ES2274288T3 - Sistema y procedimiento para controlar las emisiones de nox procedentes de calderas que quemen combustibles carbonaceos sin usar reactivo externo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para controlar emisiones de NOx de una caldera que utiliza combustibles carbonáceos, comprendiendo el procedimiento los pasos de: (a) introducir combustible carbonáceo y aire de combustión en el horno para quemar combustible carbonáceo en condiciones de oxidación y producir gas de combustión que incluya NOx y CO; y (b) dirigir el gas de combustión desde el horno a una sección catalizadora en un canal de gas de combustión para convertir, sin introducir un agente externo para la reducción del NOx, NOx a N2, y CO a CO2, en un catalizador en la sección catalizadora, caracterizado porque el paso (a) comprende también el ajuste de las condiciones de funcionamiento en el horno de manera que disminuya la concentración molar de NOx y aumente la concentración molar de CO en la salida del horno de manera que la concentración molar de CO en la salida del horno es al menos el 70% de la concentración molar de NOx.
Description
Sistema y procedimiento para controlar las
emisiones de NO_{x} procedentes de calderas que quemen
combustibles carbonáceos sin usar reactivo externo.
La presente invención se refiere a un sistema y
un procedimiento para controlar los niveles de NO_{x} en gases de
combustión emitidos de calderas que queman combustibles carbonáceos.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un programa
de control del NO_{x} que no precisa de la inyección de un agente
reductor externo del NO_{x}.
Las emisiones de NO_{x} procedentes de
calderas de combustible-fuegos carbonáceos se
originan de dos fuentes: (1) NO_{x} térmico debido a la oxidación
del nitrógeno en el aire y (2) NO_{x} de combustión debido a la
oxidación del nitrógeno en el combustible. En las calderas actuales,
con sistemas avanzados de combustión, el NO_{x} térmico es
mínimo, y las emisiones de NO_{x} se forman principalmente a
partir de una pequeña fracción de nitrógeno en el combustible. El
nivel de NO_{x} producido en un proceso de combustión está
determinado principalmente por la temperatura y estequiometría de la
zona de combustión primaria. El nivel de emisiones de NO_{x} que
salen de un combustor a la atmósfera deriva de un equilibrio entre
las reacciones de formación de NO_{x} y las reacciones de
reducción de NO_{x}.
Las tecnologías existentes para controlar las
emisiones de NO_{x} de las fuentes de combustión entran en dos
categorías: (1) minimizar la formación de NO_{x} en los procesos
de combustión y (2) reducir el nivel de NO_{x} en el gas de
combustión producido. En calderas de carbón pulverizado (FC), la
formación de NO_{x} puede minimizarse utilizándose quemadores
(LNB) de bajo NO_{x} diseñados especialmente, y finalizando la
combustión del carbón en el nivel superior del horno mediante aire
sobre el fuego (OFA). En la combustión de lecho fluidizado (FBC),
los niveles de NO_{x} se controlan normalmente utilizando una
temperatura de combustión relativamente baja y ajustando el aire
secundario para una graduación optimizada del aire. Las principales
tecnologías de reducción del NO_{x} del gas de combustión incluyen
la reducción catalítica selectiva (SCR) y la reducción no
catalítica selectiva (SNCR), que utilizan ambas amoníaco o urea para
destruir el NO_{x} una vez se ha formado.
Las nuevas calderas de fuego de carbón actuales
tienen normalmente emisiones en el rango de 40-60
rpm. Estos bajos niveles de emisiones de NO_{x} se obtienen
mediante la integración optimizada de ambas categorías de
tecnologías de control del NO_{x}. Por ejemplo, una disposición
común para las calderas de PC es un sistema LNB/OFA en combinación
con un SCR, utilizando amoníaco o urea como reductor. Cuando se
utiliza un sistema LNB/OFA, el nivel de NO_{x} en la salida del
horno es normalmente del rango de 90-180 ppm.
