WO2010133716A1 - Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalitico de oxidos de nitrogeno - Google Patents

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WO2010133716A1
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vertical
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gases
boiler
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Miguel A. Delgado Lozano
Enrique Tova Holgado
Enrique Bosch Naval
Francisco Rodriguez Barea
Luis CAÑADAS SERRANO
Vicente Cortes Galeano
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Ingenieria Energetica Y De Contaminacion S.A.
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    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/10—Catalytic reduction devices

Definitions

  • the invention refers, as expressed in the description of the present specification, to an industrial boiler equipped with an integrated system of catalytic reduction of nitrogen oxides in the combustion gases, in order to minimize the emissions of this pollutant.
  • the field of application of the present invention is that of industrial boilers of thermoelectric groups.
  • NO x nitrogen oxides
  • NO x comprise mainly NO and NO 2 and are among the most harmful gaseous pollutants for health and the environment.
  • Nitrogen oxides are precursors of photochemical smog and acid rain, phenomena with direct effects on the health of animals, vegetation and humans.
  • NO x in this type of facilities can be classified mainly into two groups: modifications and adjustments of the combustion process, or primary measures, and abatement of afterburners, or secondary measures.
  • the secondary measures are applied after the combustion and are based on the chemical reduction of the NO x molecule that evolves to nitrogen (N 2 ) and water vapor (H 2 O) through a nitrogenous base reducing agent.
  • SNCR non-catalytic selective abatement
  • SCR catalytic selective abatement
  • the SNCR technology is based on the injection of ammonia reactive in the combustion chamber, reaching NO x reductions typically of 20 - 40% for the large boilers of the thermoelectric groups.
  • the reagent that does not reduce NO x is destroyed in secondary reactions or escapes as ammonia in the gases emitted (ammonia slip), being able to adversely affect the equipment located downstream of the injection zone and to the ashes of the fuel.
  • ammonia slip ammonia slip
  • the conventional systems of abatement of NO x by selective catalytic reduction (SCR) are those that have a more widespread use in the industry, being designed to treat the total of the combustion gases and normally for very important NO x reductions (70% - 95%).
  • the ammoniacal reagent is injected into the flue gas stream in the presence of a catalyst material of the NO x reduction reactions.
  • the catalyst material is grouped by forming several layers (generally from 3 to 6) in an independent reactor external to the boiler, the reduction performance reached being dependent fundamentally on three factors: the correct ammonia reactive mixture (NH 3 ) / NO x , Ia homogeneity of the velocities of the gases in the area of injection of the reagent and in the sections of the catalyst, and the temperature of the gases to be treated.
  • the mixture of the reactant with the gases and the homogenization of the speeds are achieved with the use of static mixers and flow deflectors. These are located in a conduit of sufficient length at the entrance of the reactor and cause a significant additional load loss that may require the installation of new induced draft fans.
  • the control of the temperature of the gases is carried out with a bypass of hot gases from the economizer, ensuring a temperature of 350-400 0 C in the different operating scenarios of the boiler, as the optimum temperature for the elimination of NO x in presence of the catalyst.
  • FIG 1 shows a basic diagram of a boiler of a conventional thermoelectric group in which the fuel provided by several burners (1) is oxidized in a home (2) releasing a large amount of heat, which is transferred to the water-steam circuit through the water walls of the boiler, and generating a large volume of high temperature combustion gases whose enthalpy is largely recovered in different exchange equipment located inside the boiler.
  • the typical arrangement of these boilers is in the form of an inverted "U".
  • the gases coming from the home ascend through a vertical duct at the end of which the radiating panels (3) of the superheater tubes are located.
  • the gases rotate to run along a section of vertical down conduit (5) yielding heat to a group of convective banks of tubes that make up the superheater, the superheater and, ultimately, the economizer (6)
  • the patent US6748880 describes a system based on the compartmentalization of the economizer by means of dividing panels and a regulating dimp, which allows to obtain a main current of gases and a stream of gases at a higher temperature that are mixed in the output of the economizer.
  • the flow of hot gases and therefore the temperature of the gases at the output of the economizer is controlled, eliminating the need for a by-pass of hot gases for the SCR system.
  • the patent US6609483 describes how this tempering can be carried out without the need for any by-pass, simply by mixing the water inlet of the economizer with water at a temperature close to the saturation temperature coming from the reboiler.
  • the patent US5988115 describes a mesh for the injection of the reagent that allows a great uniformity of the mixture without the need to place static mixers.
