Catalizador de oxidación de amoníaco para dispositivos que funcionan con carbón.

Un método para retirar amoníaco en gases efluentes, en donde el amoníaco se utiliza como un agente de reducción catalítica selectivo con un catalizador primario para reducir óxidos de nitrógeno,

que comprende las etapas de:

a. agregar amoníaco a los gases efluentes y reducir los óxidos de nitrógeno en presencia de dicho catalizador primario para producir un gas efluente tratado que tiene un contenido de NOX menor que dichos gases efluentes y que contiene amoníaco sin reaccionar;

b. poner en contacto dicho gas efluente tratado con un catalizador de oxidación de amoníaco secundario para reducir la cantidad de amoníaco, comprendiendo dicho catalizador secundario un metal precioso y vanadio soportados sobre un soporte de óxido metálico;

en donde dichos gases efluentes son obtenidos a partir de la combustión de carbón.

Catalizador de oxidación de amoníaco para dispositivos que funcionan con carbón Campo de la invención La presente invención está dirigida hacia un proceso que elimina por oxidación catalítica el exceso de gas amoníaco (NH3) que los gases efluentes que han sido sometidos a reducción catalítica selectiva (SCR) de óxidos de nitrógeno (NOx) por inyección de amoníaco. La invención se relaciona adicionalmente con métodos para la eliminación de amoníaco residual de los gases efluentes antes de la deposición sobre cenizas volantes.

Antecedentes de la invención Mucha de la energía eléctrica utilizada en hogares y negocios a lo largo del mundo es producida en plantas de generación de energía que queman un combustible fósil (esto es carbón, petróleo o gas) en una caldera. El gas expulsado caliente resultante (alguna veces también denominado “gas efluente”) enciende una turbina de gas o hierve agua para producir vapor, el cual enciende una turbina de vapor, y la turbina coopera con un generador para producir potencia eléctrica. La corriente de gas efluente pasa subsecuentemente a través de un calentador de aire, tal como un intercambiador de calor de rueda rotatoria que transfiere el calor del gas efluente a una corriente de aire entrante, la cual después de esto fluye hacia el elemento de combustión. El gas efluente enfriado parcialmente es dirigido desde el precalentador de aire hasta el apilamiento de salida.

El gas efluente contiene contaminantes tales como óxido de azufre (SOX) , óxido de nitrógeno (NOX) , monóxido de carbono (CO) y partículas de hollín cuando se utiliza carbón como fuente combustible primaria. La descarga de todos estos contaminantes en la atmósfera está sujeta a regulaciones federales y locales, las cuales restringen grandemente los niveles de estos componentes del gas efluente.

Para satisfacer los niveles reducidos de emisiones de NOX a partir de estaciones de energía, se requiere por regulaciones ambientales, que muchas unidades generadoras de energía eléctrica alimentadas con combustibles fósiles estén equipadas con tecnologías de reducción catalítica selectica (SCR) o de reducción no catalítica selectiva (SNCR) . En las SCR, el método más comúnmente utilizado es inyectar amoníaco o reactivos basados en urea en presencia de un catalizador de óxido de vanadio donde el amoníaco reacciona para reducir los óxidos de nitrógeno. El SCR se logra generalmente a temperaturas más bajas que el SNCR. El sistema SCR opera típicamente a temperaturas de gas efluente que varían entre 300° C y 450°C. La Patente de los Estados Unidos No. 5, 104, 629 ilustra un tipo conocido de instalación SCR.

En SNCR, el método más comúnmente utilizado es inyectar amoníaco o reactivos basados en urea en el horno superior para reducir los óxidos de nitrógeno sin el uso de un catalizador. El sistema SNCR opera a temperaturas de gas efluente que varían entre 850°C y 1150°C. Las Patentes de los Estados Unidos Nos. 3, 900, 554, 4, 208, 386 y 4, 325, 924 ilustran los tipos conocidos de aplicaciones de SNCR.

