Un procedimiento de disminución de la concentración de óxidos de nitrógeno en un gas de escape de combustión (24) que comprende:

a. formar un gas de escape de combustión en una zona de combustión (12), comprendiendo el gas de escape de combustión óxidos de nitrógeno; b. proporcionar aire de sobre fuego (28) y gotitas de una solución, partículas o un gas de un agente reductor selectivo (34) en una zona de abrasamiento (16), siendo las gotitas o partículas de un tamaño inferior a 50 micrómetros para promover la rápida reducción de los óxidos de nitrógeno de forma que la vida promedio de la gotita en el gas de escape de combustión y el aire de sobre fuego (28) sea igual al periodo durante el cual el aire de sobre fuego (28) se mezcla con el gas de escape de combustión; c. mezclar (34) el aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo con el gas de escape de combustión en la zona de abrasamiento a una temperatura por encima de un intervalo de temperatura óptimo para la reducción de los óxidos de nitrógeno; d. a medida que el gas de escape de combustión calienta el aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo hasta el intervalo de temperatura óptimo (54) de 871 ºC (1600 ºF) a 1093 ºC (2000 ºF) se reducen los óxidos de nitrógeno con el agente reductor, y e. continuar aumentando la temperatura del aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo más allá del intervalo de temperatura óptimo con el gas de escape

La presente invención se refiere a los controles de emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) para sistemas de combustión tales como calderas, hornos, incineradores y otros sistemas de combustión grandes (denominados conjuntamente en este documento “calderas”). En particular, la invención se refiere a la reducción de emisiones de NOx mediante la reducción selectiva de óxidos de nitrógeno a nitrógeno molecular. 5

Las emisiones de humo de calderas se eliminan o al menos se reducen enormemente mediante el uso de la tecnología de aire de sobre fuego (OFA). El OFA escalona el aire de combustión de forma que la mayoría del aire desemboca en una cámara de combustión primaria de la caldera y una parte del aire de combustión se desvía a una zona de abrasamiento conectada aguas abajo de la llama. El aire OFA facilita la combustión de partículas de humo y precursores de partículas de humo. 10

Otros tipos de contaminantes del aire producidos por la combustión incluyen óxidos de nitrógeno, principalmente NO y NO2. Los óxidos de nitrógeno (NOx) son objeto de preocupación creciente debido a su toxicidad y su función como precursores en la lluvia ácida y procedimientos de smog fotoquímico. Hay una necesidad sentida de técnicas rentables para reducir las emisiones de NOx generadas por calderas.

Una técnica de reducción de NOx convencional es la reducción selectiva no catalítica (SNCR) que inyecta un agente de 15 nitrógeno en el gas de escape en condiciones que producen una reacción no catalítica para reducir selectivamente NOx a nitrógeno molecular. La reducción de NOx es selectiva debido a que una gran parte del oxígeno molecular en el gas de escape no se reduce. En SNCR, un reactivo que lleva nitrógeno, por ejemplo, HN3, urea o un compuesto de amina se inyecta en la corriente de gas de escape a una temperatura óptima para la reacción de radicales NH2 y NH con NO reduciéndolo a nitrógeno molecular. La temperatura óptima para tales reacciones se centra a aproximadamente 1800 ºF 20 (982 ºC). A temperaturas sustancialmente mayores, el reactivo puede oxidarse a NO. A temperaturas sustancialmente menores, el reactivo puede pasar a través de los gases de escape sin reaccionar, produciendo amoniaco no reaccionado. Un intervalo óptimo de temperaturas para reducir NOx usando los procedimientos de SNCR es estrecho y generalmente de aproximadamente 1600 ºF (871 ºC) a aproximadamente 2000 ºF (1093 ºC), refiriéndose “aproximadamente” a una diferencia de temperatura más o menos de 25 grados. 25

Los gases de escape alcanzan temperaturas por encima de 2000 ºF (1093 ºC), pero se enfrían cuando pasan de nuevo por la caldera. Para permitir que los gases de escape se enfríen antes de que se libere el agente de nitrógeno se han desarrollado esquemas para inyectar gotitas relativamente grandes o partículas del agente en el gas de escape tales como con el aire de sobre fuego. Las gotitas grandes y las partículas están dimensionadas de manera que liberan el agente de nitrógeno después de enfriarse el gas de escape. Véase la patente de EE.UU. nº 6.280.695. Las gotitas grandes retrasan la 30 liberación del reactivo en la corriente de gas de escape hasta que la temperatura aparente del gas de escape se enfría hasta una ventana de temperatura de aproximadamente 1600 ºF (871 ºC) a 2000 ºF (1093 ºC).

