Un procedimiento para proporcionar una corriente presurizada de gas que contiene amoniaco útil para retirar óxidos de nitrógeno de una corriente de gas de combustión,

procedimiento que comprende:

(a) hidrolizar urea en disolución acuosa en un reactor cerrado para desprender amoniaco gaseoso con un caudal esencialmente equilibrado con la cantidad requerida para retirar óxidos de nitrógeno de la corriente de gas de combustión; y

(b) poner en contacto dicho amoniaco gaseoso con dicha corriente de gas de combustión;

en el que la presión en el reactor se mantiene dentro de un intervalo preseleccionado cuando la demanda de amoniaco requerido para la retirada de óxido de nitrógeno cae repentinamente, caracterizado por la refrigeración de la disolución dentro del reactor de hidrólisis por intercambio de calor dentro o fuera del reactor en respuesta a cambios rápidos de la demanda de amoniaco requerido para retirar dichos óxidos de nitrógeno, por lo que el reactor comprende un intercambiador de calor interno o externo

Método para controlar la producción de amoniaco a partir de urea para eliminar NO_x.

Antecedentes de la invención

Según la patente de Estados Unidos número 6.077.491, cuya descripción se incorpora expresamente como referencia, una disolución acuosa de urea se convierte en una corriente de producto gaseoso de amoniaco y dióxido de carbono con un caudal que es esencialmente igual a la cantidad de amoniaco requerida para la retirada de óxidos de nitrógeno de corrientes de gas de combustión por los métodos de control de NO_x de SCR o SNCR. Este procedimiento generalmente se ajusta a las siguientes condiciones de funcionamiento general.

Una disolución acuosa de urea o mezclas de urea y precursores de urea que tiene una concentración de alrededor de 1% a alrededor de 76% en peso de sólidos se alimenta a un reactor. La urea allí se hidroliza a temperaturas por lo menos de 110ºC hasta alrededor de 300ºC y a presiones de alrededor de 238-3.450 kPa manométricos, estando controladas la temperatura o presión de la mezcla de reacción por la aportación de calor para producir una corriente de producto gaseoso de amoniaco, dióxido de carbono y agua. La aportación de calor se mantiene a un nivel suficiente para satisfacer las demandas de amoniaco que es igual al requerido para reducir esencialmente todos los óxidos de nitrógeno presentes en la corriente de gas de combustión.

Es esencial que la cantidad de amoniaco inyectada dentro de la corriente de gas de combustión esté cuidadosamente equilibrada con la cantidad requerida para eliminar los óxidos de nitrógeno. Si se inyecta exceso de amoniaco, se puede escapar de la chimenea de gas de combustión, creando un peligro. El problema del escape de amoniaco ha sido reconocido, por ejemplo, en Bowers United States Patent Number 4,719,092, Fellows United States Patent Number 5,098,680 y Spokoyny United States Patent Number 5,237,939. Sin embargo, ninguna de estas patentes se refiere a la eliminación de óxidos de nitrógeno (NO_x) del gas de chimenea por la inyección de amoniaco gaseoso continuamente generado de una disolución acuosa de urea.

Según la patente a la que nos referimos anteriormente, la presión del reactor de hidrólisis está controlada por la aportación de calor a un reactor de hidrólisis y el caudal de salida de gas está controlado por una válvula de control ajustable, que se ajusta para igualar la cantidad requerida para la retirada de los óxidos de nitrógeno en las corrientes de gas de combustión. El escape de presión de emergencia puede estar en el lado del gas o en el lado del líquido del reactor. En ambos casos, se puede proporcionar un conducto de ventilación que está conectado a un depósito de vaciado que contiene agua que sirve para atrapar el amoniaco gaseoso y prevenir su escape a la atmósfera. EL agua fría en el depósito de vaciado sirve para detener el procedimiento de hidrólisis y prevenir la generación adicional de amoniaco.

