WO2018185688A1 - Composición y proceso para el tratamiento de gases de combustión que contienen óxidos de azufre - Google Patents

Composición y proceso para el tratamiento de gases de combustión que contienen óxidos de azufre Download PDF

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WO2018185688A1
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combustion
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Jorge PADILLA OJEDA
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Bycosin Latinoamérica, S.A. De C.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/48—Sulfur compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes
    • B01D53/79—Injecting reactants
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
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    • C01B17/90—Separation; Purification
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the present invention relates to a process for efficiently removing sulfur trioxide (S0 3 ) from the gases generated in a combustion.
  • Applications of said process include, but are not limited to the reduction of pollutants generated by the use of internal combustion engines such as those used in power plants.
  • NOx nitrogen oxides
  • MP particulate matter
  • SOx sulfur oxides
  • the gases emitted by an internal combustion engine in addition to containing harmless gases such as nitrogen, oxygen, water vapor and hydrogen; they also contain harmful gases or pollutants; such as carbon monoxide, carbon dioxide, hydrocarbons, nitrogen oxides, lead, sulfur oxides, among others. Additionally, incomplete combustion generates particulate matter, that is, soot and ash particles, in addition to small drops of tar. Prolonged exposure of the population to all these pollutants can lead to severe adverse effects on the population such as an increase in mortality.
  • harmful pollutants generated by industry in general include carbon monoxide, carbon dioxide, chlorofluorocarbons (CFCs), nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), dioxins, particulate material and tropospheric ozone.
  • Sulfur oxides refer to sulfur dioxide (S0 2 ) which is a colorless gas and sulfur trioxide (S0 3 ) which is a bluish or white gas. Both are non-flammable gases resulting from thermal energy production derived from the consumption of sulfur-containing fossil fuels. S0 2 has a pungent and irritating smell and S0 3 is characterized by approximately 4% of the S0 2 level . Most of the harmful sulfur is formed through natural gas processing and oil refining.
  • nitrogen oxides are a group of gases formed by nitrogen and oxygen.
  • the natural emission of nitrogen oxide is almost 15 times greater than that carried out by humans.
  • Nitric oxide is relatively harmless, however, nitrogen dioxide can cause damage to health, damages the respiratory system and also contributes to the formation of acid rain.
  • the reduction of NOx emissions generated from combustion processes can be carried out by recirculating a portion of the gas produced by combustion in the reaction zone in order to reduce both the reaction temperature and the oxygen content of the reaction zone.
  • This process is also known as the recirculation of exhaust gases in engineering.
  • this process is only efficient for reducing the emission of NOx to the environment, allowing the emission of SOx.
  • 5,237,939 describe the injection of a substance such as ammonia into the flow of combustion gas.
  • the amount of ammonia should be carefully calculated so that a balanced reaction is carried out; otherwise, the excess of ammonia could be emitted together with the combustion gases and far from reducing the amount of pollutants generated, it could generate more pollution to the environment in a dangerous way.
  • Some technologies used for the reduction of sulfur species are technologies that use absorption / desorption columns. Regularly, these methods require the use of substances such as amines to separate S0 2 from waste gases. The drawback in these methods is that the investment of a large capital is required, especially in large columns since large amounts of energy are consumed to regenerate the absorbent. Additionally, these technologies require a subsequent treatment of S0 2 , that is, the recovered product.
  • Another of the technologies widely used for the reduction of SOx of gases resulting from combustion by diesel engines is the purification of exhaust gases, also known as "scrubber", which can be performed in modalities such as "wet” and "dry”. This technology allows the reduction of more than 90% SOx of the exhaust gases, using seawater or fresh water as the purifying medium.
  • dry scrubber is chemical clearance. Depending on the application, dry scrubbers work in a wide temperature range. These methods commonly produce solid or liquid waste streams. This technology reduces the presence of sulfur species by contacting the gas with a chemical scrubber or scrubber.
  • the chemical scrubbers are liquid or solid caustic solutions such as calcium hydroxide granules, which trap sulfur species.
  • Chemical scrubbers are regularly injected backflow of gas resulting from combustion. Debugging by chemical scrubber can remove approximately 98% SOx.
  • Another disadvantage of scrubber technology is that it is required that gases from combustion be transferred to the equipment with scrubber technology, that is, that scrubber technology operates in a different equipment than the equipment where combustion is carried out. Once the amount of SOx in the gas flow has decreased, it returns to the first equipment duct for the emission of gases into the environment.
  • urea One of the substances used for the scrubbing of nitric oxide of the gases resulting from combustion is urea (US 6,436,359 B1, US 4,208,386).
  • Arand et al., (US 4,208,386) disclose that urea reacts with nitric oxide even in the presence of high amounts of oxygen.
  • Spencer III, et al., (US 6,436,359 B1) teaches that the urea supplied The system is hydrolyzed at temperatures of at least 10 ° C to 300 ° C under pressures of 20-500 psig producing a gaseous flow of ammonia, carbon dioxide and water. The overall reaction is as follows:
  • the urea has a thermal dissociation from a temperature of 149 ° C generating ammonia and isocyanic acid:
  • Isocyanic acid also reacts with nitrogen oxides causing the reduction of the oxidation state of nitrogen through the following reaction:
  • isocyanic acid decreases the deposition of sulfate salts such as ammonium sulfate or ammonium bisulfate [(NH 4 ) 2S0 4 or NH 4 HS0 4 ], which are formed in the presence of ammonia and sulfur oxides (US , 6,077,491). So commonly isocyanic acid, in addition to contributing to the formation of ammonia, serves as a cleaning reagent (Siret and Tabaries, EP2011559, ES2379902).
  • the present invention uses a mixture consisting mainly of urea, a surfactant and magnesium acetate for the reduction of the presence of SO ?, of the flue gases.
  • the mixture optionally contains calcium carbonate. This mixture is injected into a system to remove SO contaminant; of the gases generated in combustion.
  • Figure 1 shows an exemplary diagram of an electric power generation system where the urea mixture injection system of the present invention is applied.
  • Figure 2 shows an exemplary diagram with respect to the pumping and valve arrangement of the urea mixture injection system of the present invention.
  • Figure 3 shows an exemplary diagram of the control and injection system of the urea mixture injection system of the present invention.
  • Figure 4 illustrates an exemplary diagram of an injection lance of the urea mixture injection system of the present invention.
  • Figure 5 shows a cross section of the injection lance of Figure 4.
  • gas resulting from combustion refers to gases resulting from industrial combustion from both stationary and mobile sources, such as the exhaust gases produced by diesel engines containing S0 3 .
  • gas treatment refers to the oxidation of SO 3 to be eliminated in the form of (NH4) 2S04 and traces of NH3HS04, substances that are released into the atmosphere.
  • gas treatment can be used for both mobile and stationary applications, such as gases resulting from industrial combustion and to the exhaust gases produced by internal combustion engines using residual fuels with a high sulfur content such as fuel oil, including intermediate fuel oil known as IFO by its acronym "Intermed ⁇ ate Fuel Oil”.
  • the process of eliminating S0 3 from the gases resulting from combustion is carried out by the oxidation of S0 3 to obtain ammonium sulfate or bisulfate, substances that result from the reaction of S0 3 with the ammonia from the urea mixture.
  • ammonia reacts with sulfur trioxide to form sulfate and / or ammonium bisulfate:
  • Another of the reactions that are carried out to eliminate the S0 3 of the gases resulting from a combustion in this invention is the hydrolysis of magnesium acetate to generate acetic acid and magnesium oxide where the latter in turn reacts with the S0 3 under different thermodynamic conditions at which S0 3 reacts with urea, more specifically, the reaction of magnesium acetate with sulfur trioxide is carried out from 328 ° C.
  • the reactions involved are as follows:
  • One of the reagents optionally used in the present invention is calcium carbonate, which also functions as an oxidizing agent of S0 3 .