La presente invención se define en la reivindicación 1.

La presente invención proporciona en una realización un procedimiento para eliminar óxidos de nitrógeno inyectando agente reductor en una corriente de gas a la vez que simultáneamente se minimiza el amoniaco no reaccionado. 35

La invención se describirá ahora en mayor detalle a modo de ejemplo con referencia a los dibujos en los que:

La FIGURA 1 es una vista lateral esquemática de un sistema de combustión que tiene un inyector de agente de nitrógeno en un puerto de aire de sobre fuego.

La FIGURA 2 es una gráfica de temperatura del gas de escape de combustión frente al tiempo.

Las FIGURAS 3 a 6 son diagramas que muestran el efecto sobre los niveles de emisión de NOx debido a la inyección de un 40 agente de nitrógeno gaseoso (NH3) a diferentes relaciones estequiométricas y diferentes temperaturas del gas de escape.

La FIGURA 7 es una tabla de predicciones generadas por ordenador de reducciones de las emisiones de NOx para diversos tamaños de gotita del agente de nitrógeno, temperaturas del gas de escape y otros parámetros de operación de la caldera.

La FIGURA 8 es un diagrama de predicciones generadas por ordenador de reducciones de las emisiones de NOx para diversos tamaños de gotita del agente de nitrógeno y temperaturas del gas de escape. 45

Un reactivo de nitrógeno (un “agente de nitrógeno”) que lleva gotitas gaseosas o pequeñas (inferiores a 50 micrómetros de diámetro) se introduce con aire de combustión escalonado, por ejemplo, aire OFA, aguas abajo de la zona de combustión primaria para reducir el NOx en el gas de escape de una caldera. En la combustión escalonada, una parte del aire requerido para completar la combustión (aire de sobre fuego) se inyecta aguas abajo del procedimiento de combustión primario tal como donde los productos del gas de escape de la combustión primaria se han enfriado hasta aproximadamente 2400 ºF 50 (1316 ºC) a 2600 ºF (1427 ºC). El agente de nitrógeno en forma gaseosa o gotitas pequeñas (aproximadamente <50 micrómetros) en una solución acuosa se introduce junto con el aire escalonado en el gas de escape extremadamente caliente. El aire de combustión escalonado y el agente de nitrógeno se calientan rápidamente hasta la temperatura del gas de escape a más de 2000 ºF (1093 ºC).

Se ha hecho el sorprendente descubrimiento que la reducción de NOx puede lograrse con SNCR mediante una liberación de un agente de nitrógeno gaseoso o de gotitas pequeñas en un área en o próxima a la del inyector de OFA en la que la temperatura aparente del gas de escape es demasiado caliente para la óptima SNCR. Un agente de nitrógeno de amoniaco gaseoso o gotitas pequeñas, por ejemplo, diámetro promedio inferior a aproximadamente 50 micrómetros, se inyecta en el sistema de OFA antes de o simultáneamente con el mezclado de aire OFA con el gas de escape que contiene NOx. El gas 5 de agente de nitrógeno o las gotitas pequeñas proporcionan una rápida liberación de reactivo de nitrógeno tal como en un periodo inferior a aproximadamente 0,1 a 0,3 segundos. La liberación de nitrógeno se produce cuando la mezcla de agente de nitrógeno relativamente frío y el aire de sobre fuego se calienta por gases de escape a través de una ventana de temperatura óptima para SNCR y a temperaturas más calientes. El nitrógeno puede estar dentro de la ventana de temperatura óptima durante un corto periodo, por ejemplo, 0,1 a 0,3 segundos. Introduciendo el agente de nitrógeno como 10 gas o gotitas pequeñas, el agente se libera rápidamente durante el breve periodo de la ventana de temperatura óptima. La rápida liberación garantiza que el agente de nitrógeno se ponga en contacto con el NOx en el gas de escape cuando el agente está dentro de la ventana de temperatura óptima. Además, la liberación se produce próxima a la entrada al inyector de aire de sobre fuego en la que se produce el vigoroso mezclado entre corrientes de chorro de aire de sobre fuego y de gas de escape. 15

