MX2013005228A - Metodo y aparato para reducir emisiones de nox en la inciniracion de gas residual. - Google Patents
Metodo y aparato para reducir emisiones de nox en la inciniracion de gas residual.Info
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Abstract
Se proporcionan métodos para el control de emisión de NOx en la incineración de gas residual en donde el gas residual que comprende NOx, precursores de NOx, o ambos se introduce en una cámara de combustión y se introduce diluyente en la cámara de combustión para controlar la temperatura de la cámara de combustión a una temperatura de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C. También se proporcionan métodos para reducir las emisiones de NOx al controlar la relación del aire a combustible en una cámara de combustión de gas residual mientras que se controla la temperatura de flama de la cámara de combustión a través de las inyecciones de diluyente. También se proporciona una unidad de caldera para llevar a cabo estos métodos. También se proporciona un sistema para la producción de negro de humo que usa la unidad de caldera.
Description
METODO Y APARATO PARA REDUCIR EMISIONES DE NOx EN LA
INCINERACIÓN DE GAS RESIDUAL
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a métodos para reducir las emisiones de N0X en la incineración de gas residual. La presente invención también se refiere a un aparato para reducir las emisiones de N0X en la incineración de gas residual. .
Los combustibles carbónicos y otro material orgánico se. queman en una amplia variedad, de procesos industriales. Reactore.s de horno, motores de combustión, cámaras de combustión, calderas, hornos, calentadores, generadores de gas caliente, quemadores, incineradores de residuos, y similares se usan para quemar combustibles carbónicos. Este equipo de combustión se puede usar para fabricar energía, incinerar materiales residuales y de subproducto, o ambos. Durante un proceso, de combustión típico dentro de¦ un horno, o caldera, por ejemplo, una materia prima de hidrocarburo o combustible se quema en presencia de oxígeno, y se produce un flujo de un. gas . de escape de combustión. Los ·. combustibles carbónicos se pueden fabricar para quemarse más . completamente, y con emisiones reducidas de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados, cuando se usa aire en exceso. El uso de aire en exceso puede permitir temperaturas de flama más altas. Desafortunadamente, la combustión a altas temperatura puede generar óxidos 'de nitrógeno (frecuentemente referidos como N0X) . Los. radicales libres de nitrógeno y oxigeno en el .aire pueden reaccionar en tales altas temperaturas de combustión para formar ' N0X térmico. El N0X también se puede formar como el resultado de la oxidación de nitrógeno que contiene especies en el combustible, tales como aquellas que s pueden., encontrar en el aceite combustible pesado, residuos sólidos municipales ---'y carbón mineral. Las emisiones de NOx se controlan por leyes, instrucciones, regulaciones y similares en muchas . ubicaciones de operación de equipo, de combustión por todo el mundo. Sé puede requerir un .postratamiento de escape para equipo de combustión en . una : ubicación dada . para :· lograr niveles de emisión N0X compatibles, inferiores.
Las técnicas de pos-tratamiento de escape previas tienden a réducir el N0X que usa varios . métodos químicos o catalíticos. Tales métodos incluyen, por. ejemplo, reducción catalítica no selectiva (NSCR) , reducción catalítica selectiva (SCR) , y reducción no catalítica selectiva (SNCR.) . Tales métodos postratamiento requieren típicamente algún tipo de reactivo para la remoción de emisiones de N0X. El método NSCR puede implicar, usar hidrocarburos no quemados y CO para reducir las emisiones de N0X en ausencia de 02. .Las relaciones de combustible/aire se deben controlar para asegurar el 02 en exceso bajo. Son necesarios tanto catalizadores de reducción como de oxidación para remover las emisiones de CO e hidrocarburos en. tanto también que reduzcan el N0X. El escape de combustión que. contiene 02 en exceso requiere en general reductor (es) químico para la remoción de N0X. Entre los procesos selectivos, los procesos SCR . pueden implicar hacer pasar un efluente ..cargado con óxidos de nitrógeno a través de un lecho de catalizador en presencia de amoniaco, para lograr reducciones de NOx. Con respecto a la SCR, los costos de instalación y de operación del .sistema de catalizador no pueden ser económicos. Los procesos de SNCR pueden implicar la introducción de. agentes de tratamiento reductores de NOx en el efluente en ausencia de catalizador y temperatura elevada para lograr reducciones de NOx. Con respecto a la SNCR, previa, se han planteado preocupaciones acerca de los problemas del avance de NH3 y emisiones de CO de subproducto.
