Método para la detección, medida y control de trióxido de azufre y de otros condensables presentes en los gases de combustión.

Método para determinar la cantidad de especies condensables presentes en un gas que contiene especiescondensables,

donde se coloca una sonda (20, 40) en un gas que contiene especies condensables,presentando la sonda una pluralidad de contactos separados (31, 32) dispuestos sobre una superficie exteriorno conductora, caracterizado porque:

se calienta la superficie exterior no conductora de acuerdo con una tasa de calentamiento determinada yposteriormente se enfría la superficie exterior no conductora de acuerdo con una tasa de enfriamientodeterminada, durante un período de tiempo determinado;

se supervisa la corriente que circula entre los contactos (31, 32) durante el período de tiempo determinado;se supervisa la temperatura de la superficie no conductora de la sonda (20, 40) durante el período detiempo determinado;

se identifican los picos en un gráfico del flujo de corriente durante el período de tiempo determinado;se identifica la temperatura para el tiempo correspondiente a cada pico; y

se correlaciona cuáles son las especies condensables que presentan un punto de rocío cinético en cadauna de las temperaturas identificadas, siendo el punto de rocío cinético la temperatura a la cual la tasa deevaporación del material condensado se iguala a la tasa de condensación, y se identifica con elcorrespondiente pico en el gráfico del flujo de corriente; y para cada una de las especies condensablesidentificadas se compara la temperatura identificada correspondiente a dicha especie con la correlaciónpredeterminada entre el punto de rocío y la concentración correspondiente a dicha especie, a fin dedeterminar una concentración de dicha especie condensable presente en el gas.

Método para la detección, medida y control de trióxido de azufre y de otros condensables presentes en los gases de combustión

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a métodos para la detección, medida y control de contaminantes, tales como SOx, en los gases de combustión emitidos por hornos alimentados mediante combustibles fósiles.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Desde hace varios años, la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos (EPA) exige a los operadores de centrales eléctricas, incineradoras, fundiciones y hornos de secado de cemento alimentados con combustibles fósiles que controlen los niveles de diversas especies gaseosas y partículas que se emiten a la atmósfera. Estas especies incluyen óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y oxígeno, que en general salen del horno a través de unos conductos comunicados con la chimenea del horno. También se han promulgado leyes y reglamentos que fijan normas en materia de emisiones y establecen penalizaciones para los operadores que no se ajusten a dichas normas. Los operadores de estas instalaciones deben controlar las emisiones, siendo muy frecuente que añadan materiales a los gases de combustión para reducir el nivel de emisiones de determinadas especies gaseosas. En general, este control se lleva a cabo mediante la inserción de una sonda capaz de realizar el control in situ o mediante una sonda de extracción o línea de muestreo que se introduce en los gases de combustión en determinados sitios del horno. Para analizar los constituyentes gaseosos de la muestra extraída, a veces es necesario eliminar las partículas y transportar la muestra a un lugar remoto capaz de llevar a cabo los análisis del gas.

En la técnica se han desarrollado diversas sondas para extraer muestras de los gases de combustión de una chimenea. En la patente US nº 5.458.010 se describen ejemplos de tales sistemas de muestreo. En un sistema de extracción tradicional, una bomba extrae el gas procedente del flujo de gas que se desplaza por el interior de la chimenea a través de la sonda caliente. A continuación, la muestra se transporta para su análisis a un emplazamiento remoto a través de una línea de muestreo calentada con un cable calefactor. La sonda y la línea de muestreo se calientan aproximadamente a 121ºC (250ºF) para impedir la condensación de humedad o ácido en la muestra. A continuación, la muestra se hace pasar por un “enfriador” que reduce su temperatura aproximadamente a 1, 67ºC (35ºF) . Así se condensa el vapor de agua, que se elimina por vaciado. La muestra, una vez seca, se vuelve a calentar y se transporta a un analizador, que mide los constituyentes de interés.

Un segundo tipo general de sistemas de muestreo utilizado en la técnica anterior recurre a una sonda de dilución. En este diseño, la frecuencia de extracción de la muestra a través de la chimenea es considerablemente inferior que con el sistema tradicional. En este caso, el gas se extrae a través de un filtro fino hacia un dispositivo conocido como "orificio sónico" u "orificio de flujo crítico". El orificio sónico se denomina así porque mide un caudal volumétrico constante, siempre tras de sí exista un vacío sustancial. El vacío de la parte posterior del orificio se mantiene mediante un tubo venturi controlado por una fuente de aire comprimido. El tubo venturi también sirve para aportar aire limpio y seco a la dilución, lo que hace descender el punto de rocío de la muestra. Todo el conjunto venturi/orificio está construido en el interior de una sonda no calentada, de forma que la dilución se lleva a cabo esencialmente a la temperatura de la chimenea. La muestra diluida se envía entonces al analizador aproximadamente a presión atmosférica.