  • Said reagent is presented in a suspension in water in a concentration of 30% to 70%
  • the urea that reacts with the combustion gases is provided by a mixture containing urea in a concentration of about 30% to about 70%, a surfactant in a concentration of about 0.1% to about 3%, magnesium acetate in a concentration of about 4% to about 8% and optionally calcium carbonate in a concentration of about 0% to about 30%.
  • One aspect of the present invention provides a process for treating gases resulting from combustion, which includes the following steps in sequence:
  • One of the advantages of the present invention is that it is not necessary to add catalysts, which regularly have a high price, nor is it necessary to add highly hazardous chemicals for the removal of S0 3 from the gases resulting from combustion. On the contrary, only the initial mixture injection is required.
  • Another advantage of the present invention is that all the stages of the oxidation process of the gases resulting from a combustion can be carried out on the exhaust duct of the equipment without the need to operate in other equipment other than the equipment where the combustion is carried out.
  • Figure 1 schematically illustrates an exemplary diagram of the urea mixture injection system of the present invention applied to a system for generating electrical energy, in accordance with an embodiment of the invention.
  • These types of systems mainly comprise an internal combustion engine (101) and gas exhaust ducts (102).
  • the electric power generation system includes a recovery boiler (104) that uses the residual energy of the flue gases to generate medium pressure steam, which in turn is used for the generation of electric power and a silencer of exhaust (105) that reduces the noise produced by the internal combustion engine (101).
  • the silencer (105) can be coupled to the motor outlet (101) as shown in Figure 1 or before the chimney (103).
  • the gases resulting from combustion which are discharged into the exhaust ducts (102) are regularly at a temperature of approximately 180 ° C to approximately 380 ° C and a pressure of approximately 0.5 atmospheres to approximately 3.0 atmospheres .
  • the urea mixture injection system of the present invention comprises a storage tank (107), which contains the urea mixture that is used in the gas treatment of the present invention; the urea mixture circulates through a hydraulic line (108) through which at least one injection station (106a) and (106b) is fed; wherein the urea mixture is continuously injected into the gases resulting from combustion.
  • the injection system of the present invention comprises a pumping system (1 1 1) that maintains the urea mixture at a constant pressure in the injection lines ranging from 1 .0 Kg up to 7.0 Kg but not limited to that range, because it depends on the required urea mixture expense for the decrease of S0 3 .
  • the volume and expense of the urea mixture depends on the charge in the generation of flue gases by each engine.
  • the urea mixture is conducted through the hydraulic line (108) to the injection stations (106a) and (106b) at a constant pressure required for the Urea mixture is injected into the exhaust gases in an efficient manner.
  • the system of the present invention comprises a first injection station (106a) that is coupled to the flue gas outlet duct after the silencer (105) and before the entrance to the recovery boiler (104).
  • a second injection site (106b) is coupled to the flue gas outlet duct after the recovery boiler (104) and before the chimney (106).
  • the configuration and coupling of the first and second injection stations (106a) and (106b) of the mode of the urea mixture injection system of the present invention represented in Figure 1, is due to the periodic maintenance of the recovery boiler cleaning (104).
  • the process of removing S0 3 from the exhaust gases resulting from combustion is carried out through the first injection station (106a) by injecting the urea mixture into the exhaust gases of the recovery boiler (104).
  • the gate (109) closes the passage to the circulation of the exhaust gases through the recovery boiler (104) and the gate ( 1 10) to allow exhaust gases to flow into the chimney (103). Therefore, the process of eliminating S0 3 from the exhaust gases resulting from combustion is carried out through the second injection station (106b) by injecting the urea mixture into the outlet exhaust gases. of the recovery boiler (104).
  • the process of treating the exhaust gases of the present invention becomes more efficient, since the Mixture of the present invention can be applied at one or two injection points simultaneously.
  • Each injection station (106a) and (106b) comprises at least one injector consisting of a lance with a spray nozzle; where the spray nozzle of the lance is coupled into the exhaust duct (102).
  • the capacity of the injection sites (106a) and (106b) of the urea mixture is determined according to the temperature profile of the gases in the pipelines, considering all the possible operating loads in the unit to be treated being the calculation of approximately 4Kg of urea mixture per m 3 of S0 3 .
  • the preferred pumping systems (1 1 1) are pneumatic or mechanical.
  • a mechanical system comprises a multi-stage centrifugal pump that provides that the urea mixture is maintained at a necessary and constant pressure to deliver the mixture to the injection station (s) (106a) and (106b) for injection.
  • a pneumatic pumping system comprises a pneumatic pump and a suitable impulse damper of which its capacity is calculated to maintain the required pressure in the injection lines that depends on the required consumption of urea mixture for the decrease of S0 3 .
  • a pneumatic pump is efficient and of zero energy consumption, the great disadvantage is that, if there is no proper pumping design with this type of pump; for example, when the system has significant distances in height and distance in the hydraulic line, intermittent injection may arise because the urea mixture would not be maintained at a constant pressure, which affects the optimal results in the decrease of S0 3 .
  • the process of treating the exhaust gases of the present invention requires a constant flow as well as a constant pressure in the injection of the urea mixture a.
  • the preferred pumping system of the invention is a mechanical system comprising a multi-stage centrifugal pump, which provides the necessary and constant pressure to bring the urea mixture to the indicated injection point.
  • a centrifugal pump unlike a pneumatic pump, is more stable in terms of constant flow. However, these pumps are designed for large flows. In the present invention, relatively low flow rates are handled, so that added to this pump and in order to take advantage of the constancy of its flow, an arrangement of various types of valves is necessary, which allow to control the flow of the urea mixture as required by the combustion unit.
  • FIG. 2 exemplifies a pumping system using a centrifugal pump which comprises a preferred valve arrangement for the present invention.
  • the system comprises a storage tank (107), which contains the urea mixture that is used in the gas treatment of the present invention; the urea mixture circulates through a hydraulic line (108) through which at least one injection station is fed, wherein said hydraulic line comprises an arrangement of ball valves (201) to control the flow of the urea mixture at the exit of the storage tank (107), through the "Y" type filters (202) that are connected in a duplex or parallel formation, where said filters (202) guarantee that any solid matter in the urea mixture is trapped, so that when it is necessary to clean one of them, the other goes into operation and the process is not stopped;
  • a multi-stage centrifugal pump (203) is coupled to the output of the parallel array of filters (202) that provides a constant flow of urea mixing without pulsation.
  • the hydraulic discharge line (108) comprises three branches or flow extractions in said line, wherein the first line (108a) comprises a first valve (204) which can be of the type gate for a manual system or an electrovalve for an automated system; wherein the first valve (204) vents all unnecessary flow of urea mixture and returns it to the storage tank (107); the second line (108b) performs the same function as the first line (108a) but in a finer way through a needle-type valve (205).
  • the first line (108a) comprises a first valve (204) which can be of the type gate for a manual system or an electrovalve for an automated system; wherein the first valve (204) vents all unnecessary flow of urea mixture and returns it to the storage tank (107); the second line (108b) performs the same function as the first line (108a) but in a finer way through a needle-type valve (205).
  • a relief valve (206) is implemented in the third line or extraction (108c) is calibrated below the working pressure of the multi-stage centrifugal pump (203) a the discharge, in this way, the relief valve (206) will always open and maintain in the line (108) after the pump (203), the pressure of the urea mixture required to be atomized efficiently, and if it is If a higher pressure is necessary, the relief valve (206) will close fulfilling its function of maintaining said pressure in the system of the present invention.
  • the hydraulic line (108) comprises a flow meter (207) to ensure that the injection of the urea mixture is proportional to the generation of polluting gases by the system of electric power generation.
  • the injection stations (106a) and (106b) are located in the exhaust ducts where the gas is at a temperature between 150 ° C to 400 ° C, preferably between 250 ° C at 350 ° C, more preferably between 290 ° C to 320 ° C, as well as at a pressure between 0.4935 atmospheres and 2.9608 atmospheres, preferably between 1.4804 atmospheres and 2.9608 atmospheres.
