BR0316490B1 - sistema de tratamento de emissão para a remoção de nox de um gás de combustão. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE TRATAMENTO DE EMISSÃO PARA A REMOÇÃO DE NOx DE UM GÁS DE COMBUSTÃO".

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se de modo geral a processos e a um aparelho para a remoção de óxidos de nitrogênio ou "N0X" (principal- mente óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2) de gases de exaustão e similares. Mais particularmente, a presente invenção se refere a processos e a um aparelho para a redução de NOx seletivamente dos gases de exaus- tão produzidos durante o refino do petróleo, a produção petroquímica, e também a processos industriais que produzem gases de exaustão contendo NOx.

Os combustíveis carbonosos são queimados em motores de combustão interna e em uma ampla variedade de processos industriais (por exemplo, em caldeiras, fornos, aquecedores e incineradores, no refino de petróleo, na produção petroquímica, e similares). O ar em excesso freqüen- temente é usado para completar a oxidação de subprodutos de combustão, como, por exemplo, o monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos e fuli- gem. Os radicais livres do nitrogênio (N2) e do oxigênio (O2) se combinam quimicamente de modo a formar o NOx, basicamente NO, a altas temperatu- ras de combustão. Este NOx térmico tende a se formar de uma maneira uni- forme quando nitrogênio não se encontra presente no combustível. As modi- ficações de combustão que diminuem a formação do NOx térmico de modo geral são limitadas pela geração dè subprodutos objetáveis ou pela deterio- ração das propriedades de chama.

Ao se descarregarem para o ar, as emissões de NO se oxidam de modo a formar o NO2, o qual, na presença da luz solar, reage com com- postos orgânicos voláteis de modo a formar agentes irritantes ao olho, de ozônio no nível da terra ou uma mistura de nevoeiro e fumaça fotoquímica. Apesar dos avanços nos combustíveis e na tecnologia da combustão, as concentrações de ozônio no nível da terra ainda excedem as orientações federais em muitas regiões urbanas. De acordo com o Ato de Ar Limpo e suas emendas, estas áreas de não obtenção de ozônio devem implementar regras severas para as emissões de NOx. Tais regras requerem níveis bai- xos de emissões de NOx que são somente obtidas por meio de um pós- tratamento de exaustão. Quando um sistema de pós-tratamento de exaustão é aplicado em uma refinaria ou fábrica petroquímica, é particularmente im- portante se minimizar qualquer impacto sobre a operação do refino ou pro- cesso petroquímico subjacentes.

As técnicas de pós-tratamento de exaustão tendem a reduzir o NOx com a utilização de vários métodos químicos ou catalíticos. Tais méto- dos são conhecidos na técnica e envolvem uma redução catalítica não sele- tiva (NSCR)1 uma redução catalítica seletiva (SCR) ou uma redução não ca- talítica seletiva (SNCR). De maneira alternativa, o NO pode ser oxidado em NO2 para a remoção por meio de depuradores úmidos. Tais métodos de pós-tratamento tipicamente requerem algum tipo de reagente para a remo- ção de emissões de NOx.

A depuração úmida do NO2 produz soluções de refugo que re- presentam fontes potenciais de poluição da água. Os depuradores úmidos basicamente são usados para emissões de NOx a partir fábricas de ácido nítrico ou para a remoção concorrente de NO2 com dióxido de enxofre (SO2). Os altos custos e a complexidade de modo geral limitam a tecnologia de de- puração para tais aplicações especiais.

O método da redução NSCR tipicamente utiliza hidrocarbonetos não queimados e CO para reduzir as emissões de NOx na ausência de O2. As razões combustível / ar devem ser controladas com cuidado a fim de ga- rantir um O2 de baixo excesso. Tanto o catalisador de redução como o cata- lisador de oxidação são necessários para remover emissões de CO e de hidrocarbonetos e ao mesmo tempo também reduzem o NOx. O custo da remoção de O2 prejudica as aplicações práticas dos métodos de redução NSCR para muitos gases de exaustão contendo O2.

As reações químicas sobre uma superfície catalítica sólida dos sistemas de redução SCR comerciais convertem NOx em NO2. Estes catali- sadores sólidos são seletivos para a remoção de NOx e não reduzem as e- missões de CO e de hidrocarbonetos não queimados. Normalmente, são necessários grandes volumes de catalisador para produzir baixos níveis de NOx. A atividade do catalisador depende da temperatura e diminui com o uso. As variações normais na atividade do catalisador só se acomodam ao se aumentar o volume do catalisador ou ao se limitar a faixa de operação de combustão. Os catalisadores podem requerer uma substituição prematura devido à concreção ou ao envenenamento quando expostos a altos níveis de temperatura ou de contaminantes de exaustão.