  • the present invention refers to an industrial boiler of a thermoelectric group of the type of which are constituted by a hearth in which the combustion of a fuel that is introduced by one or several burners, a radiant exchange zone located on the home and an area of convective interchange integrated in a descending conduit, which runs in parallel and in the proximity of the home, which houses in its interior the banks of tubes of at least one reheater and at least one economized and that has some hoppers of collection of ashes and at least one horizontal flue gas outlet located before an air preheater.
  • the invention consists in providing the boiler with a lower extension located between the convective exchange descending conduit, downstream of the last bank of economizer tubes, and the horizontal gas outlet conduit.
  • This lower extension shows a U-shaped configuration and is provided with: a first vertical branch that constitutes a prolongation inferior to the descending conduit of convective exchange, in which there is a specific catalyst for the reaction of abatement of the oxides of nitrogen by an agent ammonia reducer, a horizontal branch in which are the ash collection hoppers and a second vertical branch that connects with the horizontal conduit before the air preheater.
  • the injection of the reagent can be done by a distributor located behind the economizer, before the catalyst, or in upstream areas with higher temperature, including those in which the temperature of the gases is within the range 850-1150 0 C where it occurs Ia non-catalytic abatement reaction. In the latter case, in addition to the non-catalytic reduction, the unreacted reagent is lowered in the catalyst for the achievement of a complementary reduction of the contaminant and / or the elimination of the unreacted reactant (ammonia slip).
  • This invention is applicable both in the design of new boilers and in the case of modification of existing boilers.
  • the installation of this lower extension involves the extension of the boiler below the convective exchange descending conduit, and the displacement below the ash collection hoppers of the economizer.
  • the location of the catalyst in this zone favors the mixture between the reactant and the polluting gas, since the velocity profiles of the combustion gases behind the convective banks are very uniform due to the high length of the descending conduit and to the stabilizing effect produced by the reheater and economizer tubes themselves.
  • the lack of uniformity in the flow induced by the conduits that transport the gas to the reactor, and which makes mixing difficult compensates with static mixers placed downstream of the reagent injection plane. These mixers introduce a sensible loss of load to the system of gas circulation additional to Ia that produce the inlet and return ducts of the reactor, which are usually endowed with several changes of direction.
  • the proposed solution integrates the catalyst and avoids the need to install the aforementioned mixers and the conduits that convey the gases that are needed in the case of using an external reactor, for which the driving costs are reduced.
  • This aspect is of special relevance in existing installations in which the induced draft fans can not withstand certain additional load losses. In this sense, the application of the invention in such installations could be key to avoid the installation of new fans.
  • the location of the catalyst in the extension of the convective exchange descending conduit makes it possible to carry out a by-pass of the gases from the area above the hearth to an area upstream of the catalyst layers, without passing through the exchange zone radiant and convective of the boiler.
  • the closeness between the hearth and the catalytic zone minimizes the length of the by-pass duct, which facilitates the circulation of the gases without the need to install additional impulse equipment as the loss of charge is greater through the exchange zone.
  • the function of the by-pass is to control the temperature of the gases entering the catalyst in the optimum temperature range for the catalytic abatement reaction 350-400 0 C. This is essential to maintain the conversion performance independently of the load of the group thermal.
  • the high temperature of bypassed gases minimizes the flow rates required for tempering by
  • Figure 1 shows the characteristic typical scheme of a boiler of a thermoelectric group, as well as an air preheater and a horizontal conduit that conveys the air from the outlet of the boiler to the preheater, according to a conventional solution belonging to the state of The technique
  • Figure 2 shows a boiler provided with an integrated system of catalytic deflation in the convective exchange conduit according to the present invention, as well as its connection with the air preheater.
  • the boiler object of this invention has a typical inverted U-layout and incorporates several burners (1) in a hearth (2) where the fuel is burned, releasing a large amount of heat and generating a large amount of heat. volume of gases high temperature combustion.
  • the gases coming from the home ascend through a vertical duct at the end of which radiant panels (3) of superheated tubes are located! * .
  • the gases rotate to run through a section of vertical down conduit (5) of convective exchange yielding heat to a group of convective banks of tubes that make up the superheater, the superheater and, ultimately, , the economizer (6).
  • the boiler additionally incorporates a lower extension (20) located between the vertical downward conduit (5), downstream of the last bank of economizer tubes (6) and the horizontal conduit (7) of exit of gases
  • This lower extension (20) shows a U-shaped configuration comprising a first vertical branch (19) that constitutes a prolongation below the vertical downward conduit (5) in which there is a specific catalyst (10) for the reaction of abatement of the nitrogen oxides by an ammonia reducing agent, a horizontal branch in which are the hoppers (9) and a second vertical branch (12) that connects with the horizontal conduit (7).
