BRPI0517791B1 - Grade de distribuição de sncr - Google Patents

Description

"GRADE DE DISTRIBUIÇÃO DE SNCR" Campo da Invenção A presente invenção refere-se principalmente a re- atores, combustores e/ou caldeiras de leito fluidizado com circulação (CFB) tendo separadores de partícula por colisão utilizados na produção de vapor para aplicações industriais e/ou geração de energia de utilidade e, mais particularmen- te, a um aparelho para introduzir amônia ou uréia no gás de combustão produzido por tais CFBs que, como parte de um sis- tema de redução não catalítico seletivo (SNCR), é utilizado para reduzir emissões de NOx a partir do CFB. A presente in- venção também pode ser empregada com relação a reatores de leito fluidizado com borbulhamento, fornos do tipo grelha, etc.

Antecedentes da Invenção A temperatura operacional típica para os reatores ou combustores de tais CFBs, e desse modo os gases de com- bustão produzidos por meio disso, está compreendida em uma faixa de temperatura de aproximadamente 843,33 - 898,88 °C.

Essa faixa de temperatura está, desse modo, compreendida em uma "janela" aceitável de temperaturas para a aplicação de técnicas de redução não catalítica seletiva (SNCR) para re- duzir emissões de NOx, uma vez que os sistemas de SNCR e seu aparelho associado envolvem, tipicamente, a introdução de um reagente especifico em gases de combustão cuja temperatura está compreendida em uma faixa de temperaturas de aproxima- damente 760 - 1093,33°C. Em SNCR, um agente redutor ou rea- gente, tipicamente amônia ou uréia, é pulverizado no gás de combustão do forno para reduzir NOx de acordo com uma das seguintes reações, dependendo do reagente empregado: 4N0 + 4NH3 + 02 -> 4N2 + 6H20 (à base de amônia) 2N0 + (NH2)2C0 + l/20z -> 2N2 + 2H20 + C02 (à base de uréia) SNCR é freqüentemente utilizado em caldeiras de CFB que empregam ciclone(s) para separar sólidos de gás de combustão que saem do forno para reduzir emissões de NOx. Em tais aplicações, 0 reagente acima mencionado é pulverizado na entrada ou saída do ciclone utilizando a turbulência ele- vada de gás associada ao ciclone para misturar 0 gás de com- bustão ao reagente. Esses locais de pulverização também ti- ram proveito de uma área de fluxo em seção transversal rela- tivamente pequena da entrada ou saída de ciclone, desse modo permitindo penetração suficiente dos jatos de reagente no fluxo de gás para fornecer mistura mais uniforme do reagente no gás de combustão.

Em contraste com os CFBs descritos acima, outro tipo de reator, combustor e/ou caldeira de CFB (doravante mencionada como caldeira de CFB por conveniência) emprega baixa velocidade, separadores de partícula por colisão, como vigas-U, para separar sólidos a partir do gás de combustão que sai do forno e apresenta uma área de fluxo em seção transversal relativamente grande para 0 fluxo de gás de com- bustão. A utilização de bocais para injetar tais reagentes para SNCR que são instalados somente na periferia das pare- des do CFB os quais transportam 0 fluxo de gás de combustão podería não obter penetração suficiente de jato do reagente no fluxo de gás de combustão, resultando em mistura defici- ente do reagente com o gás de combustão.

Sumário da invenção Um aspecto da presente invenção é dirigido a uma grade de distribuição de SNCR para fornecer um reagente a fim de reduzir NOX em uma corrente de gás contendo NOx. É fornecido pelo menos um elemento para transportar o reagente a partir do exterior de uma fonte da corrente de gás. 0 ele- mento tem pelo menos um bocal para pulverizar o reagente a partir de um conduto definido dentro do elemento, na corren- te de gás. 0 conduto sendo formado por pelo menos dois tubos resfriados a fluído e membranas localizadas entre os tubos, pelo menos um bocal sendo localizado pelo menos em uma das membranas.

As diversas características de novidade que carac- terizam a invenção são indicadas com particularidade nas reivindicações anexas e formam parte dessa revelação. Para uma melhor compreensão da invenção, suas vantagens operacio- nais e os benefícios específicos obtidos por seus usos, faz- se referência aos desenhos em anexo e matéria descritiva na qual as modalidades preferidas da invenção são ilustradas.