  • the pressure of the urea mixture at the injection stations is preferably between 0.296078 atmospheres at 2.9608 atmospheres, preferably 0.9869 atmospheres at 2.9608 atmospheres and the atomization air of 0.9869 atmospheres at 5.9215 atmospheres.
  • the injection of the mixture is carried out by means of an assisted method, which consists of circulating a transport fluid, for example, air or steam, at a pressure between 1 Kg and 4 Kg of air, through a dosing lance, so that this transport fluid mixes with the product in the nozzle chamber and is atomized spontaneously, efficiently and in the form of a cloud.
  • a transport fluid for example, air or steam
  • this transport fluid mixes with the product in the nozzle chamber and is atomized spontaneously, efficiently and in the form of a cloud.
  • Figure 3 represents an embodiment of an assisted injection station for the urea mixture consisting of a control cabinet, wherein said control cabinet comprises an electronic control (305) consisting of a frequency regulator for pump control. centrifuge (203); a pressurized air supply connector (301) from an air compressor (not shown), in connection with a normally open solenoid valve (308) that controls the opening / closing of the passage of pressurized air to a pressure regulator ( 302) which regulates the pressure of the atomization air of the urea mixture through at least one injection lance (figure 4), an air filter (303) removes particles and moisture from the air and a first outlet connector (307) provides air to at least one injection lance (see figure 4).
  • a pressurized air supply connector (301) from an air compressor (not shown), in connection with a normally open solenoid valve (308) that controls the opening / closing of the passage of pressurized air to a pressure regulator ( 302) which regulates the pressure of the atomization air of the urea mixture through at least one injection lance (figure 4
  • a urea mixture feed connector (304) feeds the centrifugal pump (203) that increases the flow pressure of said mixture and provides a constant pulsating urea mixture flow that circulates through a flow meter (1 1 1) which can be digital but not limited to it, which measures the consumption of the mixture by means of an instantaneous reading of the urea mixture flow and a second output connector (306) as connection means provides the constant urea mixture flow to at least one injection lance (figure 4).
  • the efficiency in the removal of S0 3 is between 50% to 99.9% depending on the atomization conditions of the equipment, as well as the urea mixture.
  • the contact surface is smaller, that is, the amount of the urea that reacts is smaller, so the results in the oxidation of S0 3 depend on both the droplet size and other parameters of the process.
  • smaller drops provide a larger contact surface, so the removal of S0 3 by reacting the latter with urea to generate (S0 4 ) 2 " is more efficient.
  • the drops of diameters still smaller ones evaporate.
  • the injection of the urea mixture at the injection stations is carried out by an unassisted method consisting of the injection of the urea mixture from the pumping system in connection with the sites of injection consisting of injectors that do not require the additional supply of air pressure for atomization; wherein the pressure of the urea mixture is approximately between 0.296078 atmospheres at 2.9608 atmospheres, preferably 0.9869 atmospheres at 2.9608 without being limited thereto.
  • the parameters can be optimized to effectively carry out the oxidation process of S0 3 , these parameters are the pressure at which it is injected the urea mixture or the atomization air pressure, where the atomization pressure is higher than the injection pressure, as well as the size of the drops resulting from the atomization.
  • the mechanically generated drops are typically of orders of magnitude of about 10 microns to about 1000 microns depending on the process conditions such as the injection pressure of the mixture or the atomization air pressure.
  • the ideal size of the drops of the atomization of the mixture may vary from about 10 microns to about 500 microns. However, this can be modified and achieve a droplet size of between 50 and 200 microns by using surfactants such as EDTA, iso-octadecenyl, nonylphenol resin and Rhodafac ® rs / 7-e at a concentration of approximately 0.1% to about 3% of the mixture.
  • the assisted system of the present invention requires the use of injection lances so that the product is administered directly to the gases inside the exhaust ducts of the generating unit.
  • water is circulated through the recirculation system in order to avoid overheating of the same once the injection lances are they are in direct contact with the ducts of the system through which the gases resulting from combustion circulate, which in turn have high temperatures.
  • the decrease in the temperature of the lances is carried out by means of the circulation of water by means of a centrifugal pump system, where once the water has circulated and the lance has cooled, it returns to the main tank, where one or more Heat exchangers decrease the temperature of the water that circulates around the main tube of the lance, which in turn in an internal tube transports the urea mixture thus decreasing the temperature of the water that recirculates in the lance and in turn of the mixture of urea also contained in the injection lance.
  • FIG 4 an exemplary diagram of one of the lances (400) in engagement with the spray nozzle (500) preferred for the present invention but not limited thereto is shown.
  • Said lance is made up of tubular lines that can be 1.40 m, with a flange of 4 and 6 inches; which also includes a refrigerant recirculation system for cooling; a first threaded coupling means (401) by which the urea mixture is fed into the spray nozzle (500); a second threaded coupling means (402) for the entry of a cooling medium that circulates through the internal structure of the lance to decrease the temperature of the lance in order to prevent overheating thereof; a third threaded coupling means (403) for the refrigerant outlet that cools the lance and a fourth threaded coupling means (404) for the air inlet (404) towards the spray nozzle (500), where the air atomizes the urea mixture producing a mist of urea mixture.
  • Figure 5 illustrates a cross-section of the lance (400) of Figure 4, wherein its internal structure comprises: an outer tube or duct (414) inside which an inner tube (413) is coupled and where both function as a housing means and at the same time as a cooling medium where refrigerant flows in its inner diameter to decrease the urea mixture temperature; Likewise, a first internal tube or duct (41 1) is illustrated which transports the urea mixture where said internal tube is coupled into an external tube (412) where the air injected into the mixture flows to through the nozzle to form the urea mixture mist.
  • an outer tube or duct inside which an inner tube (413) is coupled and where both function as a housing means and at the same time as a cooling medium where refrigerant flows in its inner diameter to decrease the urea mixture temperature
  • a first internal tube or duct (41 1) is illustrated which transports the urea mixture where said internal tube is coupled into an external tube (412) where the air injected into the mixture flows to through the nozzle to form the ure
  • the lances may be made of a large number of materials, preferably non-corrosive materials which include, but are not limited to, carbon steel, stainless steel, 316 stainless steel, more preferably AISI 316 stainless steel or AISI 304 stainless steel and / or PVC CED 80, titanium or some noble metal.
  • non-corrosive materials include, but are not limited to, carbon steel, stainless steel, 316 stainless steel, more preferably AISI 316 stainless steel or AISI 304 stainless steel and / or PVC CED 80, titanium or some noble metal.
  • each lance (400) comprises a nozzle of the type SU46- 316ss (but not limited thereto); ( Figure 4) which allow relatively high flows to be managed and these be atomized homogeneously over a wide area of incidence.
  • a large number of materials can be used for dual fluid spray nozzles; These materials are preferably non-corrosive materials which include, but are not limited to, carbon steel, stainless steel, preferably 316 stainless steel or AISI 304 stainless steel and / or CED 80 PVC, titanium or some noble metal.
  • the system may comprise a flow sensor of S0 3 , to ensure that the injection of the urea mixture is proportional to the generation of polluting gases ;
  • the system can also comprise a microcontroller, which, by means of a control logic, will allow the urea mixture to be supplied through valves (electrovalves) by pulse injection.
  • the gas treatment system further includes one or more valves installed at the injection site to maintain a pressure of system. These valves release pressure if it increases in the system. Pressure changes can occur due to several factors, an increase in voltage or amperage in the current that feeds the pumps, some type of bubble in the system etc. Having this set of valves ensures an optimal reaction continuously.
  • Non-limiting examples of applications of the invention are given below. Those skilled in the art will recognize that these examples can be modified to suit the needs of the specific application in which the gases resulting from a combustion are treated for the presence of a specific contaminant (S0 3 ), in which case their elimination does not is necessary.
  • Figure 1 exemplifies by means of a schematic diagram, the process for the removal of S0 3 from the gases resulting from a combustion which is carried out in an electric power generation system. This process can occur in internal combustion engines, which use fuels with high sulfur content. It should be mentioned that depending on the size of the exhaust ducts, mechanical variations can occur to the process.