Las tecnologías actuales de bajo NO_{x}
utilizadas en las calderas de combustión de combustible carbonáceo
enfatizan el control preciso de la estequiometría y temperatura de
la combustión dentro de la zona de combustión primaria. Es bien
conocido que un bajo nivel de exceso de aire en la zona de
combustión puede llevar a un aumento de emisiones de CO y carbones
sin quemar en las cenizas. Así pues, las tecnologías actuales de
combustión con bajo NO_{x} (LNB y FBC), debido a las
preocupaciones por las emisiones de CO, no pueden aprovechar al
máximo la optimización de la cantidad de exceso de aire. La
estrategia de diseño utilizada actualmente se ha centrado en la
reducción del oxígeno disponible en la zona de combustión primaria a
un nivel bajo para minimizar la formación de NO_{x} mientras que
al mismo tiempo mantiene una alta eficiencia de combustión y un
bajo nivel de emisiones de CO.
No obstante, un problema con los sistemas de
reducción SCR y SNCR, es que el uso de cantidades excesivas de
amoníaco o urea para obtener niveles de reducción de NO_{x} muy
elevados lleva a emisiones perjudiciales de amoníaco al
medioambiente. Los sistemas de manejo e inyección de amoniaco crean
importante costes operativos y de capital. El uso de amoníaco
también provoca un riesgo para la seguridad del personal operativo,
y puede tener como resultado formación de sal de amoníaco e
incrustaciones y corrosión en las superficies frías aguas abajo del
canal del gas de combustión.
En la industria de la automoción, se conoce el
uso de los denominados Convertidores de Tres Vías (TWC) para
reducir simultáneamente las emisiones de NO_{x} CO e hidrocarburo
(HC) en el gas de escape. El motor de gasolina convencional
funciona en condiciones estequiométricas, controlado por la
inyección de combustible. Un TWC contiene un catalizador, que está
realizado normalmente de platino o paladio junto con rodio en un
sustrato cerámico o de metal. El CO funciona como un reductor del
NO_{x} sobre la superficie de rodio. El exceso de CO e
hidrocarburos se oxida sobre las superficies de platino o
paladio.
US-A-5.678.912
describe un proceso catalítico de tres zonas para el tratamiento del
gas de escape comprendiendo óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y
monóxido de carbono. La primera zona comprende un catalizador que
es efectivo para la conversión en tres vías de óxidos de nitrógeno,
hidrocarburos y monóxido de carbono. La segunda zona comprende
materiales efectivos para absorber hidrocarburos. La tercera zona
comprende un catalizador que es efectivo para la oxidación de
hidrocarburos y monóxido de carbono.
La patente de los EE.UU. No. 5.055.278 describe
un procedimiento para disminuir la cantidad de óxidos de nitrógeno
en el gas del horno de residuos. Según el procedimiento, el
combustible fosilizado pasa a través de una combustión gradual de
pirolización para un tiempo de permanencia prolongada, y el monóxido
de carbono, hidrocarburos y posibles óxidos de nitrógeno formados,
pasan a través de la oxidación catalítica. Debido a las condiciones
subestequiométricas, se producen cantidades muy elevadas de CO e
hidrocarburos, y se requiere una gran cantidad de catalizadora para
la oxidación. Al contrario, la cantidad de óxidos de nitrógeno en
el gas de residuos es muy baja, dado que el nitrógeno del
combustible se libera principalmente como NH_{3}. Por esta razón,
debe inyectarse aire o el oxígeno como un oxidante externo, y
mezclarse uniformemente con el gas de combustión, aguas arriba del
catalizador. El procedimiento de combustión de pirolización también
sufre de una baja eficiencia térmica debido a los altos niveles de
carbón sin quemar en la ceniza.
