Proceso y aparato para controlar la concentración de amoníaco en la reducción de emisiones de dióxido de azufre.

La presente invención se refiere generalmente a procesos por los que se extrae el gas dióxido de azufre de los gases de combustión de servicio público e industriales. Más concretamente, esta invención está dirigida a un proceso y aparato de desulfuración vía húmeda del gas de combustión en el que se produce sulfato de amonio como producto derivado de valor a partir del dióxido de azufre extraído de los gases de combustión utilizando una solución de lavado que contiene amoníaco, en la que se controla el aerosol sin sulfato de amonio y amoníaco en los gases de combustión lavados.

Se utilizan de forma generalizada contactores y absorbedores de gas-líquido para extraer sustancias como gases y material particulado de la combustión o los gases de combustión producidos por plantas industriales y de servicio público. Con frecuencia, preocupación concreta son el dióxido de azufre (SO_{2}) y otros gases ácidos producidos por la combustión de combustibles fósiles y varias manipulaciones industriales. Se sabe que estos gases son peligrosos para el medioambiente, y su emisión en la atmósfera está directamente regulada por la ley de aire limpio. Se conoce el procedimiento por el que se extraen estos gases con un contactor o absorbedor gas-líquido como desulfuración vía húmeda de gases de combustión.

La acción de limpieza que producen los contactores y absorbedores de gas-líquido se deriva generalmente del paso de gas por una torre en paralelo o a contracorriente a un líquido descendente que absorbe dióxido de azufre. Los procesos de desulfuración vía húmeda de gases de combustión han implicado típicamente el uso de un líquido alcalino de lavado, como una suspensión a base de calcio o una solución a base de sodio o a base de amonio. Como se utiliza en este documento, una suspensión es una mezcla de sólidos y líquidos en la que el contenido de los sólidos puede ser de cualquier nivel deseado, incluyendo la condición extrema en la que la suspensión se califica como sólido húmedo. Ejemplos de suspensiones a base de calcio son suspensiones de piedra caliza (carbonato de calcio; CaCO_{3}) y suspensiones de cal apagada (hidróxido de calcio; Ca(OH)_{2}) formadas mediante la acción de agua en la cal (óxido de calcio; CaO). Estas suspensiones reaccionan con los gases ácidos para formar precipitados que pueden recogerse para eliminación, reciclado o venta. El contacto estrecho entre la suspensión alcalina y los gases ácidos que están presentes en los gases de combustión, como dióxido de azufre, cloruro de hidrógeno (HCl) y fluoruro de hidrógeno (HF), da como resultado la absorción de los gases por parte de la suspensión y la formación de sales, como sulfito de calcio (CaSO_{3}\cdot½H_{2}O), yeso (CaSO\cdot2H_{2}O), cloruro de calcio (CaCl_{2}) y fluoruro de calcio (CaF_{2}). Cuando se desea, se utiliza la oxidación forzada de la suspensión por aeración para garantizar que todos los sulfitos reaccionarán para formar sulfatos, y por consiguiente maximizar la producción de yeso.

Mientras los contactores y absorbedores de gas-líquido que utilizan suspensiones a base de calcio como se han descrito anteriormente funcionan generalmente de forma satisfactoria, su manipulación da como resultado la producción de grandes cantidades de desechos o yeso, teniendo este último sólo valor comercial nominal. En cambio, se han utilizado en la técnica procesos de lavado a base de amoníaco para producir un fertilizante de sulfato de amonio con más valor. En estos procesos, se absorbe el dióxido de azufre de los gases de combustión con una solución de sulfato de amonio, tras lo que se lleva a reacción el dióxido de azufre con oxígeno y amoníaco anhidro o acuoso inyectado en la solución para formar una solución de sulfato de amonio adicional o cristales de sulfato de amonio (NH_{4})_{2}SO_{4}). Ejemplos concretos de estos procesos se describen en las patentes de los EE.UU. n^{os} 4.690.807 y 5.362.458, cada una concedida al cesionario de la presente invención. Además de requerirse que reaccione con dióxido de azufre para producir sulfato de amonio, el amoníaco también sirve para aumentar la eficacia de la extracción de dióxido de azufre reduciendo la acidez de la solución de sulfato de amonio, que se vuelve más ácida con la absorción de dióxido de azufre.