Abstract

La presente invención se refiere a un proceso para remover eficientemente trióxido de azufre (SO3) de los gases generados en una combustión. Las aplicaciones de dicho proceso incluyen, pero no se limitan a la reducción de contaminantes generados en calderas de recuperación o en el uso de motores de combustión interna tales como los utilizados en plantas eléctricas.

Description

COMPOSICIÓN Y PROCESO PARA EL TRATAMIENTO DE GASES DE COMBUSTIÓN
QUE CONTIENEN ÓXIDOS DE AZUFRE.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso para remover eficientemente trióxido de azufre (S03) de los gases generados en una combustión. Las aplicaciones de dicho proceso incluyen, pero no se limitan a la reducción de contaminantes generados por el uso de motores de combustión interna tales como los utilizados en plantas eléctricas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La reducción de la emisión de gases y/o sustancias nocivas para el medio ambiente tales como óxidos de Nitrógeno (NOx), materia particulada (MP) y óxidos de azufre (SOx) a partir de procesos tales como una combustión, es crítica para el cumplimiento de las regulaciones ambientales que hoy en día se aplican en diferentes industrias de un gran número de países.
En México, la Procuraduría Federal de Protección al Medio Ambiente (PROFEPA) se encarga de inspeccionar y vigilar los niveles de contaminantes permitidos los cuales son emitidos por industrias tales como la química, del petróleo, de pintura, automotriz, de celulosa, metalúrgica, de vidrio, de generación de energía, y cementera. No obstante, es menester implementar nuevas tecnologías que permitan una reducción en los niveles de gases contaminantes o nocivos emitidos a partir de la industria en general.
Los gases emitidos por un motor de combustión interna además de contener gases inofensivos tales como nitrógeno, oxígeno, vapor de agua e hidrógeno; contienen también gases nocivos o contaminantes; tales como monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, plomo, óxidos de azufre, entre otros. Adicionalmente, una combustión incompleta genera materia particulada, es decir partículas de hollín y ceniza, además de pequeñas gotas de alquitrán. Una exposición prolongada de la población a todos estos contaminantes puede derivar en efectos adversos severos sobre la población tales como un aumento en la mortalidad. De entre los contaminantes más nocivos generados por la industria en general, destacan el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, los clorofluorocarbonos (CFCs), los óxidos de nitrógeno (NOx), los óxidos de azufre (SOx), las dioxinas, el material particulado y el ozono troposférico.
Los óxidos de azufre (SOx) se refieren al dióxido de azufre (S02) el cual es un gas incoloro y al trióxido de azufre (S03) el cual es un gas azulado o blanco. Ambos son gases no inflamables resultantes de la producción energética térmica que deriva del consumo de combustibles fósiles que contienen azufre. El S02 presenta un olor acre e irritante y el S03 se caracteriza por presentarse en aproximadamente un 4% con respecto del nivel de S02. La mayor parte del azufre nocivo se forma mediante el procesamiento del gas natural y en el refinamiento del petróleo.
Por otra parte, los óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (N02), son un grupo de gases formados por nitrógeno y oxígeno. La emisión natural de óxido de nitrógeno es casi 15 veces mayor que la realizada por el ser humano. El óxido nítrico es relativamente inofensivo, sin embargo, el dióxido de nitrógeno puede causar daños en la salud, perjudica al sistema respiratorio y además contribuye a la formación de la lluvia acida.
Aunque algunas industrias se han encargado de implementar nuevos procesos o sistemas de reducción de contaminantes tales como NOx y/o MP, dichos procesos presentan determinados inconvenientes, tal es el caso de la solicitud de patente estadounidense US 4,208,308; en la cual, se requiere el uso de grandes cantidades de oxígeno a temperaturas elevadas, además de que únicamente se disminuye la cantidad de óxido nítrico generado en el proceso de combustión, permitiendo que otros contaminantes continúen siendo expedidos.
Por otro lado, la reducción de emisiones de NOx generados a partir de los procesos de combustión, se puede llevar a cabo mediante la recirculación de una porción del gas producto de la combustión en la zona de reacción para así disminuir tanto la temperatura de reacción como el contenido de oxígeno de la zona de reacción. Este proceso es también conocido como la recirculación de gases de escape en ingeniería. Sin embargo, este proceso únicamente es eficiente para la disminución de la emisión de NOx al ambiente, permitiendo la emisión de SOx.
Por otra parte, las patentes estadounidenses US 4,719,092; US 5,098,680 y US
5,237,939 describen la inyección de una sustancia tal como amoniaco en el flujo de gas producto de la combustión. La cantidad de amoniaco debe de ser cuidadosamente calculada de manera que se lleve a cabo una reacción balanceada; en caso contrario, el exceso de amoniaco podría ser emitido junto con los gases de combustión y lejos de disminuir la cantidad de contaminantes generados, podría generar mayor contaminación al ambiente de manera peligrosa.
Otra de las soluciones divulgadas para la disminución de NOx a partir de flujos de gases de combustión, es la adición de determinadas sustancias al flujo de gases, las cuales pueden ser sustancias tan nocivas como el carbamato de amonio, tal como se describe en la patente americana número US 6,077,491. Si bien es cierto que el uso de dicha sustancia reduce la emisión de NOx al ambiente, también es cierto que esta sustancia es altamente nociva tanto al contacto como al ser emitida al ambiente. Adicionalmente, su precio es elevado.
Otra manera de disminuir la emisión de contaminantes tales como los SOx es mediante el uso de combustibles de bajo contenido de azufre. No obstante, este tipo de combustible es mucho más caro que los combustibles de un nivel de azufre convencional.
Algunas tecnologías utilizadas para la disminución de especies de azufre son tecnologías que emplean columnas de absorción/desorción. Regularmente, estos métodos requieren el uso de sustancias tales como aminas para separar S02 de gases residuales. El inconveniente en estos métodos es que se requiere la inversión de un gran capital, sobretodo en columnas de gran tamaño toda vez que se consumen grandes cantidades de energía para regenerar el absorbente. Adicionalmente, estas tecnologías requieren un tratamiento posterior de S02, es decir, del producto recuperado. Otra de las tecnologías ampliamente utilizadas para la disminución de SOx de los gases resultantes de la combustión por motores de diésel es la depuración de gases de escape, también conocida como "scrubber", que se puede realizar en modalidades tales como "húmeda" y "en seco". Esta tecnología permite la reducción de más del 90% de SOx de los gases de escape, usando agua de mar o agua fresca como el medio depurador. A pesar de presentar una alta disminución de SOx de los gases de escape, este sistema presenta los siguientes inconvenientes: los depuradores de circuito abierto son sujetos a determinadas restricciones en virtud de la emisión de hidrocarburos poliaromáticos y nitratos. Por otro lado, los depuradores de circuito cerrado pueden presentar la acumulación de materia particulada o ceniza o problemas de limpieza.
Un ejemplo de "scrubber en seco" es la depuración química. Dependiendo de la aplicación, los scrubbers en seco trabajan en un amplio rango de temperatura. Estos métodos comúnmente producen flujos de residuos sólidos o líquidos. Esta tecnología reduce la presencia de especies de azufre mediante el contacto del gas con un depurador o "scrubber" químico. Entre los depuradores químicos se encuentran las soluciones cáusticas líquidas o sólidas tales como los gránulos de hidróxido de calcio, los cuales atrapan a las especies de azufre. Los scrubbers químicos regularmente son inyectados en contraflujo del gas resultante de una combustión. La depuración mediante scrubber químico puede eliminar aproximadamente 98% de SOx. Otro de los inconvenientes de la tecnología de scrubber es que se requiere que los gases provenientes de la combustión sean transferidos al equipo con la tecnología scrubber, es decir, que la tecnología scrubber opera en un equipo diferente al equipo donde se realiza la combustión. Una vez que ha disminuido la cantidad de SOx del flujo de gas, este regresa al ducto del primer equipo para la emisión de gases al ambiente.
