ES2597160T3

ES2597160T3 - Rejilla de inyector con mezclador de dos etapas y procedimiento

Info

Publication number: ES2597160T3
Application number: ES13166810.5T
Authority: ES
Inventors: Ali Mustapha Tabikh; Haitao Tu
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2017-01-16
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: CN103386251B; CN103386251A; EP2662130B1; EP2662130A3; US9649604B2; EP2662130B8; US20130298996A1; PL2662130T3; EP2662130A2

Abstract

Una disposición de mezclador inyector (10) para suministrar y mezclar un agente reductor en forma gaseosa a un gas de combustión que fluye en un conducto de gas (14) que comunica con un catalizador (18a) en un reactor (12) de reducción catalítica selectiva aguas abajo de dicha disposición (10), en la que una pluralidad de boquillas (30) dispuestas sobre una rejilla de inyector (22) en el conducto de gas (14) para suministrar un agente reductor al conjunto de gas (14), una pluralidad de placas mezcladoras (24) de primera etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas boquillas (30), una pluralidad de placas mezcladoras (26) de segunda etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas placas mezcladoras (24) de primera etapa, en las que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa es adecuada para generar dos vórtices en el gas de combustión y en el agente reductor que fluye en el conducto de gas (14) entremezclando los mismos antes de que el gas de combustión y el agente reductor entremezclados entren en contacto con dicho catalizador (18a), caracterizado por que cada placa mezcladora (24) de primera etapa tiene una geometría trapezoidal, cada borde no paralelo (24a) de cada placa mezcladora (24) de primera etapa está unido a un borde no paralelo (24a) de otra placa mezcladora (24) de primera etapa para formar una configuración generalmente cuadrada o rectangular, de tal manera que los bordes paralelos menores (24b) de las placas mezcladoras (24) forman bordes interiores (34) y los bordes paralelos mayores (24c) forman bordes exteriores (36), en la que los bordes interiores (34) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa están posicionados más hacia dentro hacia el centro (C) de la rejilla de inyector (22) de lo que lo están los bordes exteriores (36), en que las superficies exteriores (38) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa forman un ángulo (A) de 25 a 55 grados con respecto a un plano (P) paralelo a las paredes planas verticales (14a, 14b, 14c, 14d) que forman el conducto de gas (14).

Description

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DESCRIPCION

Rejilla de inyector con mezclador de dos etapas y procedimiento REFERENCIA CRUZADA A LA SOLICITUD RELACIONADA

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud de Patente Provisional Norteamericana con Numero de Serie 61/645.296; presentada el 10 de Mayo de 2012.

CAMPO DEL INVENTO

La presente invencion se refiere a una disposicion para suministrar y mezclar un agente reductor en forma gaseosa a un gas de combustion que fluye a traves de un conducto a un reactor de reduccion catalftica selectiva (SCR) dispuesto aguas abajo de dicha disposicion.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

En la combustion de un combustible, tal como carbon, petroleo, gas natural, turba, residuos, etc., en una instalacion de combustion, tal como una central energetica o una planta de incineracion de residuos, se genera un gas de proceso. Para separar oxidos de nitrogeno, usualmente indicados NOx, de tal gas de proceso, a menudo referido como un gas de combustion, se utiliza frecuentemente un metodo en el que un agente reductor, usualmente amomaco o urea, es mezclado con el gas de combustion. El gas de combustion, mezclado con dicho amomaco o urea, es entonces hecho pasar a traves de un catalizador para promover una reaccion selectiva del agente reductor con los NOx para formar gas nitrogeno y vapor de agua. Usualmente el catalizador es instalado en lo que comunmente se llama un reactor de reduccion catalftica selectiva (SCR). La mezcla del agente reductor y del gas de combustion se lleva a cabo en un conducto de gas en una posicion aguas arriba del reactor SCR.

El agente reductor es suministrado al conducto de gas por una pluralidad de boquillas dispuestas dentro del conducto de gas. Para facilitar una distribucion uniforme de la concentracion de NOx y del agente reductor sobre una seccion transversal dada del conducto de gas, y por lo tanto tambien sobre una seccion transversal dada del reactor SCR, se conoce la utilizacion de placas mezcladoras en el conducto para provocar un flujo turbulento del gas de combustion.

Sin embargo, en muchos sistemas, la concentracion de NOx y del agente reductor no se distribuye uniformemente en el gas de combustion sobre una seccion transversal dada del reactor SCR. Esto plantea un problema ya que una relacion estequiometrica entre los NOx y el agente reductor es esencial para lograr una buena reduccion del contenido de NOx del gas de combustion y un slip bajo del agente reductor del reactor SCR.

El documento DE 3723618 C1 describe un dispositivo para mezclar juntos dos fluidos gaseosos en un conducto de gas. Uno de los fluidos es suministrado por un numero de boquillas dispuestas en una fila a lo largo de una placa mezcladora. Las boquillas estan dispuestas en un angulo con respecto a la placa mezcladora y a la direccion principal de flujo de fluido a traves del conducto, de este modo el gas suministrado es inyectado en el flujo turbulento aguas abajo de la placa mezcladora.

El documento EP 0 526 393 A1 describe un elemento de mezcla de gas estatico que utiliza elementos de grna similares en dos etapas diferentes, y describe una disposicion de mezclador inyector de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1.

El documento EP 2 420 309 A1 describe un rectificador de flujo de gas que comprende al menos un tamiz expandido.

El documento US 2012/0014209 A1 describe una disposicion de mezcla de gas que utiliza elementos de galleta que tienen un eje longitudinal coincidente con el eje longitudinal de un conducto de fluido.

El documento DE 43 13 393 A1 describe un dispositivo de una etapa para mezclar juntos dos fluidos gaseosos en un conducto de gas.