En -algunas industrias, tal como en la ' producción de negro de humo, operaciones de refinería, u .operaciones petroquímicas, por ejemplo, los gases de escape: generados en unidades de. proceso, primarias se . transportan a quemadores o calderas para la producción de energía, recuperación de calor o incineración. Estas ¦ operaciones pueden generar emisiones., que se pueden someter a cualquiera de los controles de calidad del aire aplicables o requisitos. Un proceso de producción de negro de humo de horno, por ejemplo, emplea típicamente un reactor de horno que tiene un quemador o cámara de combustión seguida por un reactor. Una corriente de alimentación de gas de combustión, típicamente una . corriente de gas' de hidrocarburo tal como gas natural, o similar, se quema en la porción de quemador junto con una . corriente de gas de alimentación oxidante tal como aire u oxígeno, para producir gases de combustión calientes que. pasan después a la porción de reactor del horno. En el reactor, la materia prima de hidrocarburo se expone a los gases de . ' combustión calientes. Parte, de la materia prima se quema,, mientras que el resto se descompone, para formar negro de humo, hidrógeno, y otros productos gaseosos. Los productos ' de. reacción típicamente se enfrían rápidamente, y el negro de humo resultante y la .mezcla' de gas de escape se transportan a un recolector de bolsa u otro sistema de filtro, en el cuál el contenido de negro de humo se separa del gas residual. El negro de humo recuperado finaliza típicamente como un producto comerciable, tal - como, por ejemplo, por pulverización y formación en pelotillas húmedas. El agua de la formación de pelotillas se extrae típicamente con un secador, que puede ser calcinado con gas, calcinado con aceite, calcinado con. gas de proceso . tal como con . gases residuales, o combinaciones de estos. Las pelotillas secas entonces se pueden transportar del secador al almacenamiento en volumen u otro manejo. El secador también puede generar emisiones gaseosas. La fuente principal de emisiones' en el proceso de horno de negro de humo es típicamente del gas residual. Diferente a la- ventilación directa, las emisiones de gas residual se han descargado, usando columnas de combustión . El gas , residual puede contener componentes de gas combustible. La composición del gas residual después .. de la separación de negro. de humo y antes de cualquier postratamiento puede variar de acuerdo con un grado de negro de humo que.se produce y otros parámetros de proceso.. El gas residual, no tratado de la fabricación de . carbón puede incluir típicamente combinaciones de materia particulada, monóxido de carbono (CO) , óxidos de nitrógeno térmicos, compuestos de azufre, materia orgánica policíclica,. elementos, traza y. otros componentes.
Los presentes inventores han reconocido que' los gases que contienen subproductos nitrogenosos de combustión en algunas aplicaciones pueden incluir precursores de N0X que también plantean una preocupación . para el control de emisión de NO*. Los presentes inventores han reconocido que, una corriente de gas residual de un proceso de producción de negro de humo de horno, por ejemplo, puede contener, precursores de NOx derivados de combustible que no sean apreciado o resuelto previamente de manera completa. Además, los presentes inventores creen que los métodos y sistemas para controlar compresivamente los óxidos de nitrógeno asi como precursores . de óxido de nitrógeno en efluentes de combustión no se han desarrollado ' previamente, tampoco los beneficios posibles de tales métodos y sistemas no se han llevado a cabo completamente o logrables, hasta el desarrollo de los presentes métodos y arreglos.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Por consiguiente, una característica dé la presente invención es reducir las emisiones de N0X en la incineración de gas residual. >
Otra característica de la presente . invención es reducir las emisiones de N0X en la incineración de gas residual producido de un proceso que comprende combustión.
Una característica adicional de la presente invención- es reducir las¦ emisiones de NOx en la incineración de gas residual de -la producción de negro de humo.
Las características y ventajas adicionales de la presente invención se establecerán en parte en la descripción que sigue, y . en parte serán evidentes a partir de la descripción, o se' pueden aprender por la práctica . de la presente invención. Los objetivos y otras ventajas de la presente invención se llevarán a cabo y se lograrán. por medio de los elementos y combinaciones particularmente indicados en la descripción y en las reivindicaciones adjuntas.
Para lograr estas y otras ventajas, y de. acuerdo con los propósitos de la presente invención, como son incorporados y descritos ampliamente en este documento, la presente invención se refiere, en, parte, a un. método para reducir emisiones de N0X en la incineración de. gas .residual, que comprende introducir, gas residual en una cámara de combustión que tiene una temperatura de^ cámara de combustión, en donde el gas residual comprende N0X, precursores. de N0X, o ambos, y X es un valor positivo, e introducir dilüyente en la cámara de combustión para controlar la temperatura de la cámara de combustión a una temperatura de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C. La fuente del' gas residual puede ser cualquier proceso que comprenda combustión' de un material combustible en aire u otra fuente de oxigeno.
La presente invención se refiere adi.cionálmente al método, indicado para reducir las emisiones, de N0X que comprende además a. conducir el efluente de la cámara de combustión a por lo menos una unidad de reducción no catalítica . .selectiva. que tiene ' una temperatura de aproximadamente 850°C a aproximadamente 1100°C para la reducción adicional de emisión de NOx.
La presente invención también se refiere al método indicado para reducir las emisiones de N0X que comprende además introducir por lo menos un agente reductor de NQX a la por lo menos una unidad de reducción, no catalítica selectiva, la cámara de combustión, o ambas, en donde el agente reductor de N0X o los productos de descomposición del mismo o ambos reaccionan con N0X para producir . nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
La presente invención se refiere adicionalmente al método indicado para reducir las, emisiones de N0X en donde el diluyente comprende 25% o más sobre Una base de proporción gravimétrica de gas de combustión total descargado . de por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva. Por lo menos una porción de · un agente reductor de . N0X se puede introducir directamente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva en combinación con tal proporción de recirculación de gas de combustión a la cámara de combustión.
La presente, invención se refiere adicionalmente al método, indicado para reducir emisiones de N0X "en las cuales el diluyente puede comprender gas de combustión de un secador de negro de humo. Por lo menos una porción del agente reductor de NOx se puede introducir en la cámara . de combustión en combinación con tal introducción de gas de combustión más seco.
La presente invención se refiere adicionalmente al método indicado para reducir las emisiones de NOx. en donde por lo menos aproximadamente una reducción del 10%, sobre una base de proporción gravimétrica, en .el NOx en el gas de combustión se puede obtener relativo con el N0X en el gas de combustión obtenido con la cámara de combustión operada, a una temperatura de aproximadamente 12.00 °C.