Una de las sustancias utilizadas para el "scrubbing" del óxido nítrico de los gases resultantes de la combustión, es la urea (US 6,436,359 B1 , US 4,208,386). Arand et al., (US 4,208,386) divulgan que la urea reacciona con el óxido nítrico aún en presencia de altas cantidades de oxígeno. Spencer III, et al., (US 6,436,359 B1 ) enseña que la urea suministrada al sistema se hidroliza a temperaturas de al menos 1 10°C hasta 300°C bajo presiones de 20- 500 psig produciendo un flujo gaseoso de amoniaco, dióxido de carbono y agua. La reacción global es la siguiente:
(x)H20 + CO(NH2)2→ 2NH3 + C02 + (x - 1)H20
La reacción global de hidrólisis de urea en amoniaco se lleva a cabo mediante reacciones intermediarias a continuación ilustradas.
En una primera reacción, la urea presenta una disociación térmica a partir de una temperatura de 149°C generando amoniaco y ácido isociánico:
CO(NH2)2→ NH3 + HNCO
El ácido isociánico a su vez, a través de una hidrólisis forma amoniaco y dióxido de carbono, lo cual se ilustra en la siguiente reacción:
HNCO + H20→NH3 + C02
El ácido isociánico reacciona también con los óxidos de nitrógeno ocasionando la reducción del estado de oxidación del nitrógeno mediante la siguiente reacción:
4HNC0 + 4N0 + 02→ 4N2 + 4C02 + 2H20
Adicionalmente, el ácido isociánico disminuye la deposición de sales sulfato tales como el sulfato de amonio o el bisulfato de amonio [(NH4)2S04 o NH4HS04], las cuales se forman en presencia de amoniaco y óxidos de azufre (US, 6,077,491 ). Por lo que comúnmente el ácido isociánico además de contribuir a la formación de amoniaco, funge como reactivo de limpieza (Siret y Tabaries, EP2011559, ES2379902). http:l vvorldwide.espacenet.com/publicationDetails/description?GC=ES& R=2379902T3&KC =T3&FT=D&ND=&date=20 20504&DB=&locale=en EP.
Otra manera de las maneras de reducir S03 de los gases de combustión es mediante el uso de óxidos de metales alcalinotérreos tales como el calcio y el magnesio (US 3,475,121 A). para la disminución de SC¾, con excepción del método de scrubber, e\ cual como se ha descrito, tiene diversas desvéntalas. La presente invención supera dichos inconvenientes [oda caso en ios duelos de escape que transportan ios gases de combustión.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente Invención utiliza una mezcla formada principalmente por urea, un tensoactivo y acetato de magnesio para ia reducción de la presencia de SO?, de los gases de combustión. La mezcla contiene opcionalmente carbonato de calcio. Esta mezcla se inyecta en un sistema para eliminar ei contaminante SO ; de ios gases generados en ia combustión.
OBJETIVOS
Proporcionar una mezcla para tratar los gases (eliminar S03 de los gases) producto de una combustión.
Proporcionar un método para tratar los gases (eliminar S03 de los gases) producto de una combustión.
Proporcionar una mezcla y/o un método para tratar los gases (eliminar S03 de los gases) producto de una combustión que sea de bajo costo y alta eficiencia.
Proporcionar una mezcla y/o un método para tratar los gases (eliminar S03 de los gases) producto de una combustión que sea de bajo costo y alta eficiencia, en donde la eliminación de S03 se lleve a cabo en los ductos de escape de los gases provenientes de una combustión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra un diagrama ejemplar de un sistema de generación de energía eléctrica en donde se aplica el sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 2 muestra un diagrama ejemplar respecto al sistema de bombeo y arreglo de válvulas del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención. La figura 3 muestra un diagrama ejemplar del sistema de control e inyección del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 4 ilustra un diagrama ejemplar de una lanza de inyección del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 5 muestra un corte transversal de la lanza de inyección de la figura 4.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En el contexto de la presente invención, el término "gases resultantes de una combustión" se refiere a los gases resultantes de una combustión industrial de fuentes tanto estacionarias como móviles, tales como los gases de escape producidos por motores diésel que contienen S03.
El término "tratamiento de gases" se refiere a la oxidación de SO3 para ser eliminado en forma de (NH4)2S04 y trazas de NH3HS04, sustancias que se liberan a la atmósfera.
Una persona con conocimientos medios en la materia reconocerá que el tratamiento de gases, tal como se describe en el presente documento, puede utilizarse para aplicaciones tanto móviles como estacionarias, tales como los gases resultantes de una combustión industrial y a los gases de escape producidos por los motores de combustión interna empleando combustibles residuales con un alto contenido de azufre tales como combustóleo, incluyendo combustóleo intermedio conocido como IFO por sus siglas en inglés "Intermedíate Fuel Oil".
Mediante esta invención, el proceso de eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión se lleva a cabo mediante la oxidación de S03 para obtener sulfato o bisulfato de amonio, sustancias que resultan de la reacción del S03 con el amoniaco proveniente de la mezcla de urea.
Las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de oxidación del S03 son las siguientes:
A partir de 149°C, la urea se hidroliza para formar amoniaco y dióxido de carbono:
(x)H20 + CO(NH2)2→ 2NH3 + C02 + (x - 1)H20 (Ri) La reacción global de la hidrólisis de urea se lleva a cabo mediante las siguientes reacciones intermediarias:
Primeramente, ocurre la disociación térmica de urea a partir de 149°C para generar amoniaco y ácido isociánico:
CO(NH2)2→ NH3 + HNCO (RM)
En segundo lugar, ocurre la hidrólisis del ácido isociánico para formar amoniaco y dióxido de carbono:
HNCO + H20→NH3 + C02 (Rm)
El amoniaco reacciona con el trióxido de azufre para formar sulfato y/o bisulfato de amonio:
2NH3 + S03 + H20→ (NH4)2S04 (R,v)
NH3 + S03 + H20→ NH4HSO4 (Rv)
Otra de las reacciones que se llevan a cabo para eliminar el S03 de los gases producto de una combustión en esta invención, es la hidrólisis de acetato de magnesio para generar ácido acético y óxido de magnesio en donde este último a su vez reacciona con el S03 en diferentes condiciones termodinámicas a las cuales el S03 reacciona con la urea, más específicamente, la reacción de acetato de magnesio con trióxido de azufre se lleva a cabo a partir de 328°C. Las reacciones involucradas son las siguientes:
Mg(C2H302)2 + H20→ MgO + 2C2H402 (Rvi)
MgO + S03→ MgS04 (Rvn)
Uno de los reactivos utilizados opcionalmente en la presente invención es el carbonato de calcio, el cual funge también como agente oxidante de S03. Dicho reactivo se presenta en una suspensión en agua en una concentración de 30% a 70%
Cuando el S03 se expone a la humedad, este reacciona para resultar en ácido sulfúrico, el cual a su vez reacciona con el carbonato de calcio para formar sulfato de calcio, agua y dióxido de carbono. Las reacciones involucradas son las siguientes: S03 + H20→ H2 S04 ( VIII)
+ CaC03→ CaS04 + H20 + C02 (Rix)
La urea que reacciona con los gases producto de una combustión se provee mediante una mezcla que contiene urea en una concentración de aproximadamente 30% a aproximadamente 70%, un tensoactivo en una concentración de aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 3%, acetato de magnesio en una concentración de aproximadamente 4% a aproximadamente 8% y opcionalmente carbonato de calcio en una concentración de aproximadamente 0% a aproximadamente 30%.
Un aspecto de la presente invención proporciona un proceso de tratamiento de gases resultantes de una combustión, el cual incluye las siguientes etapas en secuencia:
a) oxidar S03 de los gases resultantes de una combustión empleando una mezcla de urea, agua, un tensoactivo, acetato de magnesio; y
b) expedir los productos resultantes de la oxidación de S03 tales como sulfato y/o bisulfato de amonio.