Os sistemas de redução SCR comerciais utilizam basicamente amônia (NH3) como um redutor. O NH3 em excesso necessário para se obter baixos níveis de NOx tende a resultar em uma quebra do NH3 como uma e- missão de subproduto. Mesmo sob condições operacionais normais, os sis- temas de redução SCR requerem uma distribuição uniforme de NH3 com relação ao NOx no gás de exaustão. As emissões de NOx, no entanto, são freqüentemente distribuídas de uma maneira não uniforme, e, assim, baixos níveis de quebra tanto de NOx como de NH3 podem ser obtidos tão-somente por meio do controle da distribuição do NH3 injetado ou da mistura da exaus- tão a um nível de NOx uniforme.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em poucas palavras, a presente invenção em uma forma prefe- rida é um sistema de tiratamento de emissão para a remoção de NOx do gás combustível emitido de uma chaminé que se estende verticalmente, que compreende um elemento de desvio que fecha a chaminé em uma posição intermediária às extremidades de entrada e de saída. Um módulo de com- ponentes principal inclui um primeiro sub-módulo tendo uma entrada e um segmento de redução SCR1 um segundo sub-módulo tendo um segmento de troca térmica, e um terceiro sub-módulo tendo um ventilador de corrente ID e uma saída. Cada um dos sub-módulos possui um tamanho e um peso dentro dos limites de tamanho e peso de um reboque de trator de leito plano con- venciorrsf. O segundo sub-módulo é montado entre os primeiro e terceiro sub-módulos de modo a formar uma trajetória de fluxo de gás de combustão que se estende a partir da entrada do primeiro sub-módulo para a saída do terceiro sub-módulo. Uma tubulação de entrada, que fica em comunicação fluida com a chaminé em uma posição intermediária â extremidade de entra- da da chaminé e do elemento de desvio, provê uma passagem a partir da chaminé para a entrada do primeiro sub-módulo. Uma tubulação de saída, que fica em comunicação fluida com a chaminé em uma posição intermediá- ria ao elemento de desvio e à extremidade de saída da chaminé, provê uma passagem a partir da saída do terceiro sub-módulo para a chaminé. Um subsistema de adição de amônia injeta vapor de amônia na tubulação de entrada.

O elemento de desvio pode ser um elemento de bloqueio fixo ou uma aba pendente de passagem móvel. A tubulação de entrada inclui um tubo principal horizontal conectado a um tubo principal vertical por meio de um cotovelo. Pelo menos uma palheta móvel pode ser disposta no cotovelo a fim de reduzir a queda de pressão através dos mesmos.

O subsistema de adição de amônia inclui uma grade de injeção de amônia disposta dentro do tubo principal horizontal da tubulação de en- trada. Se a grade de injeção de amônia ficar posicionada a dez pés da cha- miné, não é necessário um misturador ou difusor para se garantir uma mistu- ra suficiente do vapor de amônia e do gás de combustão. A pressão de va- por da amônia na fonte do vapor de amônia provê a força motiva para a inje- ção do vapor de amônia na tubulação de entrada. Um tubo de vapor de a- mônia provê uma comunicação fluida entre a fonte de vapor de amônia e a grade de injeção de amônia. Um controlador de adição de vapor de amônia controla uma válvula de estrangulamento disposta no tubo de vapor de amô- nia. O controlador de adição de vapor de amônia pode receber sinais a partir de um sensor de fluxo de gás de combustão ou de um detector de NOx de entrada posicionado intermediário à chaminé e à grade de injeção de amônia ou de um detector de NOx de saída posicionado intermediário ao ventilador e à chaminé para o controle da adição do vapor de amônia. De maneira alter- nativa, o controlador de adição de vapor de amônia pode receber sinais de um sensor de amônia posicionado intermediário ao ventilador e à chaminé para o controle da adição do vapor de amônia. Em uma outra alternativa, o controlador de adição de vapor de amônia pode receber sinais de um contro- lador de combustível.

O segmento da redução SCR inclui um alojamento, uma plurali- dade de unidades de catalisadores disposta dentro do alojamento, e uma primeira aba pendente tendo uma borda lateral montada pivotantemente em uma superfície interna do alojamento. A primeira aba pendente é móvel en- tre as posições aberta e fechada, com a primeira aba pendente ficando adja- cente à superfície interna de alojamento na posição aberta e estendendo-se sobre uma primeira metade das unidades de catalisador na posição fechada. O segmento de redução SCR pode também incluir uma segunda aba pen- dente tendo uma borda lateral montada pivotantemente na superfície interna de alojamento. A segunda aba pendente é móvel entre as posição aberta e fechada, com a segunda aba pendente estando adjacente à superfície inter- na de alojamento na posição aberta e estendendo-se sobre a segunda me- tade das unidades de catalisador na posição fechada. Pelo menos uma'das unidades de catalisador sendo composta de materiais para a catalisação seletiva de NOx. Em uma primeira alternativa, pelo menos uma das unidades de catalisador pode ser composta de materiais para a catalisação seletiva de outros poluentes além de NOx. Em uma segunda alternativa, pelo menos uma das unidades de catalisador é composta de materiais para a catalisação seletiva de NOx e de outros poluentes.

O sistema de tratamento de emissão é instalado por meio da condução de uma instalação inicial que não causa qualquer impacto sobre a operação da fábrica. A instalação inicial inclui o ajuste do módulo de compo- nentes principal adjacente à chaminé, a conexão da tubulação de entrada e saída à entrada e saída do módulo de componentes principal, respectiva- mente, e a conexão das interfaces de fábrica / sistema de tratamento de e- missão ao sistema de tratamento de emissão. A instalação final é feita por meio da condução de uma baixa de amarração, que inclui o fechamento da fábrica, a instalação do elemento de desvio na chaminé, o corte da deriva- ção de gás de combustão e das aberturas de retorno na chaminé, e a cone- xão da tubulação de entrada e saída às mesmas, e a conexão das interfaces de fábrica / sistema de tratamento de emissão à fábrica.

Antes da instalação inicial, a fábrica é preparada sem trazer qualquer impacto à operação da fábrica por meio da seleção de um local para o módulo de componentes principal e por meio da instalação de uma fundação no local. As localizações para uma derivação de gás de combustão e para as aberturas de retorno são determinadas. A derivação de trocador térmico e o retorno de trocador térmico são identificados. A fonte de vapor de amônia, a fonte de força elétrica, e as interfaces de sistema de controle são também identificadas.