Breve descrição dos desenhos Nas figuras: A Figura 1 é uma vista da seção lateral de uma caldeira de CFB típica na qual a presente invenção pode ser aplicada; A Figura 2 é uma vista da seção plana da caldeira de CFB da figura 1, vista na direção das setas 2-2; A Figura 3 é uma vista seccional de perto de uma primeira modalidade de um elemento individual utilizado na presente invenção; A Figura 4 é uma vista seccional de perto de uma segunda modalidade de um elemento individual utilizado na presente invenção; e A Figura 5 é uma vista seccional de perto de uma terceira modalidade de um elemento individual utilizado na presente invenção.

Descrição das modalidades preferidas da invenção A presente invenção supera a dificuldade acima mencionada pela provisão de uma grade de distribuição parti- cularmente projetada para introduzir o reagente no fluxo de gás de combustão. A grade compreende um ou mais elementos que são formados por tubos resfriados a fluido nos quais pe- daços de membrana são fixados, preferivelmente por soldagem, para formar condutos entre os tubos. Os tubos resfriados a fluido podem ser resfriados por água e/ou vapor e a grade de distribuição é disposta no fluxo de gás de combustão. Para admitir o reagente no gás de combustão, bocais são forneci- dos na membrana e o reagente é transportado de um local ex- terno do invólucro do combustor ou forno, para dentro dos condutos assim formados, e dali para dentro do fluxo de gás de combustão através dos bocais. 0 espaçamento entre os ele- mentos que formam a grade de distribuição, bem como o espa- çamento entre os bocais fornecidos na membrana é selecionado para obter mistura relativamente uniforme do reagente dis- perso no gás de combustão. Como descrito acima, a entrada para os condutos que transportam o reagente para dentro do gás de combustão é localizada fora do invólucro do forno on- de seria conectada a uma linha de alimentação de reagente conectada a uma fonte do reagente. Dispositivos de controle e válvulas apropriados seriam fornecidos na linha de alimen- tação de reagente para controlar a introdução do reagente no gás de combustão de acordo com qualquer esquema de controle específico desejado pelos operadores da instalação de CFB.

Preferivelmente, a grade de distribuição pode ser colocada em um ou mais de vários locais: a montante dos se- paradores de partícula por colisão ou Vigas-U, entre uma ou mais fileiras de tais Vigas-U, ou a jusante das Vigas-U com relação a uma direção de fluxo de gás de combustão. Uma van- tagem de localizar a grade de distribuição a montante do(s) separador(es} de partícula por colisão é que o(s) separa- dor (es) podem aumentar a mistura subseqüente do reagente com o gás de combustão. Uma desvantagem de localizar a grade de distribuição nesse local a montante é que há um carregamento mais elevado de sólido no gás de combustão a montante do(s) separador(es) que podería impedir a penetração do jato de reagente no gás de combustão. Esses fatores necessitariam, desse modo ser considerados quando a localização desejada da grade de distribuição deve ser finalizada.

Com referência aos desenhos anexos e que fazem parte dessa revelação, onde numerais de referência similares designam elementos iguais ou funcionalmente similares em to- dos os diversos desenhos, e para figura 1 em particular, é mostrada uma vista da seção lateral de uma caldeira de CFB típica 10 tendo um invólucro de reator ou forno 12, tipica- mente retangular em seção transversal, definido por paredes de invólucro resfriadas a fluido 14. As paredes de invólucro 14 são tipicamente tubos separados entre si por uma membrana de aço para obter um invólucro hermético de gás 12. O invó- lucro do reator 12 tem uma porção inferior 16, uma porção superior 18, e uma abertura de saída 20 localizada em uma saída da porção superior 18. Combustível, como carvão, e sorvente, como pedra calcária, esquematicamente indicado em 22, são fornecidos à porção inferior 16 em um modo regulador e dosado por qualquer meio convencional conhecido por aque- les versados na técnica. Como exemplo e não limitação, equi- pamento típico que seria utilizado inclui alimentadores gra- vimétricos, válvulas giratórias e parafusos de injeção. Ar primário, indicado em 24, é fornecido à porção inferior 16 através da caixa de vento 26 e placa de distribuição 28 co- nectada á mesma. O dreno do leito esquematicamente indicado em 30 remove cinza e outros resíduos a partir da porção in- ferior 16 como exigido, e orifícios de fornecimento de ar para queima em excesso 32, 34 fornecem o equilíbrio do ar necessário para combustão.

