ES2315002T3 - Inyeccion de sorbente alcalino para el control de mercurio. - Google Patents

Abstract

Procedimiento destinado a la eliminación del mercurio del gas de escape generado en un sistema de combustión (10) que dispone de una caldera (24) y una chimenea (36), comprendiendo el procedimiento: inyectar un sorbente alcalino (14) en forma de polvo o barro en una zona superior del horno (28) de la caldera, conteniendo el sorbente alcalino (14) por lo menos un elemento seleccionado de entre los elementos alcalinotérreos y/o por lo menos un elemento seleccionado de entre los metales alcalinos, siendo inyectado asimismo el sorbente (14) en una proporción molar de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino a azufre comprendida entre 0,001 moles de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino por 1 mol de azufre y 0,5 moles de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino por 1 mol de azufre; y separar y eliminar la materia en partículas que contiene mercurio de los gases de escape utilizando unos medios de eliminación de partículas (34) dispuestos entre la caldera (24) y la chimenea (36).

Description

Inyección de sorbente alcalino para el control de mercurio.

El objetivo de la presente invención se desarrolló mediante un contrato de investigación con el US Department of Energy (DOE) contrato nº: DE-FC22-94PC94251 y bajo un acuerdo de subvención con Ohio Coal Development Office (OCDO) Acuerdo de Subvención nº. CDO/D-922-13.

La presente invención se refiere en general al ámbito de la combustión y a los procedimientos de limpiado del gas de escape, in particular, a un nuevo y útil procedimiento destinado a eliminar el mercurio de los gases de escape generados durante la combustión, mediante la utilización de un sorbente alcalino.

Recientemente, el US Department of Energy (DOE) y la US Environmental Protection Agency (EPA) han apoyado la investigación destinada a la medición y control de las emisiones de Polucionantes Peligrosos del Aíre (HAP) de las calderas de servicios públicos calentadas con carbón y plantas de energía a base de residuos. Los resultados iniciales de múltiples proyectos de investigación demostraron que la emisión de metales pesados y carbonos orgánicos volátiles (VOC) son muy bajas, excepto para el mercurio (Hg). Contrariamente a la mayoría de los otros metales, el mercurio permanece en la fase vapor a temperaturas relativamente bajas y no se condensa en las partículas de ceniza. Por consiguiente, no se puede recoger y eliminar con la ceniza como los demás metales. Para complicar el asunto, el mercurio puede existir en forma oxidada (Hg^{++}) o en forma elemental (Hg^{0}) y cada una de ellas es afectada de modo diferente por los equipos de control de polución corriente abajo.

La mayoría del esfuerzo reciente destinado a capturar y eliminar el mercurio de los gases de escape producidos por las unidades calentadas por carbón se ha concentrado en las reacciones en fase gaseosa con reactivos introducidos tales como carbón activo.

El tema de las emisiones de mercurio por los servicios públicos y la industria de energía basada en residuos es una nueva área investigada por el DOE y EPA.

Aproximadamente el 75% de las plantas de energía que queman carbón no están equipadas con sistemas de desulfuración de gas de escape mojado (WFGD). Estos sistemas frecuentemente controlan las emisiones de partículas mediante precipitadores electrostáticos (ESP) y filtros de bolsas. Con la posible posibilidad de regulación de las emisiones de mercurio en la industria eléctrica, es imperativo disponer de procedimientos de captura de mercurio costo efectivos para las plantas de energía que no disponen de sistemas WFGD.

Se conoce la inyección de cal en polvo en los gases de escape en la cavidad superior del horno de una caldera con el fin de capturar el SO_{2} de los gases de escape. Se puede encontrar una discusión de los sistemas que utilizan este procedimiento en los documentos US-A-5.795.548 y US-A-5.814.288 de Madden et al.. Estos sistemas o procedimientos se refieren como procedimientos/sistemas de barrido en seco por inyección de caliza amplificado, o sistemas E-LIDS^{TM} marca registrada de Bacock & Wilcox Company. Referirse a la Figura 1.