El documento EP 2 620 208 A1 describe una disposicion de mezcla de gas de dos etapas de dos grupos de paletas de grna en la primera etapa.

RESUMEN DE LA INVENCION

Un objeto de la presente invencion es proporcionar una disposicion de mezclador inyector robusta que proporcione un entremezclado de agente reductor y de gas de combustion incrementado para distribucion de agente reductor uniforme sobre una seccion transversal dada de un conducto de gas con un aumento mmimo en la cafda de presion aguas arriba de un reactor SCR.

Este objeto es conseguido por medio de una disposicion de mezclador inyector de acuerdo con la reivindicacion 1. Se consigue asf un mezclado y distribucion robustos uniformes del agente reductor dentro del gas de combustion sobre una seccion transversal dada del conducto de gas paralela a y aguas abajo de la disposicion de mezclador inyector.

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La disposicion de mezclador inyector objeto proporciona un entremezclado relativamente eficiente y uniforme del agente reductor suministrado a lo largo del gas de combustion que contiene NOx, sobre una seccion transversal dada del conducto de gas aguas abajo de la disposicion de mezclador inyector. Ademas, la disposicion de mezclador inyector objeto es robusta con respecto a variaciones en las condiciones de funcionamiento en la central energetica ya que el agente reductor es suministrado en forma gaseosa aguas arriba de las placas mezcladoras integradas de primera etapa. Suministrar el agente reductor en forma gaseosa de esta manera tambien tiene la ventaja de que la estructura de las boquillas puede ser mantenida muy simple, permitiendo de este modo una disposicion de mezclador inyector relativamente rentable. Ademas, suministrar agente reductor en forma gaseosa desde la disposicion de mezclador inyector objeto permite liberar el agente reductor en la corriente de paso del gas de combustion de una manera muy uniforme, minimizando de este modo las cafdas de presion dentro del conducto de gas.

Se ha probado que el flujo turbulento generado por cada placa mezcladora integrada de primera etapa y de segunda etapa dentro de la disposicion de mezclador inyector objeto da como resultado un entremezclado y distribucion muy eficientes del agente reductor y los NOx a lo largo del gas de combustion sobre una seccion transversal horizontal dada del conducto de gas vertical paralelo a y aguas abajo de la disposicion de mezclador inyector. Como la disposicion de mezclador inyector objeto esta destinada a ser posicionada aguas arriba de un reactor SCR, el entremezclado continua hasta que el gas de combustion alcanza el reactor SCR y los catalizadores dispuestos en el. La concentracion de NOx en el gas de combustion ha probado, por la disposicion de mezclador inyector objeto, tener una distribucion sorprendentemente uniforme sobre el area en seccion transversal del reactor SCR.

Se han llevado a cabo ensayos que indican el efecto sorprendentemente beneficioso de la disposicion de mezclador inyector objeto. Mas de un centenar de boquillas que suministran un agente reductor en un sistema sin ninguna placa mezcladora se sustituyen eficazmente con una disposicion de mezclador inyector de acuerdo con la disposicion objeto que comprende solo unas pocas boquillas, teniendo cada una placas mezcladoras integradas de primera y de segunda etapa.

Utilizando la disposicion de mezclador inyector objeto, el agente reductor es suministrado aguas arriba de al menos su placa mezcladora integrada de primera etapa. La posicion de colocacion de las placas mezcladoras de primera etapa dentro del conducto de gas y la distancia entre las boquillas y las placas mezcladoras de primera etapa dependen del angulo de las placas mezcladoras de primera etapa con respecto a la colocacion de la boquilla dentro del conducto de gas. Debido a que los bordes interiores de placas mezcladoras de primera etapa se posicionan a una distancia mayor de las paredes verticales que forman el conducto de gas de lo que lo estan los bordes exteriores correspondientes, el plano de superficies exteriores de placas mezcladoras de primera etapa forma un angulo de 25 a 55 grados con respecto a las paredes verticales correspondientes que forman el conducto de gas.

De acuerdo con una realizacion, la pluralidad de boquillas pueden estar dispuestas en un patron simetrico sobre una o mas rejillas de inyector posicionadas sobre una parte de una seccion transversal horizontal de la expansion vertical longitudinal del conducto de gas. Preferiblemente, las boquillas son posicionadas simetricamente alrededor de la periferia y en el centro de cada rejilla de inyector. Cada parte lateral de cada rejilla de inyector comprende al menos una boquilla sobre una superficie superior de la misma y cada parte lateral de cada rejilla de inyector esta dispuesta en alineacion aguas arriba entre un borde interior y un borde exterior de una placa mezcladora de primera etapa, para la integracion de la rejilla de inyector y de la placa mezcladora de primera etapa.

De acuerdo con una realizacion, cada una de las cuatro placas mezcladoras que comprenden placas mezcladoras de primera etapa estan posicionadas en el mismo angulo con respecto a las paredes laterales del conducto de gas y por tanto de sus boquillas asociadas de aguas arriba. Tal disposicion permite una instalacion de montaje relativamente facil de las placas mezcladoras de primera etapa en el conducto de gas.

De acuerdo con una realizacion, los dos conjuntos de placas mezcladoras de primera etapa opuestas son de angulos diferentes con respecto a las paredes laterales del conducto de gas. En esta realizacion, las dos placas mezcladoras de primera etapa opuestas que forman un primer conjunto forman el mismo angulo con respecto a las paredes laterales del conducto de gas pero difieren de los angulos de las dos placas mezcladoras de primera etapa opuestas que forman el segundo conjunto. Utilizando tal patron simetrico sobre una seccion transversal del conducto de gas, se ha observado una distribucion uniforme de agente reductor y de NOx a traves de la seccion transversal completa del conducto de gas.