Uma mistura de sólidos/gás de combustão 36 produ- zida pelo processo de combustão de CFB fluí para cima atra- vés do invólucro de reator 12 a partir da porção inferior 16 para a porção superior 18, transferindo uma porção do calor contido na mesma para as paredes de invólucro resfriadas a fluido 14. Um separador de partículas por colisão, primário 38 é localizado na porção superior 18 do invólucro de reator 12. Em uma modalidade preferida, o separador de partículas por colisão, primário 38 compreende várias fileiras de Vi- gas-U 40 que podem ser dispostas em dois grupos; um grupo a montante 42 e um grupo a jusante 44. Vígas-U 40 podem ser sustentadas a partir do telhado 46 do invólucro de reator 12, como revelado nas patentes US nos. 4.992.085 e 5.343.830, ou podem ser sustentados por tubos resfriados co- mo revelado na patente US no. 6.454.824, cujos textos inte- grais são, desta forma, incorporados a título de referência como se totalmente expostos aqui. O invólucro do forno 12 do reator de CFB 10 pode ser dotado de superfície de aquecimento de parede de divisão 48, superfície de aquecimento de parede de asa 50, ou os dois tipos de superfície de aquecimento, dependendo das exi- gências de geração de vapor da instalação de CFB dada. Em algumas instalações, nenhum tipo de superfície pode ser re- querido por exigências de geração de vapor. Além disso, será fornecida uma superfície de aquecimento de superaquecedor a jusante, 52, como mostrado.

Com referência à figura 2, que é uma vista seccio- nal através da porção superior 18, são ilustrados vários lo- cais onde elementos individuais 60 podem ser localizados e utilizados para injetar um reagente 62 fornecido por um sis- tema de SNCR 64 (esquematicamente ilustrado na figura 1) e que formam, coletivamente, uma grade de distribuição 80. Co- mo mostrado, os elementos 60 podem ser localizados na super- fície de aquecimento de parede de divisão 48, superfícies de aquecimento de parede de asa 50, e/ou superfície de aquecí- mento de superaquecedor 52. Embora a figura 2 mostre o local preferido como estando no que pode ser referido como as "bordas traseiras" de qualquer uma dessas superfícies de a- quecimento, isso não é essencial e os elementos 60 podem ser localizados em qualquer lugar, incluindo nas superfícies 48, 50 e/ou 52, e em locais único ou múltiplos nas superfícies 48, 50 e/ou 52. Além disso, embora tenhamos descrito a pre- sente invenção como uma grade de distribuição, será reconhe- cido que certas aplicações podem exigir somente um único e- lemento 60 com um único bocal 72. Inversamente, uma plurali- dade de elementos 60 pode ser empregada em uma ou várias das superfícies 48, 50 e/ou 52 através de uma largura W da cal- deira de CFB 10, e em vários locais espaçados ao longo de qualquer tal superfície 48, 50 e/ou 52, de modo que o rea- gente 62 seja injetado no gás de combustão em muitos locais através de uma seção transversal da passagem de combustão que transporta o gás de combustão.

As figuras 3 e 4 são vistas de perto de duas moda- lidades preferidas, designadas I na figura 2, de um elemento individual 60 contendo um conduto 70. Exclusivamente para facilidade de ilustração, e de modo algum para limitar a aplicação dos elementos 60 de acordo com a presente invenção, considere que os elementos 60 são formados como parte de uma superfície de aquecimento de parede de asa 50, compreendida de tubos resfriados a fluido 66, alguns ou todos os quais podem ser conectados entre si pela membrana 68. Na figura 3, os elementos 60 são formados por dois pedaços de membrana 68 se estendendo entre dois tubos resfriados a fluido adjacentes 66, desse modo criando um tes 66, desse modo criando um conduto 70 nesse ponto que é utilizado para transportar o reagente 62 a partir de uma fonte do mesmo para uma ou mais aberturas ou bocais 72 para injetar o reagente 62 parar dentro do gás de combustão. As aberturas ou bocais 72 podem ser compreendidas de pequenos pedaços de tubo ou cano ou um formato projetado de forma mais particular, como determinado por exigências de penetra- ção de jato e/ou queda de pressão. Se requerido para redução de resistência à erosão e/ou absorção de calor, os elementos 60 podem ser dotados de um revestimento de refratário 74, como mostrado. Na figura 4, um conduto maior 70 pode ser em- pregado, se requerido pela quantidade de reagente 62 que de- ve ser transportada ao longo de qualquer conduto individual 70, pelo aumento do número de tubos resfriados a fluido 66 utilizados para formar o conduto 70, com um aumento associa- do no número de pedaços de membrana 68 como mostrado.

