PT583878E

PT583878E - Utilizacao da energia dos gases de combustao para vaporizar um agente redutor aquoso para a reducao de nox em gases de combustao

Info

Publication number: PT583878E
Application number: PT93305391T
Authority: PT
Inventors: Soung M Cho; Andrew H Seltzer; Scot G Pritchard
Original assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 2000-08-31
Also published as: KR100259104B1; JPH084712B2; MX9304556A; EP0583878A1; CN1036247C; ES2147742T3; EP0583878B1; JPH06154552A; US5296206A; CA2099521C; CA2099521A1; CN1083740A

Description

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DESCRIÇÃO “UTILIZAÇÃO DA ENERGIA DOS GASES DE COMBUSTÃO PARA VAPORIZAR UM AGENTE REDUTOR AQUOSO PARA A REDUÇÃO DE NOx EM GASES DE COMBUSTÃO” A combustão de combustíveis fósseis tais como carvão, petróleo, gases industriais ou naturais produz substâncias perigosas para o meio ambiente incluindo óxido de azoto (NO) e dióxido de azoto (NO2). O óxido de azoto e o dióxido de azoto são denominados colectivamente ΝΟχ. No processo normal de combustão de combustível fóssil, a parte principal do ΝΟχ é NO.

Sabe-se bem que a produção de ΝΟχ pode ocorrer quando o combustível fóssil é submetido a combustão numa variedade de aparelhos. Por consequência, a presente invenção pode encontrar aplicação no processo e nos aquecedores das refinarias, sistemas de turbina a gás e caldeiras incluindo instalações de vapor de água. O combustível pode incluir carvão, petróleo, gás, produtos residuais tais como lixos sólidos municipais e uma variedade de outros materiais carbonáceos. A invenção aplica-se a aparelhos que têm gás de combustão carregado com partículas e tendo o denominado gás de combustão “limpo”.

Conhece-se um número de agentes redutores de ΝΟχ. Utiliza-se vulgarmente o amoníaco. O processo principal para a eliminação de-ΝΟχ a partir das correntes dos gases de combustão consiste na injecção de um agente redutor tal como amoníaco, ureia ou um qualquer de um número de outros agentes redutores conhecidos. Por exemplo, um método muito comum é a redução catalítica selectiva (SCR) de ΝΟχ que envolve a injecção de amoníaco (NH3) no gás de combustão e a reacção química subsequente na presença de catalisadores, em particular : 4NO + 4NH3 + 02 (catalisador) . 4N2 + 6 H20 2N02 + 4NH3 + 02 (catalisador) . 3N2 + 6 H20

Um método tradicional para a injecção do amoníaco numa corrente de gases de combustão recorre a um sistema de vaporização de amoníaco exterior no qual o amoníaco líquido, quer no estado anidro ou aquoso, é primeiramente vaporizado num aquecedor ou vaporizador, misturado com ar e em seguida conduzido para uma rede de distribuição em grelha para a injecção subsequente na corrente de gás de combustão num bocal a montante de um reactor SCR. Pode encontrar-se uma descrição mais pormenorizada de um processo e sistemas conhecidos para a injecção de amoníaco anidro em S. M. Cho, A. H. Seltzer, e Z. Tetsui, “Design and Operating Experience of Selective Catalytic Reduction Systems for ΝΟχ Control in Gas Turbine Systems”, International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition em Orlando, Florida, 3 - 6 de Junho de 1991 (ASME documento número 91-GT-26), no seguimento designado como Cho et al. Uma vez que o amoníaco anidro é tóxico e perigoso, a prática “geral” corrente recorre ao amoníaco aquoso (ΝΗ3·Η20), o qual é uma mistura de amoníaco com água. Uma vez que o amoníaco é diluído com água “benigna”, o amoníaco aquoso é menos perigoso do que o amoníaco anidro. Um grau industrial típico de amoníaco aquoso contém aproximadamente 30 % de amoníaco e 70 % de água. A mistura de amoníaco-água com as percentagens indicadas anteriormente é transportada com 3 segurança nas auto-estradas norte-americanas. Tem uma pressão de vapor desprezável à temperatura ambiente.

Também se conhece um processo que não utiliza um catalisador, o denominado processo de redução não catalítica selectivo (SNCR). Injecta-se o amoníaco, a ureia ou outro agente redutor na área de combustão superior da fornalha ou de outro dispositivo de combustão. Conhecem-se outros sítios de injecção, incluindo o separador de ciclone de um gerador de vapor de água de leito fluidizado circulante.