Por las razones arriba mencionadas, existe
claramente la necesidad de una nueva integración simple a nivel del
sistema entre el proceso de combustión de una caldera y la reducción
del NO_{x} del gas de combustión aguas abajo, que mantenga una
elevada eficiencia térmica y presente emisiones de NO_{x} muy
bajas, pero no cause emisiones de amoníaco o CO perjudiciales.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un sistema y un procedimiento para controlar las
emisiones de NO_{x} de calderas que utilizan combustibles
carbonáceos, que incluye una sencilla y avanzada integración a
nivel de sistema entre el proceso de combustión y la reducción del
NO_{x} del gas de combustión aguas abajo y que mantenga una
elevada eficiencia térmica de la caldera.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un sistema y un procedimiento para controlar las
emisiones de NO_{x} de las calderas que utilizan combustibles
carbonáceos, que no lleve a un aumento de las misiones de otros
contaminantes.
Un objeto especial de la presente invención es
proporcionar un sistema y un procedimiento para controlar las
emisiones de NO_{x} de las calderas que utilizan combustibles
carbonáceos, que no utilice un agente externo.
Así pues, según la presente invención, se
proporciona un procedimiento para controlar las emisiones de
NO_{x} de una caldera que utiliza combustible carbonáceo,
caracterizado porque el procedimiento comprende los pasos de: (a)
introducir el combustible carbonáceo y el aire de combustión dentro
del horno de la caldera para quemar el combustible carbonáceo en
condiciones de oxidación y producir gas de combustión incluidos
NO_{x} y CO, (b) llevar el gas de combustión del horno a una
sección catalizadora en un canal de gas de combustión para
convertir, sin introducir un agente externo para la reducción del
NO_{x}, NO_{x} a N_{2} y CO a CO_{2} utilizando CO como el
reductor del NO_{x} en un catalizador en la sección del
catalizador.
De igual modo, según la presente invención, se
proporciona un sistema para controlar las emisiones de NO_{x} de
una caldera que utiliza combustible carbonáceo, comprendiendo el
sistema un horno que incluye medios para introducir combustible
carbonáceo y aire de combustión dentro del horno para quemar el
combustible carbonáceo en condiciones de oxidación y producir gas
de combustión incluido NO_{x} y CO, un canal de gas de combustión
para llevar el gas de combustión desde el horno a la atmósfera, y
una sección catalizadora en el canal de gas de combustión para
convertir a NO_{x} a N_{2} y CO a CO_{2} utilizando CO como el
reductor del NO_{x}, sin introducir un agente externo para la
reducción del NO_{x}.
Según la presente invención, el nivel de CO
generado durante el proceso de combustión en el horno se ajusta a
un nivel en que reduce NO_{x} a nitrógeno (N_{2}) tanto en el
horno como en la sección catalítica aguas abajo, sin utilizar
ningún reactivo externo, como amoníaco. El proceso de combustión en
el horno se ajusta de modo que la concentración molecular de CO en
el gas de combustión, aunque existe en el horno, es de al menos el
70% del de NO_{x}. Preferentemente, la concentración molar de CO
en la salida del horno es de aproximadamente 1 a 3 veces la
concentración molar de NO_{x}. Hemos encontrado que a través de la
optimización del diseño del horno y los parámetros de
funcionamiento puede generarse una cantidad adecuada de CO requerida
para la reducción de NO_{x}.
Las condiciones de funcionamiento en el horno,
ajustadas para obtener una producción de CO relativamente elevada,
también eliminan significativamente la generación de NO_{x} en el
proceso de combustión. Además de eso, cuando se producen en el
horno NO_{x}, CO y hulla, el CO actúa junto con la hulla para
reducir aún más el nivel de NO_{x}, según la reacción
siguiente:
(1)2NO + 2CO
\rightarrow N_{2} +
2CO_{2}
(sobre la superficie de la hulla,
alta
temperatura).
Según el presente procedimiento, el horno
funcionará con elevadas concentraciones de CO para alcanzar niveles
de NO_{x} de salida del horno que, debido a la producción de
NO_{x} disminuida y la reducción de NO_{x} en el horno, son
significativamente inferiores que los obtenidos mediante el uso de
tecnologías actuales de combustión de bajo NO_{x}. Cuando se
utiliza el presente procedimiento, el nivel de NO_{x} en la
salida del horno puede estar por debajo de los 99 ppm, incluso por
debajo de 80 ppm. La concentración de CO en la salida del horno es
al menos el 70% de la de
NO_{x}.