  • the first vertical branch (19) is of sufficient length for the assembly inside of the catalyst (10).
  • the injection of the ammonia reagent takes place in a plane perpendicular to the flow of gases, just downstream of the economizer (6), by means of a reagent distributor (11) in the form of a mesh that covers the entire passage section.
  • the boiler incorporates a first set of synchronized gates (18) that, when closed, avoid the direct flow from the vertical descending conduit (5) to the horizontal conduits (7), directing said gas flow to the lower extension (20) for its passage through the catalyst (10).
  • the boiler incorporates a bypass conduit (14) that connects the upper zone of the hearth (2) with the vertical downward conduit (5). ), downstream of the reagent distributor (11).
  • the flow of gases passing through this by-pass duct (14) is regulated by a by-pass gate (15) positioned as a function of the temperature measured at the inlet of the catalyst (10).
  • the catalyst (10) can be isolated from the rest of the boiler by a second set of gates (16) located upstream of the catalyst (10) at the entrance of the first branch (19) of the lower extension (20).
  • This second set of gates (16) have function all / nothing and confer, when closed, a high degree of tightness.
  • a third set of gates (17) is available, of the same type as the previous ones, at the junction point of the second vertical branch (12) of the lower extension (20) and the horizontal conduit (7).

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Abstract

La caldera está dotada, en su conducto vertical descendente (5) de intercambio convectivo, aguas abajo del último banco de tubos de economizador (6), y aguas arriba de la sección de salida de los conductos horizontales (7), de una extensión inferior (20) situada entre el conducto vertical descendente (5), aguas abajo del último banco de tubos de economizador (6), y los conductos horizontales (7) de salida de gases, con forma de U que incorpora un catalizador (10) específico para la reacción de abatimiento de los óxidos de nitrógeno por un agente reductor amoniacal. La inyección del reactivo puede efectuarse tras el economizador (6), antes del catalizador (10), o bien en zonas aguas arriba con mayor temperatura donde se produce la reacción de abatimiento no catalítico. Esta invención es de aplicación tanto en el diseño de calderas nuevas como en el caso de modificación de calderas existentes.

Description

CALDERA EQUIPADA CON SISTEMA INTEGRADO DE ABATIMIENTO CATALÍTICO DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere, tal y como expresa el enunciado de Ia presente memoria descriptiva, a una caldera industrial equipada con un sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno en los gases de combustión, con el objeto de minimizar las emisiones de este contaminante.
CAMPO DE APUCACIÓN
El campo de aplicación de Ia presente invención es el de las calderas industriales de los grupos termoeléctricos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La utilización de combustibles fósiles como el carbón, el fueloil o el gas natural en calderas industriales tiene como consecuencia negativa Ia emisión a Ia atmósfera de óxidos de nitrógeno (NOx). Los NOx comprenden principalmente NO y NO2 y se encuentran entre los contaminantes gaseosos más perjudiciales para Ia salud y el medio ambiente. Los óxidos de nitrógeno son precursores del smog fotoquímico y Ia lluvia acida, fenómenos con efectos directos sobre Ia salud de los animales, Ia vegetación y los seres humanos.
Las tecnologías aplicadas para Ia reducción de las emisiones de
NOx en este tipo de instalaciones pueden clasificarse principalmente en dos grupos: modificaciones y ajustes del proceso de combustión, o medidas primarías, y abatimiento de postcombustión, o medidas secundarías.
Las medidas secundarías se aplican tras Ia combustión y se fundamentan en Ia reducción química de Ia molécula de NOx que evoluciona a nitrógeno (N2) y vapor de agua (H2O) a través de un agente reductor de base nitrogenada.
Principalmente las tecnologías de aplicación de estas medidas son el abatimiento selectivo no catalítico (SNCR) y el abatimiento selectivo catalítico (SCR).