Una de las ventajas de la presente invención es que no es necesario añadir catalizadores, que regularmente tienen un precio elevado, tampoco es necesario adicionar sustancias químicas altamente peligrosas para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión. Por el contrario, únicamente se requiere la inyección de la mezcla inicial. Otra ventaja de la presente invención es que todas las etapas del proceso de oxidación de los gases producto de una combustión, pueden realizarse sobre el ducto de escape del equipo sin necesidad de operar en otro equipo diferente al equipo donde se realiza la combustión.
La figura 1 ilustra esquemáticamente un diagrama ejemplar del sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención aplicado a un sistema para la generación de energía eléctrica, de conformidad con una modalidad de la invención. Este tipo de sistemas comprenden principalmente un motor de combustión interna (101 ) y ductos de escape de gases (102).
En referencia a la figura 1 , en un sistema de generación de energía eléctrica a partir de energía mecánica, los gases de combustión provenientes de un motor (101 ) emanan hasta una chimenea (103) a través de ductos de escape (102), en donde dichos gases se expiden a la atmósfera. Preferentemente, el sistema de generación de energía eléctrica incluye una caldera de recuperación (104) que utiliza la energía residual de los gases de combustión para generar vapor de media presión, que a su vez se utiliza para la generación de energía eléctrica y un silenciador de escape (105) que reduce el ruido que produce el motor de combustión interna (101 ). El silenciador (105) puede acoplarse a la salida del motor (101 ) como se muestra en la figura 1 o antes de la chimenea (103).
De manera general, los gases resultantes de la combustión, los cuales son descargados hacia los ductos de escape (102) se encuentran regularmente a una temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 380°C y a una presión de aproximadamente 0.5 atmósferas a aproximadamente 3.0 atmósferas.
Continuando con la figura 1 , el sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención comprende un tanque de almacenamiento (107), que contiene la mezcla de urea que se utiliza en el tratamiento de gases de la presente invención; la mezcla urea circula a través de un línea hidráulica (108) mediante el cual se alimenta hasta al menos una estación de inyección (106a) y (106b); en donde la mezcla urea se inyecta de manera continua en los gases resultantes de la combustión.
Para una eficiencia óptima en la eliminación de S03, el sistema de inyección de la presente invención comprende un sistema de bombeo (1 1 1 ) que mantiene la mezcla de urea a una presión constante en las líneas de inyección que van desde 1 .0 Kg hasta 7.0 Kg mas no limitado a dicho rango, debido a que depende del gasto requerido de mezcla de urea para la disminución de S03. Considerando que el volumen y el gasto de la mezcla de urea depende de la carga en la generación de gases de combustión por cada motor.
Por lo que, la mezcla de urea se conduce a través de la línea hidráulica (108) hasta las estaciones de inyección (106a) y (106b) a una presión constante requerida para que la mezcla urea sea inyectada en los gases de escape de una manera eficiente. De acuerdo a la modalidad de la figura 1 , el sistema de la presente invención comprende una primera estación de inyección (106a) que se acopla al conducto de salida de los gases de combustión después del silenciador (105) y antes de la entrada a la caldera de recuperación (104). Un segundo sitio de inyección (106b) se acopla al ducto de salida de los gases de combustión después de la caldera de recuperación (104) y antes de la chimenea (106).
La configuración y acoplamiento de la primera y segunda estaciones de inyección (106a) y (106b) de la modalidad del sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención representada en la figura 1 , se debe al mantenimiento periódico limpieza de la caldera de recuperación (104). De acuerdo con dicha modalidad, cuando el sistema de generación de energía eléctrica funciona en condiciones normales, el proceso de eliminación de S03 de los gases de escape resultantes de la combustión se lleva a cabo a través de la primera estación de inyección (106a) mediante la inyección de la mezcla de urea a los gases de escape de salida de la caldera de recuperación (104).
En un estado de mantenimiento, cuando la caldera de recuperación (104) requiere de mantenimiento, la compuerta (109) cierra el paso a la circulación de los gases de escape a través de la caldera de recuperación (104) y se abre la compuerta (1 10) para permitir que los gases de escape fluyan hacia la chimenea (103). Por lo que, el proceso de eliminación de S03 de los gases de escape resultantes de la combustión se lleva a cabo a través de la segunda estación de inyección (106b) mediante la inyección de la mezcla de urea a los gases de escape de salida de la caldera de recuperación (104). No obstante, en condiciones normales de funcionamiento del sistema de generación de energía eléctrica es posible utilizar ambas estaciones de inyección (106a) y (106b) lo cual depende de la calidad del combustible y la cantidad de los gases de escape resultantes de la combustión que lleva a cabo el motor de combustión interna (101 ). Debido a que inyectar la mezcla de urea a los gases de escape antes y después de circular a través de la caldera de recuperación (104), se hace más eficiente el proceso de tratamiento de los gases de escape de la presente invención, toda vez que la mezcla de la presente invención se puede aplicar en uno o en dos puntos de inyección de manera simultánea.
Cada estación de inyección (106a) y (106b) comprende al menos un inyector que consiste de una lanza con una boquilla de aspersión; en donde la boquilla de aspersión de la lanza se acopla en el ducto de escape (102). La capacidad de los sitios de inyección (106a) y (106b) de la mezcla urea se determinan de acuerdo al perfil de temperaturas de los gases en los ductos, considerando todas las cargas posibles de operación en la unidad a tratar siendo el cálculo de aproximadamente 4Kg de mezcla de urea por cada m3 de S03.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 1 , los sistemas de bombeo (1 1 1 ) preferidos (más no limitado a los mismos) para la presente invención son de tipo neumático o mecánico.
Un sistema mecánico comprende una bomba centrifuga multietapa que proporciona que la mezcla de urea se mantenga a una presión necesaria y constante para hacer llegar la mezcla a la(s) estación(es) de inyección (106a) y (106b) para su inyección.
Un sistema de bombeo neumático comprende una bomba neumática y un amortiguador de impulsos adecuado del cual se calcula su capacidad para mantener la presión requerida en las líneas de inyección que depende del consumo requerido de mezcla urea para la disminución de S03. Una bomba neumática es eficiente y de consumo energético nulo, la gran desventaja es que, de no presentarse un diseño de bombeo adecuado con este tipo de bomba; por ejemplo, cuando el sistema presenta distancias significativas en altura y distancia en la línea hidráulica, puede suscitarse intermitencia en la inyección debido a que la mezcla de urea no se mantendría a una presión constante, lo cual afecta los resultados óptimos en la disminución de S03.
Como se ha mencionado anteriormente, el proceso de tratamiento de los gases de escape de la presente invención requiere un flujo constante así como una presión constante en la inyección de la mezcla urea a. El sistema de bombeo preferido de la invención es un sistema mecánico que comprende una bomba centrífuga multietapa, misma que proporciona la presión necesaria y constante para hacer llegar la mezcla de urea al punto indicado de inyección.
Una bomba centrífuga a diferencia de una neumática es más estable en cuanto a flujo constante. No obstante, dichas bombas son diseñadas para grandes caudales. En la presente invención, se manejan caudales relativamente bajos, por lo que añadido a esta bomba y con el fin de aprovechar la constancia de su flujo es necesario un arreglo de diversos tipos de válvulas, mismas que permiten controlar el flujo de la mezcla de urea de acuerdo con lo requerido por la unidad de combustión.
La figura 2 ejemplifica un sistema de bombeo que utiliza una bomba centrífuga el cual comprende un arreglo de válvulas preferido para la presente invención. El sistema comprende un tanque de almacenamiento (107), que contiene la mezcla de urea que se utiliza en el tratamiento de gases de la presente invención; la mezcla urea circula a través de una línea hidráulica (108) mediante el cual se alimenta hasta al menos una estación de inyección, en donde dicha línea hidráulica comprende un arreglo de válvulas de bola (201 ) para controlar el flujo de la mezcla de urea a la salida del tanque de almacenamiento (107), a través de los filtros tipo "Y" (202) que se conectan en una formación de dúplex o paralelo, en donde dichos filtros (202) garantizan que cualquier materia sólida en la mezcla urea quede atrapada, de manera tal que cuando es necesario limpiar uno de ellos, el otro entre en operación y el proceso no sea detenido; una bomba centrifuga multietapa (203) se acopla a la salida del arreglo en paralelo de los filtros (202) que provee un flujo de mezcla de urea constante sin pulsaciones.