La presente invención también se refiere a métodos para reducir las emisiones de NOx al controlar la relación de aire a. combustible en una cámara de . combustión de gas residual tanto que . controla la temperatura de. flama de la cámara, de combustión a través de inyecciones de dil.uyente, con las concentraciones de gas de combustión de oxigeno que es menor que aproximadamente 8% en volumen,, o menor . que aproximadamente 5% en volumen, o menor que' aproximadamente 3% en volumen .
La presente invención también se refiere a un aparato para llevar a cabo métodos par.a incineración de¦ gas residual, tal como se describe en lo anterior, que comprenden (i) una cámara de. combustión operable para recibir: (a) gas residual que comprende . NOx, precursores de NOx, o ambos, y (b) diluyente de tipo(s) y cantidad (es) para controlar la temperatura de la cámara de combustión de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C; y (ii) por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva operable para recibir efluente descargado de la cámara de combustión y por lo menos un agente, reductor . de NOx : o productos de descomposición del mismo o ambos que reacción con NOx para producir nitrógeno incluido con el gas de. combustión descargado de'' por. lo menos - una . unidad de reducción no catalítica selectiva. El aparato se, puede usar para la incineración de gas residual de la producción, de negro de humo u otro procesamiento que implica combustión de combustible u otros materiales combustibles.
Para propósitos en este documento "gas . residual" puede referirse generalmente a escape gaseoso o efluente de cualquier unidad de . procesamiento o equipo usado para incinerar material hidrocarbónico, a menos que se indique de otra manera .
"Incineración" ' se puede referir a la .quema, combustión, pirólisis, carbonización, o cualquier combinación de los' mismos, a menos que se indique de otra manera.
"Control", con respecto a la incineración asociada con gas residual,, se refiere . a por lo menos reducir el nivel de N0X que de otra manera se presenta sin la. etapa (s) preventiva .
Se va a entender que tanto la descripción general anterior como la: siguiente descripción detallada son ejemplares y explicativas solamente y se proponen para proporcionar una explicación adicional de la presente invención, como es reclamada.
Las figuras acompañantes, que se incorporan en. y constituyen una parte de esa solicitud, ilustran algunas de las modalidades dé la presente invención, y juntas con la descripción, sirven para explicar los principios de la presente invención. Identificadores numéricos similares usados en las figuras se refieren a características similares .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La FIGURA 1 es un diagrama de bloques que muestra un proceso generalizado para postratamiento de gas residual de equipo de combustión para reducir óxidos de nitrógeno en el gas residual de acuerdo con un ejemplo de la presente invención. . .
La FIGURA 2 es un diagrama de flujo de proceso que muestra un proceso para la producción de negro de humo de horno que incluye un sistema postratamiento para el gas residual para reducir' emisiones .' de óxido de nitrógeno de acuerdo con un ejemplo de la presente invención.
La FIGURA 3 es un diagrama de flujo de proceso que muestra un sistema de postratamiento de comparación para gas residual que incluye un incinerador y un sistema SNCR.
La FIGURA 4 es un diagrama de flujo de proceso que muestra un sistema postratamiento para gas residual que incluye un incinerador y sistema SNCR de acuerdo con un ejemplo de la presente invención.- La FIGURA, 5 es un diagrama de . flujo .de proceso que muestra un. sistema postratamien.to para., gas residual que incluye un incinerador . y sistema SNCR de acuerdo con un ejemplo.de la presente invención.
La FIGURA 6 es un diagrama de flujo de proceso que muestra un sistema postratamiento para gas residual que incluye un incinerador y sistema SNCR. de acuerdo con un ejemplo de la presente invención.
La FIGURA 7.es un diagrama de flujo de proceso que muestra un sistema . postratamiento para gas residual que incluye un incinerador y sistema SNCR de acuerdo con un ejemplo de la presente invención. Este sistema postratamiento se usa en los ejemplos, pero es solamente ilustrativo de los sistemas que.se pueden usar en la presente, invención..
La ¦ FIGURA 8 es una gráfica que muestra . una predicción modelo de. temperatura (T) de NOx vérsüs incinerador en fluj os .' máximos sometidos, a prueba (125.000 Nm3/hr de gas de . combustión total a chimenea) para un sistema postratamiento usado en los ejemplos.
La FIGURA- 9 es una . gráfica que', muestra . una predicción de relación de NOx versus reciclado de- gas de combustión (FGR) '-. en flujos máximos . . sometidos a prueba (125, 000 Nm3/hr de gas de combustión total a chimenea) para un sistema postratamiento usado en los ejemplos.
La FIGURA 10 muestra la Tabla 5 que es un resumen de los resultados de los ejemplos descritos . en este documento .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a la reducción .de N0X en la incineración ' de gas residual en donde un diluyente se introduce para moderar la . temperatura de incineración y controlar la producción de NOx. Las emisiones de óxido de nitrógeno no surgen del NOx térmico solo, o . aún principalmente lo hace, en algunos gases residuales comercialmente significativos producidos, por las operaciones de combustión . ' La producción de gas residual de la producción de negro de humo, por ejemplo, puede llevar ..nitrógeno combustible como una mezcla de precursores, de NOx (por ejemplo, amoníaco, HCN. etcétera), referidos en este documento como "NPCs". Los NPCs se pueden oxidar a N0X en incineradores, a menos que se reduzca. por métodos de la presente invención.. Los métodos de . la presente invención pueden controlar las operaciones de- incineración .de gas residual efectivas para reducir las emisiones, de NOx atribuibles a cualquiera de uno ; o más de. NPCs, óxidos térmicos, y N0X que . tienen cualquier otro origen. El N0X térmico, por ejemplo, puede ser una reacción minoritaria o fuente de NQX que se presenta en la incineración de gas residual qüe se reduce en los métodos de. la presente invención. Los NPCs pueden ser la fuente predominante de producción de NOx en la incineración de un gas residual que se reduce en los . métodos de la' presente invención. La incineración del gas residual en los métodos de la presente invención puede presentarse en ausencia sustancial de NOx térmico (por , ejemplo, . NÓX térmico . que es menor . que aproximadamente 10%, o menor que aproximadamente 5%, o menor que aproximadamente 1%, todos en peso, . del NOx total) o la ausencia completa de NOx térmico.' El NOx; térmico puede, ser la forma predominante (es decir, 50% o más) de NOx que se controla en . la incineración de un gas residual en un método de la presente invención.