La tecnología SNCR se basa en Ia inyección de reactivo amoniacal en Ia cámara de combustión, alcanzando reducciones de NOx típicamente del 20 - 40 % para las grandes calderas de los grupos termoeléctricos. El reactivo que no reduce NOx se destruye en reacciones secundarías o escapa como amoniaco en los gases emitidos (ammonia slip), pudiendo afectar negativamente a los equipos situados aguas abajo de Ia zona de inyección y a las cenizas del combustible. La principal ventaja de esta tecnología es Ia baja inversión económica necesaria para su aplicación, si bien es cierto que conlleva unos costes de operación elevados asociados al alto consumo de reactivo requerido. Los sistemas convencionales de abatimiento de NOx por reducción catalítica selectiva (SCR) son los que tienen un uso más extendido en Ia industria, diseñándose para tratar el total de los gases de combustión y normalmente para reducciones de NOx muy importantes (70 % - 95 %). En estos sistemas, el reactivo amoniacal se inyecta en Ia corriente de gases de combustión en presencia de un material catalizador de las reacciones de reducción de NOx. El material catalizador se agrupa formando varias capas (generalmente de 3 a 6) en un reactor independiente y extemo a Ia caldera, siendo el rendimiento de reducción alcanzado dependiente fundamentalmente de tres factores: Ia correcta mezcla reactivo amoniacal (NH3)/ NOx, Ia homogeneidad de las velocidades de los gases en Ia zona de inyección del reactivo y en las secciones del catalizador, y Ia temperatura de los gases a tratar.
La mezcla del reactivo con los gases y Ia homogeneizadón de las velocidades se consiguen con Ia utilización de mezcladores estáticos y deflectores de flujo. Éstos se ubican en un conducto de longitud suficiente a Ia entrada del reactor y provocan una pérdida de carga adicional importante que puede requerir Ia instalación de nuevos ventiladores de tiro inducido. El control de Ia temperatura de los gases se realiza con un by- pass de gases calientes del economizador, asegurando una temperatura de 350 - 400 0C en los diferentes escenarios de operación de Ia caldera, como temperatura óptima para Ia eliminación de NOx en presencia del catalizador.
Los costes de inversión de los sistemas SCR convencionales son muy elevados, principalmente por Ia construcción del reactor, los conductos para vehicular los gases desde el tramo que une Ia salida de Ia caldera al precalentador a Ia entrada al reactor, así como los conductos de retomo (incluyendo mezcladores estáticos y deflectores) y Ia estructura soporte. En aquellas instalaciones que presentan problemas de espacio y requieren la reubicación de sus equipos principales para Ia instalación de los reactores, los costes se incrementan notablemente, pudiendo hacer inviable Ia instalación de dichos equipos, especialmente en plantas con media o baja vida de operación remanente.
Un intento de evitar las altas inversiones de los sistemas SCR convencionales son los sistemas SCR que prescinden del reactor extemo independiente, instalando el material catalizador del reactor, o en adelante el catalizador, en el conducto de gases antes del precalentador de aire, ampliándolo hasta donde sea necesario y posible.
Generalmente estos sistemas requieren mezcladores estáticos y deflectores de flujo como los SCR convencionales, con idea de homogeneizar los perfiles de velocidades tras los codos y ensanchamientos que se realizan en el conducto de transporte de gases antes del catalizador. En cualquier caso el espacio disponible en dichos conductos suele ser muy limitado y por tanto el volumen de catalizador es normalmente insuficiente para alcanzar las reducciones objetivo, suponiendo una solución efectiva en un número reducido de instalaciones.
Asimismo Ia ubicación del catalizador en el conducto de gases imposibilita el funcionamiento de Ia instalación de forma independiente del sistema de abatimiento catalítico, por Io que es necesaria una parada de Ia caldera ante cualquier problema de funcionamiento o actividad de mantenimiento en el catalizador.
En Ia figura 1 se ha representado un esquema básico de una caldera de un grupo termoeléctrico convencional en Ia que el combustible aportado por varios quemadores (1) es oxidado en un hogar (2) liberando una gran cantidad de calor, el cual se transfiere al circuito de agua-vapor a través de las paredes de agua de Ia caldera, y generando un gran volumen de gases de combustión a alta temperatura cuya entalpia es en gran parte recuperada en distintos equipos de intercambio ubicados en el interior de Ia caldera. La disposición típica de estas calderas es en forma de "U" invertida. Los gases procedentes del hogar ascienden por un conducto vertical al final del cual se ubican los paneles radiantes (3) de tubos del sobrecalentador. En Ia nariz (4) de Ia caldera, los gases giran para discurrir por un tramo de conducto vertical descendente (5) cediendo calor a un grupo de bancos convectivos de tubos que componen el sobrecalentador, el recalentador y, en última instancia, el economizador (6).
Aguas abajo del economizador (6) los gases abandonan Ia caldera a través de, generalmente, unos conductos horizontales (7) hacia los precalentadores (8), para ceder parte de su entalpia al aire de combustión. En Ia parte inferior del conducto vertical descendente (5), bajo el economizador (6), se dispone un conjunto de tolvas (9) que recogen las cenizas que se separan de Ia corriente de gases en el cambio de dirección hada los conductos horizontales (7).