Una petición actual en los procesos como los que se enseñan en las patentes de EE.UU. n^{os} 4.690.807 y 5.362.458 es la capacidad de control la concentración de amoníaco, que es amoníaco libre de los gases de combustión lavados que sale del contactor o absorbedor de gas. Además de incurrir en una pérdida económica a causa del amoníaco perdido, el amoníaco libre de los gases de combustión lavados reacciona con dióxido y trióxido de azufre no capturado para crear un aerosol de sulfato de amonio que se puede ver como una columna azul o blanca en los gases de chimenea, conduciendo a problemas de contaminación secundarios. Controlar la cantidad de amoníaco libre en el proceso de desulfuración es en parte una función de la presión del vapor de amoníaco, que es resultado de una combinación de pH y niveles de sulfito de amonio no oxidado producido por la reacción de dióxido de azufre y amoníaco en ausencia de oxígeno suficiente. Los valores elevados de pH dan como resultado una presión del vapor de amoníaco alta, lo que provoca la concentración de amoníaco. Niveles elevados de sulfito de amonio no oxidado también provocan concentración de amoníaco.

Hablando en términos generales, el uso y adición de amoníaco anhidro o acuoso para controlar gases de óxido de azufre han dado como resultado unos niveles no deseados de concentración de amoníaco y poco control del aerosol asociado.

El documento EP212523 describe un procedimiento para separar gas de dióxido de azufre del gas de dióxido de azufre contaminado en el que se introducen simultáneamente amoníaco acuoso y aire en una solución de lavado cargada con dióxido de azufre. No obstante, el amoníaco acuoso y el aire se introducen por separado en la solución de lavado a través de medios de inyección respectivos.

Por consiguiente, sería deseable que estuviera disponible un proceso de desulfuración de gas de combustión que implicase la adición de amoníaco inhidro o acuoso y que controlase al mismo tiempo la concentración de amoníaco.

Es un objeto de esta invención proporcionar un proceso de desulfuración de gas de combustión que utiliza un fluido de lavado a base de amoníaco para extraer el dióxido de azufre de los gases de combustión producidos por las instalaciones de servicio público e industriales.

Es otro objeto de esta invención que este proceso se caracterice por una cantidad reducida de concentración de amoníaco, que corresponde a niveles reducidos de amoníaco y aerosol de sulfato de amonio en los gases de combustión lavados que salen del proceso.

Es otro objeto de esta invención proporcionar un aparato para llevar a cabo el proceso de esta invención.

En un aspecto principal, la presente invención proporciona un proceso para extraer dióxido de azufre de los gases de combustión, comprendiendo el procedimiento las etapas de: suministrar gases de combustión que contienen dióxido de azufre a una zona de contactor de un absorbedor; introducir una solución de lavado que contiene sulfato de amonio en el absorbedor, contactando la solución de lavado con los gases de combustión y absorbiendo el dióxido de azufre de los gases de combustión; acumular la solución de lavado que contiene el dióxido de azufre en un vaso con una pared inferior y una pared lateral que definen una sección transversal del vaso; introducir un fluido con amoníaco diluido que comprende amoníaco y un gas con oxígeno en la solución de lavado dentro del vaso para reaccionar con el dióxido de azufre para producir sulfato de amonio, introduciéndose el fluido con amoníaco diluido en el vaso en una dirección hacia la pared inferior del vaso y dispersándose uniformemente a través de la sección transversal del vaso en la pared inferior del vaso; y ocasionar la recirculación de la solución de lavado a la zona de contactor, en la que el fluido con amoníaco diluido se entremezcla con la solución de lavado dentro del vaso antes de que se ocasione la recirculación de la solución de lavado dentro del vaso en la zona de contactor para eliminar porciones de solución de lavado dentro del vaso con un pH más elevado y un nivel de sulfito de amonio más elevado que el resto de la solución de lavado dentro del vaso.

La presente invención proporciona un proceso de desulfuración vía húmeda de gases de combustión para extraer el dióxido de azufre de los gases de combustión producidos por las manipulaciones de procesamiento del tipo que se llevan a cabo en plantas de servicio público e industriales. En concreto, el proceso utiliza una solución de sulfato de amonio en el que se inyecta amoníaco y oxígeno, que reaccionan con el dióxido de azufre absorbido en la solución para producir sulfato de amonio como un producto derivado de valor. Más concretamente, el proceso de esta invención comporta generalmente las etapas de suministrar gases de combustión que contienen dióxido de azufre a una zona de contactor de un absorbedor, en el que se introduce una solución de lavado que contiene sulfato de amonio para contactar con los gases de combustión y absorber el dióxido de azufre. La solución de lavado que contiene el dióxido de azufre se acumula después en un vaso que tiene una pared inferior y una pared lateral que define una sección transversal del vaso. Se introducen conjuntamente un gas con oxígeno y un fluido con amoníaco en el vaso para reaccionar con el dióxido de azufre para producir sulfato de amonio. La solución de lavado se recicla continuamente desde el vaso a la zona de contactor.