Para los procedimientos o sistemas E-LIDS^{TM}, se dispone un sistema de recolección de partículas corriente abajo del calentador de aire con el fin de eliminar la materia en partículas de los gases de escape de la caldera. Con este fin se puede utilizar uno de los múltiples tipos de procedimientos conocidos de separación de partículas, que comprenden los separadores por impacto inerte, filtros de bolsas (casas de bolsas) y ESP. Los gases de escape que salen del colector de partículas pasan a través de un limpiador seco en el que se ponen en contacto con un barro que comprende hidróxido cálcico. El calcio se introduce en proporciones molares de calcio a azufre muy superiores a 1,0 y generalmente superiores a 2,0 mol/mol. Las elevadas proporciones molares son necesarias con el fin de lograr buenas reacciones entre el calcio y el azufre presentes en los gases de escape.

Puede tener lugar una eliminación adicional del SO_{2} en un limpiador seco corriente abajo del mecanismo controlador de partículas seguido de un colector de partículas terminal en el que se recogen las cenizas de carbón, sorbente gastado y partículas de sorbente no reaccionadas. Un filtro de bolsas es preferido como mecanismo final de control de partículas debido a la eliminación adicional de SO_{2} que se produce mientras el gas de escape pasa a través del bizcocho de filtro en los filtros de bolsas. Por consiguiente, el procedimiento o sistema E-LIDS^{TM} combina la inyección de sorbente, limpiado en seco y filtración por telas.

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Una forma de realización de la presente invención proporciona la eliminación de mercurio de los gases de escape generados en un sistema de combustión tal como el de un servicio y sistema de combustión de residuos para energía que dispone de una caldera y una chimenea, que comprende: unos medios para la eliminación de partículas con el fin de separar y eliminar del gas de escape la materia en partículas que comprenden mercurio, los medios de eliminación de partículas están localizados entre la caldera y la chimenea; y los medios de inyección de sorbente para proporcionar un sorbente alcalino en forma de polvo o barro a una parte superior del horno de la caldera, siendo el sorbente alcalino inyectado en una proporción molar de calcio a azufre comprendida entre 0,001 moles de metal alcalino térreo o metal alcalino/mol de azufre y 0,5 moles de metal alcalino térreo o metal alcalino/mol de azufre. Los sorbentes alcalinos se inyectan en uno o más lugares de un sistema de planta de energía y en una proporción molar de metal alcalino térreo o metal alcalino a azufre inferior a 1,0 con el fin de eliminar por lo menos entre el 40% y el 60% del contenido en mercurio de las emisiones de las plantas de energía. Se inyectan pequeñas cantidades de sorbentes alcalinos en la corriente de gases de escape a una velocidad relativamente baja. Se utiliza un filtro de partículas con el fin de eliminar las partículas con mercurio corriente debajo de cada uno de los puntos de inyección utilizados en el sistema de la planta de energía.

Por consiguiente, se ha descubierto que el procedimiento E-LIDS^{TM} tiene asimismo el efecto de eliminar el 95% de la cantidad total de mercurio presente en el sistema del horno. Sorprendentemente, se descubrió que el 82% de la eliminación de mercurio tuvo lugar utilizando solamente la inyección de sorbente y el primer colector de partículas.

Esta estrategia puede proporcionar una solución coste-efectiva para reducir las emisiones de mercurio en los gases de escape que se puede adaptar a los sistemas de plantas de energía existentes.

Bajo ciertas circunstancias, puede ser deseable utilizar una combinación de sorbente de metal alcalino térreo y metal alcalino con el fin de lograr la eliminación del mercurio.

Los múltiples aspectos novedosos que caracterizan la presente invención se describen en particular en las reivindicaciones adjuntas que forman parte de la presente memoria.

Para una mejor comprensión de la presente invención, las ventajas de su funcionamiento y los beneficios específicos alcanzados con su utilización, se hace referencia a los dibujos adjuntos en los que se ilustra diagramáticamente una forma de realización preferida de la presente invención mediante ejemplos en los que:

la Figura 1 es un diagrama esquemático de una instalación de planta de energía que incorpora el sistema E-LIDS^{TM} según la técnica anterior.

la Figura 2 es un diagrama esquemático de una instalación de planta de energía que incorpora un sistema de inyección de sorbente alcalino para el control de mercurio según la presente invención; y

la Figura 3 es una gráfica de barras mostrando las cantidades de mercurio capturadas, tal como se miden mediante equipos de ensayo, después del tratamiento del gas de escape en un sistema según la presente invención en comparación con el gas de escape no filtrado.