NO_{x}.
\newpage
El nivel de NO_{x} en el gas de combustión,
que posee un porcentaje rico de CO/NO_{x}, se reduce además en la
sección catalizadora en el paso posterior de la caldera. No
obstante, debido al bajo nivel original de NO_{x} en el gas de
combustión, la necesidad de una reducción catalítica de NO_{x} es
relativamente baja.
Según la presente invención, la reducción de
NO_{x} en el catalizador tiene lugar sin añadir ningún reactivo
externo al proceso. En las centrales eléctricas comerciales
actuales, se utilizan generalmente el amoníaco y la urea para
efectuar la reducción catalítica o no catalítica del NO_{x}. Sin
embargo, se conocen también otros reactivos como CO, hidrocarburos
(HC), hidrógeno, y hulla, que reducen el NO_{x} a nitrógeno. El
reactivo se oxida en la misma reacción, como se ilustra a
continuación para la reacción entre el NO_{x} y el CO:
(2)2NO + 2CO
\rightarrow N_{2}
+2CO_{2}
(sobre el catalizador metálico,
baja
temperatura).
Esta es la misma reacción que la reacción (1),
pero con un catalizador metálico externo. La reacción (2) se ha
probado y utilizado ampliamente en la industria de la automoción, en
la que se obtienen niveles elevados de conversión de NO_{x}
normalmente entre el 90 y el 99%.
Un elemento clave de la presente invención es
generar condiciones apropiadas de proceso en el horno que quema
combustibles carbonáceos, especialmente en el horno de una caldera
de combustión de carbón, para producir una proporción molar
adecuada CO/NO_{x} en el gas de combustión para permitir que el
proceso de reducción de la fórmula (2) se utilice para reducir el
NO_{x} y oxidar el CO.
Según una realización preferida de la presente
invención, el contenido deseado de CO en el horno se alcanza
principalmente mediante el ajuste de la cantidad total de aire de
combustión introducida en el horno, de modo que se obtenga un rango
bajo de exceso de aire. Preferentemente, especialmente para
combustores de carbón, el rango de exceso de aire del horno está
preferentemente por debajo del 10% e incluso más preferentemente,
por debajo del 5%. No obstante, a fin de mantener una eficiencia
adecuada de combustión, el horno se opera en condiciones de
oxidación, es decir el exceso de aire está por encima del 0%.
Como es bien sabido para las personas entendidas
en la técnica del control de la combustión, la proporción CO/
NO_{x} puede controlarse también con otras modificaciones
operativas y de diseño. Ejemplos de dichas modificaciones conocidas
habitualmente incluyen el control de las temperaturas globales o
locales dentro del combustor, modificaciones del diseño de la zona
de combustión primaria o el diseño de inyección de aire en el
quemador, etc.
Según la presente invención, el CO actúa en el
catalizador como un reductor que reduce el NO_{x} a N_{2}. Al
mismo tiempo, el CO se oxida a CO_{2}. El material, tamaño,
geometría y temperatura de funcionamiento del catalizador se
seleccionan preferentemente de manera que la mayoría, o
preferentemente la mayoría, del NO_{x} en el gas de combustión se
reducirá en el catalizador. Además, cualquier exceso de CO en el gas
de combustión se oxidará preferentemente a CO_{2} en la
superficie del catalizador por el exceso de oxígeno en el gas de
combustión.
El catalizador puede estar compuesto de los
mismos materiales que los catalizadores utilizados en los TWC, es
decir, platino o paladio junto con rodio en un substrato cerámico o
de metal. Alternativamente, el catalizador podría ser de algún otro
material, por ejemplo, óxidos de metales base de transición, como
hierro, níquel, aluminio, cobalto o cobre, o una mezcla de estos
óxidos. La temperatura del catalizador es preferentemente de
aproximadamente 130ºC a aproximadamente 800ºC, incluso más
preferentemente, de aproximadamente 200ºC a aproximadamente
500ºC.