De acuerdo con una realizacion, la disposicion de mezclador inyector incluye dos placas mezcladoras de segunda etapa de forma trapezoidal integradas con al menos una rejilla de inyector y al menos una placa mezcladora de primera etapa. Las placas mezcladoras de segunda etapa estan dispuestas en el conducto de gas en un numero par de filas en un patron repetitivo. Las placas mezcladoras de segunda etapa en una primera fila estan dispuestas en la proximidad mas cercana a una primera pared del conducto de gas con bordes paralelos mayores mas cerca de la primera pared que sus bordes paralelos menores. Los bordes paralelos mayores de las placas mezcladoras de segunda etapa en una segunda fila, adyacente a la primera fila, son posicionados mas lejos de la primera pared que sus bordes paralelos menores. Las placas mezcladoras de segunda etapa en una tercera fila subsiguiente, adyacente a la segunda fila, son posicionadas con los bordes paralelos mayores mas cerca de la primera pared que sus bordes paralelos menores. Las placas mezcladoras de segunda etapa en una cuarta fila subsiguiente, adyacente a la tercera fila, son posicionadas con los bordes paralelos mayores mas lejos de la primera pared que sus bordes paralelos menores.

Tal disposicion simetrica sobre una seccion transversal del conducto de gas, crea una distribucion relativamente uniforme de agente reductor y de NOx a traves de toda la seccion transversal del conducto de gas. Ha de comprenderse que el numero de boquillas y el numero de placas mezcladoras de primera etapa y de segunda etapa requerido para entremezclar a fondo depende del tamano de la seccion transversal del conducto de gas. Se han realizado ensayos que 5 indican que disposiciones de acuerdo con la invencion objeto, equipadas con cuatro rejillas de boquilla con aproximadamente nueve boquillas cada una, dieciseis placas mezcladoras de primera etapa y ocho placas mezcladoras de segunda etapa, son tan eficaces como mas de 100 boquillas utilizadas sin placas mezcladoras.

De acuerdo con una realizacion, cada placa mezcladora de segunda etapa esta dispuesta con su superficie de contacto mayor formando un angulo de aproximadamente 25-55 grados desde un plano paralelo a las paredes planas que forman 10 el conducto de gas. Como tal, las superficies de contacto mayores de las placas mezcladoras de segunda etapa asf inclinadas tomadas juntas ocupan aproximadamente el 30-50%, mas preferiblemente el 35-45% y lo mas preferiblemente el 38-42% del area en seccion transversal horizontal del conducto de gas vertical.

Los ensayos han indicado que disponiendo placas mezcladoras de primera etapa y de segunda etapa en un angulo tal con respecto a sus boquillas integradas respectivas, la turbulencia dentro del conducto de gas es suficientemente grande 15 para causar una distribucion uniforme del agente reductor y de NOx sobre la seccion transversal completa del conducto de gas aguas abajo de la disposicion de mezclador inyector. Aun asf, no se ha observado ninguna restriccion indebida del flujo a traves del conducto de gas indicando asf que no hay una cafda indeseable de presion asociada.

De acuerdo con una realizacion, cada placa mezcladora de segunda etapa esta dispuesta con su superficie de contacto mayor formando un angulo de aproximadamente 25-55 grados, mas preferiblemente 27-50 grados y lo mas 20 preferiblemente 28-45 grados desde un plano paralelo a las paredes planas que forman el conducto de gas.

De acuerdo con una realizacion, el agente reductor es amomaco o urea suministrado en forma gaseosa, seca. De este modo se elimina el riesgo de formacion de depositos sobre las boquillas, las placas mezcladoras de primera etapa, las placas mezcladoras de segunda etapa o las paredes del conducto de gas.

De acuerdo con una realizacion, las placas mezcladoras de segunda etapa tienen una forma parabolica matematica, o 25 son de una geometna combinada tal como por ejemplo la de un triangulo isosceles agudo con geometna circular o curvada en sus vertices. Tal geometna combinada tambien sirve para aumentar y mejorar el entremezclado de agente reductor y de NOx dentro y a lo largo de todo el conducto de gas.

Otros objetos y caractensticas de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada y de las reivindicaciones.

30 BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La invencion se describira ahora de forma mas detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La fig. 1 es una vista en perspectiva lateral esquematica de una disposicion de mezclador inyector de acuerdo con la presente invencion;

La fig. 2 es una vista en perspectiva lateral esquematica de un inyector de rejilla de gas de acuerdo con la fig. 1;

35 La fig. 3 es una vista en perspectiva lateral esquematica de un mezclador de primera etapa de acuerdo con la fig. 1;

La fig. 4 es una vista en perspectiva lateral esquematica de un mezclador de segunda etapa de acuerdo con la fig. 1; y

La fig. 5 es una vista en seccion transversal lateral esquematica de la disposicion de mezclador inyector de la fig. 1 en la red de conductos agua arriba de un reactor de reduccion catalftica selectiva.

DESCRIPCION DE REALIZACIONES PREFERIDAS

40 Las centrales energeticas son hechas funcionar tfpicamente utilizando calderas de combustion de carbon, o similares. En una caldera de combustion de carbon, el carbon es quemado en la presencia de aire, generando de este modo un flujo de gas de proceso en la forma de un gas de combustion, FG, que deja la caldera de combustion de carbon a traves de un conducto de gas 14 conectado de manera fluida. A traves del conducto de gas 14, el gas de combustion fluye a una entrada 16 de un reactor 12 de reduccion catalftica selectica (SCR). La fig. 5 ilustra una disposicion de mezclador 45 inyector 10 de acuerdo con la presente invencion dispuesta horizontalmente a traves de un conducto de gas 14 aguas arriba con respecto al flujo de gas de combustion al reactor SCR 12. Un sistema de suministro de amomaco (no mostrado) es operativo para suministrar amomaco a la disposicion de mezclador inyector 10. La disposicion de mezclador inyector 10 de amomaco suministra amoniaco gaseoso, NH3, al gas de combustion que fluye a traves del conducto de gas 14 antes de fluir al reactor SCR 12. El reactor SCR 12 comprende una o mas capas consecutivas 18 de 50 catalizador de SCR 18a dispuestas dentro del reactor SCR 12. El catalizador SCR 18a puede a modo de ejemplo comprender un componente catalfticamente activo, tal como pentoxido de vanadio o trioxido del wolframio, aplicado a material portador ceramico (no mostrado) de modo que comprenda, por ejemplo, una estructura de nido de abeja o una

