ES2205358T3 - Procedimiento y dispositivo para reducir las emisiones de nox. - Google Patents

Abstract

EN PROCEDIMIENTOS CONOCIDOS PARA DISMINUIR LAS EMISIONES DE NO X EN GASES DE ESCAPE DE ESCAPE DE INSTALACIONES CON FORMACION DE NO X CONDICIONADAS POR LA COMBUSTION, SE PUEDE REALIZAR LA DEGRADACION DE NO X A TEMPERATURAS DE APRO XIMADAMENTE DE 450 HASTA 800 °C, Y EN UNA ATMOSFERA OXIDANTE CON UNA RELACION AIRE/CARBURANTE LA > 1, DONDE SON NECESARIOS TIPOS ESPECIALES DE INSTALACION Y DISPOSITIVOS ADICIONALES. EN PARTICULAR LAS TRANSFORMACIONES DE ESTAS INSTALACIONES SON MUY COSTOSAS. EL NUEVO PROCEDIMIENTO POSIBILITA UNA FIJACION TERMODINAMICA DE EQUILIBRIO EN LA DEGRADACION DE NO X , Y DE MA NERA SEGURA FIJAR EN EL GAS DE ESCAPE DE INSTALACIONES CON FORMACION DE NO X CONDICIONADA POR LA COMBUSTION LOS VALORES LIMITE PARA EMISIONES, SIN GRANDES TRANSFORMACIONES COSTOSAS Y/O CONSTRUCCIONES. EN EL NUEVO PROCEDIMIENTO SE CONDUCEN LOS GASES DE ESCAPE QUE CONTIENEN NO X A TRAVES DE UNA CAMARA DE RETENCION (1) PARA ELEVAR EL TIEMPO DE RESIDENCIA. ASI SE CONSIGUE P. E. EN LA FABRICACION DE CLINKERDE CEMENTO EN INSTALACIONES DE CEMENTO EN INSTALACIONES DE PRODUCCION CON HORNOS TUBULARES DE GIRO E INTERCAMBIADORES DE CALOR DE GAS UNA GRAN REDUCCION DE LAS EMISIONES DE NO X , Y DE TAL MANERA QUE SE PUEDE RENUNCIAR A LA CONVERSION DE LA INSTALACION PARA LA REDUCCION SELECTIVA NO CATALITICA. EL PROCEDIMIENTO ES APROPIADO TAMBIEN PARA OTRAS INSTALACIONES TECNICAS DE COMBUSTION COMO POR EJEMPLO HORNOS DE TUNEL O INSTALACIONES DE TRATAMIENTO DE GASES DE ESCAPE DE RECIPIENTES DE PASTA DE VIDRIO EN LA INDUSTRIA DEL VIDRIO.

Description

Procedimiento y dispositivo para reducir las emisiones de NO_{x}.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para reducir las emisiones de NO_{x} en los gases de escape de una instalación para fabricar clínker de cemento con un horno tubular giratorio y un intercambiador térmico de lecho fluidizado, en los que la degradación de NO_{x} se realiza en un intervalo de temperaturas de aproximadamente 450 a 800ºC y en una atmósfera oxidante con un índice de aire \lambda > 1.

En todos los procesos técnicos de combustión se producen óxidos de nitrógeno, NO_{x}, es decir, monóxido de nitrógeno, NO, y dióxido de nitrógeno, NO_{2}, de oxígeno atmosférico, nitrógeno atmosférico y los compuestos que contengan nitrógeno, contenidos en el combustible. A temperaturas de llamas superiores a 1600ºC, con un tiempo de permanencia suficientemente largo de los gases de combustión en la llama, a partir de nitrógeno molecular se origina sustancialmente monóxido de nitrógeno, NO.

El óxido de nitrógeno NO originado por encima de 1600ºC es un compuesto fuertemente endotérmico que en el intervalo de temperaturas de aproximadamente 800 a 450ºC se vuelve a descomponer parcialmente en nitrógeno y oxígeno. Con un enfriamiento rápido a una temperatura inferior a 450ºC, el óxido de nitrógeno NO se mantiene metaestable.

Un ejemplo de ello es la fabricación de clínker de cemento en plantas de producción con horno tubular giratorio y intercambiador térmico de lecho fluidizado.