En el caso de que se monte un reactor extemo, de los conductos horizontales (7) partirían los mencionados conductos de salida y de retomo, hacia y desde el reactor extemo, incluyendo los mezcladores estáticos y deflectores. En el caso de que Ia caldera no incluya o se asocie a un reactor extemo e incorpore un catalizador interno, éste se ubica en los conductos horizontales (7).
Un intento de disminuir costes de inversión en los sistemas de reducción catalítica son los sistemas híbridos SNCR - SCR (US4978514 y US5139754). En ellos se realiza una primera inyección de reactivo en Ia caldera y una inyección secundaria previa a un catalizador situado en el conducto de gases. El objetivo principal del catalizador es el de eliminar el ammonia slip que no reacciona y ofrecer una reducción adicional al sistema. La principal ventaja de esta tecnología radica en que Ia reducción inicial obtenida en Ia caldera implica que las concentraciones de NOx a Ia entrada del catalizador son significativamente menores y, por tanto, es menor el volumen necesario de catalizador. De esta forma, y dependiendo de Ia instalación, se permite Ia integración del catalizador en el conducto de gases antes del precalentador de aire. Por contra, el principal inconveniente es el elevado consumo de reactivo que se requiere para reducciones elevadas de NOx, ya que Ia mayor parte de Ia reacción de abatimiento se realiza en ausencia de catalizador con menores eficiencias del proceso.
Otras soluciones se han encaminado a disminuir costes de Ia instalación del sistema SCR evitando Ia instalación de ciertos elementos o minimizando su uso por medio de mejoras en el proceso, aunque el ahorro económico que ofrecen es poco significativo comparado con Ia inversión total de Ia instalación del sistema.
La patente US6748880 describe un sistema basado en Ia compartimentación del economizador por medio de paneles divisorios y un dámpβr de regulación, Io que permite obtener una corriente principal de gases y una corriente de gases a mayor temperatura que se mezclan en Ia salida del economizador. En función de Ia posición del dámper se controla el caudal de gases calientes y por tanto Ia temperatura de los gases a Ia salida del economizador, eliminando Ia necesidad de un by-pass de gases calientes para el sistema SCR.
Igualmente, Ia patente US6609483 describe cómo se puede realizar esta atemperación sin necesidad de ningún by-pass, simplemente mezclando el agua de entrada del economizador con agua a una temperatura próxima a Ia de saturación procedente del calderín. La patente US5988115 describe una malla para Ia inyección del reactivo que permite una gran uniformidad de Ia mezcla sin necesidad de colocar mezcladores estáticos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una caldera industrial de un grupo termoeléctrico del tipo de las que están constituidas por un hogar en el que se produce Ia combustión de un combustible que es introducido por uno o varios quemadores, una zona de intercambio radiante ubicada sobre el hogar y una zona de intercambio convectivo integrada en un conducto descendente, que discurre en paralelo y en Ia proximidad del hogar, que alberga en su interior los bancos de tubos de al menos un recalentador y al menos un economizados y que dispone de unas tolvas de recogida de cenizas y de al menos un conducto horizontal de salida de gases situado antes de un precalentador de aire.
La invención consiste en dotar a Ia caldera de una extensión inferior situada entre el conducto descendente de intercambio convectivo, aguas abajo del último banco de tubos de economizador, y el conducto horizontal de salida de gases. Esta extensión inferior muestra una configuración en U y está dotada de: una primera rama vertical que constituye una prolongación inferior al conducto descendente de intercambio convectivo, en Ia que se encuentra un catalizador específico para Ia reacción de abatimiento de los óxidos de nitrógeno por un agente reductor amoniacal, una rama horizontal en Ia que se encuentran las tolvas de recogida de cenizas y una segunda rama vertical que conecta con el conducto horizontal antes del precalentador de aire. La inyección del reactivo puede efectuarse mediante un distribuidor situado tras el economizador, antes del catalizador, o bien en zonas aguas arriba con mayor temperatura, incluyendo aquéllas en Ia que Ia temperatura de los gases está dentro del rango 850-11500C donde se produce Ia reacción de abatimiento no catalítico. En este último caso, además de Ia reducción no catalítica, se produce en el catalizador el abatimiento del reactivo sin reaccionar para Ia consecución de una reducción complementaria del contaminante y/o Ia eliminación del reactivo no reaccionado (ammonia slip).