Con frecuencia, las sondas utilizadas en los sistemas de muestreo de la técnica anterior incorporan sensores de temperatura.

Para controlar las emisiones, los operadores de los hornos alimentados con combustibles fósiles pueden añadir amoniaco, calcio, compuestos de sodio u otros materiales a los gases de combustión, para que las especies gaseosas no deseadas reaccionen con los aditivos y formen unos gases o partículas aceptables que puedan ser evacuados. Otra técnica, denominada Reducción Catalítica Selectiva de NOx ("SCR") utiliza un catalizador para controlar las emisiones de NOx. Se utilizan cámaras de saco, precipitadores e incluso filtros para eliminar las partículas de los gases de combustión.

El éxito o no de un aditivo específico dependerá no solamente de la composición de los gases de combustión, sino también de la temperatura del gas de combustión cuando se inyecta el aditivo. Muchos materiales funcionan bien tan sólo dentro de un rango de temperatura determinado. Si se añade el material mientras los gases de combustión no están dentro del rango de temperatura requerido o si se inyecta demasiado o demasiado poco aditivo, pueden producirse reacciones que generen compuestos no deseados. Estos compuestos pueden averiar los precipitadores, reducir la eficacia de los intercambiadores de calor y crear otros problemas.

Actualmente suele utilizarse amoniaco (NH3) como reactivo para eliminar óxidos de nitrógeno de los flujos gaseoso. Pero el NH3 también reacciona con el trióxido de azufre (SO3) generando sulfato de amonio ( (NH4) 2SO4) o bisulfato amónico (NH4HSO4) . Ambos pueden atascar los pasos catalíticos de los dispositivos SCR o de transferencia de calor y, especialmente, el calentador de aire regenerativo, que cuenta con múltiples conductos diminutos. Este atasco puede limitar el flujo del aire y de los gases de combustión hasta tal punto que debe apagarse la caldera y limpiarse el calentador de aire. El bisulfato amónico es con mucho el más dañino de los dos, ya que es muy pegajoso en buena parte del rango de temperatura de los gases de escape.

La patente estadounidense nº 6.677.765 describe un método para medir el amoniaco presente en los gases de combustión mediante una sonda refrigerada que mide la conductividad (y la corrosión) provocada por la condensación de bisulfato amónico. Este método utiliza una sonda tubular con bandas separadas o cintas fabricadas en el mismo material que el cuerpo de la sonda. Las bandas o cintas están fijadas al cuerpo de la sonda con un material aislante eléctrico a alta temperatura. La sonda porta al menos un termopar. En el interior del cuerpo de la sonda se coloca una serie de tubos de refrigeración para dirigir el aire frío a las zonas situadas cerca de cada una de las bandas. Una o más sondas se encuentran situadas en el horno o caldera, sobre la zona de inyección de amoniaco. Cuando se forma bisulfato amónico en la sonda, éste completa el circuito eléctrico entre el cuerpo de la sonda y las bandas. De este modo, la presencia de bisulfato amónico puede detectarse mediante la variación de la resistencia entre las bandas y el cuerpo de la sonda. El bisulfato amónico también causará la corrosión de la sonda. Durante el proceso de corrosión se genera ruido electroquímico. Un monitor conectado al cuerpo de la sonda puede detectar cualquier variación en la resistencia, así como el ruido electroquímico. Además, puede determinarse la tasa de corrosión a partir del nivel o cantidad de ruido electroquímico detectado.

La información obtenida mediante la sonda puede correlacionarse con su posición a fin de identificar aquellos inyectores que pueden constituir la fuente del exceso de amoniaco detectado. A continuación pueden ajustarse los inyectores para reducir o eliminar el exceso de inyección de amoniaco. Durante la combustión de combustibles basados en hidrocarburos en presencia de aire, el oxígeno del aire se combina con el carbono y el hidrógeno del combustible formando agua y dióxido de carbono. En el caso de la combustión de metano o de gas natural, el producto de los gases de combustión es una combinación formada por una mezcla relativamente limpia de nitrógeno y un exceso de oxígeno del aire, donde se produce entre un 10 y un 12% de agua y un 12% de productos de combustión conteniendo dióxido de carbono.