O ajuste do módulo de componentes principal inclui o ajuste de um sub-módulo inferior tendo a saída e um ventilador de corrente ID sobre a fundação e aparafusado na fundação. Um sub-módulo intermediário tendo o segmento de trocador térmico é definido sobre o sub-módulo inferior, um sub-módulo superior tendo o segmento de redução SCR1 e a entrada é defi- nida sobre o sub-módulo intermediário, e os sub-módulos são soldados entre si. A fim de conectar a tubulação de entrada e saída, cada tubulação é ajus- tada no lugar e presa com uma estrutura de suporte.

As interfaces de fábrica / sistema de tratamento de emissão são conectadas ao sistema de tratamento de emissão por meio da instalação de uma grade de injeção de amônia dentro da tubulação de entrada e por meio da conexão da grade de injeção de amônia à fonte de vapor de amônia. Um flange de entrada é soldado à chaminé no local para a abertura de derivação do gás de combustão, e um flange de saída é soldado à chaminé no local para a abertura de retorno do gás de combustão. Uma tubulação de interco- nexão percorre entre o segmento de trocador térmico e a derivação de tro- cador térmico e retorna e se conecta ao segmento de trocador térmico. A fonte de força elétrica e as interfaces de sistema de controle ficam também conectadas.

É um objeto da presente invenção prover um sistema para a re- moção de NOx, o qual pode ser instalado em uma fábrica existente com um impacto mínimo sobre a operação da fábrica.

É também um objeto da presente invenção prover um sistema para a remoção de NOx, que pode ser expandido durante a instalação inicial ou em uma data posterior a fim de remover poluentes adicionais.

Outros objetos e vantagens da presente invenção ficarão apa- rentes a partir dos desenhos e do presente relatório descritivo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A presente invenção pode ser melhor entendida e seus inúmeros objetos e vantagens ficarão aparentes aos versados na técnica por meio da referência aos desenhos em anexo, nos quais:

A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um sistema de trata- mento de emissão de acordo com a presente invenção;

A Figura 2 é uma vista esquemática, simplificada, parcialmente em seção transversal, do sistema da Figura 1 instalada em um aquecedor de etileno;

A Figura 3 é uma vista em seção transversal, esquemática e ampliada do segmento de redução catalítica seletiva da Figura 2;

A Figura 4 é uma vista em seção transversal, esquemática e ampliada da Área IV da Figura 2;

A Figura 5 é um fluxograma do método de instalação do sistema de tratamento de emissão da Figura 1;

A Figura 6 é um fluxograma das subetapas de preparação do método da Figura 5;

As Figuras 7a e 7b são um fluxograma das subetapas de insta- lação iniciais do método da Figura 5;

A Figura 8 é um fluxograma das etapas de baixa de amarração do método da Figura 5;

A Figura 9 é uma vista esquemática, simplificada do sub-sistema de adição de amônia;

A Figura 10 é uma vista esquemática, simplificada do sistema de controle de ventilador; e

A Figura 11 é uma vista esquemática, simplificada do sistema de controle de refrigerante de trocador térmico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA Conforme cresce a preocupação com o meio ambiente, esforços maiores estão sendo empreendidos no sentido de reduzir as emissões dos poluentes conhecidos, como, por exemplo, matéria particulada, NOx, SOx, fYiercúrio, etc, por meio da promulgação de regras de controle mais severas.

Para as indústrias petroquímicas e refinarias, a primeira destas regras mais severas enfoca a redução de NOx.

Com referência aos desenhos, nos quais numerais de referência similares representam peças similares em todas as diversas figuras, um sis- tema de tratamento de emissão 10 de acordo com a presente invenção re- duz o NOx por meio da tecnologia de redução SCR1 provê o futuro controle de emissões de outros poluentes, e vem a ser um sistema único que pode ser instalado sobre o chão ao lado do equipamento existente, ou sobre per- nas ao lado do equipamento existente, ou sobre o topo do equipamento exis- tente, deste modo reduzindo o tempo de paralisação da refinaria ou do equi- pamento de produção petroquímica.

O sistema de tratamento de emissão 10 pode ser utilizado com a maioria dos sistemas de produção petroquímica e de refinaria. No entanto, para fins descritivos, o sistema 10 é descrito no presente documento instala- do em um forno de rachadura de etileno 12 (Figura 2). O combustível é queimado pelos queimadores 14 localizados no fundo ou no lado do forno 12, gerando um gás e um NOx de alta temperatura. A "rachadura" das molé- culas de hidrocarboneto em moléculas mais simples ocorre em uma bobina 16 desta zona de temperatura mais alta. Conforme os gases de forno sobem através do forno, o calor é recuperado a partir do gás de combustão por meio de uma série de bobinas adicionais 18 que contêm um estoque de a- bastecimento de rachadura para um preaquecimento ou água / vapor para uso neste processo ou em outros processos. Tipicamente, os fomos de ra- chadura de etileno 12 têm um ou mais ventiladores de corrente induzida (ID) 20 localizados sobre o topo do aquecedor conectado por uma chaminé verti- cal 22. Os fornos de rachadura de etileno 12 foram tipicamente usados por vários anos entre baixas significantes e são um provedor chave do estoque de abastecimento para outros processos dentro da refinaria ou da fábrica petroquímica. Sendo assim, o tempo de paralisação para instalar uma redu- ção SCR é muito Iimitante e oneroso para o proprietário.