Posterior a la bomba centrifuga multietapa (203), la línea hidráulica (108) de descarga comprende tres ramificaciones o extracciones de flujo en dicha línea, en donde la primera línea (108a) comprende una primera válvula (204) la cual puede ser de tipo compuerta para un sistema manual o una electroválvula para un sistema automatizado; en donde la primera válvula (204) desfoga todo el flujo innecesario de mezcla de urea y lo regresa al tanque de almacenamiento (107); la segunda línea (108b) realiza la misma función que la primera línea (108a) pero de una manera más fina a través de una válvula del tipo aguja (205). Con el fin de mantener una presión contante en la línea (108) se implemente una válvula de alivio (206) en la tercera línea o extracción (108c) se calibra por debajo de la presión de trabajo de la bomba centrifuga multietapa (203) a la descarga, de tal forma, la válvula de alivio (206) siempre abrirá y mantendrá en la línea (108) posterior a la bomba (203), la presión de la mezcla de urea requerida para ser atomizado de manera eficiente, y si es necesario una mayor presión, la válvula de alivio (206) cerrara cumpliendo su función de mantener dicha presión en el sistema de la presente invención. Al final de dicho arreglo de válvulas y antes de las estaciones de inyección, la línea hidráulica (108) comprende un medidor de flujo (207) para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes por el sistema de generación de energía eléctrica.
Haciendo nuevamente referencia a la figura 1 , idealmente, las estaciones de inyección (106a) y (106b) se ubican en los ductos de escape donde el gas se encuentra a una temperatura entre 150°C a 400°C, preferiblemente entre 250°C a 350°C, más preferiblemente entre 290°C a 320°C, así como a una presión entre 0.4935 atmósferas y 2.9608 atmósferas, preferentemente entre 1 .4804 atmósferas y 2.9608 atmósferas. La presión de la mezcla de urea en las estaciones de inyección, es de preferencia de entre 0.296078 atmósferas a 2.9608 atmósferas, preferiblemente de 0.9869 atmósferas a 2.9608 atmósferas y el aire de atomización de 0.9869 atmósferas a 5.9215 atmósferas.
En una modalidad preferida de la invención, la inyección de la mezcla se lleva a cabo mediante un método asistido, el cual consta de hacer circular un fluido de transporte, por ejemplo, aire o vapor, a una presión de entre 1 Kg y 4 Kg de aire, a través de una lanza de dosificación, de manera que este fluido de transporte se mezcle con el producto en la cámara de la boquilla y sea atomizado de forma espontánea, eficiente y en forma de nube. De ahí el nombre de método asistido, pues cuenta con la presencia de un flujo adicional. Este método resulta en una mejor eficiencia en el proceso de disminución de S03, pues a pesar de que con este método se obtiene un patrón irregular, el tamaño de gota resultante de la atomización es mucho menor, proporcionando una mayor superficie de contacto, lo cual se traduce en una mayor eficiencia en la reacción que en un método no asistido.
La Figura 3 representa una modalidad de una estación de inyección asistida para la mezcla urea que consiste de un gabinete de control, en donde dicho gabinete de control comprende un control electrónico (305) que consiste de un regulador de frecuencia para el control de la bomba centrifuga (203); un conector de alimentación de aire (301 ) a presión proveniente de un compresor de aire (no mostrado), en conexión con una electroválvula (308) normalmente abierta que controla la apertura/cierre del paso del aire a presión hacia un regulador de presión (302) el cual regula la presión del aire de atomización de la mezcla de urea a través de al menos una lanza de inyección (figura 4), un filtro de aire (303) elimina las partículas y humedad del aire y un primer conector de salida (307) provee de aire a al menos una lanza de inyección (ver figura 4). Un conector de alimentación de mezcla de urea (304) alimenta la bomba centrifuga (203) que aumenta la presión del flujo de dicha mezcla y provee un flujo de mezcla de urea constante sin pulsaciones que circula a través de un medidor de flujo (1 1 1 ) que puede ser digital mas no limitado al mismo, el cual mide el consumo de la mezcla mediante una lectura instantánea del flujo de mezcla urea y un segundo conector de salida (306) como medio de conexión provee el flujo de mezcla de urea constante a al menos una lanza de inyección (figura 4).
En la modalidad de inyección asistida, la eficiencia en la eliminación de S03 es de entre 50% a 99.9% dependiendo de las condiciones de atomización del equipo, así como de la mezcla de urea. Cuando la atomización genera gotas de gran diámetro, la superficie de contacto es menor, es decir la cantidad de la urea que reacciona es menor, por lo que los resultados en la oxidación de S03 dependen tanto del tamaño de gota como de otros parámetros del proceso. Por el contrario, gotas más pequeñas proporcionan una mayor superficie de contacto, por lo que la eliminación de S03 mediante la reacción de este último con urea para generar (S04)2" es más eficiente. No obstante, las gotas de diámetros aún más pequeños se evaporan. Por lo tanto, es crucial emplear un tamaño de gota apropiado, el cual se ha determinado que se logra mediante la adición de un tensoactivo el cual es un adyuvante en la elongación mecánica de la gota. Esto con el objetivo de que la gota mantenga su tamaño durante el tiempo suficiente para lograr la saturación del ducto de escape con la mezcla de urea y así esta reaccione con la mayor cantidad de S03.
En otra modalidad de la invención, la inyección de la mezcla de urea en las estaciones de inyección, se lleva a cabo mediante un método no asistido que consiste en la inyección de la mezcla de urea proveniente del sistema de bombeo en conexión con los sitios de inyección que consisten de inyectores que no requieren el suministro adicional de presión de aire para la atomización; en donde la presión de la mezcla urea es aproximadamente entre 0.296078 atmósferas a 2.9608 atmósferas, preferiblemente de 0.9869 atmósferas a 2.9608 sin limitarse a las mismas.
Una vez seleccionado el punto de inyección óptimo, el cual corresponde a la temperatura óptima de los gases de combustión se pueden optimizar los parámetros para llevar a cabo de manera eficaz el proceso de oxidación de S03, estos parámetros son la presión a la cual es inyectada la mezcla de urea o la presión del aire de atomización, en donde la presión de atomización es superior a la presión de inyección, así como el tamaño de las gotas resultantes de la atomización.
Las gotas generadas mecánicamente (mediante inyección o el método no asistido) son típicamente de órdenes de magnitud de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 1000 mieras dependiendo de las condiciones del proceso tales como la presión de inyección de la mezcla o la presión del aire de atomización. En algunas modalidades, por ejemplo, en el método asistido el tamaño idóneo de las gotas de la atomización de la mezcla puede variar de entre aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 500 mieras. No obstante, este puede ser modificado y lograr un tamaño de gota de entre 50 y 200 mieras mediante el uso de tensoactivos tales como EDTA, iso-octadecenil, resina de nonilfenol y Rhodafac ® rs/7-e en una concentración de aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 3% de la mezcla.
Como se mencionó anteriormente, el sistema asistido de la presente invención requiere el uso de lanzas de inyección de manera que el producto sea administrado directamente a los gases dentro de los ductos de escape de la unidad generadora. Con el fin de disminuir la temperatura de las lanzas, evitando la cristalización de la urea dentro de las lanzas, se hace circular agua a través del sistema de recirculación con el fin de evitar un sobrecalentamiento de las mismas toda vez que las lanzas de inyección se encuentran en contacto directo con los ductos del sistema por medio de los cuales circulan los gases resultantes de una combustión, los cuales a su vez tienen altas temperaturas. La disminución de la temperatura de las lanzas se lleva a cabo mediante la circulación de agua por medio de un sistema de bombas centrífugas, en donde una vez habiendo circulado el agua y enfriado la lanza, esta regresa al tanque principal, en donde uno o más intercambiadores de calor disminuyen la temperatura del agua que vuelve a circular alrededor del tubo principal de la lanza, que a su vez en un tubo interno transporta la mezcla de urea disminuyendo así la temperatura del agua que recircula en la lanza y a su vez de la mezcla de urea contenida también en la lanza de inyección.