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estructura de placa. En el reactor SCR 12, los oxidos de nitrogeno, NOx, en el gas de combustion reaccionan con el amomaco inyectado por medio de la disposicion de mezclador inyector 10 para formar gas nitrogeno, N2. El gas de combustion deja entonces el reactor SCR 12 a traves de un conducto de salida 20 conectado de manera fluida y es emitido a la atmosfera a traves de un apilamiento conectado de manera fluida (no mostrado). Se apreciara que la central energetica puede comprender otros dispositivos de limpieza de gas, tales como depuradores humedos o dispositivos para retirar partfculas, tales como precipitadores electrostaticos, no ilustrados en las figuras proporcionadas aqu con propositos de claridad.

Como se ha ilustrado mejor en la fig. 1, la disposicion de mezclador inyector 10 de la presente invencion comprende al menos una rejilla de inyector 22, al menos unas placas mezcladoras 24 integradas de primera etapa, y al menos unas placas mezcladoras 26 integradas de segunda etapa. Para mayor claridad y para facilitar la comprension, solo dos de las cuatro paredes de conducto longitudinales, 14a y 14b, estan ilustradas muy esquematicamente con lmeas de trazos. La fig. 1 ilustra una seccion transversal horizontal del conducto de gas 14 tomada en un punto entre la caldera (no mostrada) y el reactor SCR 12.

Como se ha ilustrado mejor en la fig. 1 y en la fig. 2, la disposicion de mezclador inyector 10 objeto comprende una sistema de tubenas 28 que comprende al menos una rejilla de inyector 22 conectada de manera fluida equipada con una pluralidad de boquillas 30. La rejilla de inyector 22 de forma generalmente cuadrada o rectangular esta dispuesta horizontalmente a traves del conducto de gas vertical alargado 14 de modo que sea perpendicular a la direccion de flujo de gas de combustion a traves del conducto de gas 14, como se ha indicado por la flecha “F” en la fig. 5. La rejilla de inyector 22 comprende boquillas 30 posicionadas simetricamente sobre la superficie superior 32 en el centro (no mostrado) y sobre partes laterales 22a que forman una periferia 22b de rejilla de inyector. Ha de comprenderse que se puede variar el numero de boquillas 30 y su posicionamiento sobre la superficie superior 32 de la rejilla de inyector 22. El numero de boquillas 30 debena estar adaptado a parametros tales como la calidad del gas de combustion, las dimensiones del conducto de gas 14 y la calidad del reactor SCR 12.

El sistema de tubenas 28 de la rejilla de inyector 22 comunica de manera fluida con un suministro de agente reductor. El suministro de agente reductor puede tener la forma de un deposito u otro recipiente adecuado (no mostrado). El sistema de tubenas 28 y la rejilla de inyector 22 conectados de manera fluida son adecuados para utilizar un agente reductor en una forma gaseosa seca. Como ejemplos no limitativos, el agente reductor puede ser amomaco o urea. En caso de amomaco, puede o bien ser entregado al lugar de la central energetica en forma gaseosa, o bien ser entregado en forma lfquida para vaporizacion posterior antes de la inyeccion al conducto de gas 14. En forma gaseosa, no se han experimentado problemas asociados con la formacion de depositos debido a cualesquiera gotitas o condensacion que interactuan con partfculas en el gas de combustion.

El agente reductor es suministrado por las boquillas 30 conectadas de manera fluida y dispuestas sobre la superficie superior 32 del centro “C” y las partes laterales 22a de la rejilla de inyector 22. El agente reductor gaseoso es liberado desde las boquillas 30 a la corriente de paso de gas de combustion para entremezclarse con la misma antes de alcanzar las placas mezcladoras integradas 24 de primera etapa y las placas mezcladoras 26 de segunda etapa dispuestas en la trayectoria aguas abajo directa de las boquillas 30.

Mediante el uso de un agente reductor en forma gaseosa, la estructura de las boquillas 30 puede ser mantenida muy simple. En su forma mas simple, cada boquilla 30 individual esta formada por una abertura en la superficie superior 32 de la rejilla de inyector 22. El agente reductor gaseoso puede asf ser liberado a la corriente de paso de gas de combustion de una manera muy suave.

Las boquillas 30 estan orientadas preferiblemente para corresponder con y funcionar en la direccion de flujo “F” del gas de combustion que fluye a traves del conducto de gas 14. Ademas, cada boquilla 30 esta posicionada preferiblemente en alineacion con al menos una placa mezcladora 24 de primera etapa aguas abajo y al menos una placa mezcladora 26 de segunda etapa como se ha descrito de forma mas detallada a continuacion. Cada boquilla 30 es hecha funcionar preferiblemente para proporcionar un flujo continuo de agente reductor al conducto de gas 14.

El sistema de tubenas 28 se ha descrito hasta ahora como un sistema unitario unico. Sin embargo, ha de comprenderse que el sistema de tubenas 28 puede estar dividido en varios sistemas que permiten que diferentes rejillas de inyector 22 posicionadas en el conducto de gas 14 sean provistas con diferentes cantidades de agente reductor o con diferentes grados de presurizacion. El ultimo puede ser util si ha sido detectado por mediciones realizadas aguas abajo del reactor SCR que hay un perfil de NOx no homogeneo.

