Método para la protección de catalizadores SCR y método para controlar emisiones que contienen compuestos de fósforo.

Un método para aumentar la vida activa de un catalizador SCR, comprendiendo el método las etapas de:

(a) proporcionar al menos un compuesto que tiene hierro a una zona de combustión o flujo de gas de combustión de un horno o caldera; y

(b) permitir al menos al compuesto que tiene hierro reaccionar con cualquier compuesto gaseoso de fósforo, o compuesto que contiene fósforo, presente en la zona de combustión o el gas de combustión antes de la entrada del gas de combustión en un SCR.

Método para la protección de catalizadores SCR y método para controlar emisiones que contienen compuestos de fósforo

Datos de Solicitud Relacionada

Esta solicitud de patente reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos N2 61/171.619 presentada el 22 de abril de 2009 y titulada "System and Method for Protection of SCR Catalyst". El texto completo de esta solicitud se incorpora por la presente por referencia tal como queda completamente establecido en el presente documento en su totalidad.

Campo

La presente invención se refiere generalmente al campo de equipos de control de emisiones para calderas, calentadores, cocedores u otros dispositivos generadores de gases de salida o gases de combustión (por ejemplo, los localizados en centrales de energía, plantas de procesamiento, etc.) y, en particular, pero no exclusivamente, a un nuevo y útil método para reducir o prevenir el envenenamiento y/o contaminación de un catalizador SCR. En otra realización, el método de la presente invención está diseñado para proteger el catalizador SCR.

Antecedentes

NOx se refiere a las emisiones acumuladas de óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO2) y cantidades traza de otras especies de óxido de nitrógeno generadas durante la combustión. La combustión de cualquier combustible fósil genera cierto nivel de NOx debido a las altas temperaturas y la disponibilidad de oxígeno y nitrógeno tanto del aire como del combustible. Las emisiones de NO* pueden controlarse usando una tecnología de combustión de bajo NOx y técnicas de poscombustión. Una técnica de poscombustión de este tipo implica sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) en los que un catalizador facilita una reacción química NOx y un reactivo (normalmente amoniaco) para producir nitrógeno molecular y vapor de agua.

La tecnología SCR se usa a escala mundial para controlar las emisiones de NOx procedentes de fuentes de combustión. Esta tecnología se ha usado ampliamente en Japón para el control de NOx de calderas radiantes desde finales de los setenta, en Alemania desde finales de los ochenta y en Estados Unidos desde la década de 1990. Los SCR a escala industrial se han diseñado para funcionar principalmente en el intervalo de temperatura de 500 2F a 900 2F (de 260 2C a 482,22 2C), pero más a menudo en el intervalo de 550 2F a 750 2F (de 287,78 2C a 398,89 2C). Los SCR están diseñados típicamente para cumplir una eficiencia de reducción de NO* especificada en un escale de amoniaco máximo admisible. El escape de amoniaco es la concentración, expresada en partes por millón en volumen, de amoniaco sin reaccionar que sale del SCR.

Para obtener detalles adicionales con respecto a tecnologías de eliminación de NOx usadas en las instalaciones industriales y de generación de energía, el lector puede dirigirse a Steam/its generation and use, 41a Edición, Kitto y Stultz, Eds., Copyright 2005, The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, Estados Unidos, particularmente el capítulo 34 - Nitrogen Oxides Control, cuyo texto se incorpora por la presente por referencia tal como queda completamente establecido en el presente documento.

Las normas emitidas por la EPA prometen aumentar la porción de calderas radiantes equipadas con SCR. Los SCR están diseñados generalmente para una eficiencia máxima de aproximadamente el 90%. Este límite no se establece por ningún límite teórico sobre la capacidad de los SCR para conseguir mayores niveles de destrucción de NOx. Por el contrario, es un límite práctico establecido para evitar niveles excesivos de escape de amoniaco. Este problema se explica como se indica a continuación.

En un SCR, el amoniaco reacciona con NOx de acuerdo con una o más de las siguientes reacciones estequiométricas (a) a (d):

4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O (a)

12N02 + 12NH3 12N2 + 18H2O + 302 (b)

2NO2 + 4NH3 + O2 -> 3N2 + 6H2O (c)

NO + N02 + 2NH3 2N2 + 3H20 (d).

Las reacciones de catálisis anteriores se producen usando un catalizador adecuado. Se analizan catalizadores adecuados en, por ejemplo, las patentes de Estados Unidos N2 5.540.897; 5.567.394; y 5.585.081 de Chu y col., cada una de las cuales se incorpora por la presente por referencia tal como queda completamente establecido en el presente documento. Las formulaciones de catalizador están generalmente en una de tres categorías: metal base,

zeolita y metal precioso.