Nos sistemas e processos que usam amoníaco aquoso, existem diversos processos que são correntemente utilizados para vaporizar o amoníaco. Esses incluem : (1) o uso de um aquecedor eléctrico para aquecer o ar ambiente e misturá-lo com amoníaco aquoso num recipiente, vaporizando assim o amoníaco aquoso (descrito em Cho et al.), (2) o uso de um tanque permutador de calor de tipo caldeira em que um tanque cheio com amoníaco aquoso contém serpentinas que são abastecidas com vapor de água para vaporizar o amoníaco aquoso, (3) o uso de uma torre de extracção de amoníaco em que o amoníaco aquoso é pulverizado para sobre a parte superior de uma torre de contacto de tipo fluido-fluido e se introduz vapor no fundo, e (4) o uso de uma corrente deslizante dos gases de combustão que é arrastada por um ventilador para um recipiente vaporizador em que o gás de combustão se mistura com e vaporiza com o amoníaco aquoso e ilustrado, por exemplo, na patente de invenção EP-A-0278241. A patente de invenção EP-A-0278241 também ilustra uma disposição em que se faz passar ar aquecido por um ventilador para um recipiente vaporizador de 4 4

amoníaco.

De acordo com a invenção proporciona-se um processo de vaporização de agente redutor aquoso para reduzir ΝΟχ no gás de combustão originado num dispositivo de combustão em que se produz ο ΝΟχ, fazendo o dispositivo de combustão parte de um sistema de combustão que define um trajecto pré-determinado ao longo do qual o gás de combustão é transportado para uma porta de ventilação numa extremidade de jusante do trajecto do gás de combustão, compreendendo o processo a utilização de uma ventoinha de ar ambiente para proporcionar uma fonte de ar ambiente, a passagem desse ar ambiente da ventoinha através de um permutador de calor disposto no trajecto do gás de combustão para aquecer o ar ambiente e o fornecimento do referido ar ambiente aquecido resultante para vaporizar uma solução aquosa de agente redutor, injectando a solução aquosa vaporizada no trajecto do gás de combustão e deixando a solução vaporizada reduzir o NOx no gás de combustão. Uma tal disposição pode poupar capital extra e os custos de manutenção associados com uma ventoinha ou ventilador de recirculação do tipo projectado para manusear gás de combustão. O permutador de calor encontra-se disposto no trajecto do gás de combustão, tipicamente na conduta, de tal modo que o gás de combustão contacta com um primeiro sitio funcional (por exemplo, o exterior de tubagem nervurada) do permutador de calor. Faz-se passar o ar ambiente em contacto com um segundo sítio funcional (por exemplo, o interior da tubagem nervurada) de permutador de calor para o aquecer.

De preferência, a vaporização da solução aquosa de agente redutor é —7/"· & 5 completada pela intermistura do ar aquecido com a solução aquosa num recipiente, por exemplo mediante pulverização. De preferência, o agente redutor é o amoníaco.

Reconhece-se que o vaporizador transforma uma solução aquosa em algo que já não é uma solução aquosa. Contudo, por uma questão de conveniência, a mistura de agente redutor, ar, vapor de água e qualquer vapor residual é referida como a “solução aquosa vaporizada”. A localização na qual se injecta a solução aquosa vaporizada no trajecto do gás de combustão variará com a natureza do sistema de combustão. Num sistema de combustão do tipo SNCR, pode ser preferível injectar a solução vaporizada no gás de combustão na porção mais elevada do dispositivo de combustão. Por outro lado, nos sistemas SCR é desejável injectar a solução vaporizada a uma distância apropriada a montante do reactor catalítico. A presente invenção é muito conveniente para utilização com um sistema de controlo automático. Pode variar-se a quantidade de agente redutor injectado no gás de combustão fazendo passar a solução aquosa líquida através de uma válvula controlada automaticamente. Como alternativa, e de preferência, o caudal da solução aquosa líquida é controlado por um ou mais bocais de atomização de ar com “mistura interna”. Mantém-se constante a pressão da solução aquosa enquanto se varia a pressão do ar de atomização. A variação da pressão do ar regula eficazmente o caudal da solução aquosa líquida através do bocal·. O controlo da válvula pode ter lugar por acompanhamento dos diversos parâmetros do processo que são escolhidos de acordo com a natureza do sistema de combustão no qual se