Habitualmente, el clínker de cemento se produce mediante el tratamiento térmico de una mezcla tratada de materias primas, precalentada, en un horno tubular giratorio. En las instalaciones con aprovechamiento del calor del horno, la harina bruta pasa por una serie de etapas del intercambiador térmico de lecho fluidizado, se precalienta, se preneutraliza (calcina) y se sinteriza en la zona de sinterización del horno tubular giratorio formando clínker de cemento y, a continuación, se enfría.

En la zona de sinterización del horno tubular giratorio se alcanzan unas temperaturas de llamas de aproximadamente 2000ºC. Durante esto, además de monóxido de nitrógeno, NO, se origina también dióxido de nitrógeno, NO_{2}, aproximadamente en la relación 90% de NO y 10% de NO_{2}.

Las etapas del intercambiador térmico suelen estar configuradas como ciclones en los que se precipita la harina bruta calentada por los gases de escape calientes del horno tubular giratorio, que circulan en dirección contraria. Al entrar en la etapa inferior del intercambiador térmico, los gases de escape del horno tienen aproximadamente una temperatura de 1000ºC. Los gases de escape abandonan la etapa superior del intercambiador térmico a una temperatura de aproximadamente 250 a 350ºC.

La parte de los óxidos de nitrógeno, NO_{x}, en los gases de escape en general difiere de una instalación a otra, ya que en todos los hornos reinan unas condiciones supletorias distintas. También en el interior de una instalación se observan grandes variaciones en cuanto al contenido de los óxidos de nitrógeno, según la instalación y los distintos combustibles empleados.

Para poder cumplir con los valores límite prescritos por las autoridades, se requieren medidas para reducir el contenido en óxido de nitrógeno. Se sabe que es posible influir parcialmente en algunos parámetros en el hogar principal de la instalación de horno tubular giratorio, considerando las relaciones de la naturaleza del combustible, la temperatura de la llama, la forma de la llama, el tiempo de permanencia y el exceso de aire, para reducir de antemano la formación de óxidos de nitrógeno. Sin embargo, en las partes siguientes de la instalación, visto en el sentido del gas de escape, el tiempo de permanencia de los gases del horno en el intervalo de temperaturas de aproximadamente 450ºC a 800ºC hasta ahora no se había considerado en cuanto a la reducción de NO_{x}.

En las condiciones en el intercambiador térmico no se trata de un equilibrio estático, sino de un equilibrio dinámico. Por ello, la descomposición del NO_{x} depende fundamentalmente del tiempo de permanencia del gas en el intervalo de temperaturas de 450ºC a 800ºC. Por tanto; la distribución de la velocidad de circulación del aire en el intervalo de temperaturas relevante del intercambiador térmico determina la tasa de degradación. Por consiguiente, tanto en la descomposición como en la formación influyen el índice de aire \lambda y el tiempo de permanencia.

Por ejemplo, por la publicación en la revista ZKG International 49 (1996) Nº 10, pág. 545 a 560, se conoce el procedimiento de reducir el contenido en dióxido de nitrógeno de los gases de escapa del horno tubular giratorio mediante la adición del reductor amoniaco, NH_{3}, en forma gaseosa o como agua de NH_{3} en la zona del intercambiador térmico. Una reducción óptima del NH_{3}, sin embargo, se consigue sólo a temperaturas elevadas de aproximadamente 900ºC.

Asimismo, es conocido ajustar mediante otras medidas de procedimiento, por ejemplo, mediante un exceso de monóxido de carbono, CO, unas condiciones reductoras con \lambda < 1 en el calcinador e influir positivamente en la degradación de óxido de nitrógeno, NO, mediante tiempos de reacción más largos manteniendo las condiciones reductoras. Al mismo tiempo, sin embargo, hay que tener cuidado de no exceder los valores límite para las emisiones de CO. Entonces, se necesita por ejemplo una técnica de calefacción escalonada para la combustión posterior del CO.

El procedimiento según el documento DE19611898 A1, conocido para las máquinas de combustión interna, trabaja según un procedimiento fundamentalmente distinto con enriquecimiento de oxígeno y con la amplia exclusión de nitrógeno atmosférico de la participación en el proceso de combustión, de forma que sólo debido a la parte de nitrógeno del combustible se produce aún una formación de NO_{x} fuertemente reducida.