Sumario de la invención

Esta invención comprende un procedimiento según la reivindicación 1. En un aspecto del procedimiento de la invención, los óxidos de nitrógeno se retiran de una corriente de gas de combustión por SNCR (reducción no catalítica selectiva), o SCR (reducción catalítica selectiva), y el procedimiento comprende:

a) alimentar una disolución acuosa de urea o mezclas de urea que contiene biuret y/o carbamato de amonio, que tiene una concentración de 1% a 76% en peso de sólidos, en un reactor e hidrolizar la urea en él a temperaturas de por lo menos 110ºC hasta 300ºC y a presiones de 138-3.450 kPa manométricos, estando controladas normalmente la temperatura o presión de la mezcla de reacción por la aportación de calor al reactor para producir una corriente de producto gaseoso de amoniaco, dióxido de carbono y agua con un caudal suficiente para el uso externo en la etapa d), y un medio de reacción en fase líquida residual que contiene urea, biuret y/o carbamato de amonio sin reaccionar;

b) separar la corriente de producto gaseoso a una presión y caudal controlados;

c) retener el medio de reacción en fase líquida en el reactor para la conversión adicional a amoniaco gaseoso y dióxido de carbono, y/o reciclar por lo menos una porción del medio de reacción de vuelta al reactor, un recipiente de disolución de urea, o la disolución de alimentación al reactor para conversión adicional; y

d) retirar la corriente de producto que contiene amoniaco gaseoso y dióxido de carbono y alimentarla para uso externo con un caudal controlado que es aproximadamente la cantidad necesaria para las demandas de dicho uso externo para retirar dichos óxidos de nitrógeno;

la mejora en la que la presión en el reactor se mantiene dentro del intervalo citado cuando la demanda de amoniaco para dicho uso externo cae repentinamente refrigerando la disolución dentro del reactor de hidrólisis por intercambio de calor dentro o fuera del reactor en respuesta a cambios rápidos de la demanda de amoniaco requerida para retirar dichos óxidos de nitrógeno.

Descripción de las realizaciones preferidas

En el procedimiento de esta invención, una disolución acuosa de urea se convierte en una corriente de producto gaseoso de amoniaco y dióxido de carbono para uso en la retirada de óxidos de nitrógeno de corrientes de gas de combustión por los métodos de control de NO_x de SCR o SNCR. La disolución de urea se proporciona a una concentración específica y se bombea dentro de un reactor de hidrólisis a una velocidad controlada. La reacción es endotérmica y se requiere calor. La aportación de calor al reactor está controlada para mantener una presión de gas constante en el reactor. En la reacción, la urea se hidroliza primero a carbamato de amonio del que se forma la mezcla de producto gaseoso de amoniaco y dióxido de carbono y a continuación se alimenta a una velocidad controlada a la red de distribución en la conducción de gas de combustión. Para algunas aplicaciones, la mezcla gaseosa se diluye con aire, vapor de agua o gas de combustión para mejorar la mezcla y el contacto con los óxidos de nitrógeno en la corriente de gas de combustión. El caudal de gas se ajusta para igualar el caudal de amoniaco con los NO_x en la corriente de gas de combustión.

La reacción en el reactor es:

(x)H₂O+NH₂CONH₂rightarrow2NH₃+CO₂+(x-1)H₂O

La velocidad de generación de amoniaco por esta reacción está dada por la ecuación de Arrenhius. De este modo la velocidad de generación de amoniaco = A e^-b/kT en la que A es proporcional al número de moles de agua y urea y b es la energía libre para la reacción. Controlar la cantidad de disolución de urea en el reactor y la temperatura del reactor controla la velocidad de generación de amoniaco. Por debajo de alrededor de 110ºC, la reacción no ocurre a menos que se use un catalizador. La invención contempla el uso de catalizadores que permitan temperaturas por debajo de 110ºC. En el procedimiento, la temperatura se autoregula controlando la aportación de calor a la reacción para mantener una presión constante. La velocidad de incremento de la generación de amoniaco puede ser rápida dado que solo es necesario proporcionar acceso a la aportación de calor para incrementar la temperatura del reactor. Incrementar la temperatura del reactor de 140ºC a 158ºC incrementa la generación de amoniaco en un 300%.

La velocidad de reducción de NO_x con el amoniaco producido de urea es la misma que con amoniaco puro. Las ecuaciones del procedimiento de SCR son:

Retirada de NO_x con amoniaco:

4NO+4NH₃+O₂rightarrow4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+O₂rightarrow3N₂+6H₂O

Retirada de NO_x con urea;

4NO+2CO(NH₂)₂+O₂rightarrow4N₂+4H₂O+2CO₂

2NO₂+2CO(NH₂)₂+O₂rightarrow3N₂+4H₂O+2CO₂

La disolución de urea se puede usar en el intervalo de concentración de alrededor de 1 a 76%, y preferentemente se funciona a una concentración de urea de 40% o 50%, que se alimenta al reactor con una bomba del tipo de desplazamiento positivo. La disolución de urea se bombea al reactor de hidrólisis a una velocidad...