El tratamiento del gas residual de combustión para reducir las emisiones de N0X se puede hacer con el incinerador (también referido en este documento como una "cámara de combustión") solo o con arreglos que combinan un incinerador y por lo menos un reactor no catalítico selectivo (SNCR).. El incinerador tiene generalmente por, lo menos una fuente que contiene oxigeno alimentada en el incinerador para combustión del gas residual. Un diluyente se introduce en el incinerador de gas residual adecuado para reducir o' controlar la temperatura del . incinerador de. aproximadamente. 950 °C y. a aproximadamente 1100 °C. En este intervalo de temperatura, por ejemplo, se ha descubierto que las emisiones de NOx de los gases residuales de la producción de negro de humo y otro procesamiento implicado en .combustión se pueden reducir. Adicionalmente, estas reducciones de temperatura en la cámara, de combustión se pueden controlar a valores, por ejemplo, que también son útiles para la operación eficiente en el SNCR.. El diluyente es típicamente gaseoso, o. un material; (por ejemplo, una suspensión líquida) convertible a un estado similar a gaseoso en la introducción a temperaturas elevadas dentro de un . incinerador, pero el diluyente no se. limita a estos tipos. La fuente del diluyente puede ser, por ejemplo, gas de proceso o aditivos de proceso disponibles a una temperatura menor que la temperatura de. incineración, o de otra manera pueden actuar, por e emplo, como un disipador de calor dentro del incinerador. Adicionalmente, tanto el uso de la reducción de la temperatura de la cámara de combustión . como un SNCR puede reducir las emisiones de N0X,. del gas residual. En general, un SNCR opera al rociar una solución de agente reductor en una corriente de gas que proviene de la. cámara de combustión. Uno o más arreglos de boquillas proporcionados en el SNCR se pueden- usar para tal roció. El SNCR típicamente, pero no necesariamente en todos . los casos tiene' una temperatura de operación ideal para la remoción de N0X para un gas residual que puede tender a variar menor que el intervalo ideal de temperatura para la incineración en el incinerador para él control de N0X. El . reciclado del gas de combustión descargado del SNCR a temperatura más baja de regreso al incinerador . proporciona un procedimiento eficiente para introducir un diluyente moderador de temperatura en el incinerador.. Además, o. alternativamente, el gas de combustión de otras unidades de proceso, tal como secador . de pelotillas en la planta de producción de negro de humo, se puede usar como una fuente de diluyente para, la introducción., en el incinerador de gas residual. Además, la introducción ..de diluyente en el incinerador se puede, hacer en conjunción con la introducción de. agente reductor de .NO* · (por ejemplo, urea, solución de amoníaco) .. en un SNCR, si se usa én combinación con el incinerador, o en el incinerador, o ambos, para reducir . adicionalmente las emisiones. de NOx. Las reducciones en la temperatura.' del incinerador mediante la introducción del diluyente en el incinerador pueda ser posible introducir el agente reductor -en el incinerador, directamente o a través de gas de combustión reciclado del mismo..
La FIGURA . 1 muestra un ejemplo de un proceso generalizado 1 de la presente invención para el postratamiento de. gas residual del equipo de combustión en un incinerador y un sistema SNCR ("ISS") para' reducir los óxidos de nitrógeno y precursores de los mismos en el gas. residual.
En el bloque 1A, el combustible se quema en el equipo de combustión (o eguipo de . oxidación parcial, gasificación, o pirólisis) bajo condiciones que tienen a. formar. NGX, precursores, de N0X o ambos. - En el bloque IB, el gas residual expulsado del equipo de combustión . (por ejemplo, reactor de negro de humo y similares) se introduce en un sistema postratamiento que comprende un incinerador y SNCR. El diluyente se introduce en el incinerador del ISS para reducir la temperatura dél incinerador a una temperatura efectiva para reducir el . N0X en el gas residual (por ejemplo, de aproximadamente 50 °C a aproximadamente 1100 °C). El diluyente puede ser, por ejemplo, gas residual tratado reciclado o diluyente de origen externo del ISS. El reductor de óxido de nitrógeno se. puede introducir al ISS para la remoción de NOx, precursores de N0X,. o ambos para proporcionar un gas de ventilación tratado con un nivel de N0X menor. El aire u otra fuente que contiene oxigeno (por ejemplo, oxigeno., oxidante) se puede introducir el incinerador en cualquier punto o múltiples puntos,, por ejemplo, en una cantidad suficiente para por lo menos, completar o casi completar la combustión dél gas residual. Aunque el uso de un SNCR, tal como en la FIGURA 1, se puede incluir de manera preferente para aumentar las reducciones de N0X ya obtenidas en el incinerador por los métodos de la presente invención, tal uso combinado no se requiere necesariamente para cumplir, las necesidades '.de reducción de N0X particulares de cada situación.. Por ejemplo, se presentan en este documentó ejemplos de la présente invención donde el. diluyente para el . incinerador puede ser originado en cualquier lugar del gas de . combustión recirculado que sale de un SNCR.