Cada boquilla 30 esta alineada o integrada con al menos una placa mezcladora 24 de primera etapa. Las placas mezcladoras 24 de primera etapa estan dispuestas aguas abajo de las boquillas 30. El numero de placas mezcladoras 24 de primera etapa puede corresponder al numero de boquillas 30, con cada placa mezcladora 24 de primera etapa posicionada para cooperar con una boquilla integrada 30. Sin embargo, ha de comprenderse que cada placa mezcladora 24 de primera etapa puede estar integrada con mas de una boquilla 30 como se ha ilustrado en la fig. 1.

Cada placa mezcladora 24 de primera etapa tiene una geometna trapezoidal. Cada borde no paralelo 24a de cada placa mezcladora 24 de primera etapa esta unida a un borde no paralelo 24a de otra placa mezcladora 24 de primera etapa

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para formar una configuracion generalmente cuadrada o rectangular. Como tal, los bordes paralelos menores 24b de las placas mezcladoras 24 forman bordes interiores 34 y los bordes paralelos mayores 24c forman bordes exteriores 36 como se ha ilustrado en la fig. 1 y en la fig. 3. Debido a que los bordes interiores 34 de las placas mezcladoras de primera etapa estan posicionados mas hacia dentro hacia el centro “C” de la rejilla de inyector 22 de lo que lo estan los bordes exteriores 36, las superficies exteriores 38 de las placas mezcladoras 24 de primera etapa forman un angulo “A” de aproximadamente 25 a 55 grados con respecto a un plano “P” paralelo a las paredes planas verticales 14a, 14b, 14c y 14d (no mostradas) que forman el conducto de gas 14.

Como se ha ilustrado mejor en la fig. 1 y en la fig. 4, la disposicion de mezclador inyector 10 objeto tambien comprende placas mezcladoras 26 de segunda etapa de forma trapezoidal. Las placas mezcladoras 26 de segunda etapa estan dispuestas en el conducto de gas 14 en un numero par de filas en un patron repetitivo. Las placas mezcladoras 26 de segunda etapa en una primera fila estan dispuestas en la proximidad mas cercana a una primera pared 14a del conducto de gas 14 con bordes paralelos mayores 26a mas cerca de la primera pared 14a que sus bordes paralelos menores 26b. Los bordes paralelos mayores 26a de las placas mezcladoras 26 de segunda etapa en una segunda fila, adyacente a la primera fila, estan posicionados mas lejos de la primera pared 14a que sus bordes paralelos menores 26b. Las placas mezcladoras 26 de segunda etapa en una tercera fila subsiguiente, adyacente a la segunda fila, estan posicionadas con los bordes paralelos mayores 26a mas cerca de la primera pared 14a que sus bordes paralelos menores 26b. Las placas mezcladoras 26 de segunda etapa en una cuarta fila subsiguiente, adyacente a la tercera fila, estan posicionadas con los bordes paralelos mayores 26a mas lejos de la primera pared 14a que sus bordes paralelos menores 26b.

Cada placa mezcladora 26 de segunda etapa esta dispuesta con su superficie de contacto mayor inferior 40 formando un angulo “A” de aproximadamente 25-55 grados desde un plano “P” paralelo a las paredes planas 14a, 14b, 14c y 14d (no mostradas) que forman el conducto de gas 14. Como tal, las superficies de contacto mayores inferiores 40 de las placas mezcladoras 26 de segunda etapa asf inclinadas cuando son tomadas juntas ocupan aproximadamente el 30-50% mas preferiblemente el 35-45% y lo mas preferiblemente el 38-42% del area en seccion transversal horizontal del conducto de gas 14.

Los ensayos han indicado que disponiendo las placas mezcladoras de primera etapa y de segunda etapa en tales angulos, A, A', con respecto a sus boquillas 30 aguas abajo, la turbulencia dentro del conducto de gas 14 es suficientemente grande para causar una distribucion uniforme del agente reductor y de NOx sobre una seccion transversal horizontal completa del conducto de gas 14 aguas abajo de la disposicion de mezclador inyector 10. Aun asf, no se ha observado ninguna restriccion indebida del flujo a traves del conducto de gas 14 indicando asf que no hay cafda indeseable de la presion asociada.

De acuerdo con una realizacion, cada placa mezcladora 26 de segunda etapa esta dispuesta con su superficie de contacto mayor inferior 40 formando un angulo A' de aproximadamente 25-55 grados, mas preferiblemente de 27-50 grados y lo mas preferiblemente de 28-45 grados desde un plano P' paralelo a las paredes planas 14a, 14b, 14c y 14 (no mostradas) que forman el conducto de gas 14.

De acuerdo con una realizacion, el agente reductor es amomaco o urea suministrado en forma gaseosa, seca. De este modo se elimina el riesgo de formacion de depositos en las boquillas 30, en las placas mezcladoras 24 de primera etapa, en las placas mezcladoras 26 de segunda etapa o en las paredes 14a, 14b, 14c y 14d del conducto de gas 14.

De acuerdo con la fig. 4, las placas mezcladoras 26 de segunda etapa son de forma trapezoidal. Sin embargo, las placas mezcladoras 26 de segunda etapa podnan tener alternativamente una forma parabolica matematica, o una forma geometrica combinada tal como por ejemplo la de un triangulo isosceles agudo con geometna circular o curvada en sus vertices (no mostrados). Tal forma geometrica combinada tambien sirve para aumentar y mejorar el entremezclado de agente reductor y de NOx dentro y a lo largo de todo el conducto de gas.