Os processos de remoção de NOx de redução SCR são tipica- mente mais eficientes às temperaturas de 260°C a 399°C (500 a 750°F). Os gases nesta temperatura são tipicamente encontrados somente a montante da bobina de aquecimento de água de alimentação 24 da caldeira de forno de rachadura de etileno e no ventilador de corrente ID 20. Uma abordagem convencional para um retroajuste de redução SCR é fechar o forno 12, cortar a chaminé 22 no local apropriado, levantar as seções a jusante e instalar a redução SCR. Isto é muito demorado para ser uma solução economicamen- te atrativa.

O sistema de tratamento de emissão em questão 10 inclui um módulo de componentes principal modulares único 26 tipicamente no nível do chão, que inclui um segmento de redução SCR 28, um segmento de troca térmica de água de alimentação de caldeira 30, e um ventilador de corrente ID 32. Ao abandonar o ventilador de corrente ID 20 da chaminé 22 e a bobi- na de aquecimento de água de alimentação 24 da caldeira de forno de ra- chadura de etileno instalada na chaminé 22, o sistema de tratamento de e- missão 10 é instalado sem precisar nenhuma maior modificação ao forno de rachadura de etileno 12. Isto permite a instalação do sistema de tratamento de emissão 10 sem interromper de maneira significante o uso do forno de rachadura de etileno 12. O módulo de componentes principal 26 (vide figura 1) pode também ser colocado sobre as pernas acima do chão, ou ainda so- bre o topo do forno existente 12, conforme as circunstâncias individuais de aplicação possam exigir. O ventilador de corrente ID, novo 32 é dimensiona- do de modo a prover as maiores necessidades de corrente do sistema de tratamento de emissão 10, principal para o segmento de redução 28. O segmento de troca térmica de água de alimentação de caldeira 30 pode ter uma maior eficiência de recuperação térmica do que a bobina de aqueci- mento de água de alimentação de caldeira de chaminé 24, dependendo do desenho e dos materiais da bobina de aquecimento de água de alimentação de caldeira de chaminé 24, provendo um aperfeiçoamento na eficiência de ciclo geral e/ou em custos de combustível reduzidos. A natureza única do sistema 10 permite a modificação futura do segmento de redução SCR 28 ou a adição dos segmentos adicionais para o controle de emissões de outros poluentes.

Com referência ainda à Figura 2, o sistema de tratamento de emissão 10 inclui ainda um elemento de bloqueio 34 ou uma aba pendente de passagem 34' montada dentro da chaminé vertical 22, exatamente a montante da bobina de aquecimento de água de alimentação 24 da caldeira de forno de rachadura de etileno. O elemento de bloqueio 34 é instalado a- través da chaminé 22 de modo a cortar de maneira permanente todo o fluxo através da bobina de aquecimento de água de alimentação 24 da caldeira de forno de rachadura de etileno e do ventilador de corrente ID 20 da chaminé 22. A aba pendente de passagem 34' é instalada através da chaminé 22 de modo a seletivamente cortar todo o fluxo através da bobina de aquecimento de água de alimentação 24 da caldeira de forno de rachadura de etileno e do ventilador de corrente ID 20 da chaminé 22. A derivação de gás de combus- tão e as aberturas de retorno 36, 38 são formadas na chaminé 22 exatamen- te a montante do elemento de bloqueio / da aba pendente de passagem 34, 34' ou exatamente a jusante do ventilador de corrente ID 20 da chaminé 22, respectivamente. A tubulação de entrada 40 conectada à abertura de deriva- ção de gás de combustão 36 e a uma peça de transição de entrada 42 na porção de extremidade superior do módulo de componentes principal 26 (vi- de figura 1) e a tubulação de saída 44 conectada à abertura de retorno de gás de combustão 38 e à saída do ventilador de corrente ID de sistema 32 provêem uma comunicação fluida entre a chaminé 22 e o módulo de compo- nentes principal 26 (vide figura 1). A tubulação de entrada 40 inclui um tubo principal horizontal 46 e um tubo principal vertical 48, cada qual tendo um comprimento nominal de 9,15 m (trinta (30) pés). As palhetas dinâmicas 50 podem se posicionar no cotovelo 52 entre o tubo principal horizontal 46 e o tubo principal vertical 48 de modo a reduzir a queda de pressão através do cotovelo (Figura 4).

As aplicações de caldeira de utilidade convencional que têm os sistemas de redução SCR de modo geral usam amônia (NH3) como um re- dutor e incluem um sistema de adição de amônia que provê uma mistura de amônia diluída com ar ou gás de combustão de modo a distribuir uniforme- mente a amônia através da face do catalisador de redução SCR que se loca- liza a uma distância relativamente curta a jusante do injetor. Por conseguin- te, um sistema de adição de amônia convencional consiste em um sistema de controle, uma fonte de vapor de amônia (NH3), um misturador estático, pelo menos uma caldeira, e um injetor que inclui múltiplos tubos de borrifa- ção, cada qual tendo múltiplos bocais de borrifação. A fonte de vapor de amônia injeta vapor de amônia no misturador estático. Um ar de diluição é soprado pelos sopradores para o misturador estático a fim de diluir o vapor de amônia e injetar o vapor de amônia diluído para fora do subsistema de adição de amônia por meio dos bocais do injetor.