El tipo . de. equipo de combustión ,. al. cual el postratamiento de control de Ñ0X de . la presente invención se puede aplicar no se limita necesariamente y puede incluir cualquier dispositivo o unidad de proceso que queme un material en presencia de aire u otra fuente de oxigeno¦ para producir por lo menos . un producto gaseoso que es el NOx y/o un precursor del mismo. El equipo de combustión puede ser, por ejemplo, un reactor de horno, una unidad de proceso petroquímico, una . caldera, un horno, un quemador, un incinerador de residuos,, un motor, de combustión interna, una cámara de combustión para aplicación marina, un generador de gas caliente, y similares-. El equipo de combustión se puede usar, por ejemplo, para una reacción o reacciones químicas, generación de electricidad, generación de calor, generación de energía, generación de trabajo : mecánico y otras aplicaciones. Lo dispositivos y unidades de combustión se usan típicamente para quemar un material que. contiene hidrocarburo, tal como combustible hidrocarbónico (por ejemplo, aceite, gas, y/o formas sólidas), pero no se limitan a los mismos. Un combustible de combustión puede ser, por ejemplo, gases tale como metano,' propano,' butano, acetileno.: líquidos -tales como, aceites combustibles, gasolina, combustible, diesel: o sólidos tales como carbón mineral u otros combustibles. Los residuos sólidos orgánicos tales como productos de papel, se pueden usar como el material combustible.. ¦ '
Sin que se desee ser limitado a una teoría particular, los efectos de reducción de NOx de los métodos y sistemas de la presente invención se pueden ¦ entender adicionalmente en vista de los siguientes planteamientos de la formación de. N0X en el procésamiento de negro de humo, como ejemplo, y manipulaciones de los mismos para propósito de la presente invención.
Para propósitos en este documento, el NOx es. un término global que se refiere a todos los óxidos de. nitrógeno. La naturaleza exacta' del N0X puede, variar dependiendo dé las condiciones ambientales y nivel de oxigeno. Normalmente, el NOx se forma como NO ,pero., una vez en la atmósfera, la mayoría del N0X se convierte a N02. Debido a esto, la mayoría de autoridades, ambientales usarán concentraciones equivalentes de N02 para reporté. Esta convención es seguida en este documento.
Sin que se desee ser limitado, se cree que existen por lo menos tres mecanismos de formación de . NOx asociados potencialmente con la producción de negro de humo:
1) NOx térmico.. A altas temperaturas (> 1500°C), el nitrógeno y el oxígeno en el aire, reaccionan para formar NOx. Los combustibles de valor de calentamiento alto similares a gas natural pueden crear temperaturas de flama que extienden, estas temperaturas . De está manera, por ejemplo, los quemadores de negro de humo cambiados con gas natural fabrican NOx térmico. Sin embargo, el gas residual, tal como ejemplificado en los ejemplos en este documento, tiene un valor de calentamiento bajo; su. temperatura de flama adiabática abajo de 1400°C, de modo que el NOx térmico no es un problema con los. incineradores de gas residual, secadores, o columnas de combustión (siempre y cuando no se co-alimente gas natural ) .
2) ¦ N0X combustible . Este puede ser la fuente predominante de N0X en plantas de procesamiento de negro¦ de humo de horno, por ejemplo, tal como el e emplificado en los ejemplos en este documentó. El N0X, combustible', proviene del nitrógeno en la materia prima. En la combustión de combustible normal (por ejemplo, carbón mineral) , el mecanismo es simple: N en la materia prima se oxida directamente a NOx.. En la producción de negro de humo, existe una etapa adicional.. Debido a que la producción de negro de humo es una mezcla de oxidación de materia prima, pirólisis, e hidrólisis, la reacción de negro de humo libera especies de nitrógeno reducidas similares a HCN y NH3 además de N0X. De esta manera, el gas residual en la producción de negro de humo de horno tal como el ejemplificado en este documento lleva el nitrógeno combustible como una mezcla de precursores de N0X ("NPCs"). Estos NPCs entonces se . oxidan a N0X en el incinerador (s) de gas de residual.
3) NOx inmediato. Este se forma cuando los radicales libres, de hidrocarburo formados en la combustión reaccionan con nitrógeno. Esto generalmente se cree que es un contribuidor insignificante relativo cort el N0X combustible y térmico. Esto es especialmente el caso para el gas residual del proceso, de negro de humo, ya que puede contener hidrocarburos, insignificantes.
Aunque no se desee ser limitado por ninguna teoría particular, la formación de N0X en una planta dé negro de humo de horno puede presentarse, por ejemplo, en dos etapas distintas:
Etapa 1.. Reactor y quemador de- negro de humo: El N0X térmico de una reacción de negro de humo y nitrógeno de materia prima, FSN, se puede convertir en un reactor de negro de. humo para formar HCN, NH3 y NOx y una pequeña cantidad de 2. El nitrógeno en los precursores en la corriente de gas residual puede afectar, directamente la emisión de NOx de la combustión de gas residual. Es necesario cuantificar el contenido de precursores de nitrógeno en la corriente de gas residual. Esta cuantxficación se puede expresar como sigue:
Yl = (FN,NPCs) / (FNr feedstock ?~ ^??? r p) (1)' donde- FN,NPCs es la masa o flujo molar del NPCs . (NH3, HCN, ???). en el gas residual. -Nfeedstock es la masa o flujo molar de los átomos N en la. materia prima. FNOx,P es. el flujo molar del N0X en el quemador.