No obstante, en el caso de la combustión de carbón, se generan numerosas impurezas, siendo las más voluminosas cloro, azufre, compuestos nitrogenados unidos al combustible y cenizas mezcladas con carbono y con los hidrocarburos que constituyen el carbón utilizado como combustible. Los productos de combustión contienen alrededor de un 6% de agua y un 12% de dióxido de carbono, pero también otros muchos contaminantes. La propia ceniza contiene numerosos compuestos, que pueden consistir en metales, como sodio, calcio, magnesio, sílice, aluminio, hierro y azufre pirético, junto con trazas de muchos elementos considerados... [Seguir leyendo]

1. Método para determinar la cantidad de especies condensables presentes en un gas que contiene especies condensables, donde se coloca una sonda (20, 40) en un gas que contiene especies condensables, presentando la sonda una pluralidad de contactos separados (31, 32) dispuestos sobre una superficie exterior no conductora, caracterizado porque:

se calienta la superficie exterior no conductora de acuerdo con una tasa de calentamiento determinada y

posteriormente se enfría la superficie exterior no conductora de acuerdo con una tasa de enfriamiento determinada, durante un período de tiempo determinado;

se supervisa la corriente que circula entre los contactos (31, 32) durante el período de tiempo determinado;

se supervisa la temperatura de la superficie no conductora de la sonda (20, 40) durante el período de tiempo determinado;

se identifican los picos en un gráfico del flujo de corriente durante el período de tiempo determinado;

se identifica la temperatura para el tiempo correspondiente a cada pico; y

se correlaciona cuáles son las especies condensables que presentan un punto de rocío cinético en cada una de las temperaturas identificadas, siendo el punto de rocío cinético la temperatura a la cual la tasa de evaporación del material condensado se iguala a la tasa de condensación, y se identifica con el correspondiente pico en el gráfico del flujo de corriente; y para cada una de las especies condensables identificadas se compara la temperatura identificada correspondiente a dicha especie con la correlación predeterminada entre el punto de rocío y la concentración correspondiente a dicha especie, a fin de determinar una concentración de dicha especie condensable presente en el gas.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la sonda (20, 40) se calienta durante un tiempo de entre 0, 5 y 30 minutos.

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la sonda (20, 40) se enfría durante un tiempo de entre 0, 5 y 30 minutos.

4. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas es un gas de combustión.

5. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque las especies condensables son al menos una de bisulfato amónico, bisulfato sódico, trióxido de azufre y agua.

6. Método según la reivindicación 4, que también comprende la inyección en los gases de combustión de un aditivo seleccionado de entre el grupo consistente en amoniaco, compuestos amónicos, calcio, compuestos de calcio, sodio, compuestos de sodio, magnesio y compuestos de magnesio.

7. Método según la reivindicación 6, caracterizado porque el aditivo se selecciona en función de los compuestos condensables que se han identificado.

8. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque se inyecta amoniaco en el gas de combustión, habiéndose identificado el bisulfato de amonio como compuesto condensable, y porque también comprende ajustar la inyección de amoniaco para reducir al mínimo o eliminar de los gases de combustión el bisulfato amónico.

9. Método según la reivindicación 8, caracterizado porque el amoniaco se inyecta a través de diversas boquillas, y porque también comprende ajustar al menos una de las boquillas para modificar el flujo de amoniaco a través de la totalidad de las mismas.

10. Método según la reivindicación 1, que también comprende ajustar la tasa de calentamiento seleccionada durante el período de tiempo determinado.

11. Método según la reivindicación 1, que también comprende ajustar la tasa de enfriamiento seleccionada durante el período de tiempo determinado.

12. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas es un gas de combustión y en el que se inyecta al menos un aditivo al menos a través de un inyector, y porque comprende ajustar al menos un inyector en

respuesta a la concentración de al menos una de las especies condensables detectadas en el gas de combustión.

13. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas es un gas de combustión procedente de una central eléctrica y porque comprende adicionalmente controlar las temperaturas de funcionamiento de

diversos equipos específicos de la central de forma que se mantengan por encima de una temperatura mínima, para evitar la condensación de las especies condensables cuya presencia se ha detectado.

14. Método según la reivindicación 1, que también incluye calentar la sonda hasta alcanzar una temperatura superior a la temperatura del gas a la cual se ha insertado la sonda (20, 40) .

15. Método según la reivindicación 1, que también comprende:

obtener una muestra de un gas que puede contener trióxido de azufre;

antes de calentar la sonda (20, 40) , calentar el gas a una temperatura superior a 260ºC para descomponer y vaporizar todo el ácido sulfúrico en aerosol y particulado presente en la muestra;

enfriar el gas durante el período de tiempo seleccionado a una temperatura inferior a 204ºC para que todo el trióxido de azufre se convierta en ácido sulfúrico; y

determinar si una temperatura identificada corresponde a un punto de rocío cinético del ácido sulfúrico, siendo el punto de rocío cinético la temperatura a la cual la tasa de evaporación del material condensado se iguala con la tasa de condensación y a la cual se identifica el correspondiente pico en el gráfico del flujo de corriente.

Figura 1 Figura 2 Figura 3

Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13 Figura 14