La EP 0 694 329 A2 divulga un método para desnitrar un gas de salida incluyendo el uso de un catalizador SCR en combinación con un catalizador de descomposición de amoníaco.

La EP 0 686 423 A2, US 4, 179, 412 y DE 4020914 A1 se relacionan con catalizadores de oxidación de amoníaco y con métodos para la eliminación de amoniaco a partir de los gases efluentes.

La WO 2005/025724 A1 divulga catalizadores de oxidación de amoníaco en capas. Más específicamente, dicho documento divulga el tratamiento de corrientes de gas de salida a partir de fuentes estacionarias, en donde se mencionan las plantas generadoras de electricidad con combustible de gas natural

En plantes de energía alimentadas por carbón, los sistemas de inyección de amoníaco para SCR y sistemas de SCR se instalan típicamente en la región de alta temperatura y alto polvo de la corriente de gas efluente, la cual está típicamente antes de la recolección de cenizas. Un problema común con las tecnologías SCR y SNCR es que algo de amoníaco residual, conocido como amoníaco deslizado, impacta negativamente los componentes corriente abajo y los procesos tales como: contaminación del precalentador de aire, contaminación de cenizas volantes y emisión de gases de amoníaco hacia la atmósfera. El problema de amoníaco deslizante se exacerba adicionalmente como resultado del deterioro de la superficie del catalizador de SCR así como en la distribución equivoca de la velocidad del gas efluente, temperatura y concentraciones de amoníaco y NOX.

Un problema adicional con los métodos actuales es que las inyecciones de amoníaco incrementados retirarán más eficientemente los óxidos de nitrógeno, pero luego el exceso de amoníaco dará como resultado un deslizamiento de amoníaco incrementado en el gas efluente. En plantas de energía alimentadas con carbón este exceso de amoníaco puede, además, contaminar las cenizas volantes resultantes basadas en carbón.

Aún en las plantas de energía que se basan en gas natural o petróleo, los efectos ambientales del amoníaco así expulsado son indeseables. La EPA ha emitido una variedad de iniciativas reguladoras que pretenden reducir los NOX. Se determinó que la combustión de combustibles fósiles es la fuente principal de emisiones de NOX. Estas regulaciones de control fueron establecidas por la EPA bajo el Título IV de las Enmiendas al Acta de Aire Limpio de 1990 (CAAA90) . En julio de 1997 la EPA propuso otro cambio en los nuevos estándares de comportamiento de fuentes y estas revisiones estuvieron basadas en el rendimiento que podría ser obtenido mediante la tecnología SCR.

Como se describió en breve anteriormente, el tratamiento de los gases de salida de las calderas y similares presenta las siguientes desventajas:

(1) que algo de amoníaco se deja sin retirar en el gas tratado;

(2) baja rata de descomposición de NOX ; y

(3) alto consumo de amoníaco.

Las desventajas (1) y (2) están correlacionadas.

Por ejemplo, si el suministro de amoníaco se incrementa con el fin de elevar la rata de descomposición de NOX, la proporción de amoníaco residual en el gas tratado será alta. Este amoníaco residual puede ser las cantidades que son permitidas por las regulaciones existentes para pasar hacia la atmósfera. Así, la eficiencia en la separación de óxido de nitrógeno de los procesos conocidos está limitada por la cantidad de amoníaco sin reaccionar que puede ser descargada hacia la atmósfera.

Además, la variación en la carga del equipo de combustión cambiará la temperatura, en el punto donde se introduce el amoníaco, hasta un valor desviado del rango de temperatura óptimo, y esto a su vez hará disminuir la rata de descomposición, tendiendo a incrementar la proporción de amoníaco residual. Incluso en una proporción pequeña, el amoníaco residual reaccionará rápidamente con el contenido de ácido sulfúrico del gas de salida para producir sulfato ácido de amonio. Este producto se adherirá a la superficie posterior de transferencia de calor en la región de temperatura relativamente baja, por ejemplo, a las superficies de calentamiento del precalentador de aire y partes asociadas de una caldera, produciendo un incremento en la pérdida de presión, deteniendo la operación del equipo de combustión, y atacando los materiales del equipo con su eventual corrosión.