1. Un procedimiento para proporcionar una corriente presurizada de gas que contiene amoniaco útil para retirar óxidos de nitrógeno de una corriente de gas de combustión, procedimiento que comprende:

(a) hidrolizar urea en disolución acuosa en un reactor cerrado para desprender amoniaco gaseoso con un caudal esencialmente equilibrado con la cantidad requerida para retirar óxidos de nitrógeno de la corriente de gas de combustión; y

(b) poner en contacto dicho amoniaco gaseoso con dicha corriente de gas de combustión;

en el que la presión en el reactor se mantiene dentro de un intervalo preseleccionado cuando la demanda de amoniaco requerido para la retirada de óxido de nitrógeno cae repentinamente, caracterizado por la refrigeración de la disolución dentro del reactor de hidrólisis por intercambio de calor dentro o fuera del reactor en respuesta a cambios rápidos de la demanda de amoniaco requerido para retirar dichos óxidos de nitrógeno, por lo que el reactor comprende un intercambiador de calor interno o externo.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que los óxidos de nitrógeno se retiran de una corriente de gas de combustión por SNCR (reducción no catalítica selectiva), o SCR (reducción catalítica selectiva), y el procedimiento comprende:

alimentar una disolución acuosa de urea o mezclas de urea que contienen biuret y/o carbamato de amonio, que tiene una concentración de 1% a 76% en peso de sólidos, en un reactor e hidrolizar la urea en él a temperaturas desde por lo menos 110ºC hasta 300ºC y a presiones de 138-3.450 kPa manométricos, estando controladas la temperatura o presión de la mezcla de reacción por la aportación de calor al reactor para producir una corriente de producto gaseoso de amoniaco, dióxido de carbono y agua con un caudal suficiente para el uso externo en la etapa d), y un medio de reacción en fase líquida residual que contiene urea, biuret y/o carbamato de amonio sin reaccionar;

separar la corriente de producto gaseoso a una presión y caudal controlados;

retener el medio de reacción en fase líquida en el reactor para la conversión adicional a amoniaco gaseoso y dióxido de carbono, y/o reciclar por lo menos una porción del medio de reacción de vuelta al reactor, un recipiente de disolución de urea, o la disolución de alimentación al reactor para conversión adicional; y

retirar la corriente de producto que contiene amoniaco gaseoso y dióxido de carbono y alimentarla para uso externo con un caudal controlado que es aproximadamente la cantidad necesaria para las demandas de dicho uso externo para retirar dichos óxidos de nitrógeno; en el que la presión en el reactor se mantiene dentro del intervalo definido anteriormente cuando la demanda de amoniaco para dicho uso externo cae repentinamente refrigerando la disolución dentro del reactor de hidrólisis por intercambio de calor dentro o fuera del reactor en respuesta a cambios rápidos de la demanda de amoniaco requerido para retirar dichos óxidos de nitrógeno.

3. El procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho reactor de hidrólisis contiene una intercambiador de calor adaptado tanto para calentar como para refrigerar dicha disolución, cuya refrigeración se lleva a cabo haciendo pasar un líquido de refrigeración a través de dicho intercambiador de calor.

4. El procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho reactor de hidrólisis contiene medios de calentamiento y refrigeración separados, y el intercambio de calor para refrigerar dicha disolución se lleva a cabo haciendo pasar un líquido de refrigeración a través de dichos medios.

5. El procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho reactor de hidrólisis está provisto de un intercambiador de calor externo, y el intercambio de calor para refrigerar dicha disolución se lleva a cabo retirando dicha disolución de dicho reactor, haciéndola pasar a través de dicho intercambiador de calor externo, y haciendo pasar la disolución refrigerada para uso adicional en dicho reactor.

6. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho reactor de hidrólisis está diseñado para relaciones gas-líquido en el intervalo de 0,3 a 10.

7. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho reactor de hidrólisis, equipado con un sistema de refrigeración, se activa con un interruptor de presión cuando la presión del reactor llega a un valor fijado.

8. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho reactor de hidrólisis está equipado con un sistema de refrigeración que se activa cuando el reactor está por encima de una temperatura fija predeterminada cuando se cierra la conducción de salida de amoniaco gaseoso.

9. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho reactor de hidrólisis está equipado con un sistema de refrigeración que se activa tanto por la presión de funcionamiento como por la temperatura del reactor cuando se cierra la conducción de salida de amoniaco gaseoso.