Según la invención, los altos valores de pH y los altos niveles de sulfito de amonio no oxidado, ya sean localizados o uniformes en toda la solución de lavado, pueden dar como resultado una presión del vapor de amoníaco que provoque la concentración de amoníaco. Con esta invención, se limitan los niveles altos de pH y sulfito de amonio localizados dentro de la solución de lavado introduciendo amoníaco diluido en la pared inferior del vaso de forma que el amoníaco se dispersa uniformemente a través de la sección transversal del vaso antes de entremezclarse con el resto de la solución de lavado en el vaso antes de que se ocasione la recirculación de la solución de lavado a la zona de contactor del absorbedor. La invención ha mostrado que la dispersión uniforme de amoníaco diluido elimina las bolsas de niveles altos de pH y sulfito de amonio en la solución de lavado, logrando un nivel de pH más uniforme y deseable y unos niveles reducidos de sulfito de amonio, que provocan la absorción de amoníaco y controlan la concentración de amoníaco en el absorbedor.

En una forma de realización preferida de la invención, se diluye amoníaco acuoso con aire, que también sirve como la fuente de oxígeno para la reacción, y después de dispersa cerca de la pared inferior del vaso mediante una pluralidad de conductos que se extienden a través de la sección transversal del vaso. Los conductos se sitúan preferentemente encima de la entrada a través de la que se recicla la solución de lavado en el absorbedor. Se estima que tanto la dilución del amoníaco con agua y aire como la configuración concreta de los conductos que se utilizan para inyectar la mezcla se estiman sean características preferidas de la invención que consiguen los objetos de la invención.

A partir de lo anterior, puede verse que el proceso de desulfuración de gas de combustión de esta invención tiene la ventaja de generar sulfato de amonio al tiempo que controla la concentración de amoníaco y el aerosol de sulfato de amonio resultante. Este proceso también reduce el flashing (ebullición rápida del agua) localizado causada por la reacción de amoníaco y agua en la solución de lavado, y minimiza el flashing del amoníaco en la fase gaseosa gracias a la despresurización de la solución de sulfato de amonio rica en amoníaco cuando se despresuriza la solución (se expande) a través de una boquilla que se utiliza para atomizar la solución en la zona de contactor del absorbedor. Por último, se ha mostrado cómo se diluye el amoníaco y después de dispersa uniformemente en la parte inferior del vaso para provocar una reacción más rápida con el dióxido de azufre.

A partir de la siguiente descripción detallada se apreciarán otros objetos y ventajas de esta invención.

la fig. 1 es una representación esquemática de un aparato para un proceso de desulfuración de gas de combustión según esta invención;

la fig. 2 es una vista transversal del aparato de la figura 1 a lo largo de la línea 2-2; y

la fig. 3 es una vista transversal de un tubo de distribución que emplea el aparato.

Según esta invención, se proporcionan un proceso y un aparato mejorados de desulfuración de gas de combustión, por los que se extrae gas de dióxido de azufre comprendido en un gas de combustión utilizando líquido de lavado para generar sulfato de amonio como un producto derivado útil y de valor. Aunque esta invención se describirá con referencia a un sistema de desulfuración que utiliza un absorbedor, aquellos expertos en la materia reconocerán que las enseñanzas de esta invención pueden aplicarse fácilmente a otros sistemas diversos de desulfuración, incluyendo contactores de gas-líquido, estructuras de lavado y otros equipamientos diversos capaces de utilizarse en el proceso que se describe para esta invención. Además, el proceso de desulfuración de esta invención es compatible con diversos sistemas capaces de extraer otros gases no deseados, vapor, polvo, emanaciones, humo y/o materia particulada de un flujo de gas.

La figura 1 es una vista esquemática de un aparato de lavado de gas de combustión 10 según esta invención. Como se muestra, el aparato 10 incluye un absorbedor vertical 12 que se provee con gases de combustión a través de un canal de entrada 14. El aparato 10 funciona de una manera que origina la absorción de dióxido de azufre de los gases de combustión que utilizan un líquido de lavado. Los gases de combustión lavados que salen del absorbedor 12 se suministran a una chimenea (no se muestra) u otro equipamiento adecuado mediante un canal de salida 20. La fuente de los gases de combustión puede ser cualquier proceso que implique la combustión de combustibles fósiles o diversas manipulaciones industriales con las que se producen gases o materia particulada no deseados.