El catalizador puede contener preferentemente
ingredientes activos, tales como los mencionados anteriormente,
aplicados sobre un substrato cerámico extruído bien en forma de
placa o de panel de abeja. Especialmente, un catalizador de bajo
coste, que sea en forma de polvo o granulada, puede también
inyectarse directamente en el conducto de gas de combustión.
Después, el catalizador recogido en la torta de polvo de un
colector de polvo puede funcionar como lecho fijo para la reducción
de NO_{x}. El catalizador recogido puede reciclarse para mejorar
su uso.
El gas de combustión de la caldera contiene
también hidrocarburos (HC), normalmente en una concentración de un
orden inferior de magnitud que el CO. Como se ha mencionado, el HC
puede también reducir el NO_{x} a través de reacciones de
reducción similares a las reacciones NO_{x}-CO
mostradas en la fórmula (2). Las medidas tomadas para aumentar la
cantidad de CO en el horno, en alguna medida, aumentarán también la
concentración de HC. No obstante, debido a su pequeña concentración
y mecanismo de reacción similar. el efecto del HC en el NO_{x},
en esta descripción de la presente invención, se combina con el
efecto de reducción del CO. También, en los cálculos de ingeniería,
la proporción molar CO/NO_{x} puede incluir la contribución del
equivalente de una proporción CH_{4}/NO_{x}.
Mediante la optimización de la totalidad de la
formación NO_{x} y los procesos de destrucción según la presente
invención, puede mantenerse una elevada eficiencia de combustión y
pueden obtenerse niveles muy bajos de NO_{x} del sistema de
caldera mediante el uso de una pequeña sección catalizadora y sin
añadir ningún reductor externo, como amoníaco, utilizado
normalmente para procesos SCR.
La Fig. 1 es un diagrama del impacto del exceso
de aire del horno en las emisiones de NO_{x} y CO
La Fig. 2 es un diagrama esquemático de una
realización del sistema propuesto de reducción del NO_{x} según
la presente invención.
La Fig. 1 muestra un diagrama cualitativo del
impacto del exceso de aire del horno sobre las emisiones de
NO_{x} y CO. Como se ilustra en el diagrama, mediante el aumento
del exceso de aire, se aumenta el nivel de NO_{x} y se disminuye
el nivel de CO. Dado que un ajuste del exceso de aire afecta tanto a
los niveles de NO_{x} como de CO, pero en direcciones opuestas,
una pequeña desviación en el exceso de aire producirá una amplia
variación en la proporción CO/NO_{x}. Actualmente, las calderas de
carbón están diseñadas para niveles de exceso de aire del
20-25%.
Según la presente invención, la proporción
CO/NO_{x} en la salida del horno está preferentemente por encima
del 0,7. Incluso más preferentemente, la proporción CO/NO_{x} en
la salida del horno es de aproximadamente 1 a aproximadamente 3.
Los medios más directos para obtener una proporción CO/NO_{x} que
sea apropiada para la reducción catalítica aguas abajo es ajustar
la proporción de aire y combustible introducidos en el horno. Según
la presente invención, el exceso de aire en el horno está
preferentemente en el rango de aproximadamente 10% a
aproximadamente 20%, incluso más preferentemente, en el rango de
aproximadamente 13% a aproximadamente 20%.
La Fig. 2 muestra, como realización preferida de
la presente invención, una caldera 10 de carbón pulverizado (PC)
con un sistema integrado de reducción del NO_{x}. La caldera 10
comprende un horno 12 empotrado en paredes de tubo verticales, de
las que en la Fig. 2 sólo se muestran las paredes 14 y 18. El horno
funciona en condiciones de oxidación, y en consecuencia las paredes
14, 16 pueden estar realizadas de acero de carbono normal, y no
deben estar cubiertas completamente con material refractario ni
estar realizadas de material resistente a la corrosión.