Por el documento EP0287224A2 se conoce un procedimiento para la degradación selectiva de NO_{x} de corrientes de gases de escape de combustión, según el cual para la reducción de NO_{x} se emplean reductores como la urea y el ácido cianúrico. No se produce ninguna descomposición automática y espontánea del NO_{x}.

Por el documento DE2601077A1 se conoce un procedimiento para eliminar óxidos de nitrógeno de un gas de combustión en un dispositivo de combustión con superficies de intercambio térmico en una zona con una temperatura superior a 700ºC, según el cual la temperatura del gas de escape de combustión se mantiene a entre 700 y 1300ºC en presencia de un catalizador y en presencia de oxígeno y de una fuente de amoniaco. Esto se realiza en un aparato de combustión en el que las superficies metálicas de intercambio térmico están dispuestas en una zona situada corriente abajo del gas de escape de combustión situado a una temperatura superior a 700ºC. La fuente de amoniaco se introduce en el gas de combustión de tal forma que la mezcla de amoniaco y de gas de combustión circule por una cámara situada corriente abajo, en la que la superficie de transición térmica de las superficies metálicas de intercambio térmico es inferior a 0,5 x 10^{-2} m^{2} por 1 Nm^{2}/H de la corriente de gas de combustión, y que presente un tiempo de permanencia de hasta 1 seg. dentro de dicha cámara, siendo la temperatura del gas de escape de combustión en la salida de dicha cámara superior a 700ºC. Un inconveniente de este procedimiento son las costosas incorporaciones y el aumento de los costes de servicio por el suministro de las sustancias reactivas.

Un inconveniente de estas medidas de procedimiento es que se precisan altas inversiones en tipos de construcción de instalaciones especiales y dispositivos adicionales. Especialmente las modificaciones de instalaciones existentes son muy costosas. El uso de NH_{3}, por ejemplo, en la reducción no catalítica selectiva conlleva también un aumento de los costes de servicio. Por ejemplo, se precisan equipamientos de seguridad adicionales.

La invención tiene el objetivo de acercarse lo máximo posible, en un intervalo de temperaturas de aproximadamente 450 a 800ºC y en atmósfera oxidante con un índice de aire \lambda > 1, al ajuste termodinámico del equilibrio en la degradación de NO_{x}, manteniendo en el gas de escape de instalaciones con formación de NO_{x} por calefacción de forma segura los valores límite para las emisiones sin necesidad de incorporaciones y/o modificaciones costosas.

Para conseguir el objetivo técnico, la invención propone hacer pasar el gas de escape que contiene NO_{x} por un ciclón para aumentar el tiempo de permanencia, produciéndose el aumento del tiempo de permanencia por la generación de una diferencia de presión elevada entre la entrada del ciclón y la salida del ciclón.

De manera ventajosa, esto puede seguir aumentado la velocidad del gas en el tubo de inmersión del ciclón, por ejemplo por una corriente turbulenta. Otras posibilidades son una reducción de la sección transversal del tubo de inmersión, una realización del tubo de inmersión en forma de tronco cónico o una prolongación del tubo de inmersión. Igualmente es posible aumentar el tamaño de construcción de los ciclones.

El aumento de la velocidad de circulación en el tubo de inmersión está vinculada con un aumento de la diferencia de presión en el ciclón. Es que la mayor velocidad de gas en el tubo de inmersión conduce a una reducción de la presión a la salida del gas simultáneamente a considerables contrapresiones en el orificio de entrada de gas.

Un dispositivo ventajoso para realizar el procedimiento está realizado de tal forma que en un tubo de inmersión, compuesto por láminas, del ciclón, están dispuestos dispositivos de conducción de gas compuestos por láminas desplazadas hacia dentro, especialmente ajustables desde fuera.

El tubo de inmersión puede constar de láminas, en cuyo caso una o varias láminas están desplazadas hacia dentro. Partiendo de los cantos orientados hacia dentro de dichas láminas desplazadas se forman los remolinos de corriente deseados, de forma que el gas permanezca durante más tiempo en el ciclón. Las láminas ajustables desde fuera resultan apropiadas para poder adaptar el tiempo de permanencia óptimamente a las condiciones de servicio.

A continuación, la invención se describe detalladamente con la ayuda de los dibujos en las figuras 1 a 4.

La figura 1 muestra la vista lateral de un ciclón (1) representado en corte.

La figura 2 representa la vista en planta desde arriba sobre un ciclón (1) representado en corte.