Según esta invención, el líquido es una solución de lavado rica en amoníaco 22, y más preferentemente, una solución de sulfato de amonio acuoso 22 que contiene amoníaco libre disuelto como el reactivo para el proceso de desulfuración. Como se tratará con mayor detalle más adelante con referencia a la figura 2, la figura 1 muestra cómo se suministra el amoníaco desde una fuente 32 a un vaso de reacción 18 mediante una bomba 26, un conducto 28 y un sistema de inyección 30. El amoníaco es preferentemente una solución acuosa de una relación de masa de aproximadamente 7:1 a 3:1 de agua y amoníaco. El amoníaco es un reactante principal cuando se produce sulfato de amonio como un producto derivado del proceso de desulfuración, y la solución de sulfato de amonio 22 sirve como el vehículo del líquido para suministrar el amoníaco al absorbedor 12. Como se muestra en la figura 1 una bomba de recirculación 40 sirve para reciclar la solución de sulfato de amonio 22 desde el vaso 18 a través de un conducto 16 hasta una zona de contactor del absorbedor 12, en la que se introduce la solución 22 a través de un número de boquillas 24 u otros dispositivos adecuados.

El proceso de lavado implica pulverizar la solución de sulfato de amonio 22 en el absorbedor 12 para proporcionar contacto estrecho entre la solución 22 y el gas de combustión. Como resultado, la solución 22 absorbe dióxido de azufre y otros gases ácidos, como cloruro de hidrógeno (HCl) y fluoruro de hidrógeno (HF), si están presentes en los gases de combustión. Luego la solución 22 cae en el vaso de reacción 18, en el que el dióxido de azufre absorbido reacciona con el amoníaco y se oxida para formar sulfato de amonio. Específicamente, el dióxido de azufre reacciona con amoníaco para formar sulfito de amonio (NH_{4})_{2}
SO_{3}\cdotHOH) y bisulfito de amonio (NH_{4}HSO_{3}), que se oxidan en la presencia de suficiente oxígeno para formar sulfato de amonio y bisulfato de amonio (NH_{4}HSO_{4}), reaccionando este último con amoníaco para formar sulfato de amonio adicional. Después puede extraerse una porción de la solución de sulfato de amonio 22 y/o de los cristales de sulfato de amonio que forman la solución 22 para lograr el producto derivado deseado de esta reacción. Se extrae preferentemente una cantidad suficiente de sulfato de amonio de la solución de sulfato de amonio 22 antes de suministrarla al absorbedor 12 para mantener el sulfato de amonio en una concentración deseada en la solución 22, que ha sido típicamente de aproximadamente el 2% hasta el nivel de saturación del sulfato de amonio (46% del total de sólidos disueltos). No obstante, según la solicitud de patente de EE.UU. pendiente de tramitación nº de serie [expediente de abogado nº MET-1002], una solución preferida tiene una concentración disuelta por encima del 46% hasta aproximadamente el 48% del total de sólidos disueltos, de forma que tienen sólidos suspendidos del precipitado de sulfato de amonio en un intervalo de preferentemente el 1% al 20% aproximadamente del total de sólidos suspendidos.

Según prácticas anteriores, se suministra suficiente amoníaco al vaso 18 para controlar el pH de la solución de sulfato de amonio 22 dentro de un intervalo típico de aproximadamente un intervalo de pH de 4 a 6, de forma que la solución 22 es altamente reactiva para una captura altamente eficaz de los gases de dióxido de azufre. Como se ha indicado anteriormente, durante la operación de lavado se produce una reacción entre el amoníaco inyectado y el dióxido de azufre que, con la oxidación forzada, da como resultado la producción de sulfato de amonio adicional. Si hay cloruro de hidrógeno y/o fluoruro de hidrógeno en el gas de combustión, como en el caso del gas de combustión producido por la combustión de carbón, estos gases ácidos también se capturan para formar cloruro de amonio y fluoruro de amonio.