Los catalizadores de metal base usan óxido de titanio con pequeñas cantidades de vanadio, molibdeno, tungsteno o una combinación de varios agentes químicos activos diferentes. Los catalizadores de metal base son selectivos y funcionan en el intervalo de temperatura especificado. El mayor inconveniente del catalizador de metal base es su potencial para oxidar S02 para dar S03; el grado de oxidación varía en base a la formulación química del catalizador. La cantidad de S03 que se forma puede reaccionar con el transporte de amoniaco para formar diversas sales de sulfato de amonio.

Los catalizadores de zeolita son materiales de aluminosilicato que funcionan de forma similar a los catalizadores de metal base. Una ventaja potencial de los catalizadores de zeolita es su mayor temperatura operativa de aproximadamente 970 2F (521 2C). Estos catalizadores también pueden oxidar SO2 para dar SO3 y deben corresponderse cuidadosamente con las condiciones del gas de combustión.

Los catalizadores de metal precioso se fabrican generalmente a partir de platino y radio. Los catalizadores de metales preciosos también requieren la atención cuidadosa de los constituyentes de los gases de combustión y las temperaturas operativas. Al mismo tiempo que son eficaces para reducir el NOx, estos catalizadores también pueden actuar como catalizadores de oxidación, convirtiendo el CO en CO2 en las condiciones de temperatura apropiadas. Sin embargo, la oxidación de SO2 en SO3 y el elevado coste material con frecuencia hacen menos atractivos los catalizadores de metales preciosos.

Como se conoce por los expertos en la técnica, diversos catalizadores SCR experimentan envenenamiento al contaminarse por los diversos compuestos incluyendo, pero sin limitación, ciertos compuestos de fósforo, tales como óxido de fósforo (PO) o pentóxido de fósforo (P2O5).

Más particularmente, puesto que los catalizadores SCR se exponen al gas de combustión cargado de polvo existen numerosos mecanismos que incluyen cegamiento, enmascaramiento y envenenamiento que desactivan el catalizador y provocan un descenso del rendimiento del catalizador con el tiempo. El veneno de catalizador más común encontrado al quemar carbón doméstico del este (es decir, carbón extraído en el este de Estados Unidos) es el arsénico. El veneno de catalizador más común encontrado al quemar carbón doméstico del oeste (es decir, carbón extraído en el oeste de Estados Unidos) es fósforo y el sulfato cálcico es el mecanismo de enmascaramiento más común. Un método de reciclaje del catalizador usado es el proceso denominado lavado de regeneración o rejuvenecimiento. Las etapas iniciales del proceso de regeneración implican la eliminación de estos productos químicos tóxicos mediante el procesamiento de los catalizadores a través de diversos baños químicos en los que los venenos son solubles. Aunque este proceso de tratamiento hace un trabajo excelente para eliminar los venenos deseados produce aguas residuales con concentraciones muy altas de arsénico.

En otra situación, las plantas de lignito de la cuenca del río Powder, cualquier co-combustión de carbón/biomasa, o cualquier co-combustión de carbón/harinas animales o incluso centrales de energía de combustión de biomasa pura estarán afectadas por contaminación con fósforo de sus catalizadores SCR.

Adicionalmente, más allá de controlar las emisiones de NOx, deben considerarse y/o cumplirse otros controles de emisión con el fin de cumplir con diversas normas estatales, de la EPA y/o la Ley de Aire Puro. Algunos controles de emisión diferentes que han de considerarse para calderas, calentadores, cocedores u otros dispositivos generadores de gases de salida o gases de combustión (por ejemplo, los localizados en centrales de energía, plantas de procesamiento, etc.) incluyen, pero sin limitación, mercurio, SOx y ciertas partículas.

Dado lo anterior, existe la necesidad de un método que proporcione cualquier método y/o sistema económica y medioambientalmente adecuado para eliminar el fósforo gaseoso de un proceso de combustión antes de cualquier compuesto de fósforo que envenene un catalizador en un SCR.

Sumario

Desde un punto de vista, la presente invención puede referirse generalmente al campo de equipos de control de... [Seguir leyendo]

1. Un método para aumentar la vida activa de un catalizador SCR, comprendiendo el método las etapas de:

(a) proporcionar al menos un compuesto que tiene hierro a una zona de combustión o flujo de gas de combustión de un horno o caldera; y

(b) permitir al menos al compuesto que tiene hierro reaccionar con cualquier compuesto gaseoso de fósforo, o compuesto que contiene fósforo, presente en la zona de combustión o el gas de combustión antes de la entrada del gas de combustión en un SCR.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el suministro se produce antes de la entrada del gas de combustión en el SCR.

3. El método de la reivindicación 1 ó 2, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre uno o más haluros de hierro, hierro metálico, uno o más óxidos de hierro, carbonato de hierro, o mezclas de dos o más de los mismos.

4. El método de la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), óxido de hierro (II), o mezclas de dos o más de los mismos.