La cantidad de N0X formado en el reactor que es de N0X térmico de quemador, o N0X combustible no siempre puede ser conocido. El N0X .extra o térmico del quemador de: negro de humo puede hacer que Yl exceda 100%. Puede ser suficiente saber que la alimentación de entrada de los NPCs es para propósitos de entender el impacto que la incineración tiene en el resultado . final del nivel de NOx en la Etapa 2.
Etapa.2: Incineración de gas residual : En esta etapa, los NPCs se oxidan a NOx. Sin embargo, el NOx entonces puede reaccionar adicionalmente con los NPCs para formar N2. Esta segunda reacción es deseable para promover en el incinerador, a fin de minimizar la eficiencia de la formación de NOx de segunda etapa:,
>? = ^.''A"' , donde FN,NÓX es la masa N o flujo molar en el. NOx de
''.?..?;?.·..
gas de combustión. (2) . ¦
Con un conocimiento detallado de ambas etapas, y el efecto de las condiciones de operación en ?? e Y2, una persona es capaz de predecir con exactitud las emisiones de NOx como una función de nitrógeno de materia prima, usando la ecuación combinada:
FKXÓX = Y¡¦ Yv (F^at. + NOX.,<) (3)
Un mapa, funcional de Y? versus condiciones de operación de un . incinerador de . gas residual se puede desarrollar. Para hacer esto, los NPCs se pueden medir, por ejemplo, con o. . sin modelación o análisis del Yi versus operación de reactor del negro de humo..
. . Cuando se miden las concentraciones, y flujos de
N02, tal como en los ejemplos en este documento, el resto de N se puede expresar en términos de niveles equivalentes de N02. De esta manera en lugar de expresar los NPCs- en el contenido de gas residual y nitrógeno en las materias primas como moles N o kg, los niveles de N02 máximos teóricos se pueden calcular ' como . si todos los ?· en el FS o TG se convertirían a. N02 en el gas de combustión (es decir, ?2= ¾= 1), y como se hace en los ejemplos en este documento.
En la presente invención, la reducción de N0X . se puede lograr mediante prevención, usando mejores técnicas de combustión, o mediante . remedio, usando ya sea urea o amoniaco como un agente reductor de N0X, o combinaciones de ambos. En cualquier caso de la prevención o remedio, las ¦ mismas reacciones se pueden optimizar para minimizar la formación de N0X, y de minimiza la destrucción, de N0X. Las reacciones claves pueden ser como sigue:
Una -reacción de formación de N0X térmico, que típicamente, no está significativamente a temperaturas de incineración de gas residual tales como de 950°C a 1100°C:
?', ? í.¾?2NO (4);
reacciones, de formación de NOx combustible:
???-\-%(????+???2? (5)
HCN +y402? NÓ+yj-ip+CC (6);
y · _.; . '. ·¦
reacciones de destrucción de Nox:
NH.} +NO.+#0, -> ?, +y.H20 (7
.WOV+ A/o+¾ -».,v, +> w,o+ca (8)
Con. respecto al remedio por la reducción catalítica selectiva . (SCR) y la reducción no catalítica selectiva (SNCR), en SCR y SNCR ya sea amoníaco o urea se pueden inyectar en una corriente que contiene NOx. Si se usa ureá, se descompone in situ a amoníaco, de modo que en cualquier caso el NOx se reduce a través de la reacción (7) anterior. El oxígeno es requerido .para ejecutar esta ...reacción. Los niveles de oxígeno normales presentes en él gas de combustión son suficientes debido a que están presentes en exceso de NGX observado normalmente en el gas de combustión.. En conjunción con la. reacción de reducción deseada,, existe la reacción de oxidación indicada (5). Esta reacción forma NO en lugar de destruirlo. A temperaturas mayores que 1000°C, la reacción de oxidación de amoníaco se vuelve más rápida. Esto puede limitar las temperaturas de operación abajo de 1000 °C . Para el SNCR, esto puede, presentar ' un problema, sin embargó., debido . a que las temperaturas se reducen en el. incinerador, la cinética se vuelve rápidamente muy. lenta .para ejecutar cualquier reacción en el SNCR, y el reactor no puede destruir el N0X tampoco el NH3, de modo que el N0X no se remueve, y el NH3 no reaccionado "escapa" del reactor. Esto puede crear efectivamente una ventana reducida de operación para un SNCR entre aproximadamente 850°C y 1000°G. También puede limitar la eficacia de un SNCR. En la práctica,' los vendedores de SNCR no garantizan típicamente más del 70% de destrucción de NOx, y para concentraciones de NOx menores (< 150 mg/m3) , garantizan frecuentemente solo 35-40%. A fin de mejorar la reducción de NOx más allá de 70%. La SCR. se puede ' requerir . La SCR usa un catalizador para acelerar la cinética. La SCR ejecuta típicamente' a temperaturas mucho más bajas (200-400°C), de modo que no existe problema con el límite de temperatura alto que exista con el SNCR. La SCR puede ser más costosa que el SNCR, de modo que es preferido el remedio que pueda usar SNCR.
Otra variable de proceso importante que afecta la formación de NOx puede ser la relación de. aire a combustible en 'la 'cámara de combustión. El 02 de exceso más alto en la flama promueve las reacciones de formación de NOx (4) y (5) más de lo que lo hace en las reacciones (7) y (8) de . SCNR. Las relaciones de 'aire a combustible también afectan, la temperatura de combustión, que a su vez afecta' la formación de ?0?·. La presente invención desacopla estos dos factores.- y minimiza la reducción de N0X.