Haciendo referencia a continuación a los dibujos, en los que los números de referencia iguales se refieren a los mismos o a elementos funcionalmente semejantes a través de los múltiples dibujos, la Figura 2 muestra una instalación de planta de energía de sistema 10 que dispone de un medio de preparación del sorbente alcalino 12 para preparar un sorbente alcalino 14 que se envía mediante las líneas 15, 16, 18, 20 y/o 22 a múltiples lugares en el sistema 10. El sistema de planta de energía 10 comprende una caldera 24 provista de una zona de horno inferior 26, una zona de horno superior 28, un paso de convección 30, un calentador de aire 32, un mecanismo de control de emisiones 34 y una chimenea 36. El combustible 38, típicamente carbón, y aire 40 para la combustión se proporcionan dentro de la base de la caldera 24 con el fin de generar calor por combustión.

En el sistema 10 que se muestra, los gases de escape calientes 42, que comprenden contaminantes tales como mercurio, se generan en la zona del horno 26 de la caldera 24 y suben a través de la zona superior del horno 28. Los gases de escape 42 pasan a continuación a través de la sección del paso de convección 30 de la caldera 24 antes de entrar en el calentador de aire 32. Después del calentador de aire 32, los gases de escape más fríos 44 se pueden tratar mediante uno o más de los mecanismos de control de emisiones, designados generalmente con el número de referencia 34. Los gases escape desulfurados y limpios (de partículas) 46 salen por el mecanismo 34 y se envían a la chimenea 36 para su liberación a la atmósfera.

Los mecanismos de control de emisiones 34 pueden comprender filtros de bolsas, precipitadores electrostáticos, sistemas WFGD y limpiadores mojados, limpiadores secos, reductores catalíticos selectivos (SCR), reductores no catalíticos selectivos (SNCR) y separadores de partículas de impacto. Sin embargo, tal como se indicó anteriormente, muchos de los sistemas de plantas de energía existentes 10 no disponen de sistemas WFGD y solamente utilizan un ESP o filtro de bolsas con el fin de controlar las emisiones. En los sistemas en los que está instalado un sistema WFGD, típicamente habrá un ESP instalado corriente arriba con el fin de eliminar la materia en partículas antes de que los gases de escape entren en el sistema WFGD.

Tal como se ilustra en la Figura 2, el sorbente alcalino se puede administrar en los gases de escape 42, 44, 46 en uno o más lugares de la parte superior del horno 28, el paso de convección 30, en el mecanismo de control de emisiones 34, antes de salir del sistema 10 a través de la chimenea 36 o con el combustible 38. Los sorbentes alcalinos adecuados 14 comprenden sorbentes que comprenden elementos seleccionados de entre los metales alcalinos (Grupo 1a de la tabla periódica) tales como sodio, o metales alcalinotérreos (Grupo 2a de la tabla periódica) que comprenden los sorbentes a base de calcio tales como piedra caliza y cal. El sorbente alcalino (14) puede estar en forma de barro o polvo, y los medios 15, 16, 18, 20 y 22, desde luego, puede estar diseñado para enviar el sorbente 14 a la parte superior del horno 28 y otros lugares deseados en una cualquiera de las formas en las que se administre, ya sea en forma de barro o
polvo.