O sistema de tratamento de emissão em questão 10 inclui um subsistema de adição de amônia 54 que se aproveita dos comprimentos re- lativamente longos dos tubos principais horizontal e vertical 46, 48 de modo a prover uma mistura apropriada de vapor de amônia à corrente de gás de combustão. O subsistema de adição de amônia 54 não inclui sopradores de ar de diluição, controles de soprador, e a tubulação de amônia diluída de diâmetro maior. O subsistema de adição de amônia 54 consiste em apenas três componentes principais, um controlador 56, uma fonte de vapor de a- mônia 58, e uma grade de injeção de amônia (AIG) 60. Somente um tubo de vapor de amônia de diâmetro pequeno 62 é necessário. Conforme apresen- tado em mais detalhe abaixo, a grade AIG 60 é de preferência instalada den- tro de 3 m (dez (10) pés) da chaminé 22. Um misturador / difusor estático 64 pode ser posicionado no tubo principal horizontal 46 no caso de a grade AIG 60 tiver que ser localizada a uma distância significativa da chaminé 22 ou simplesmente prover uma garantia adicional da completa mistura do vapor de amônia e o gás de combustão. A peça de transição de entrada 42 na en- trada do módulo de componentes principal 26 (mostrado na figura 1) distribui a mistura de vapor de amônia / gás de combustão de uma maneira uniforme através da entrada até o segmento de redução SCR a jusante 28. Além disso, a grade AIG 60 é muito mais simples que os injeto- res dos sistemas convencionais, tendo um número muito reduzido de tubos de borrifação e nenhum bocal, o vapor de amônia sendo borrifado através das aberturas na parede lateral do tubo de borrifação. O número exato de tubos de borrifação e de aberturas depende dos parâmetros específicos de instalação, tais como a proporção de escoamento do gás de combustão e a proporção requerida de adição de amônia. A grade AIG 60 de preferência se localiza dentro de 3 m (dez pés) da chaminé 22 de modo a aproveitar a tur- bulência dentro da corrente de gás de combustão criada pela "mistura" for- mada pelo elemento de bloqueio 34 / aba pendente de passagem 34' e a abertura 36. A turbulência garante ainda que o vapor de amônia se misture completamente com o gás de combustão. Uma análise mostrou que uma mistura suficiente de amônia e gás de combustão ocorre mesmo que a gra- de AIG 60 se localize no tubo principal'horizontal 46 dentro de 3 m (dez (10) pés) da chaminé 22. É possível que uma análise adicional mostre que uma mistura suficiente também ocorra a distâncias maiores da chaminé 22. A força motora para a injeção do vapor de amônia na corrente de gás de com- bustão pode ser provida pela pressão de vapor da amônia na fonte de amô- nia 58. Conforme mostrado na Tabela 1, a pressão do vapor de amônia é suficiente por toda uma faixa de temperaturas ambientes esperadas no sen- tido de prover a força motora requerida.

TABELA 1

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Com referência à Figura 3, o segmento de redução SCR 28 con- tém unidades de catalisador 66 que removem o NOx. As unidades de catali- sador 66 são unidades convencionais, cada qual tendo dimensões nominais de 0,91 m χ 1,83 m (três pés - três polegadas por seis pés - seis polegadas (3,25' χ 6,5')). Conforme mostrado na Figura 3, os grupos superior e inferior 68, 70 das unidades de catalisador 66, cada qual incluindo de uma a oito unidades 66, podem se posicionar dentro do alojamento de segmento de redução SCR 72. Os trilhos de suporte intermediários 74 carregam o peso do grupo superior 68 das unidades de catalisador 66, e ao mesmo tempo permitem que a mistura de gás de combustão / vapor de amônia acesse to- das as unidades de catalisador 66 contidas dentro do alojamento de seg- mento de redução SCR 72. Se somente três unidades de catalisador 66 fo- rem requeridas para remover o NOx, um mecanismo de bloqueio 76 poderá ser incluído no segmento de redução SCR 28 de modo a seletivamente blo- quear metade das unidades de catalisador 66. Tal mecanismo de bloqueio 76 pode compreender uma ou mais abas pendentes 77, 77', tendo cada qual uma única borda lateral montada pivotantemente nas superfícies internas opostas do alojamento 72. Inicialmente, a aba pendente 77 se encontra na posição aberta, vertical (permitindo um fluxo através das unidades de catali- sador 66 dispostas sob a aba pendente 77) e a aba pendente 77' se encon- tra na posição fechada, horizontal (impedindo um fluxo através das unidades de catalisador dispostas sob a aba pendente 77'). Quando as unidades de catalisador 66 dispostas sob a aba pendente 77 se esvaziam, a aba penden- te IT é reposicionada para a posição aberta, vertical (permitindo o fluxo a- través das unidades de catalisador 66 dispostas sob a aba pendente 77'). A aba pendente 77 pode ser reposicionada na posição fechada. De maneira alternativa, a aba pendente 77 pode permanecer na posição aberta, a fim de possibilitar o uso da capacidade de remoção de qualquer NOx residual das unidades de catalisador 66 dispostas sob a mesma. Espera-se que a aba pendente 77 nunca seja posicionada na posição fechada, e que somente a aba pendente 77' precise ser instalada.

De maneira alternativa, o segmento de redução SCR 28 pode conter os grupos superior e inferior 68, 70 das unidades de catalisador ou uma única camada de uma a oito unidades de catalisador 66, dependendo da quantidade de NOx que deve ser removida e de outras considerações específicas de aplicação. Caso o espaço permita, e se outros poluentes (por exemplo, o CO, os hidrocarbonetos, etc) tiverem que ser removidos do gás de combustão, as unidades de catalisador 78 que almejam estes outros po- luentes ou as unidades de catalisador 80 que removem o NOx mais outros poluentes podem ser incluídas no segmento de redução SCR 28. De manei- ra alternativa, o alojamento 82 localizado acima do segmento de SCR 28 pode ser convertido em um segundo segmento de SCR a fim de prover a remoção do NOx adicional e/ou de outros poluentes.