Esta invención es de aplicación tanto en el diseño de calderas nuevas como en el caso de modificación de calderas existentes. En este último caso, Ia instalación de esta extensión inferior supone Ia ampliación de Ia caldera por debajo del conducto descendente de intercambio convectivo, y el desplazamiento hada abajo de las tolvas de recogida de cenizas del economizador.
La configuración propuesta de caldera con el sistema catalítico integrado en Ia posición descrita presenta una serie de ventajas respecto a Ia instalación de un sistema de abatimiento catalítico convencional o reactor extemo a Ia caldera:
De un lado, Ia ubicación del catalizador en esta zona favorece Ia mezcla entre el reactivo y el gas contaminante, toda vez que los perfiles de velocidad de los gases de combustión tras los bancos convectivos son muy uniformes debido a Ia longitud elevada del conducto descendente y al efecto estabilizador que producen los propios tubos del recalentador y economizador. En el caso de los sistemas de abatimiento catalítico o reactores extemos a Ia caldera, Ia falta de uniformidad en el flujo que inducen los conductos que vehiculan el gas hacia el reactor, y que dificulta el mezclado, se compensa con mezcladores estáticos colocados aguas abajo del plano de inyección de reactivo. Estos mezcladores introducen una sensible pérdida de carga al sistema de circulación de gases adicional a Ia que por sí misma producen los conductos de entrada y retomo del reactor, los cuales suelen estar dotados de varios cambios de dirección. La solución propuesta integra el catalizador y evita Ia necesidad de instalar los mencionados mezcladores y los conductos que vehiculan los gases que se precisan en el caso de emplear un reactor extemo, por Io que se reducen los costes de impulsión. Este aspecto es de especial relevancia en instalaciones existentes en las que los ventiladores de tiro inducido no pueden soportar determinadas pérdidas de carga adicionales. En este sentido, Ia aplicación de Ia invención en tales instalaciones podría ser clave para evitar Ia instalación de nuevos ventiladores.
Todo ello se traduce en un ahorro significativo tanto en los costes de inversión como en los costes operativos asociados a Ia impulsión de los gases.
- La solución propuesta supone una mayor integración de Ia planta y, por tanto, una reducción adicional por este concepto en los costes de inversión en instalaciones existentes. En concreto, se minimizan los costes relativos a Ia soportación del reactor, al poder utilizarse Ia estructura de Ia propia caldera, y los relativos al trazado de los conductos. Debe tenerse en cuenta que el grado de integración de este tipo de plantas es muy elevado y, por consiguiente, se dispone de poco espacio en Ia zona de salida de caldera para Ia instalación de reactores de gran volumen por Ia interferencia que producen otros elementos como los precalentadores, plataformas, conductos de aire, etc. Esto obliga a montar los reactores, en un buen número de casos, lejos de Ia caldera, lo que implica mayor complejidad y coste de Ia instalación (incluyendo Ia más que probable necesidad de sustitución de los ventiladores de tiro inducido y, en cualquier caso, los mayores costes de impulsión). En las calderas de los grupos termoeléctricos existentes, el espacio bajo las tolvas del economizador suele ser un volumen vacío, ocupado únicamente por las tuberías de transporte neumático de las cenizas recogidas. Esto hace factible Ia adaptación del diseño de Ia caldera para Ia inclusión del catalizador sin limitaciones en el volumen del mismo y sin implicar por ello modificaciones importantes en Ia planta ni el desplazamiento de equipos. Por estas mismas razones el diseño propuesto es aplicable también a calderas de nueva construcción.
La ubicación del catalizador en Ia prolongación del conducto descendente de intercambio convectivo permite hacer viable Ia realización de un by-pass de los gases de Ia zona superior al hogar a una zona aguas arriba de las capas de catalizador, sin pasar por Ia zona de intercambio radiante y convectivo de Ia caldera. La cercanía entre el hogar y Ia zona catalítica minimiza Ia longitud del conducto del by-pass, Io que facilita Ia circulación de los gases sin necesidad de instalar equipos de impulsión adicionales al ser mayor Ia pérdida de carga a través de Ia zona de intercambio.
La función del by-pass es controlar Ia temperatura de los gases de entrada al catalizador en el rango óptimo de temperatura para Ia reacción de abatimiento catalítico 350-400 0C. Esto es fundamental para mantener el rendimiento de conversión independientemente de Ia carga del grupo térmico. La alta temperatura de los gases by- pasados minimiza los caudales requeridos para Ia atemperación por
Io que se limita Ia perturbación en el flujo producida por Ia mezcla. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar Ia descripción, y con objeto de facilitar Ia compresión de las características de Ia invención, se adjunta una serie de figuras con carácter ilustrativo y no limitativo:
La figura 1 muestra el esquema básico típico característico de una caldera de un grupo termoeléctrico, así como un precalentador de aire y un conducto horizontal que vehicula el aire desde Ia salida de Ia caldera al precalentador, de acuerdo con una solución convencional perteneciente al estado de Ia técnica.