Aunque, no se desea estar, limitado por ninguna teoría en particular, debido a que la formación de N0X de la incineración de gas residual se domina por el N0X combustible en la producción de negro de humo, por ejemplo,: los presentes inventores han descubierto que la misma cinética y estrategia de optimización usadas, en el diseño SNCR se pueden aplicar para prevenir la . generación de N0X de los ÑPCs ' en el incinerador. Por ejemplo, si se proporciona suficiente tiempo de residencia en el incinerador,, las temperaturas en la cámara de combustión se mantienen abajo de 1100°C, . se pueden reducir emisiones de N0X. Los gases de dilución se pueden usar como diluyente ¦ para moderar la temperatura del incinerador en este respecto.- La buena mezcla en la cámara de combustión puede ayudar en la prevención de manchas . calientes dentro del incinerador. Como fuentes de tales gases de dilución., los gases de. dilución de la recirculáción del gas de combustión, gases de combustión del secador de negro de humo, o ambos, se pueden usar para moderar la temperatura del incinerador, pero no se limitan a los mismos. El aire de exceso no se puede referir como un diluyente por varias razones. Primero, puede reducir la eficiencia de la caldera debido a que el aire tiene que ser calentado usando ya sea energía de combustión o calor de gas residual, todos de los cuales. irían normalmente a la fabricación de vapor. Segundo, el aire de exceso puede acelerar, la oxidación de CO, y este puede reducir o detener la cinética de la reacción indicada (9), que es una ruta adicional importante para reducir el N0X. Por lo tanto, un método preferido de reducción de temperatura en la, cámara de. combustión , (incinerador) de gas residual es la recirculación de gas de combustión, tal como de una unidad de S CR o gas de combustión de secador de negro de humo, u otros gases de combustión de proceso. Mientras que no se desee ser . limitado por ' ninguna teoría particular, también se cree que la secuenciación de aire . y combustible pueden mejorar adicionalmente las reducciones de N0X, tal como al equipar un incinerador con múltiples, por ejemplo, primarios y secundarios, puntos de inyección de. aire. Esto se puede hacer de tal manera que algo del NH3 y HCN se oxidan para formar N0X en la primera etapa para crear una mezcla balanceada de NH3/HCN y N0X, que pueden reaccionar a través de reacciones indicadas (5) y (6) en la segunda etapa de oxidación para fabricar N2.
Como se indica, la fuente del gas residual que se trata para . la reducción de N0X de acuerdo con la presente invención puede ser una unidad o unidades de proceso usadas para una reacción o reacciones químicas con por lo menos algo de combustión implicada, tal como producción de ' negro de humo .
En la FIGURA 2, por- ejemplo, el número de referencia 100 designa generalmente un aparato ó sistema para producir negro dé hümo. que incluye un sistema postratamiento 9. El aparato 100 puede incluir, por ejemplo, un reactor de tipo horno 2 que puede ser de un tipo conocido en el campo, un filtro 5 para, separar el negro de humo 11 del gas de escape o gas residual 7 del humo del reactor enfriado 6, un formador de pelotillas 10, un secador de horno calcinado 14 para formar pelotillas de negro de humo secas 27, y un incinerador y sistema SNCR ("ISS") 9 para postratamiento del gas residual 7 para reducir las emisiones de NOx del aparato. El ISS 9 se usa . para reducir las emisiones de óxido de nitrógeno en el gas residual 7 antes de ventilarlo a la atmósfera como emisiones .gaseosas 24. Como se indica, el ISS 9 proporciona tratamiento del gas residual con diluyente introducido en un in'cinerador e introducción del agente reductor de NOx en arreglos que también incluyen un SNCR efectivo para reducir las emisiones de NOx. Como se indica las opciones mostradas por las lineas discontinuas, una porción 22 o todo del gas de combustión de chimenea del secador 14 se puede desviar al ISS 9, y una porción 23 del gas residual 7 se puede desviar a un horno 13 para el secador 14.
Con respecto además a otros componentes mostrados para el aparato 100. El reactor 2 tiene el escape del mismo conectado al medio.de enfriamiento 3 por un conducto 4 con el medio, de enfriamiento (por ejemplo, un' intercambiador de calor)' 3 que se conecta al medio de filtro corriente abajo 5 por un conducto 6 y el filtro 5 se proporciona con una ventilación 17 para la liberación del gas residual. 7. .'.El filtro 5 también se conecta a un formador de pelotillas corriente abajo .10 por un conducto 11 a través del cual se hace pasar el negro de humo recuperado.' Como se muestra, las pelotillas que se producen en el formador de pelotillas 10 se puede conducir a través de un conducto 12 al secador 14 que puede ser un tipo .conocido en el campo. El vapor, y el polvo de negro de humo también se expulsan del secador 14 a través del conducto 25 a un medio de filtración, tal como µ? recolector de bolsa de vapor conocido o "VBC" (no mostrado)..