Conforme notado acima, o sistema de tratamento de emissão 10 pode ser instalado sem interromper de maneira significativa o uso do forno de rachadura de etileno 12 ao se eliminar a necessidade de se fazer modifi- cações maiores na chaminé 22. O impacto sobre a fábrica é ainda reduzido por meio da construção modular do módulo de componentes maiores 26. O módulo de componentes maiores 26 inclui os sub-módulos superior, inter- mediário e inferior 84, 85, 86. O sub-módulo inferior 86 inclui o ventilador de corrente ID 32, uma peça de transição de saída 88, e caixas de força e de controles (não mostradas), todas as quais sendo montadas sobre uma cha- pa de base 90. O sub-módulo intermediário 85 inclui o segmento de troca térmica 30. O sub-módulo superior 84 inclui o segmento de redução SCR 28 e a peça de transição de entrada 42. Cada um dos sub-módulos 84, 85, 86 é dimensionado de modo a se encaixar sobre um reboque de trator de leito plano convencional.

Com referência às Figuras 5 a 8, a instalação do sistema de tra- tamento de emissão 10 é um processo relativamente simples, provendo um baixo tempo de construção no local e uma interrupção mínima das ativida- des normas de uma refinaria. Diversas atividades requeridas ocorrem na preparação 92 para a chegada do módulo de componentes principal. O local de instalação do módulo de componentes principal deve ser selecionado 94 e uma fundação apropriada instalada 96 neste local de instalação. A locali- zação das aberturas de derivação e retorno 36, 38 do gás de combustão deve ser determinada 98. A derivação e o retorno do trocador térmico devem ser identificados 100. As fontes para o vapor de amônia, para a força elétri- ca, e para o ar de controle (se necessário) devem ser identificadas 102, 104, 106. Finalmente, todas as interfaces de sistema de controle devem ser iden- tificadas 108. Deve-se apreciar que a maior parte destas tarefas deve ser conduzida em paralelo.

A instalação inicial 110 começa pelo ajuste 112 do sub-módulo inferior 86 sobre a fundação com um guindaste e pela fixação 114 da chapa de base 90 à fundação com parafusos de ancora (não mostrados). O guin- daste é em seguida usado para ajustar 115 o sub-módulo intermediário 85 sobre o topo do sub-módulo inferior 86, ajustar 116 o sub-módulo superior 84 sobre o topo do sub-módulo intermediário 85 e os três sub-módulos 84, 86 são soldados 118 entre si. O guindaste é em seguida usado para ajustar 120 a tubulação de entrada e saída 40, 44 no lugar, juntamente com sua estrutura de suporte apropriada, e a tubulação 40, 44 é conectada à peça de transição de entrada 42 e à peça de transição de saída, respectivamente. A grade de injeção de amônia (a grade AIG) 60 é instalada 121, incluindo a conexão à fonte de vapor de amônia 58. Os flanges de conexão 122 são soldados 124 na chaminé 22 no local onde as aberturas de derivação e de retorno 38 de gás de combustão serão cortadas, mas as aberturas 36 e 38 não são cortadas desta vez. A tubulação de interconexão 126 percorre 128 entre o novo segmento de trocador térmico 30 e a derivação e retorno do trocador térmico e é conectada ao segmento de trocador térmico 30. Ao se usar o guindaste mais uma vez, plataformas e escadas 130 são monta- das 132 no módulo de componentes principal. A instrumentação é instalada e a alimentação de vapor de amônia, a força elétrica, o controle, e as cone- xões de instrumentação são instaladas 134 nos dispositivos de sistema cor- respondentes. As unidades de catalisador 66 são carregadas 136 no seg- mento de redução SCR 28. Os procedimentos de encargos e de pré- iniciação são conduzidos 138. Durante uma baixa de amarração programada 140, as aberturas de derivação e retorno de gás de combustão 36, 38 são cortadas 142, o bloqueio 34 / amortecedor 34' é instalado 144 dentro da chaminé 22, e os tubos de alimentação e retorno 126 do trocador térmico são conectados 146 ao segmento de trocador térmico 30 e à derivação e ao retorno. Finalmente, o forno de rachadura de etileno 12 e o sistema de tra- tamento de emissão 10 são postos em funcionamento 150.

Conforme apresentado acima, a força motora por meio da inje- ção do vapor de amônia na corrente de gás de combustão é provida pela pressão de vapor da amônia na fonte de amônia 58. Com referência à Figura 9, uma válvula de estrangulamento 152 no tubo de vapor de amônia 62 con- trola o fluxo do vapor de amônia na grade AIG 60. De preferência, a válvula 152 é controlada pelo controlador 56 com base na proporção de escoamento do gás de combustão, na quantidade de NOx que entra no sistema de trata- mento de emissão 10, e na quantidade de NOx que sai do sistema de trata- mento de emissão. Um sensor de fluxo 154 posicionado a montante da gra- de AIG 60 e dos detectores de NOx 156, 158 localizados a montante da gra- de AIG 60 e na saída do ventilador 32, respectivamente, provê as entradas necessárias para o controlador 56 controlar a adição de amônia desta ma- neira. De maneira alternativa, a adição de amônia pode ser controlada com base no transporte ou deslizamento de amônia. Para um controle deste tipo, um sensor de amônia 160 pode ser posicionado na saída do ventilador 32. Em ainda uma outra alternativa, a adição de amônia pode ser controlada com base no fluxo de combustível para os queimadores 14 e na composição de tal combustível. As interconexões 162 podem ser providas entre o contro- lador 56 e o controle de combustível 164 do forno 12 de modo a controlar desta maneira. O fluxo de vapor de amônia pode ser monitorado por meio de detectores de pressão, temperatura e fluxo 166, 168, 170 dispostos no tubo de vapor de amônia 62.