La caldera 10 comprende medios 18 para
introducir combustible y aire primario a través de los quemadores
20 en el horno 12. Junto a los quemadores 10 se disponen medios 22
para introducir aire secundario en el horno 12. En la parte
superior del horno 12 se disponen medios 22 para introducir aire
secundario en el horno 12. En la parte superior del horno 12 se
disponen medios 24 para inyectar aire sobre el fuego. Los medios
para introducir combustible, aire secundario y aire sobre el fuego
comprenden preferentemente medios 26, 28, 30 para controlar las
corrientes de combustible, aire secundario y aire sobre el fuego,
respectivamente, introducidas en el horno.
Los gases de combustión producidos durante la
combustión del combustible en el horno 12 se dirigen desde el horno
12 a través de un canal 32 de gas de combustión, un recolector de
polvo 34 y una pila 36 a la atmósfera. El canal 32 de gas de
combustión comprende una sección de transferencia térmica 38, y una
sección catalizadora 40 (que posee un catalizador como se describe
como más detalle a continuación) dispuestos aguas abajo desde la
sección de transferencia térmica 38. La combustión del combustible
en el horno 12 se realiza preferentemente con un exceso de aire
relativamente bajo, es decir del 10-20%. En estas
condiciones de funcionamiento, la cantidad de NO_{x} en la salida
del horno es baja, normalmente inferior a 90 ppm. Simultáneamente,
la concentración de CO en el gas de combustión aumenta a un nivel
más alto de lo normal. Debido al bajo nivel de NO_{x}, el
catalizador en la sección 40 catalizadora es de un tamaño
relativamente pequeño.
Según la presente invención, el CO actúa en el
catalizador en la sección catalizadora 40 como un reductor, que
reduce el NO_{x} en el gas de combustión a N_{2}. Al mismo
tiempo, el CO se oxida a CO_{2}. El material, tamaño, geometría y
temperatura de funcionamiento del catalizador en la sección
catalizadora 40 se seleccionan de manera que la mayor parte, o
preferentemente la totalidad, del NO_{x} en el gas de combustión
se reducirá en el catalizador. Cualquier exceso de CO en el gas de
combustión se oxidará preferentemente a CO_{2} en la superficie
del catalizador por el exceso de oxígeno en el gas de combustión.
Como ejemplo, el catalizador puede estar formado bien de platino o
paladio junto con rodio en un sustrato cerámico o de metal. Otras
posibilidades para el material catalizador incluyen óxidos de
metales base de transición, por ejemplo hierro, níquel, aluminio,
cobalto o cobre, o una mezcla de estos óxidos.
Preferentemente, la caldera incluye superficies
de transferencia térmica, por ejemplo supercalentadores 42 y
economizadores 44, en el canal de gas de combustión aguas arriba de
la sección catalizadora 40. Mediante las superficies de
transferencia térmica 42, 44 la temperatura del gas de combustión
puede ajustarse al rango óptimo de funcionamiento del catalizador.
El catalizador se utiliza preferentemente a una temperatura de
aproximadamente 130ºC a aproximadamente 800ºC, más preferentemente,
de aproximadamente 200ºC a aproximadamente 600ºC. En el canal de
gas de combustión 32 aguas abajo desde la sección catalizadora 40 se
coloca un precalentador de aire 46 para calentar el canal de aire
48.
Como es evidente de la Fig. 2, la caldera,
incluidos medios para utilizar el control integrado de NO_{x}
según la presente invención, es muy sencilla. La única diferencia
importante con una caldera convencional que posee una unidad SCR es
que la caldera actual no incluye medios para manejar e inyectar un
agente reductor externo NO_{x}. Según la presente invención, la
concentración de CO en el gas de combustión se ajusta de manera que
el CO reduce la mayor parte, o la totalidad, del NO_{x} en los
gases de combustión en la sección catalizadora 40.