6 utiliza o processo. O desenho é uma representação esquemática que ilustra, a título de exemplo, uma forma de realização preferida da invenção num sistema de combustão que inclui um gerador de vapor de água e um reactor para a redução catalítica selectiva de NOx. O desenho ilustra de forma esquemática um exemplo de um sistema de combustão de um tipo apropriado para utilização em associação com a presente invenção. O sistema de combustão inclui um gerador de vapor 10 que inclui um dispositivo de combustão com a forma de uma fornalha 12 e uma área de recuperação de calor 14. As tubagens de vapor de água conduzem desde a área de recuperação de calor 14 até uma turbina de vapor de água 16. O gás de combustão é transportado ao longo de um trajecto pré-determinado desde o interior da fornalha 12, através da área de recuperação de calor 14, e depois através de um tubo de fumos 20 que conduz a uma chaminé 30. O sistema de combustão inclui um reactor catalítico 40 para a redução catalítica selectiva (SCR) de ΝΟχ. O reactor SCR 40 pode ser de um tipo conhecido, tal como um material cerâmico alveolado embebido com catalisador. Tais reactores encontram-se discutidos ainda em Cho et al., citado anteriormente. O sistema de combustão representado no desenho é meramente ilustrativo. Outros tipos de sistemas de combustão podem beneficiar da presente invenção. Exemplos são geradores de vapores de água de recuperação de calor por turbina, aquecedores de processo e geradores de vapor de leito fluidizado circulante. 7

Um tanque 50 armazena uma solução aquosa de um agente redutor, de preferência amoníaco aquoso. Uma solução aquosa de amoníaco pode ser armazenada à temperatura ambiente. A solução aquosa é retirada através de um passador 52 pela bomba 54. A partir daí, a solução passa através do filtro 56, do medidor de caudal 58, do regulador de pressão 60 e então para o bocal atomizador de ar com “mistura interna” 66 do recipiente vaporizador 64. O recipiente vaporizador 64 pode ser de qualquer tipo que seja eficaz para vaporizar a solução aquosa de uma maneira a ser descrita. O recipiente vaporizador pode ser de um tipo descrito em Cho et al. Como alternativa, mais preferivelmente, o recipiente tem um bocal de atomização de ar 66 e um invólucro cheio com anéis metálicos fracos.

Alimenta-se o ar de atomização pressurizado através de uma válvula de controlo automático 67 para o bocal de atomização de ar 66. Dado que o bocal 66 é um bocal de mistura interna, a pressão do ar de atomização (tal como estabelecida pelo ajustamento da válvula de controlo 67) controla o caudal do agente redutor. Mantém-se a pressão do agente redutor constante durante a acção da válvula de regulação de pressão 60. O recipiente vaporizador 64 recebe um meio de transferência de calor que foi aquecido no permutador de calor 68. O permutador de calor 68 encontra-se disposto no trajecto do gás de combustão. De uma maneira conhecida, o permutador de calor 68 inclui um primeiro lado funcional que se faz contactar com o gás de combustão que liberta calor e um segundo lado funcional que se faz contactar com o 8 meio de permuta de calor que recebe calor. Por exemplo, o desenho mostra um permutador de calor 68 feito de uma tubagem nervurada. As nervuras e o exterior da tubagem encontram-se no primeiro lado funcional do permutador de calor em contacto com o gás de combustão. O interior da tubagem encontra-se sobre o segundo lado funcional do permutador de calor em contacto com o meio de permuta de calor que passa através da tubagem.

Representa-se um tubo único ligado à entrada do tubo de comunicação 72 e à saída do tubo de comunicação 74. Num sistema real, um banco de tais tubos pode encontrar-se ligado à entrada do tubo de comunicação 72 e à saída do tubo de comunicação 74. No desenho, cada tubo realiza quatro passagens através do cano dos fumos 20 transversalmente à direcção do fluxo do gás de combustão. De igual modo, a entrada do tubo de comunicação 72 encontrâ-se ilustrada como ficando a jusante da saída do tubo de comunicação 74 relativamente à direcção do fluxo do gás de combustão. Nenhuma destas características do permutador de calor 68 é crítica. Podem introduzir-se variações de acordo com princípios de desenho conhecidos para os permutadores de calor. Por exemplo, a entrada e a saída dos tubos de comunicação 72 e 74 podem encontrar-se dispostas dentro da canalização de fumos 20 caso isso seja considerado mais conveniente. A entrada do tubo de comunicação 72 pode encontrar-se localizada a montante da saída do tubo de comunicação 74 (relativamente à direcção do caudal de fluxo). As nervuras podem ser omitidas. Pode variar-se o número ou a direcção das passagens. - O permutador de calor 68 propriamente dito pode ser feito com vantagem de um tubo de aço carbono típico. Dependendo da aplicação, o tubo pode 9 9