La inyección de sorbente alcalino para el control de mercurio comprende la inyección de un sorbente alcalino 14 cualquiera en la corriente del gas de escape 42, 44, 46 en cualquier lugar entre la caldera 24 y la salida de la chimenea 36 en cantidades muy pequeñas (proporción molar de Ca/S inferior a 1,0 mol/mol) con el fin de capturar el mercurio. El sorbente 14 se puede inyectar en la corriente de gas de escape 42, 44, 46 seco o en forma de barro. El sorbente inyectado 14 absorbe o adsorbe el mercurio en la fase de partículas permitiendo la captura del mercurio con los sólidos en el gas de escape en el mecanismo de control de emisiones 34 corriente abajo. Las temperaturas para la inyección del sorbente están comprendidas entre las típicas a la entrada del carbón en la caldera 1.650ºC (3.000ºF) y en la parte superior 28 del horno 1.260ºC (2.300ºF) y temperaturas muy bajas tales como a la salida del limpiador mojado 66ºC (150ºF). En cada instalación el equipo y los componentes del gas de escape dictarán el tipo de sorbente y donde (a que temperatura) se debe inyectar. En la Figura 2, la flecha sólida (línea 16) desde el sistema de preparación 12 del sorbente es una aplicación de la presente invención ensayada recientemente que se conoce que funciona. Esto es la inyección en la zona superior del horno 28. Las flechas de guiones desde el sistema de preparación del sorbente 12 son lugares de inyección adicionales del sorbente 14 para la captura de mercurio que se espera que funcionen; sin embargo, estas aplicaciones todavía se deben comprobar (los ejemplos comprenden la introducción con la alimentación de carbón 38, en el paso de convección 30, en cualquier lugar de la desulfuración del gas de escape y en el mecanismo de control de partículas sección 34 y antes de la chimenea 36).

Los ensayos recientes realizados como parte del contrato identificado anteriormente con el DOE han demostrado sorprendentemente que la inyección de incluso pequeñas cantidades de sorbente de piedra caliza 14 (es decir proporciones de calcio comprendidas entre 0,04 y 0,35 mol Ca/mol S) mediante la línea 16 en la zona superior del horno 28 de la caldera 24 pueden lograr modestas eliminaciones del mercurio de los gases de escape 42. Esta es una aplicación nueva y especial de la inyección de sorbente alcalino. Anteriormente, tal inyección de sorbente alcalino se utilizó para la eliminación de SO_{2} de los gases de escape, y además se inyectó a velocidades de flujo muy superiores (es decir, proporciones de calcio comprendidas entre 1,4 y 2,0 moles Ca/mol S). La Tabla 1 a continuación, resume las condiciones de funcionamiento de la inyección de sorbente para la aplicación específica ensayada, mientras que la Figura 3 ilustra gráficamente los datos del ensayo obtenidos cuando se inyectó sorbente alcalino 14 (piedra caliza) en la zona superior del horno 28 de la caldera 24.

TABLA 1 Condiciones de funcionamiento de la inyección de sorbente para la aplicación de ensayo específica

1

Tal como se ilustra en la Figura 3, la barra 200 representa la emisión incontrolada de emisión de un sistema de planta de energía de ensayo 10 en el que aproximadamente el 70% del mercurio es mercurio oxidado, aproximadamente otro 20% es mercurio en fase de partículas y el resto es mercurio elemental. Se observó aproximadamente un total de 23 \mug/dscm (23 \mug/metros cúbicos estándar secos) en las emisiones no controladas.

La barra 250 muestra el efecto de utilizar solamente un precipitador electrostático sobre la eliminación de mercurio. Solamente se elimina aproximadamente un 18% del mercurio total presente en la emisión no controlada (barra 200).

Una comparación de la barra 200 con las barras 300 y 350, que representan las emisiones cuando el sorbente alcalino 14 se ha inyectado en el sistema de la planta de energía 10, muestra claramente la reducción beneficiosa de mercurio emitido a la atmósfera por el procedimiento de combustión del horno.

La barra 300 muestra la cantidad total de mercurio observada después de la inyección de piedra caliza en una proporción molar de 0,35 calcio a azufre, o en una proporción de 0,002 kg piedra caliza por kg de gas de escape en la zona superior del horno 28. La emisión total de mercurio se reduce sustancialmente; se elimina el 56% del mercurio de la emisión no controlada mediante la inyección del sorbente alcalino 14.