Con referencia ahora a la fig. 5, se ha ilustrado esquematicamente un metodo de utilizacion de la disposicion de mezclador inyector 10 objeto. Aguas arriba de la disposicion de mezclador inyector 10 el gas de combustion fluye desde un conducto de gas 14 dentro de un proceso de combustion hacia el reactor SCR 12 pasando de este modo a traves de la disposicion de mezclador inyector 10 posicionada horizontalmente a traves del conducto de gas 14 alargado de modo que sea perpendicular al flujo de gas de combustion a su traves. La corriente de gas de combustion F, que fluye a traves del conducto de gas 14, hace contacto en primer lugar con la superficie inferior 32a de la rejilla de inyector 22. El gas de combustion fluye alrededor de la rejilla de inyector 22 y hace contacto con el agente reductor que fluye desde la boquilla 30 antes de hacer contacto con la superficie exterior 38 de la placa mezcladora 24 de primera etapa. Los bordes interiores 34 de las placas mezcladoras 24 de primera etapa estan posicionados en un plano horizontal a una distancia de aproximadamente 0,1 a 1 metro desde un plano horizontal de la superficie superior 32 de la rejilla de inyector 22, o desde la salida (no mostrada) de la boquilla 30 si no en el mismo plano que la superficie superior 32. El gas de combustion y el agente reductor fluyen alrededor de las placas mezcladoras 24 de primera etapa causando el entremezclado de los mismos antes de hacer contacto con las superficies de contacto mayores inferiores 40 de las placas mezcladoras 26 de segunda etapa. Los bordes paralelos menores 26b de las placas mezcladoras 26 de segunda etapa estan posicionados en un plano horizontal a una distancia de aproximadamente 1 a 2 metros desde un plano horizontal de los bordes exteriores 36 de las placas mezcladoras 24 de primera etapa. Aunque la disposicion de mezclador inyector 10 objeto comprende una pluralidad de boquillas 30 y de placas mezcladoras 24 y 26 aguas abajo de

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las mismas, para propositos de simplicidad de explicacion, la siguiente descripcion se centrara en una boquilla 30 y sus placas mezcladoras integradas 24 y 26.

Tras el contacto del gas de combustion con las superficies de contacto mayores inferiores 40 de las placas mezcladoras 26 de segunda etapa, los vortices V1 se forman a lo largo de los dos bordes laterales opuestos 26c de la placa mezcladora 26 de segunda etapa. Los vortices V1 estan formados esencialmente a lo largo de la longitud completa de los dos bordes laterales 26c, pero son mas robustos aproximadamente a medio camino entre el borde paralelo mayor 26a y el borde paralelo menor 26b. La geometna generalmente trapezoidal de la placa mezcladora 26 de segunda etapa genera asf al menos dos vortices V1 que emergen desde los bordes laterales opuestos 26c de la placa mezcladora 26 de segunda etapa. Los vortices V1 tienden gradualmente a seguir la direccion de flujo general F del gas de combustion a traves del conducto de gas 14 lejos de la placa mezcladora 26 de segunda etapa, mientras que aumentan gradualmente de diametro cuando aumenta su distancia desde la placa mezcladora 26 de segunda etapa. Los dos vortices generados V1 giran en sentidos opuestos. Las caractensticas reales de los vortices V1 son una funcion de factores tales como el angulo A' de la placa mezcladora 26 de segunda etapa con respecto a la direccion de flujo F del gas de combustion FG y la geometna de la placa mezcladora 26 de segunda etapa.

El conducto de gas 14 equipado con una disposicion de mezclador inyector 10 comprende al menos dos conjuntos de rejillas de inyector 22 con boquillas 30 y placas mezcladoras integradas 24 y 26. La turbulencia generada por tal conjunto de una rejilla de inyector 22 con la boquilla 30 y sus placas mezcladoras integradas 24 y 26, se anade a la turbulencia generada por los conjuntos adyacentes 22, 30, 24 y 26, independientemente de si los conjuntos 22, 30, 24 y 26 estan espaciados de manera adyacente o separados sobre la seccion transversal del conducto de gas 14.

La utilizacion de la disposicion de mezclador inyector 10 como se ha descrito anteriormente da como resultado un entremezclado y una distribucion muy eficiente del agente reductor con los NOx en el gas de combustion, FG, sobre una seccion transversal del conducto de gas 14. Ya que la disposicion de mezclador inyector 10 esta posicionada aguas arriba del reactor SCR 12, el entremezclado continua hasta que el gas de combustion FG alcanza el reactor SCR 12 y hace contacto con el catalizador de SCR 18a dispuesto en el. La concentracion de los NOx en el gas de combustion, que utiliza la disposicion de mezclador inyector 10 como se ha descrito, ha probado conseguir sorprendentemente una distribucion uniforme sobre un area en seccion transversal horizontal del reactor SCR 12.

Los resultados de los ensayos indican el efecto sorprendentemente beneficioso de la utilizacion de la disposicion de mezclador inyector 10 como se ha descrito. Con tal utilizacion, mas de 100 boquillas 30 que suministran un agente reductor en un conducto de gas 14 sin ninguna placa mezcladora podnan ser sustituidas con la disposicion de mezclador inyector 10 como se ha descrito que comprende solo unas pocas boquillas 30, teniendo cada una placas mezcladoras integradas 24 y 26.

La disposicion de mezclador inyector 10 puede estar conectada a un sistema de control (no mostrado) para regular el nivel de suministro de agente reductor al conducto de gas 14 basado en la cantidad de NOx en el gas de combustion aguas abajo del reactor SCR 12. Tal sistema de control puede controlar el flujo de agente reductor a traves de las boquillas 30 individualmente o puede controlar el nivel de agente reductor suministrado por un sistema de tubenas 28 que soporta un numero de boquillas 30.