apresentar-se com diâmetros convencionais que variam entre cerca de 127 e 1016 mm (cerca de meia polegada até cerca de 4 polegadas). O meio permutador de calor consiste em ar ambiente. Para esta finalidade, o ventilador 70 arrasta o ar ambiente das vizinhanças gerais do sistema de combustão e força-o para a entrada do tubo de comunicação 72 através da válvula de controlo 71. Um ventilador de ar à temperatura ambiente tal como a ventoinha 70 é mais barato e mais facilmente disponível do que uma ventoinha de recirculação de um tubo que tem de manusear gás de combustão quente. De igual modo, pode esperar-se que uma tal ventoinha seja mais fiável.

No recipiente de vaporização 64, intermisturam-se o meio aquecido e a solução aquosa de modo que se vaporiza a solução aquosa. Para esta finalidade, a forma de realização preferida aquecerá tipicamente o ar no permutador de calor 68 até uma temperatura compreendida entre cerca de 204 e 510°C (cerca de 400°F a 950°F). Esta gama de temperatura reflecte apenas a operação típica, não um conjunto de limites que devem ser mantidos por razões técnicas.

De igual modo, na forma de realização preferida, introduz-se o ar aquecido junto do topo de um recipiente vaporizador do tipo descrito anteriormente, onde entra em contacto com uma pulverização de amoníaco que entra a partir do topo. Tipicamente, a bomba 54 pode estabelecer uma pressão do amoníaco compreendida entre cerca de 6,9 x 104 e 1,38 x 106 N/m (cerca de 10 psi e 200 psi). O caudal de amoníaco aquoso depende da natureza do sistema de-combustão e da carga de operação. Tipicamente, o caudal pode ser igual a cerca de 1361 kg/h (cerca de 3000 lb/h) ou inferior.

Faz-se passar então a solução aquosa vaporizada para a grelha de injecção 76 de um tipo conhecido, onde é injectada no trajecto do gás de combustão e se deixa para reduzir ο ΝΟχ no gás de combustão. A grelha de injecção 76 pode encontrar-se localizada a jusante do permutador de calor 68, como se encontra representado, ou a montante do permutador de calor 68. Para um sistema catalítico do tipo ilustrado (isto é, tendo uma grelha de injecção 76 localizada a montante de um reactor catalítico 40), a saída do vaporizador encontra-se de preferência a uma temperatura compreendida entre 93 e 427°C (200° e 800°F), mais preferivelmente compreendida entre 121 e 260°C (250°F e 500°F). A invenção é muito apropriada para utilização em associação com um sistema de controlo automático para regular o grau de abertura da válvula 67 e deste modo a quantidade de amoníaco ou de outro agente redutor introduzido no gás de combustão. O controlador automático 78 inclui de preferência um processador digital. Utiliza-se a saída para regular a abertura da válvula de controlo 67. O controlador 78 recebe entradas a partir de um número de sensores, cuja natureza variará com a natureza do sistema de combustão e com a preferência do utilizador. A forma de realização ilustrada é apropriada para utilização com sistema gerador de vapor de água utilizado para accionar uma turbina de vapor para produzir electricidade e semelhantes.

Um tal sistema pode utilizar um sistema analisador de ΝΟχ 82 a jusante do reactor catalítico 40, um sensor de temperatura 80 disposto por-exemplo entre a grelha de injecção 76 e o reactor catalítico 40 e um terceiro sensor que representa o caudal de gás de combustão. De uma maneira conhecida, o caudal de gás de 11 combustão encontra-se relacionado com a carga da turbina, que é medida conforme se ilustra no desenho em 84. A velocidade de injecção de amoníaco base é estabelecida por sinais de alimentação para a frente a partir de 80 e 84, respectivamente, que representam o caudal de gás de combustão e a temperatura de entrada do gás de combustão SCR. Actualiza-se continuamente a velocidade de injecção do amoníaco base. Consegue-se o ajustamento fino da velocidade de injecção do amoníaco recorrendo a um sinal de retomo de 82 que mede a concentração de NOx na saída do SCR. Utiliza-se a saída do medidor de caudal 68 para determinar se se conseguiu o caudal desejado de amoníaco.