La figura 3 representa en detalle el tubo de inmersión (3) representado en corte en vista en planta desde arriba.

La figura 4 representa la vista lateral del tubo de inmersión (3).

En las instalaciones de hornos tubulares giratorios de cemento, frecuentemente el gas de escape del horno se evacua a través de precalentadores de ciclón. En estos casos, los gases de escape del horno tubular giratorio circulan por el precalentador de ciclón desde abajo hacia arriba en contracorriente respecto al material combustible. En la figura 1 está representado un ciclón con un tubo de inmersión (3). La entrada de gas bruto se produce tangencialmente. El gas bruto se compone de una suspensión de sustancia sólida en gas, compuesta por harina bruta y gas de escape del horno tubular giratorio. En el ciclón (1) que trabaja según el principio de la precipitación por fuerza centrífuga, el material bruto se precipita y se evacua por el lado inferior del ciclón. Durante ello, se produce un intercambio intenso entre el gas de escape del horno tubular giratorio y el material combustible. En la figura 1 está representada una forma de realización especial del tubo de inmersión (3) que puede componerse de láminas (5). El gas puro sale del ciclón por el tubo de inmersión (3) y se suministra a la siguiente etapa superior del precalentador de ciclón o se evacua a través de una instalación de depuración de gas de escape.

Una posibilidad de diseño habitual del ciclón está representada en la figura 2. El punto central (7) del tubo de inmersión (3) está desplazado en una dirección determinada con respecto al punto central (6) de la pared de ciclón (1). La circulación por la cámara de ciclón describe una espiral en la vista desde arriba. Por lo tanto, generalmente se habla también de una "carcasa en espiral". La corriente no es rotacionalmente simétrica en los ejemplos elegidos. Las relaciones son determinadas por el radio (2) del ciclón y el radio (4) del tubo de inmersión.

Se ha encontrado que el tiempo de permanencia en el ciclón aumenta si determinadas láminas (5) del tubo de inmersión (3) están desplazadas hacia dentro, tal como está representado en la figura 2. Para un control enfocado del aumento del tiempo de permanencia conviene que una o varias láminas (5) se realicen de forma móvil. Según se muestra en la figura 3, el eje de giro (8) se encuentra en el canto trasero, visto en el sentido de la corriente de gas, de una de las láminas (5.1) móviles. La lámina puede ajustarse de tal forma que el canto delantero se oriente hacia dentro en el sentido de giro (9). La figura 4 representa la misma disposición de láminas (5), de láminas giratorias (5.1) y del eje de giro (8) en vista lateral.

Se usa una multitud de distintos diseños con diferentes espirales para influir en la corriente y, por tanto, en la precipitación y la pérdida de presión. También la sección de entrada o de salida puede configurarse de distintas maneras.

Las primeras experiencias prácticas con el procedimiento según la invención han mostrado que mediante las medidas según la invención, en el intervalo de temperaturas de aproximadamente 450 a 800ºC se puede conseguir una considerable reducción de las emisiones de NO_{x}, pudiendo renunciar al reequipamiento de la planta para la reducción selectiva, no catalítica.

Otra ventaja que ha resultado es que aumentó el grado de precipitación de polvo.

Claims (5)

1. Procedimiento para reducir las emisiones de NO_{x} en los gases de escape de una instalación para fabricar clínker de cemento con un horno tubular giratorio y un intercambiador térmico de lecho fluidizado, en el que la degradación de NO_{x} se realiza en un intervalo de temperaturas de 450 a 800ºC y en una atmósfera oxidante con un índice de aire \lambda > 1, caracterizado porque el gas de escape que contiene NO_{x} se hace pasar por un ciclón para aumentar el tiempo de permanencia, produciéndose el aumento del tiempo de permanencia por la generación de una diferencia de presión elevada entre la entrada del ciclón y la salida del ciclón.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el tiempo de permanencia de los gases de escape que contienen NO_{x} se incrementa generando una corriente turbulenta en el ciclón (1).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se aumenta la velocidad del gas en el tubo de inmersión (3) del ciclón (1).

4. Dispositivo para realizar el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en un tubo de inmersión (3), compuesto por láminas (5), del ciclón (1) están dispuestos dispositivos de conducción de gas compuestos por láminas (5) desplazadas hacia dentro.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque las láminas (5.1) se pueden ajustar desde fuera.