En Ia figura 2 se representa una caldera provista de un sistema integrado de abatimiento catalítico en el conducto de intercambio convectivo de acuerdo con Ia presente invención, así como su unión con el precalentador de aire.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación se realiza una descripción de un modo posible de ejecución de Ia invención descrita para el caso de Ia adaptación de una caldera existente de un grupo termoeléctrico, al objeto de dotaría de un sistema integrado de abatimiento catalítico de NOx en el conducto vertical descendente de intercambio. El planteamiento expuesto sería evidentemente válido para el caso del diseño de una caldera nueva.
Tal y como se observa en Ia figura 2 Ia caldera objeto de esta invención presenta una disposición típica en U invertida e incorpora vanos quemadores (1 ) en un hogar (2) donde se quema el combustible liberando una gran cantidad de calor y generando un gran volumen de gases de combustión a alta temperatura. Los gases procedentes del hogar ascienden por un conducto vertical al final del cual se ubican unos paneles radiantes (3) de tubos del sobrecalentado!*. En Ia nariz (4) de Ia caldera, los gases giran para discurrir por un tramo de conducto vertical descendente (5) de intercambio convectivo cediendo calor a un grupo de bancos convectivos de tubos que componen el sobrecalentador, el recalentador y, en última instancia, el economizador (6).
Aguas abajo del economizador (6) se encuentran unos conductos horizontales (7) de salida de gases por donde abandonan los gases Ia caldera hacia unos prβcalentadores (8), y bajo el economizador (6) se encuentra un conjunto de tolvas (9) de recogida de cenizas que se separan de Ia corriente de gases en el cambio de dirección hacia los conductos horizontales (7).
La caldera, de acuerdo con Ia presente invención, incorpora adicionalmente una extensión inferior (20) situada entre el conducto vertical descendente (5), aguas abajo del último banco de tubos de economizador (6) y el conducto horizontal (7) de salida de gases. Esta extensión inferior (20) muestra una configuración en U que comprende una primera rama vertical (19) que constituye una prolongación inferior al conducto vertical descendente (5) en Ia que se encuentra un catalizador (10) específico para Ia reacción de abatimiento de los óxidos de nitrógeno por un agente reductor amoniacal, una rama horizontal en Ia que se encuentran las tolvas (9) y una segunda rama vertical (12) que conecta con el conducto horizontal (7).
Se ha previsto que Ia primera rama vertical (19) sea de longitud suficiente para el montaje en su interior del catalizador (10). La inyección del reactivo amoniacal se produce en un plano perpendicular al flujo de gases, justo aguas abajo del economizador (6), por medio de un distribuidor de reactivo (11) en forma de malla que abarca toda Ia sección de paso.
Se ha previsto que entre el conducto horizontal (7) y el conducto vertical descendente (5), en Ia entrada a Ia primera rama vertical (19), Ia caldera incorpore un primer conjunto de compuertas (18) sincronizadas que, al cerrarse, evitan el flujo directo desde el conducto vertical descendente (5) a los conductos horizontales (7), dirigiendo dicho flujo de gases a Ia extensión inferior (20) para su paso a través del catalizador (10).
Para minimizar las variaciones en los perfiles de velocidad producidas por el cambio brusco de dirección de los gases a Ia salida de Ia caldera, y a Ia vez para reducir las pérdidas de carga, se ha previsto Ia instalación de deflectores de flujo (13) en Ia extensión inferior (20) aguas abajo del catalizador (10).
Para el control de Ia temperatura de los gases a Ia entrada del catalizador (10) se ha previsto que Ia caldera incorpore un conducto de by- pass (14) que conecta Ia zona superior del hogar (2) con el conducto vertical descendente (5), aguas abajo del distribuidor de reactivo (11). El caudal de gases que pasan a través de este conducto de by-pass (14) es regulado mediante una compuerta de by-pass (15) posicionada en función de Ia temperatura medida a Ia entrada del catalizador (10).
El catalizador (10) puede ser aislado del resto de Ia caldera mediante un segundo conjunto de compuertas (16) ubicadas aguas arriba del catalizador (10) en Ia entrada de Ia primera rama (19) de Ia extensión inferior (20). Este segundo conjunto de compuertas (16) tienen función todo/nada y confieren, al cerrarse, un alto grado de estanqueidad. Adicíonalmente, se dispone un tercer conjunto de compuertas (17), de Ia misma tipología que las anteriores, en el punto de entronque de Ia segunda rama vertical (12) de Ia extensión inferior (20) y el conducto horizontal (7).