Descreveu-se acima uma invenção que é mais económica dos que os sistemas anteriores descritos anteriormente. Consome menos energia na operação. Não é mais caro quanto à sua fabricação do que alguns dos sistemas e é de fabricação menos dispendiosa do que outros. E pelo menos tão fiável como alguns dos sistemas e mais fiável do que outros.

Em particular, ao retirar a energia térmica do gás de combustão, a presente invenção evita ter de utilizar electricidade ou vapor de água do processo para vaporizar o agente redutor aquoso. Mesmo apesar de retirar calor do gás de combustão, a queda de temperatura do gás de combustão através do permutador de calor é deprezavelmente pequena (da ordem de alguns graus para a maior parte das aplicações), não causando deste modo qualquer efeito deletério no sistema de gás de combustão. A presente invenção evita o empate de capital e o custo de manutenção adicional que provêm do uso de equipamento exterior adicional para aquecer o meio 12 de vaporização. Poupa ainda o capital extra e os custos de manutenção associados com uma ventoinha de recirculação do tipo projectado para manusear gás de combustão quente, em vez de permitir o uso de uma ventoinha de ar ambiente convencional.

Lisboa, 5 de Maio de 2000

JOSÉ DE SAMPAIO A.Q.P.L

Rua do Salitre, 195, jVc-Drt. 1250 LISBOA

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para vaporizar um agente redutor aquoso para reduzir ο ΝΟχ no gás de combustão com origem num dispositivo de combustão (12) no qual se produz ο ΝΟχ, fazendo o dispositivo de combustão (12) parte de um sistema de combustão que define um trajecto pré-determinado ao longo do qual o gás de combustão é transportado para uma porta de ventilação (30) na extremidade de jusante do trajecto do gás de combustão, compreendendo o processo a utilização de uma ventoinha de ar ambiente para proporcionar uma fonte de ar ambiente, fazendo passar esse ar ambiente da ventoinha (70) através de um permutador de calor (68) disposto no trajecto do gás de combustão para aquecer o ar ambiente e fornecendo o referido ar ambiente aquecido resultante para vaporizar uma solução aquosa do agente redutor, injectando a solução aquosa vaporizada no trajecto do gás de combustão e deixando a solução vaporizada reduzir ο ΝΟχ no gás de combustão.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se promover a intermistura do ar ambiente aquecido com a solução aquosa num recipiente vaporizador (64), pelo que se vaporiza a solução aquosa.

3. Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo facto de o agente redutor ser o amoníaco.

4. Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações anteriores, que compreende a catálise da redução de ΝΟχ mediante passagem da mistura do gás de combustão e da solução aquosa agitada em contacto com um reactor catalítico (40). Lisboa, 5 de Maio de 2000 OAgsnfe OffcícF da Proprisdc^e

dOSE-DE SAMPAIO * A.O.P.I. Rua (io Salitre, lt‘S, jVc-Drt. 1250 USBOA 1 RESUMO “UTILIZAÇÃO DA ENERGIA DOS GASES DE COMBUSTÃO PARA VAPORIZAR UM AGENTE REDUTOR AQUOSO PARA A REDUÇÃO DE NOx EM GASES DE COMBUSTÃO” Descreve-se um processo para a vaporização de um agente redutor aquoso para a remoção de ΝΟχ no gás de combustão num sistema de combustão. Um permutador de calor encontra-se disposto no trajecto do gás de combustão de modo a que o calor proveniente do gás de combustão aqueça um meio de transferência de calor, de preferência ar ambiente. Faz-se passar o ar aquecido para um recipiente vaporizador onde vaporiza um agente redutor aquoso, de preferência amoníaco aquoso. Injecta-se o amoníaco vaporizado no trajecto do gás de combustão onde é eficaz para reduzir ο ΝΟχ. Descrevem-se alguns aspectos de um sistema de controlo automático. Figura.

Lisboa, 5 de Maio de 2000

JOSÉ DE SAMPAIO A.O.ÍVi. Rua do Salitre, 195, j/c-Drt. 1250 LISBOA