Alternativamente, e como mostrado na figura 5, la- drilhos de proteção 82 podem ser empregados em vez de refra- tário 74 para proteger a membrana 68 bem como os tubos 66 adjacentes à mesma. Os ladrilhos de proteção 82 podem ser feitos de qualquer material adequado resistente à erosão e temperatura elevada, apropriado, como cerâmica ou metais co- mo aço inoxidável. Os ladrilhos de proteção 82 podem ser fixados na membrana 68 por qualquer meio apropriado, como por fixação dos ladrilhos 82 no bocal 72 com uma arruela 84 soldada, como em W, ao bocal 72. Um espaçador ou arruela 86 pode ser empregado para posicionar os ladrilhos 82 em relação ao bocal 72 e fornecer uma abertura 88 entre o ladrilho 82 e a membrana 68 para reduzir absorção de calor a membrana 68 para reduzir absorção de calor pela membrana 68. 0 ladrilho de proteção 82 pode ser desse modo dotado de uma abertura 90 para essa finalidade, a abertura 90 sendo tal que aceitará o bocal 72. Se houver uma diferença apreci- ável no diâmetro da abertura 90 e o diâmetro externo do bo- cal 72 que seria inserido na abertura 90, o espaçador ou ar- ruela 86 pode ser também dotado de uma porção que também es- tendería em torno do diâmetro externo do bocal 72 e dentro da abertura 90 para evitar movimento em excesso do ladrilho de proteção 82 durante operação. Os ladrilhos de proteção 82 entre locais nos elementos 60 onde os bocais 72 são forneci- dos podem ser similarmente fixados na membrana 68; evídente- mente, nesses locais os bocais 72 seriam substituídos por pinos simples uma vez que nenhum reagente 62 é fornecido no gás de combustão 36 nesses locais intermediários.

Embora modalidades específicas da invenção tenham sido mostradas e descritas em detalhe para ilustrar a apli- cação dos princípios da invenção, aqueles versados na técni- ca reconhecerão que alterações podem ser feitas na forma da invenção abrangida pelas reivindicações a seguir, sem se a- fastar de tais princípios. Por exemplo, a presente invenção pode ser aplicada em construção nova que envolve reatores de leito fluidificado com circulação ou combustores, ou em substituição, reparo ou modificação de combustores ou reato- res de leito fluidificado em circulação, existentes. Pode ser aplicado também em aplicações que não são de CFB, como em caldeiras ou fornos de leito fluidificado de borbulhamen- to.

Além disso, embora a grade de distribuição tenha sido mostrada como sendo localizada nas proximidades da a- bertura de saida, e/ou a montante ou a jusante da mesma, po- de ser desejável localizar a grade de distribuição em outros locais no invólucro de forno ou combustão a jusante da aber- tura de saida, onde temperaturas apropriadas do gás de com- bustão podem ser apresentadas em certas faixas de carga que exigem redução de NOx. Em algumas modalidades da invenção, certas características da invenção podem às vezes ser utili- zadas vantajosamente sem um uso correspondente das outras características. Por conseguinte todas essas mudanças e mo- dalidades estão compreendidas adequadamente no âmbito das reivindicações que se seguem.

Claims (2)

1. Grade de distribuição de SNCR para fornecer um reagente para reduzir NOx em uma corrente de gás contendo NOx, CARACTERIZADA por compreender: pelo menos um elemento (60) para transportar o re- agente de uma fonte exterior à corrente de gás, o elemento tendo pelo menos um bocal (72) para pulverizar o reagente de um conduto (70) definido dentro do elemento (60) na corrente de gás, o conduto (70) sendo formado por pelo menos dois tu- bos resfriados a fluido (66) e membranas (68) localizadas entre os tubos (66), o pelo menos um bocal (72) sendo loca- lizado em pelo menos uma das membranas (68), o pelo menos um elemento (60) sendo fornecido com um ladrilho de proteção (82), o ladrilho de proteção (82) fornecido com um espaçador (86) para proporcionar uma lacuna (88) entre o ladrilho de proteção (82) e a pelo menos uma membrana (68) para reduzir a absorção de calor pela membrana (68).

2. Grade de distribuição de SNCR, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o pelo menos um elemento é dotado de refratário.