La concentración de CO en el gas de combustión
se ajusta preferentemente mediante el uso de un nivel de exceso de
aire apropiado en el horno 12. El diseño de la caldera puede incluir
también pequeñas modificaciones, por ejemplo ciertas temperaturas
locales en el horno 12, o modificaciones en la zona de combustión o
diseño del quemador, para controlar la proporción CO/NO_{x} en la
salida del horno. No obstante, generalmente la caldera en sí misma
no difiere sustancialmente de una caldera convencional.
Una ventaja sustancial del presente sistema es
que el CO sustituye al amoníaco para la reducción catalítica del
NO_{x}. Así pues, la sección catalizadora es básicamente un SCR
sin amoníaco. Se evitan los costes, gastos de uso y riesgos en la
seguridad asociados con el uso de amoníaco. El reductor se genera
inherentemente durante el proceso de combustión de la caldera sin
ningún coste adicional y sin manejo externo. Se elimina todo el
equipo necesario para el manejo e inyección del amoníaco, como el
depósito de almacenamiento, medición del bombeo y flujo,
vaporización, distribución e inyección.
Un requisito crítico de los SCR convencionales
para una reducción eficiente del NO_{x} y el control del
deslizamiento de amoníaco es mezclar uniformemente el NH_{3} con
el gas de combustión. Este requisito tiene como resultado un equipo
costoso, incluida una rejilla de inyección de amoníaco, mezcladores
de flujo, paletas giratorias múltiples y una rejilla rectificadora
de flujo. Dicho equipo no es necesario en el presente sistema, dado
que el reductor (CO) que llega a la sección catalizadora 40 se
distribuye ya uniformemente en un canal 32 de gas de combustión,
especialmente cuando pasa a través de los bancos de intercambio
térmico, es decir los supercalentadores 42 y los economizadores 44,
en el canal 32 de gas de combustión.
Además, el presente sistema elimina también los
problemas aguas abajo asociados con los SCR convencionales tales
como el deslizamiento de amoníaco y la formación de bisulfato de
amoníaco, que puede provocar incrustaciones y corrosión de las
superficies 46 del precalentador de aire, especialmente cuando se
utilizan combustibles con elevado contenido de azufre.
El uso de la caldera de nuestra invención
difiere de una caldera convencional en que permite el pleno
potencial de control de NO_{x} mediante el ajuste del exceso de
aire que debe utilizarse. Así pues, el presente procedimiento rompe
la relación clásica entre el NO_{x} del horno y el comportamiento
del CO. En efecto, el concepto invierte la relación CO/NO_{x} de
ser opuesta a ser positiva mediante el uso del CO como
reductor.
El presente concepto proporciona un sistema
económico para obtener una salida del horno baja en NO_{x} y una
reducción catalítica del NO_{x} en el extremo superior sin
provocar un aumento de las emisiones de CO o NH_{3} ni disminuir
la eficiencia de la caldera. La presente invención es aplicable a
calderas PC, calderas CFB y otros combustores utilizados para quemar
combustibles sólidos carbonáceos. La inversión puede aplicarse
también a calderas que utilizan combustibles carbonáceos líquidos o
gaseosos.
Aunque la invención se ha descrito por medio de
ejemplos en relación con los cuales se consideran ser las
realizaciones preferentes, se entiende que la invención no se limita
a las realizaciones descritas, sino que se pretende que cubra
varias combinaciones de sus características y otras aplicaciones
incluidas dentro del ámbito de la invención como se define en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (18)
1. Procedimiento para controlar emisiones de
NO_{x} de una caldera que utiliza combustibles carbonáceos,
comprendiendo el procedimiento los pasos de:
- (a)
- introducir combustible carbonáceo y aire de combustión en el horno para quemar combustible carbonáceo en condiciones de oxidación y producir gas de combustión que incluya NO_{x} y CO; y
- (b)
- dirigir el gas de combustión desde el horno a una sección catalizadora en un canal de gas de combustión para convertir, sin introducir un agente externo para la reducción del NO_{x}, NO_{x} a N_{2}, y CO a CO_{2}, en un catalizador en la sección catalizadora, caracterizado porque el paso (a) comprende también el ajuste de las condiciones de funcionamiento en el horno de manera que disminuya la concentración molar de NO_{x} y aumente la concentración molar de CO en la salida del horno de manera que la concentración molar de CO en la salida del horno es al menos el 70% de la concentración molar de NO_{x}.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque las concentraciones molares de CO y
NO_{x} en la salida del horno son superiores a 0,7.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque la proporción molar de CO y NO_{x} en
la salida del horno es de aproximadamente 1 a aproximadamente
3.