En su forma mas simple ilustrada en la fig. 5, un primer analizador 42 de NOx es operativo para medir la cantidad de NOx en el gas de combustion del conducto de gas 14 despues de la caldera y aguas arriba del reactor SCR 12. Un segundo analizador 44 de NOx es operativo para medir la cantidad de NOx en el gas de combustion del conducto de salida 20 aguas abajo del reactor SCR 12. Un controlador 46 recibe entrada de datos desde el primer analizador 42 de NOx y el segundo analizador 44 de NOx. Basandose en esa entrada de datos, el controlador 46 calcula la eficacia de eliminacion de NOx actual. La eficacia de eliminacion de NOx actual calculada es comparada con un punto establecido de eliminacion de NOx. Basandose en el resultado de la comparacion, la cantidad de agente reductor suministrada al gas de combustion es ajustada para una eficacia optima.

Ha de comprenderse que cuando se utiliza un sistema de control, la realizacion descrita aqrn es solo una solucion posible. Dependiendo del numero de sensores utilizados aguas abajo del reactor SCR 12, es posible controlar la eficacia de limpieza del reactor SCR 12 en diferentes puntos entre la caldera y el conducto de salida 20.

Ha de comprenderse tambien que se puede utilizar un sensor de carga (no mostrado) operativo para detectar la carga en la caldera. Tal carga podna ser expresada en terminos de, por ejemplo, la cantidad de combustible, tal como tonelada/hora de carbon transportado a la caldera. La senal de datos procedente de tal sensor de carga es util para controlar ademas la cantidad de agente reductor suministrada a la disposicion de mezclador inyector 10. De acuerdo con una realizacion, los datos de perfil de NOx de gas de combustion son generados sobre una base regular, basandose en las mediciones de NOx realizadas aguas arriba y/o aguas abajo del catalizador SCR 18a. Una ventaja de esta realizacion es que los cambios en el perfil de NOx, siendo causados tales cambios, por ejemplo, por un cambio en la carga en la caldera, un cambio en la calidad del combustible, un cambio en el estado de los quemadores de la caldera, etc., pueden tenerse en cuenta en el control de la cantidad del agente reductor suministrado a la disposicion de mezclador inyector 10, de tal manera que la eliminacion de NOx eficaz puede ser asegurada en todo momento.

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Ha de comprenderse tambien que los datos de perfil de NOx podnan ser obtenidos realizando mediciones manuales, para determinar una cantidad adecuada de agente reductor que es suministrada por la disposicion de mezclador inyector 10 al gas de combustion en el conducto de gas 14.

Se ha descrito anteriormente, que la presente invencion puede ser utilizada para limpiar un gas de combustion de proceso generado en una caldera de combustion de carbon. Se apreciara que la invencion es util tambien para otros tipos de gases de proceso, incluyendo gases de proceso generados en calderas de combustion de petroleo, plantas de incineracion, incluyendo plantas de incineracion de residuos, hornos de cemento, altos hornos y otras instalaciones metalurgicas incluyendo cintas transportadoras de sinterizacion, etc.

Ademas, ha de comprenderse que el conducto de gas 14 puede estar provisto con boquillas 30 adicionales que no estan integradas en las placas mezcladoras espedficas 24 y 26. Sin embargo, tales boquillas 30 adicionales deberfan ser consideradas como una caractenstica opcional si la limpieza de gas tuviera que requerir un suministro adicional de agente reductor. Tales boquillas 30 adicionales pueden estar dispuestas en cualquier posicion adecuada en el conducto de gas 14, no importa si es agua abajo o aguas arriba de la disposicion de mezclador inyector 10.

De modo similar, ha de comprenderse que el conducto de gas 14 puede estar provisto con placas mezcladoras adicionales 26 de cualquier geometrfa, aguas abajo o aguas arriba de la disposicion de mezclador inyector 10 para aumentar adicionalmente la turbulencia y el entremezclado de agente reductor con el gas de combustion.

Se apreciara que numerosas variantes de las realizaciones descritas anteriormente de la presente invencion son posibles dentro del marco de las reivindicaciones adjuntas.

Para resumir, la presente descripcion se refiere a una disposicion de mezclador inyector 10 para suministrar un agente reductor en forma gaseosa a un gas de combustion FG que fluye en un conducto de gas 14 que comunica con un catalizador 18a en un reactor 12 de reduccion catalftica selectiva (SCR) dispuesto aguas abajo de dicha disposicion de mezclador inyector 10. La disposicion de mezclador inyector 10 comprende una pluralidad de boquillas 30 dispuestas en una rejilla de inyector 22 horizontal en el conducto de gas 14. Las boquillas 30 estan destinadas a suministrar dicho agente reductor. La disposicion de mezclador inyector 10 comprende ademas una pluralidad de placas mezcladoras 24 y 26 dispuestas en el conducto de gas 14 aguas abajo de dichas boquillas 30. Cada placa mezcladora 24 y 26 esta destinada a cooperar con al menos una boquilla 30 integrada.

Claims

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30

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REIVINDICACIONES

1. Una disposicion de mezclador inyector (10) para suministrar y mezclar un agente reductor en forma gaseosa a un gas de combustion que fluye en un conducto de gas (14) que comunica con un catalizador (18a) en un reactor (12) de reduccion catalftica selectiva aguas abajo de dicha disposicion (10), en la que

una pluralidad de boquillas (30) dispuestas sobre una rejilla de inyector (22) en el conducto de gas (14) para suministrar un agente reductor al conjunto de gas (14),

una pluralidad de placas mezcladoras (24) de primera etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas boquillas (30),

una pluralidad de placas mezcladoras (26) de segunda etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas placas mezcladoras (24) de primera etapa, en las que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa es adecuada para generar dos vortices en el gas de combustion y en el agente reductor que fluye en el conducto de gas (14) entremezclando los mismos antes de que el gas de combustion y el agente reductor entremezclados entren en contacto con dicho catalizador (18a),