El cierre de las segundas y terceras compuertas (16, 17) que delimitan el volumen del catalizador, junto con Ia interrupción de Ia inyección de reactivo amoniacal y Ia apertura del primer conjunto de compuertas (18), permite aislar el catalizador (10) manteniendo Ia operación del grupo termoeléctrico de acuerdo a su configuración inicial. Este aspecto es de gran importancia a Ia hora de realizar labores de mantenimiento en el catalizador.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno que presenta una disposición en U invertida que comprende: un conducto vertical en el que se encuentra un hogar (2) con quemadores (1) donde se quema el combustible generando un gran volumen de gases de combustión a alta temperatura, una nariz (4) en Ia que giran los gases de combustión procedentes del conducto vertical anterior, un conducto vertical descendente (5) de intercambio convectivo donde discurren los gases, cediendo calor a un grupo de bancos convectivos de tubos que componen en su totalidad o en parte un sobrecalentador, un recalentador y un economizador (6), uno o varios conductos horizontales (7) de salida por donde los gases abandonan Ia caldera hacia unos precalentadores (8), un conjunto de tolvas (9) situado debajo del economizador (6) para separación y recogida de las cenizas de Ia corriente de gases, caracterizada porque comprende adicionalmente: - una extensión inferior (20) situada entre el conducto vertical descendente (5), aguas abajo del último banco de tubos de economizador (6), y los conductos horizontales (7) de salida de gases, que muestra una configuración en U que comprende: una primera rama vertical (19) que constituye una prolongación inferior al conducto vertical descendente (5), una rama horizontal en Ia que se encuentran las tolvas (9), y una segunda rama vertical (12) que conecta con el o los conductos horizontales (7) de salida de gases, un catalizador (10) específico para Ia reacción de abatimiento de los óxidos de nitrógeno por un agente reductor amoniacal situado en Ia primera rama vertical (19) o en Ia segunda rama vertical (12) o en ambas ramas verticales (19, 12), un distribuidor (11) en forma de malla situado aguas arriba del catalizador (10) adaptado para inyectar un agente reductor amoniacal.
2.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno de acuerdo con Ia reivindicación 1 caracterizada porque el catalizador (10) ocupa toda Ia sección transversal de Ia primera rama vertical (19), o de Ia segunda rama vertical (12), o de ambas.
3.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno de acuerdo con Ia reivindicación 1 caracterizada porque Ia extensión inferior (20) incorpora unos deflectores de flujo (13) situados aguas abajo del catalizador (10).
4.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno de acuerdo con Ia reivindicación 1 caracterizada porque comprende adicionalmente un conducto de by-pass (14) que conecta Ia zona superior del hogar (2) con el conducto vertical descendente (5), aguas abajo del distribuidor de reactivo (11 ), y una compuerta de by-pass (15) situada en dicho conducto de by-pass (14) adaptada para controlar los gases que pasan por el conducto de by-pass (14) y por tanto Ia temperatura de los gases a Ia entrada del catalizador (10).
5.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno de acuerdo con Ia reivindicación 1 caracterizada porque comprende adicionalmente un primer conjunto de compuertas (18) sincronizadas, situadas entre los conductos horizontales (7) y el conducto vertical descendente (5), antes de Ia entrada a Ia primera rama vertical (19) de Ia extensión inferior (20), y adaptadas para que al cerrarse se evite el flujo directo desde el conducto vertical descendente (5) hada los conductos horizontales (7) y se dirija el flujo de gases a Ia extensión inferior (20) para su paso a través del catalizador (10).
6.- Caldera equipada con sistema integrado de abatimiento catalítico de óxidos de nitrógeno de acuerdo con Ia reivindicación 5 caracterizada porque comprende adiάonalmente un segundo conjunto de compuertas (16) ubicadas aguas arriba del catalizador (10) en Ia entrada de Ia primera rama (19) de Ia extensión inferior (20) y un tercer conjunto de compuertas (17), en el punto de entronque de Ia segunda rama vertical (12) de Ia extensión inferior (20) y los conductos horizontales (7), adaptadas de modo que el cierre de las segundas y terceras compuertas (16, 17) que delimitan el volumen del catalizador (10) y Ia apertura del primer conjunto de compuertas (18) permite aislar el catalizador (10).
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