En la figura 4, se muestra un diagrama ejemplar de una de las lanzas (400) en acoplamiento con la boquilla de aspersión (500) preferidas para la presente invención más no limitada a la misma. Dicha lanza se conforma por líneas tubulares que puede ser de 1 .40 m, con una brida de 4 y 6 pulgadas; que comprende además con un sistema de recirculación de refrigerante para su enfriamiento; un primer medio de acoplamiento roscado (401 ) mediante el cual se alimenta la mezcla de urea hacia la boquilla de aspersión (500); un segundo medio de acoplamiento roscado (402) para la entrada de un medio refrigerante que circula a través de la estructura interna de la lanza para disminuir la temperatura de la lanza con el fin de evitar un sobrecalentamiento de la misma; un tercer medio de acoplamiento roscado (403) para la salida del refrigerante que enfría la lanza y un cuarto medio de acoplamiento roscado (404) para la entrada de aire (404) hacia la boquilla de aspersión (500), en donde el aire atomiza la mezcla de urea produciendo una niebla de mezcla urea.
La figura 5 ilustra un corte transversal de la lanza (400) de la figura 4, en donde su estructura interna comprende: un tubo o ducto exterior (414) en cuyo interior se acopla un tubo interno (413) y en donde ambos fungen como medio de alojamiento y a la vez como medio de enfriamiento en donde fluye refrigerante en su diámetro interior para disminuir la temperatura de la mezcla de urea; así mismo, se ilustra un primer tubo o ducto interno (41 1 ) el cual transporta a la mezcla de urea en donde dicho tubo interno se acopla dentro de un tubo externo (412) en donde fluye el aire que se inyecta a la mezcla a través de la boquilla para formar la niebla de mezcla de urea.
Las lanzas pueden estar hechas de un gran número de materiales, preferentemente materiales no corrosivos los cuales incluyen, pero no se limitan, acero al carbón, acero inoxidable, acero inoxidable 316, más preferiblemente acero inoxidable AISI 316 o acero inoxidable AISI 304 y/o PVC CED 80, titanio o algún metal noble.
En referencia a la figura 4, cada lanza (400) comprende una boquilla del tipo SU46- 316ss (más no limitada a la misma); (Figura 4) las cuales permiten manejar flujos relativamente altos y estos ser atomizados homogéneamente en una amplia zona de incidencia. Tal como en el caso de las lanzas, un gran número de materiales pueden ser utilizados para las boquillas de aspersión de doble fluido; estos materiales son preferentemente materiales no corrosivos los cuales incluyen, pero no se limitan, acero al carbón, acero inoxidable, preferiblemente acero inoxidable 316 o acero inoxidable AISI 304 y/o PVC CED 80, titanio o algún metal noble.
En una modalidad alternativa de la invención después de las válvulas del sistema y antes de las líneas de atomización el sistema puede comprender un sensor de flujo de S03, para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes; el sistema puede comprender además un microcontrolador, el cual, por medio de una lógica de control, permitirá el suministro de la mezcla de urea a través de válvulas (electroválvulas) mediante inyección a pulso.
En algunas modalidades preferidas, el sistema de tratamiento de gases incluye además una o más válvulas instaladas en el sitio de inyección para un mantener una presión del sistema. Estas válvulas liberan presión si ésta aumenta en el sistema. Los cambios de presión se pueden presentar por varios factores, un aumento de voltaje o amperaje en la corriente que alimenta las bombas, algún tipo de burbuja en el sistema etc. Al tener este juego de válvulas se garantiza una reacción óptima de manera continua.
Ejemplos no limitantes
Los ejemplos no limitantes de aplicaciones de la invención se dan a continuación. Los expertos en la técnica reconocerán que estos ejemplos pueden ser modificados para adaptarse a las necesidades de la aplicación específica en el que los gases resultantes de una combustión sean tratados para la presencia de un contaminante específico (S03), en cuyo caso su eliminación no sea necesaria.
Ejemplo 1
La figura 1 ejemplifica mediante un diagrama esquemático, el proceso para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión la cual se lleva a cabo en un sistema de generación de energía eléctrica. Dicho proceso puede presentarse en motores de combustión interna, los cuales utilicen combustibles con alto contenido de azufre. Cabe mencionar que dependiendo del tamaño de los ductos de escape se pueden presentar variaciones mecánicas al proceso.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Una mezcla que comprende de entre 30% a 70% de urea, de entre 0.1 % a 3% de un tensoactivo seleccionado de EDTA, iso-octadecenyl, resina de nonilfenol y Rhodafac rs/7-e; de entre 4% a 8% de acetato de magnesio y agua, para usarse en la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión.
2. La mezcla de conformidad con la reivindicación 1 caracterizada porque comprende además de 0% a 30% de carbonato de calcio.
3. Un sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión caracterizado porque comprende:
un tanque de almacenamiento que comprende una mezcla de entre 30% a 70% de urea, de entre 0.1 % a 3% de un tensoactivo seleccionado de EDTA, iso-octadecenyl, resina de nonilfenol y Rhodafac rs/7-e; de entre 4% a 8% de acetato de magnesio y agua;
al menos una estación de inyección en donde se inyecta la mezcla de urea de manera continua en los gases resultantes de una combustión;
una línea hidráulica mediante la cual se alimenta la mezcla de urea hasta al menos una estación de inyección;
un sistema neumático que comprende un compresor,
un sistema de bombeo que mantiene la mezcla de urea a una presión constante en las líneas de inyección;
en donde la al menos una estación de inyección comprende al menos un inyector que comprende una lanza con una boquilla de aspersión, en donde la boquilla de aspersión de la lanza se acopla en la línea hidráulica del sistema.
4. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 3, en donde la línea hidráulica comprende un arreglo de válvulas para controlar el flujo de la mezcla de urea y un sistema de filtrado para garantizar que cualquier materia sólida en la mezcla urea quede atrapada.
5. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 4, en donde la línea hidráulica comprende además un medidor de flujo para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes.
6. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 5, en donde el arreglo de válvulas es un arreglo de válvulas de bola y el sistema de filtrado comprende filtros del tipo "Y".
7. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde el sistema de bombeo mantiene la mezcla de urea a una presión de 1 .0 kg hasta 7.0 kg.
8. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque la inyección de la mezcla se lleva a cabo mediante la circulación de un fluido de transporte, a una presión de entre 1 Kg y 4 Kg.
9. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el fluido de transporte se selecciona de aire o vapor.
10. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque el sistema comprende además un gabinete de control caracterizado porque dicho gabinete de control comprende un control electrónico que consiste de un regulador de frecuencia para el control de la bomba; en donde se alimenta a la bomba de la mezcla de urea a través de un conector de alimentación y en donde un segundo conector de salida provee el flujo de urea de mezcla a al menos una lanza de inyección.
1 1 . El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque las lanzas de inyección consisten de líneas tubulares que comprenden un sistema de recirculación de refrigerante para su enfriamiento; un primer medio de acoplamiento roscado mediante el cual se alimenta la mezcla de urea hacia la boquilla de aspersión; un segundo medio de acoplamiento roscado para la entrada de un medio refrigerante que circula a través de la estructura interna de la lanza para disminuir la temperatura de la lanza con el fin de evitar un sobrecalentamiento de la misma; un tercer medio de acoplamiento roscado para la salida del refrigerante que enfría la lanza y un cuarto medio de acoplamiento roscado para la entrada de un fluido de transporte hacia la boquilla de aspersión, en donde el fluido de transporte aire atomiza la mezcla de urea produciendo una niebla de mezcla urea.
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