En un segundo ensayo, cuyos resultados se muestran mediante la barra 350, se inyectó piedra caliza en la zona superior del horno 28 a una proporción molar de aproximadamente 0,04 calcio a azufre o en una proporción de 0,00025 kg de piedra caliza por kg de gas de escape. La proporción inferior produce menor control del mercurio, con una reducción de aproximadamente el 45% del mercurio total de las emisiones no controladas. Haciendo referencia de nuevo a la Figura 2, el sistema de inyección utilizado con el fin de administrar el sorbente alcalino 14 a cada uno de los diferentes lugares en el sistema de la planta de energía 10 puede ser uno cualquiera de los tipos conocidos para administrar sustancias en polvo o en barro, tales como bombas o un sistema de transporte por aire. Una ventaja de la presente invención es que el sorbente alcalino 14 se puede administra a partir de un componente adaptado que tiene una pequeña planta relativa al sistema WFGD completo para las plantas que carecen de un WFGD. El coste de instalar dicho sistema de inyección es considerablemente inferior al del sistema WFGD.

Ya que se inyectan cantidades relativamente pequeñas de sorbente alcalino 14 en el sistema de la planta de energía 10, el coste de proporcionar el sorbente alcalino 14 es relativamente barato. Además, se pueden utilizar silos de almacenamiento más pequeños, lo que contribuye a la pequeña planta de la adaptación de inyección.

La inyección de sorbente alcalino de la presente invención proporciona asimismo el control adicional sobre las emisiones de óxidos de azufre en las plantas que se están adaptando y que no disponen de sistema WFGD. El sorbente alcalino 14 inyectado en el sistema de planta de energía 10 tiene el efecto adicional de eliminar, y de ese modo reducir las cantidades de SO_{3}, HCl y otros gases ácidos de los gases de escape a la vez que reduce el contenido en mercurio.

Los niveles inferiores de SO_{3} proporcionan el beneficio de reducir el punto de rocío ácido, permitiendo eliminación adicional de calor de los gases de escape, ya que la temperatura se puede reducir todavía más sin generar un condensado cáustico y corrosivo. A su vez, la reducción de la temperatura de los gases de escape en los mecanismos de recogida de partículas incrementa la cantidad potencial de mercurio que se puede eliminar, así como también incrementa la eficacia de la caldera.

En ciertas circunstancias, puede ser deseable utilizar una combinación de sorbente alcalino térreo y sorbente de metal alcalino con el fin de lograr la eliminación de mercurio.

Finalmente, debido a la inyección de sorbente alcalino 14 se puede diluir el contenido en carbón de las cenizas. La cantidad de carbón no quemado que se encuentra en las cenizas de las plantas de energía dicta frecuentemente la disponibilidad de las cenizas en procedimientos de utilización. La dilución de la ceniza reduce los porcentajes de carbón no quemado, y por consiguiente, la ceniza será más deseable para la venta comercial. El incremento de la alcalinidad de la ceniza puede incrementar el valor de la ceniza para múltiples aplicaciones tales como las industrias agrícolas y del hormigón.

Claims (7)

1. Procedimiento destinado a la eliminación del mercurio del gas de escape generado en un sistema de combustión (10) que dispone de una caldera (24) y una chimenea (36), comprendiendo el procedimiento:

inyectar un sorbente alcalino (14) en forma de polvo o barro en una zona superior del horno (28) de la caldera, conteniendo el sorbente alcalino (14) por lo menos un elemento seleccionado de entre los elementos alcalinotérreos y/o por lo menos un elemento seleccionado de entre los metales alcalinos, siendo inyectado asimismo el sorbente (14) en una proporción molar de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino a azufre comprendida entre 0,001 moles de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino por 1 mol de azufre y 0,5 moles de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino por 1 mol de azufre; y

separar y eliminar la materia en partículas que contiene mercurio de los gases de escape utilizando unos medios de eliminación de partículas (34) dispuestos entre la caldera (24) y la chimenea (36).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el sorbente alcalino (14) comprende uno de entre piedra caliza, cal, un sorbente a base de calcio y una combinación de los mismos.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que el sorbente alcalino (14) comprende piedra caliza.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la proporción molar es 0,35 moles de metal alcalinotérreo y/o metal alcalino por 1 mol de azufre.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el sorbente alcalino (14) comprende uno de entre piedra caliza, cal, un sorbente a base de calcio y una combinación de los mismos.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la materia en partículas se elimina mediante un precipitador electrostático (34).

7. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 6 ó 10 a 15, en el que el sorbente alcalino (14) comprende un sorbente a base de sodio.