La presente invención está basada en la determinación de que la manera en la que la técnica anterior ha inyectado el amoníaco provoca altos niveles de concentración de amoníaco, lo que significa que el amoníaco libre entra en el absorbedor 12, del que una parte reacciona con dióxido de azufre para formar un aerosol de sulfato de amonio que se escapa del absorbedor 12 y se descarga en la atmósfera. Como una solución a este problema, la presente invención comporta inyectar amoníaco en la solución de sulfato de amonio 22 del vaso de reacción 18 en una forma diluida (con aire y agua) y a través del sistema de inyección 30 que se muestra en las figuras 1 y 2, lo que se ha determinado que en combinación reduce la probabilidad de que el amoníaco libre se escape del absorbedor 12. Específicamente, se ha determinado con la presente invención que se produce menor concentración de amoníaco si se diluye amoníaco intencionadamente con agua y oxígeno (por ej. aire) antes de inyectarlo uniformemente por la sección transversal inferior del vaso 18. En concreto, se ha mostrado que la dispersión uniforme de amoníaco diluido reduce la probabilidad de que en la solución 22 haya bolsas de pH alto y altos niveles de sulfito de amonio, de forma que se consiguen niveles uniformes y deseables de pH y sulfito de amonio que provocan la absorción de amoníaco y controlan la concentración de amoníaco en el absorbedor 12. Como se muestra en la figura 1, el amoníaco se diluye con oxígeno desde una fuente adecuada 38, y después la mezcla resultante se suministra a través del conducto 28 hasta el vaso 18 mediante el sistema de inyección 30. El aire es una fuente adecuada para el oxígeno, con un amoníaco preferido: siendo la relación aire-masa de aproximadamente uno a aproximadamente cinco.

El sistema de inyección 30 que se muestra en las figuras 1 y 2 incluye un número de conductos paralelos 34 que dispersan uniformemente el amoníaco diluido cerca de la parte inferior 36 del vaso de reacción 18, y preferentemente aproximadamente a diez pies (aproximadamente tres metros) de la parte inferior 36. Para conseguir los resultados deseados, los conductos 34 se sitúan encima de la entrada a la bomba 40 y al conducto 16. Como se muestra en la figura 3, otra característica del sistema de inyección 30 es que la mezcla aire/amoníaco está dirigida hacia abajo a la parte inferior 36, y no horizontalmente o hacia arriba en el vaso 18. Se ha mostrado la inyección de mezcla a través de aperturas 44 con diámetros de aproximadamente tres octavos de pulgada (aproximadamente 9,5 mm) y en un ángulo de aproximadamente 45 grados hacia la parte inferior 36 para conseguir los resultados deseados. En gran medida, la configuración del sistema de inyección 30 que se muestra en las figuras ha dado como resultado una reducción considerable de la concentración de amoníaco, que se ha atribuido a la ausencia de bolsas de pH alto y niveles altos de sulfito de amonio en la solución 22. Según esta invención, el amoníaco acuoso y el oxígeno introducidos con el sistema de inyección 30 circulan a través del vaso de reacción 18 a partir de la circulación natural establecida con la bomba de recirculación 40, la inyección continua de amoníaco acuoso y aire mediante el sistema de inyección 30, y cualquier agitador presente, como el ventilador 42 que se muestra
en la figura 1.

En vistas de lo anterior, puede verse que una ventaja significativa de la presente invención es que, mientras los procesos de desulfuración de la técnica anterior que utilizan soluciones de lavado a base de amoníaco han sido propensos a niveles relativamente altos de concentración de amoníaco, la presente invención controla la concentración de amoníaco con la manera en la que se introduce el amoníaco en un sistema de desulfuración de gas de combustión para reducir la tendencia a niveles altos localizados de pH y sulfito de amonio. Otras ventajas de esta invención incluyen flashing localizado minimizado gracias a las reacciones entre el amoníaco y el agua en la solución 22, flashing minimizado del amoníaco en la fase gaseosa cuando se expande a través de las boquillas 24, y una reacción más rápida de la solución 22 con dióxido de azufre.

Aunque la invención actual se ha descrito en términos de formas de realización preferidas, es aparente que aquellos expertos en la materia podrían adoptar otras formas. Por ejemplo, las características de esta invención podrían incorporarse dentro de los sistemas de desulfuración de gas de combustión que difieren de los que se han representado en las figuras, podrían emplearse composiciones de suspensión que incluyan constituyentes además de los que se han descrito, y podría emplearse equipamiento distinto y/o adicional para tratar más las soluciones y suspensiones que utiliza el proceso, así como para tratar aquellos compuestos producidos por el sistema de desulfuración de gas de combustión. Por consiguiente, el alcance de la invención debe limitarse únicamente a las siguientes reivindicaciones.