Com referência à Figura 10, um fluxo apropriado do gás de combustão através do sistema de tratamento de emissão 10 é mantido por um controlador 172 que controla a posição de um amortecedor 173 na en- trada do ventilador 32 com base na pressão de suprimento de ventilador, na pressão de descarga de ventilador, na pressão diferencial através da redu- ção SCR 28, e na pressão diferencial através do trocador térmico 30. Os detectores de pressão 174, 176 na entrada e saída do ventilador 32, respec- tivamente, e os detectores de pressão diferencial 178, 180 na redução SCR 28 e no trocador térmico 30, respectivamente, provêem as entradas neçes- sárias para o controlador 172. A temperatura da corrente de gás de combus- tão pode ser monitorada por um detector de temperatura 182 posicionado a montante da grade AIG 60 (Figura 9).

Com referência à Figura 11, uma bomba de alimentação 184 nos tubos de trocador térmico e de retomo 126 controla o fluxo da água de ali- mentação de caldeira através do trocador térmico 30. A velocidade da bom- ba 184 é controlada por um controlador 186 com base na pressão e tempe- ratura da água de alimentação de caldeira. Os sensores de pressão 18$ e os sensores de temperatura 190 posicionados na entrada da água de alimenta- ção de caldeira e na saída do trocador térmico 30 provêem as entradas ne- cessárias para o controlador 56 escoar a água de alimentação desta manei- ra. Os detectores de temperatura 192, 194 na corrente de gás de combustão a montante e a jusante do trocador térmico 30, representações, permitem que a eficiência do trocador térmico 30 seja monitorada.

O sistema de tratamento de emissão 10 descrito acima se pre- tende para uso no tratamento de gás de combustão com pouco ou nenhum enxofre. Caso enxofre esteja presente ou espera-se que esteja presente no gás de combustão, tal enxofre deve ser removido antes de o gás de combus- tão entrar no segmento de redução SCR 28. O módulo de componentes principal 26 (vide figura 1) é também descrito acima como um sistema verti- cal. O benefício de tal sistema vertical é que o mesmo inclui o tamanho da pegada requerida para a instalação do módulo 26. No entanto, se o tamanho de pegada não for uma preocupação, o módulo de componentes principal 26 pode ser instalado como um sistema horizontal, deste modo possibilitando um acesso mais fácil aos segmentos de redução SCR e de trocador térmico 28, 30.

Muitos fornos de rachadura de etileno 12 se baseiam nos quei- madores de baixo NOx de "primeira geração"para reduzir as emissões de NOx a níveis considerados aceitáveis de acordo com os antigos padrões de emissão. No entanto, queimadores de baixo NOx mais novos, de uma "se- gunda geração" devem ser usados para se chegar aos níveis considerados aceitáveis de acordo com os novos padrões de emissão. Os queimadores de baixo NOx da segunda geração afetam de maneira adversa a eficiência do forno 12 devido ao diferente formato de chama e à diferente distribuição de calor produzida pelos queimadores, em comparação aos queimadores de baixo NOx de primeira geração. Deve-se apreciar que o uso do sistema de tratamento de emissão 10 permite o uso continuado dos queimadores de baixo NOx de primeira geração, mantendo, assim, o forno de rachadura de etileno 12 em uma eficiência de pico. Além disso, os sistemas de controle de queimador podem ser usados, os quais otimizam a eficiência dos queimado- res.

Embora modalidades preferidas tenham sido mostradas e des- critas, várias modificações e substituições podem ser feitas às mesmas sem se afastar do espírito e âmbito da presente invenção. Por conseguinte, deve- se entender que a presente invenção foi descrita à guisa de ilustração e não de limitação.

Claims (19)

1. Sistema de tratamento de emissão (10) para a remoção de NOx de um gás de combustão que passa verticalmente através uma chami- né (22) à partir de um ou mais queimadores (14) dispostos abaixo da chami- né (22), o sistema (10) caracterizado pelo fato de que compreende: um elemento de desvio (34) adaptado para o fechamento da chaminé (22) em uma posição intermediária ao fundo e a uma saída; um módulo de componentes principal (26) incluindo um primeiro sub-módulo (84) tendo uma entrada (40) e um segmento SCR (28), um se- gundo sub-módulo (85) tendo um segmento de trocador térmico (30), e um terceiro sub-módulo (86) tendo um ventilador de corrente ID (32) e uma saí- da (44), cada um dos sub-módulos (84, 85, 86) tendo um tamanho e um pe- so dentro dos limites de tamanho e peso de um reboque de trator de leito plano convencional, o segundo sub-módulo (85) sendo montável entre o primeiro e o terceiro sub-módulos (84, 86), através do qual o módulo de componentes principal (26) define uma trajetória de fluxo de gás de combus- tão que se estende a partir da entrada (40) do primeiro sub-módulo (84) até a saída (44) do terceiro sub-módulo (86); uma entrada (40) de tubulação adaptada para prover uma pas- sagem a partir da chaminé (22) para a entrada (40) do primeiro sub-módulo (84), a entrada (40) de tubulação anexa a chaminé (22) em uma posição in- termediária à extremidade inferior da chaminé (22) e do elemento de desvio (34); uma saída (44) de tubulação adaptada para a provisão de uma passagem a partir da saída (44) do terceiro sub-módulo (86) para a chaminé (22), a saída (44) de tubulação anexa a chaminé (22) em uma posição in- termediária ao elemento de desvio (34) e à saída da chaminé (22); e um subsistema de adição de amônia (54) adaptado para a inje- ção de vapor de amônia na entrada (40) de tubulação.

2. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de desvio (34) é um e- lemento de bloqueio (34).

3. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de desvio (34) é uma aba pendente de passagem (34').

4. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada (40) de tubulação inclui um tubo substancialmente horizontal (46), um tubo substancialmente vertical (48), e um cotovelo (52) disposto entre os mesmos.

5. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 4, caracterizado pelo fato de que o cotovelo (52) inclui pelo menos uma palheta móvel (50) disposta no mesmo.

6. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 4, caracterizado pelo fato de que o subsistema de adição de amônia (54) inclui uma grade de injeção de amônia (60) disposta dentro do tubo horizontal (46).

7. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 6, caracterizado pelo fato de que a grade de injeção de amônia (60) é posicionada dentro de 3 m (dez pés) da chaminé (22) e o subsistema de adi- ção de amônia (54) não inclui um misturador ou um difusor (64).

8. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 6, caracterizado pelo fato de que o subsistema de adição de amônia (54) não inclui nenhum soprador de diluição de ar, um controle de soprador, ou tubulação.

9. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 6, caracterizado pelo fato de que o subsistema de adição de amônia (54) inclui ainda uma fonte (58) de vapor de amônia, a fonte (58) de vapor de amônia contendo uma quantidade de amônia, a pressão de vapor da amônia provendo uma força motora para a injeção do vapor de amônia para a entra- da (40) de tubulação de.

10. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 9, caracterizado pelo fato de que o subsistema de adição de amônia (54) inclui ainda um tubo de vapor de amônia (62) anexado entre a fonte (58) de vapor de amônia e a grade de injeção de amônia (60), uma válvula de estrangulamento (152) disposta no tubo de vapor de amônia (62), e um con- trolador de adição de vapor de amônia (56) para o controle da válvula de estrangulamento (152).

11. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivindi- cação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um sensor de fluxo de gás de combustão (154) e um detector de entrada de NOx (156) posicionado intermediário à chaminé (22) e à grade de injeção de amônia (60), e um detec- tor de saída de NOx (158) posicionado intermediário ao ventilador de corrente ID (32) e à chaminé (22), cada um dos detectores (156, 158) estando em co- municação elétrica com o controlador de adição de vapor de amônia (56).

12. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 10, caracterizado pelo fato de compreender ainda um sensor de amônia (160) posicionado intermediário ao ventilador de corrente ID (32) e à chaminé (22) em comunicação elétrica com o controlador (56) de adição de vapor de amônia.

13. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 10, caracterizado pelo fato de que o queimador (14) inclui um con- trolador de combustível (164), e o controlador (56) de adição de vapor de amônia é adaptado de modo a se comunicar com o controlador de combus- tível (164).

14. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 1, caracterizado pelo fato de que o segmento (28) de redução SCR inclui um alojamento (72), uma pluralidade de unidades de catalisadores (66) dispostas dentro do alojamento (72), e uma primeira aba (77) pendente ten- do uma borda lateral montada pivotantemente no alojamento (72), a primeira aba pendente sendo móvel entre as posições aberta e fechada, a primeira aba pendente sendo adjacente ao alojamento (72) na posição aberta e es- tendendo-se sobre substancialmente uma primeira metade das unidades de catalisador (66) na posição fechada, pelo menos uma das unidades de cata- lisador (66) sendo composta de materiais para a catalisação seletiva de NOx.

15. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 14, caracterizado pelo fato de que o segmento (28) de redução SCR inclui ainda uma segunda aba pendente (77') tendo uma borda lateral mon- tada pivotantemente no alojamento (72), a segunda aba pendente (77') sen- do adjacente ao alojamento (72) na posição aberta e estendendo-se sobre substancialmente uma segunda metade das unidades de catalisador (66) na posição fechada.

16. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das unidades de catalisador (66) é composta de materiais para a catalisação seletiva de ou- tros poluentes além de NOx.

17. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 14, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das unidades de catalisador (66) é composta de materiais para a catalisação seletiva de NOx e de outros poluentes.

18. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 14, caracterizado pelo fato de que o primeiro sub-módulo (84) tem ainda um alojamento (82) disposto intermediário ao segmento (28) de redu- ção SCR e à entrada (40), e pelo menos uma unidade de catalisador (66) sendo composta de materiais para a catalisação seletiva de outros poluentes além de NOx.

19. Sistema de tratamento de emissão, de acordo com a reivin- dicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro sub-módulo (84) tem ainda um detector de pressão diferencial (178) para a detecção da pressão diferencial através do segmento (28) SCR, o segundo sub-módulo (85) tem também um detector de pressão diferencial (180) para a detecção da pres- são diferencial através do trocador térmico (30), e o terceiro sub-módulo (86) tem também um amortecedor (173) para o controle do fluxo através do venti- lador de corrente ID (32), um controlador de amortecedor (172) para o con- trole da posição do amortecedor (173), e detectores de pressão (172) para o controle da posição dos detectores de amortecedor e de pressão na entrada (40) e na saída (44) do ventilador de corrente ID (32), os detectores de pres- são diferencial (172) e os detectores de pressão (172) estando em comuni- cação elétrica com o controlador de amortecedor (172).