Como se describió anteriormente, el amoníaco que se queda sin retirar en el gas de salida tratado provee un obstáculo principal en la forma de la operación práctica. Consecuentemente, hay un límite superior al suministro de amoníaco y naturalmente la rata de descomposición de NOX es baja. Esto ha sido un problema en la práctica de desnitrificación no catalítica a alta temperatura. Adicionalmente, el amoníaco, el cual se introduce en la región de alta temperatura, sufre una reacción concomitante para descomponerse así mismo, dando como resultado la desventaja (3) del consumo excesivo de amoníaco, o más que el equivalente para la reacción de descomposición de NOX. Está tendencia será pronunciada a medida que la cantidad de inyección de amoníaco se incremente en anticipación de una rata de descomposición mejorada. Este ha sido otro factor limitante para la rata de descomposición de NOX que se pueda alcanzar de manera convencional.

Es importante lograr la reacción del amoníaco y el NOX de una manera eficiente, para una reacción máxima posible tanto del NOX y del amoníaco. Si la reacción es incompleta, bien sea del NOX o el amoníaco (o ambos) pueden pasar a través del apilamiento y ser emitidos a la atmósfera. Tanto el NOX como el amoníaco se clasifican... [Seguir leyendo]

1. Un método para retirar amoníaco en gases efluentes, en donde el amoníaco se utiliza como un agente de reducción catalítica selectivo con un catalizador primario para reducir óxidos de nitrógeno, que comprende las etapas de:

a. agregar amoníaco a los gases efluentes y reducir los óxidos de nitrógeno en presencia de dicho catalizador primario para producir un gas efluente tratado que tiene un contenido de NOX menor que dichos gases efluentes y que contiene amoníaco sin reaccionar;

b. poner en contacto dicho gas efluente tratado con un catalizador de oxidación de amoníaco secundario para reducir la cantidad de amoníaco, comprendiendo dicho catalizador secundario un metal precioso y vanadio soportados sobre un soporte de óxido metálico;

en donde dichos gases efluentes son obtenidos a partir de la combustión de carbón.

2. El método de la reivindicación 1, en donde dicho soporte de óxido metálico es titania.

3. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde dicho metal precioso es seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, rodio y oro.

4. El método de la reivindicación 3, en donde dicho metal precioso es platino.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dicho catalizador secundario se aplica sobre un sustrato en la forma de un panal.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicho gas efluente tratado es puesto en contacto con el catalizador secundario a temperaturas que van desde aproximadamente 300° C hasta aproximadamente 450°

C.

7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde se agrega una fuente de oxígeno a dicho gas efluente tratado antes de entrar en contacto con dicho catalizador secundario.

8. El método de la reivindicación 5, en donde dicho catalizador secundario está presente en un rango de aproximadamente 0.06 hasta aproximadamente 0.15 g/cm3 (aproximadamente 1.0 gramos hasta aproximadamente

2.5 gramos por pulgada cúbica) de dicho sustrato.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde dicho catalizador primario es vanadia, y opcionalmente óxido de tungsteno sobre titania.

10. El método de la reivindicación 9 en donde dicho catalizador primario es un extrudido homogéneo.

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde dicho metal precioso está presente en cantidades desde aproximadamente 0.1 a 2.0% en peso con respecto a dicho soporte de óxido metálico.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde dicha vanadia comprende desde aproximadamente 1.0 a 10% en peso de dicho soporte de óxido metálico.

13. El método de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 12, en donde dicho metal precioso está presente en cantidades desde aproximadamente 0.1 a 2.0% en peso de dicha titania.

14. El método de la reivindicación 13, en donde dicha vanadia está presente en cantidades desde aproximadamente

1.0 a 10% en peso de dicha titania.