor de agua 11 por el conducto 102 por donde se recircula a la caldera de vapor de agua 11.
El uso del separador 92 y el purificador de agua 96 en el sistema 13 permite que las emisiones de NO_{X} procedentes de la caldera 11 se reduzcan sin sacrificar eficacia térmica neta significativa de la caldera.
Un método mejorado de la presente invención para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua, provista con agua de aportación y de la que se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, básicamente comprende la etapa de combinar al menos una porción del vapor de agua de purga con el combustible fluido.
Otro método mejorado de esta invención para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua, provista de agua de aportación y de la se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, comprende las etapas de combinar una porción de los gases de combustión con el aire de combustión y combinar una porción del vapor de agua de purga con el combustible fluido.
Aún otro método mejorado de esta invención de reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua, provista de agua de aportación y de la que se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, comprende las etapas de combinar una porción de los gases de combustión con el aire de combustión, combinar una porción del vapor de agua de purga con el aire de combustión, combinar una porción de los gases de combustión con el combustible fluido y combinar una porción del vapor de agua de purga con el combustible fluido.
Aún otro método mejorado de esta invención para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua que contiene agua que tiene un elevado nivel de sólidos disueltos en la misma y provista de agua de aportación y de la que se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, comprende las etapas de retirar una porción secundaria del vapor de agua de purga y una porción principal de agua que contiene un elevado nivel de sólidos disueltos del depósito de vapor de agua, purificar el agua retirada y recircular el agua purificada como una parte del agua de aportación al depósito de vapor de agua, combinar una porción de los de los gases de combustión producidos por la caldera con el aire de combustión y combinar al menos una porción del vapor de agua de purga retirado del depósito de vapor de agua con el combustible fluido.
Así, la presente invención se adapta bien para llevar a cabo los objetivos y lograr los fines y ventajas mencionados además de aquellos que son inherentes a la misma. Se pueden hacer numerosos cambios por aquellos habituados con la técnica, pero tales cambios se incluyen dentro del espíritu de esta invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

1. Un método para reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión producidos por una caldera de vapor de agua alimentada por un combustible fluido y combustión en quemador de aire y que incluye un depósito para vapor de agua, provista de agua de aportación y de la que se retiran vapor de agua de purga y vapor producido, en el que el vapor de agua de purga se retira para mantener los sólidos disueltos totales apropiados en el agua de la caldera, caracterizado porque el método comprende combinar al menos una porción de dicho vapor de agua de purga con dicho combustible fluido.
2. El método de la reivindicación 1, que además comprende la etapa de combinar una porción de dichos gases de combustión con dicho aire de combustión.
3. El método de la reivindicación 1 ó 2, que además comprende la etapa de combinar una porción de dicho vapor de agua de purga con dicho aire de combustión.
4. Un método mejorado de reducir las emisiones de NO_{X} en los gases de combustión según la reivindicación 1, que además comprende las etapas de:
(a) retirar una corriente de vapor de agua de purga y agua de dicho depósito de vapor de agua que contiene una porción secundaria de dicho vapor de agua de purga y una porción principal de dicha agua que tiene un elevado nivel de sólidos disueltos en la misma;
(b) purificar dicha agua retirada de dicho depósito de vapor de agua según la etapa (a) y recircular el agua purificada como una parte de dicha agua de aportación a dicho depósito de vapor de agua; y
(c) combinar una porción de dichos gases de combustión producidos por dicha caldera con dicho aire de combustión.
5. El método de la reivindicación 4, que además comprende la etapa de combinar una porción de dicho vapor de agua de purga retirado según la etapa (a) de dicho depósito de vapor de agua con dicho aire de combustión.
6. El método de la reivindicación 5, que además comprende combinar una porción de dichos gases de combustión producidos por dicha caldera con dicho combustible fluido.
7. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que dicho combustible fluido es un hidrocarburo gaseoso o una mezcla de hidrocarburos gaseosos.
8. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que dicho combustible fluido es gas natural.
9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho combustible fluido es un combustible líquido que es atomizado en dicho quemador.
10. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y 9, en el que dicho combustible fluido es un hidrocarburo líquido o una mezcla de hidrocarburos líquidos.
11. El método de la reivindicación 4, en el que dicho porcentaje menor de dicho vapor de agua de purga en dicho vapor de agua de purga retirado de dicho depósito de vapor de agua según la etapa (a) es una cantidad de vapor de agua en el intervalo de aproximadamente 5% a aproximadamente 10% en volumen de dicho vapor de agua de purga.
12. El método de la reivindicación 4, en el que dicha porción principal de dicha agua que tiene un elevado nivel de sólidos disueltos en la misma en dicha corriente de purga de vapor de agua retirada de dicho depósito de vapor de agua según la etapa (a) es una cantidad de agua en el intervalo de aproximadamente 90% a aproximadamente 95% en volumen de dicha corriente de vapor de agua de purga.
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