El tamaño de gotita del agente se ajusta de manera que la vida promedio de la gotita en el gas de escape y OFA sea igual al periodo de la ventana de temperatura óptima y/o al periodo durante el cual el aire de sobre fuego se mezcla con el gas de escape de combustión. En general, un tamaño promedio inicial adecuado de las gotitas inyectadas en el aire de sobre fuego es inferior a aproximadamente 50 micrómetros de diámetro. El tamaño de gotita preferido es un tamaño de las gotitas cuando se inyectan en el aire de sobre fuego, por ejemplo, el tamaño de las gotitas antes de la evaporación. 20 Preferentemente, la vida promedio de la gotita es inferior a de aproximadamente un décimo (0,1) a 0,3 de un segundo.

La FIGURA 1 es una representación esquemática de un sistema 10 de combustión tal como se usa en una caldera calefactada con carbón y adaptado para los procedimientos de la presente invención. El sistema 10 de combustión incluye una zona 12 de combustión, una zona 14 de postcombustión y una zona 16 de abrasamiento. La zona 12 de combustión está equipada con al menos uno, y preferentemente una pluralidad, de quemadores 18 principales que... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de disminución de la concentración de óxidos de nitrógeno en un gas de escape de combustión (24) que comprende:

a. formar un gas de escape de combustión en una zona de combustión (12), comprendiendo el gas de escape de combustión óxidos de nitrógeno; 5

b. proporcionar aire de sobre fuego (28) y gotitas de una solución, partículas o un gas de un agente reductor selectivo (34) en una zona de abrasamiento (16), siendo las gotitas o partículas de un tamaño inferior a 50 micrómetros para promover la rápida reducción de los óxidos de nitrógeno de forma que la vida promedio de la gotita en el gas de escape de combustión y el aire de sobre fuego (28) sea igual al periodo durante el cual el aire de sobre fuego (28) se mezcla con el gas de escape de combustión; 10

c. mezclar (34) el aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo con el gas de escape de combustión en la zona de abrasamiento a una temperatura por encima de un intervalo de temperatura óptimo para la reducción de los óxidos de nitrógeno;

d. a medida que el gas de escape de combustión calienta el aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo hasta el intervalo de temperatura óptimo (54) de 871 ºC (1600 ºF) a 1093 ºC (2000 ºF) se reducen los óxidos de nitrógeno con el 15 agente reductor, y

e. continuar aumentando la temperatura del aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo más allá del intervalo de temperatura óptimo con el gas de escape.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el intervalo de temperatura óptimo (54) durante la etapa (d) se produce en un corto periodo inferior a 0,3 segundos y la reducción de los óxidos de nitrógeno se produce durante el corto periodo. 20

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el pequeño tamaño promedio de gotitas o partículas (34) no es superior a 50 micrómetros.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de mezclar el aire de sobre fuego y el agente reductor selectivo con el gas de escape se produce cuando el gas de escape de combustión está en un intervalo de temperatura de 1371 ºC (2500 ºF) a 1093 ºC (2000 ºF). 25

5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de proporcionar el aire de sobre fuego (28) y el agente reductor selectivo (34) comprende añadir el agente reductor selectivo al aire de sobre fuego simultáneamente con la inyección de aire de sobre fuego al gas de escape de combustión en la zona de abrasamiento.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de proporcionar el aire de sobre fuego (28) y el agente reductor selectivo (34) comprende añadir el agente reductor selectivo al aire de sobre fuego antes de inyectar el aire de sobre fuego 30 en la zona de abrasamiento.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el agente reductor selectivo (34) reduce los óxidos de nitrógeno cuando el gas de escape está a una temperatura promedio superior a 1093 ºC (2000 ºF) y la mezcla de gas de escape, aire de sobre fuego y agente reductor está a una temperatura promedio de 871 ºC (1600 ºF) a 1093 ºC (2000 ºF).