caracterizado por que cada placa mezcladora (24) de primera etapa tiene una geometna trapezoidal, cada borde no paralelo (24a) de cada placa mezcladora (24) de primera etapa esta unido a un borde no paralelo (24a) de otra placa mezcladora (24) de primera etapa para formar una configuracion generalmente cuadrada o rectangular, de tal manera que los bordes paralelos menores (24b) de las placas mezcladoras (24) forman bordes interiores (34) y los bordes paralelos mayores (24c) forman bordes exteriores (36), en la que los bordes interiores (34) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa estan posicionados mas hacia dentro hacia el centro (C) de la rejilla de inyector (22) de lo que lo estan los bordes exteriores (36), en que las superficies exteriores (38) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa forman un angulo (A) de 25 a 55 grados con respecto a un plano (P) paralelo a las paredes planas verticales (14a, 14b, 14c, 14d) que forman el conducto de gas (14).
2. La disposicion de mezclador inyector (10) de la reivindicacion 1, en la que una superficie superior (32) de dicha rejilla de inyector (22) esta a una distancia de aproximadamente 0,1 a 1 metro desde un borde interior (34) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa.
3. La disposicion de mezclador inyector (10) de la reivindicacion 1 o 2, en la que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa tiene una geometna trapezoidal.
4. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 3, en la que los bordes exteriores de las placas mezcladoras (24) de primera etapa estan a una distancia de aproximadamente 1 a 2 metros de los bordes paralelos menores (26b) de las placas mezcladoras (26) de segunda etapa.
5. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la pluralidad de boquillas (30) estan dispuestas sobre una rejilla de inyector (22) sobre una seccion transversal del conducto de gas (14) teniendo al menos una boquilla (30) una placa mezcladora (24) de primera etapa aguas abajo y al menos una placa mezcladora (26) de segunda etapa aguas abajo.
6. La disposicion de mezclador inyector (10) de la reivindicacion 5, en la que cada placa mezcladora (24) de primera etapa esta posicionada dentro del conducto de gas (14) en un angulo.
7. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 6, en la que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa esta dispuesta en un angulo dentro del conducto de gas (14) y ocupa el 30-50% de un area en seccion transversal horizontal del conducto de gas (14).
8. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 7, en la que cada placa mezcladora (24) de primera etapa esta dispuesta dentro del conducto de gas (14) en un angulo de 25-55 grados.
9. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el agente reductor es amomaco o urea suministrados en forma gaseosa.
10. La disposicion de mezclador inyector (10) de las reivindicaciones 1 a 9, en la que las placas mezcladoras (26) de segunda etapa son de forma trapezoidal y generan vortices que giran en sentido contrario en el gas de combustion y en el agente reductor que fluye en el conducto de gas (14).
11. Un metodo de utilizacion de una disposicion de mezclador inyector (10) segun una de las reivindicaciones anteriores para suministrar y mezclar un agente reductor en forma gaseosa a un gas de combustion que fluye en un conducto de gas (14) que comunica con un catalizador (18a) en un reactor (12) de reduccion catalftica selectiva aguas abajo de dicha disposicion (10), comprendiendo el metodo:

prever la pluralidad de boquillas (30) dispuestas sobre una rejilla de inyector (22) en el conducto de gas (14)

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10

15

20

25

30

para suministrar agente reductor al conducto de gas (14),

prever la pluralidad de placas mezcladoras (24) de primera etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas boquillas (30), y

prever la pluralidad de placas mezcladoras (26) de segunda etapa dispuestas en el conducto de gas (14) aguas abajo de dichas placas mezcladoras (24) de primera etapa, en que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa genera dos vortices en el gas de combustion y en el agente reductor que fluye en el conducto de gas (14) entremezclando los mismos antes de hacer contacto con dicho catalizador (18a).
12. El metodo de la reivindicacion 11, en el que una superficie superior (32) de dicha rejilla de inyector (22) esta a una distancia de aproximadamente 0,1 a 1 metro de un borde interior (34) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa para el entremezclado del gas de combustion y del agente reductor.
13. El metodo de la reivindicacion 11 o 12, en el que cada placa mezcladora (24) (26) tiene una geometna trapezoidal para el entremezclado del gas de combustion y del agente reductor.
14. El metodo de las reivindicaciones 11 a 13, en el que los bordes exteriores (36) de las placas mezcladoras (24) de primera etapa estan a una distancia de aproximadamente 1 a 2 metros de los bordes paralelos menores (26b) de las placas mezcladoras (26) de segunda etapa.
15. El metodo de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la pluralidad de boquillas (30) estan dispuestas sobre una rejilla de inyector (22) sobre una seccion transversal del conducto de gas (14) con al menos una boquilla (30) que tiene al menos una placa mezcladora (24) de primera etapa aguas abajo y al menos una placa mezcladora (26) de segunda etapa aguas abajo.
16. El metodo de la reivindicacion 15, en el que cada placa mezcladora (24) de primera etapa esta posicionada en el conducto de gas (14) en un angulo para el entremezclado del gas de combustion y del agente reductor.
17. El metodo de las reivindicaciones 11 a 16, en el que cada placa mezcladora (26) de segunda etapa esta dispuesta en un angulo dentro del conducto de gas (14) y ocupa el 30-50% de un area en seccion transversal horizontal del conducto de gas (14).
18. El metodo de las reivindicaciones 11 a 17, en el que cada placa mezcladora (24) de primera etapa esta dispuesta dentro del conducto de gas (14) en un angulo de 25-55 grados.
19. El metodo de las reivindicaciones 11 a 18, en el que el agente reductor es amomaco o urea suministrados en forma gaseosa.
20. El metodo de las reivindicaciones 11 a 19, en el que las placas mezcladoras (26) de segunda etapa son de forma trapezoidal generando vortices que giran en sentido contrario en el gas de combustion y en el agente reductor que fluyen en el conducto de gas (14).