5. El método de la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), o una mezcla de los mismos.

6. El método de cualquier reivindicación anterior, en el que el al menos un compuesto que tiene hierro se proporciona a la zona de combustión a través de la adición a carbón pulverizado, o a través de una línea de alimentación dedicada, opcionalmente en forma acuosa o en polvo.

7. El método de cualquier reivindicación anterior, para aumentar la vida activa de un catalizador SCR controlando simultáneamente el mercurio en un gas, en el que el al menos un compuesto que tiene hierro comprende al menos un compuesto de haluro que tiene hierro, comprendiendo el método la etapa adicional de:

permitir a la porción de haluro del al menos un compuesto de haluro que tiene hierro reaccionar con cualquier compuesto gaseoso de mercurio, o compuesto que contiene mercurio, presente en la zona de combustión o el gas de combustión.

8. El método de la reivindicación 7, en el que el compuesto de haluro que tiene hierro se selecciona entre bromuro de hierro (II), bromuro de hierro (III), cloruro de hierro (II), cloruro de hierro (III), yoduro de hierro (II), yodato de hierro (III), o mezclas de dos o más de los mismos.

9. El método de la reivindicación 7, en el que el compuesto de haluro que tiene hierro es bromuro de hierro (II).

10. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que comprende adicionalmente suministrar uno o más compuestos que tienen hierro sin contenido de halógeno en combinación con el al menos un haluro que tiene hierro, donde el uno o más compuestos que tienen hierro sin contenido de halógeno se seleccionan entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), óxido de hierro (II), o mezclas de dos o más de los mismos.

11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, que comprende adicionalmente suministrar carbonato de hierro (II) en combinación con el al menos un haluro que tiene hierro, en el que el haluro que tiene hierro es opcionalmente uno o más de bromuro de hierro (II) o bromuro de hierro (III).

12. Un método para secuestrar uno o más compuestos de fósforo, o compuestos que contienen fósforo, en forma de uno o más compuestos que contienen hierro-fósforo menos reactivos, comprendiendo el método las etapas de:

(A) proporcionar al menos un compuesto que tiene hierro a una zona de combustión o flujo de gas de combustión de un horno o caldera; y

(B) permitir al menos al compuesto que tiene hierro reaccionar con cualquier compuesto gaseoso de fósforo, o compuesto que contiene fósforo, presente en la zona de combustión o el gas de combustión para formar uno o más compuestos que contienen hierro-fósforo menos reactivos.

13. El método de la reivindicación 12, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre uno o más haluros de hierro, yodato de hierro, hierro metálico, uno o más óxidos de hierro, carbonato de hierro, o mezclas de dos o más de los mismos.

14. El método de la reivindicación 12, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), óxido de hierro (II), o mezclas de dos o más de los mismos.

15. El método de la reivindicación 12, en el que el compuesto que tiene hierro se selecciona entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), bromuro de hierro (II), bromuro de hierro (III), o una mezcla de dos o más de los mismos.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, en el que el al menos un compuesto que tiene hierro se proporciona a la zona de combustión a través de la adición a carbón pulverizado, o a través de la adición a carbón bruto que después se pulveriza, o a través de una línea de alimentación dedicada.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 16, en el que el uno o más compuestos que contienen hierro-fósforo menos reactivos contienen adicionalmente oxígeno.

18. El método de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17 para secuestrar uno o más compuestos de fósforo, o compuestos que contienen fósforo, en forma de uno o más compuestos que contienen hierro-fósforo menos reactivos, secuestrando simultáneamente el mercurio, en el que el al menos un compuesto que tiene hierro comprende al menos un compuesto de haluro que tiene hierro, comprendiendo el método la etapa adicional de:

permitir a la porción de haluro del al menos un compuesto de haluro que tiene hierro reaccionar con cualquier compuesto gaseoso de mercurio, o compuesto que contiene mercurio, presente en la zona de combustión o el gas de combustión.

19. El método de la reivindicación 18, en el que el compuesto de haluro que tiene hierro se selecciona entre bromuro de hierro (II), bromuro de hierro (III), cloruro de hierro (II), cloruro de hierro (III), yoduro de hierro (II), yodato de hierro (III), o mezclas de dos o más de los mismos.

20. El método de la reivindicación 18, en el que el compuesto de haluro que tiene hierro es uno o más de bromuro de hierro (II) o bromuro de hierro (III).

21. El método de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, que comprende adicionalmente suministrar uno o más compuestos que tienen hierro sin contenido de halógeno en combinación con al menos un haluro que tiene hierro, donde el uno o más compuestos que tienen hierro sin contenido de halógeno se seleccionan entre óxido de hierro (III), carbonato de hierro (II), óxido de hierro (II), o mezclas de dos o más de los mismos.

22. El método de cualquiera de las reivindicaciones 18 a 21, que comprende adicionalmente suministrar carbonato de hierro (II) en combinación con al menos un haluro que tiene hierro, en el que el haluro que tiene hierro es opcionalmente uno o más de bromuro de hierro (II) o bromuro de hierro (III).