4. Procedimiento según la reivindicación 1,
comprendiendo también el control de las condiciones de
funcionamiento en el horno mediante el ajuste de la cantidad de
aire de combustión introducido en el horno.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque la cantidad de aire de combustión
introducido en el horno se controla de manera que el exceso de aire
del horno es de aproximadamente 10% a aproximadamente 20%.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque el exceso de aire del horno es de
aproximadamente 13% a aproximadamente 20%.
7. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el exceso de aire del horno está por
debajo del 10%.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque el combustible es combustible líquido o
gaseoso, y el exceso de aire del horno está por debajo de 5%.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque el combustible es fueloil o gas
natural.
10. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque los materiales activos del catalizador
se seleccionan de un grupo compuesto de platino, paladio, rodio y
óxidos de metales de base de transición, y mezclas de los
mismos.
11. Sistema para controlar emisiones de NO_{x}
de una caldera (10) que quema combustibles carbonáceos,
comprendiendo el sistema:
- un horno (12) que incluye medios (18, 20, 22, 24) para introducir combustible carbonáceo y aire de combustión en el horno para quemar el combustible carbonáceo, en condiciones de oxidación e introducir gas de combustión incluido NO_{x} y CO;
- un canal de gas de combustión (32) para dirigir el gas de combustión del horno a la atmósfera; y
- una sección catalizadora (40) en el canal (32) de gas de combustión incluido un catalizador para convertir NO_{x} en N_{2} y CO en CO_{2} caracterizado porque el canal (32) de gas de combustión no comprende medios para inyectar un agente reductor externo de NO_{x}.
caracterizado porque los
medios (18, 20, 22, 24) para introducir combustible carbonáceo y
aire de combustión en el horno permiten una concentración molar de
CO en la salida del horno de al menos el 70% de la concentración
molar de
NO_{x}.
12. Sistema según la reivindicación 11,
caracterizado porque los materiales activos se seleccionan de
un grupo compuesto de platino, paladio, rodio y óxidos de metales
de transición de base, y mezclas de los mismos.
13. Sistema según la reivindicación 11,
caracterizado porque la sección catalizadora (40) está
situada en una posición del canal (32) de gas de combustión en que
la temperatura del gas de combustión en condiciones de
funcionamiento normal va de aproximadamente 130ºC a aproximadamente
800ºC.
14. Sistema según la reivindicación 13,
caracterizado porque la sección catalizadora (40) está
situada en una posición del canal (32) de gas de combustión en que
la temperatura del gas de combustión del gas de combustión en
condiciones de funcionamiento normal va de aproximadamente 200ºC a
aproximadamente 500ºC.
15. Sistema según la reivindicación 12,
caracterizado porque los materiales activos del catalizador
se aplican en un substrato cerámico extruído bien en formas de
placa o panel de abeja.
16. Sistema según la reivindicación 12,
caracterizado porque el catalizador tiene forma granular o de
perlas en un lecho empaquetado situado en el canal de gas de
combustión.
17. Sistema según la reivindicación 12,
caracterizado porque el catalizador tiene forma de polvo o
granular que puede inyectarse directamente en el canal (32) de gas
de combustión.
18. Sistema según la reivindicación 17,
caracterizado porque comprende un recolector (34) de polvo
con una torta de polvo como lecho fijado para la reducción de
NO_{x} caracterizado porque el catalizador recoge en la
torta de polvo.
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