El reactor 2 puede ser un tipo conocido en el campo y está comprendido de una zona' de pre-combustión 18 en la cual el aire y combustible se introducen para la combustión, o en la cual los gases de combustión calientes se cargan, con la zona de pre-combustión 18 que se comunicar con la zona de reacción 16. Una porción de garganta que tiene un diámetro convergente o. venturi 19 se puede proporcionar¦ en la zona de reacción 16. En . el tipo de reactor dado a conocer, un hidrocarburo formador de negro de humo se piroliza por el contacto con los gases de combustión calientes, con la materia prima de hidrocarburo que se introduce por el medio de inyección 20. Como se indica en la figura, uno o más tipos de aditivos se pueden introducir opcionalment , junto con la materia prima en el reactor. En el reactor dado' a conocer, el humo producido por los gases de combustión calientes y el hidrocarburo, pirolizado fluye a lo largo de la . zona de reacción 16. El humo caliente contiene partículas de negro de humo sólidas y se desea enfriar el humo caliente a. una temperatura suficientemente baja para detener la reacción de producción de negro, de humo en una etapa predeterminada. En la entrada 15 se^ comunica con el reactor 2 para proporcionar una entrada para la introducción de, un fluido de enfriamiento rápido en una zona de · reacción 16 , del reactor 2. La ubicación/zona de inyección 15 se muestra en una posición corriente abajo del reactor venturi 19. La ubicación de inyección 15 proporciona un pre-enfriamiento rápido del humo caliente para detener .o retardar el proceso de formación . de negro de humo. La zona de reacción 16 se comunica con el conducto 4 mediante el cual el humo enfriado rápidamente, que contiene partículas . de negro de humo sólidas en suspensión, se descarga de la zona de reacción al conducto 4. El enfriamiento adicional antes del filtrado se puede efectuar por la zona/dispositivo de enfriamiento -3. La zona/dispositivo de enfriamiento 3 puede ser de 'cualquier tipo adecuado que incluye aquellos conocidos y usados en el campo para esta función. Cualquier enfriamiento final adicional se puede llevar a cabo al inyectar agua de enfriamiento rápido adicional por medio del conducto 21 en el humo en el conducto 6 entre . la zona/dispositivo de enfriamiento 3 y el filtro 5.
El filtro 5 puede ser,¦ por ejemplo, 'una. bolsa recolectora u otro filtro, o' un ciclón, . precipitador, u otra unidad, de separación conocidas en el campo. Sin embargo, se va entender que se puede usar cualquier tipo de filtro adecuado o separador de gas-sólidos. Como se indica, la función del filtro 5 es para separar las partículas de negro de humo de las partes constituyentes restantes ¦ del, humo caliente con el negro de humo qué entonces se conducen al formador de pelotillas 10, que puede ser un tipo conocido en el campo, y las partes constituyentes restantes del humo se expulsan a través de la -ventilación 7. El secador 14 puede ser, por ejemplo, un secador de pelotillas de negro de humo conocido en el campo. Se puede proporcionar, el calor de secador, por ejemplo, por el horno 13 que quema el combustible (por ejemplo, metano, .' aceite, combustible, etcétera), gas residual, o ambos. Como se indica, una porción del gas residual 7 se puede usar como un' gas de combustión para el secador de horno 13. Aspectos y características adicionales que se- pueden usar en el ISS 9 mostrado en la FIGURA 2 se plantean en este documento con referencia a las siguientes figuras.
Con referencia a '¦ las FIGURAS 3-6, . un sistema postratamientó para gas residual que incluye un incinerador ; y un sistema SNCR se ilustra en la FIGURA 3 para, efectos de comparación con; varios arreglos postratamiento para gas residual que incluye un incinerador y un sistema SNCR de acuerdo con la presente invención como se muestra en las FIGURAS 4-6. Este incinerador y sistemas SNCR se pueden usar como un "ISS" tal. como se muestra en el aparato de producción de , negro de humo de la FIGURA 2, pero no se limitan al mismo y puede tener amplia aplicación para tratamiento de gases residuales o de escape de sistemas de combustión..
En los arreglos mostrados en las FIGURAS 3-6, el gas residual (TG) se Introduce cerca de la parte superior de un incinerador y fluye generalmente hacia abajo en una dirección de arriba hacia abajo a través de la unidad antes de ser descargado cerca del fondo de la unidad. En las FIGURAS 3-6, una entrada (s) de aire y un quemador superior del incinerador, y otro incinerador y adaptadores de SNCr . y componentes que se pueden usar no se muestran . para simplificar los dibujos para planteamiento.
En la FIGURA 3, se ilustra un diseño básico . de una caldera . con. bajo contenido, de N0X donde se incinera gas residual (TG) , por ejemplo, a aproximadamente 200°C tanto se opera un SNCR, por ejemplo., de 850°.C a 1100°C. en este arreglo y un reciclado de gas de combustión . (FGR*) se usa principalmente para¦ controlar la temperatura del SNCR en la entrada "A" localizada cerca del fondo del incinerador (por ejemplo, en el fondo.33% de la altura . del recipiente).. Una fuente . que contiene oxigeno se puede introducir en él incinerador para asegurar la combustión casi, o completa del gas residual. Un agente reductor de NOx, urea, se. introduce en el SNCR. El. "supercalentador"¦ indicado es un escudo radiante colocado antes del SNCR para ' reducir adicionalmente la temperatura en la unidad de proceso. Después de la transferencia de calor (remoción) en una caldera que se puede usar con el sistema SNCR, el gas de, combustión sale de la caldera para proporcionar la ventilación y. corrientes de FGR* - del gas de combustión. En este arreglo de comparación, menor que 25% del. gas de combustión total . (en volumen) se recicla, mostrado como. FGR* de corriente de recirculación, a la posición "B" cerca de la parte, superior del incinerador (por ejemplo^ en la parte superior 33% de la altura del recipiente), de modo que se limitará cualquier moderación de la temperatura de la cámara de combustión. Comparada con el arreglo de la FIGURA 3, se ha descubierto que la reducción de N0X aumentada .se puede lograr usando los diferentes arreglos, tales como aquellos mostrados, por ejemplo, en las FIGURAS.4-6.
En la FIGURA 4, se muestra un arreglo de caldera con bajo contenido: de N0X en el cual el FGR. se. usa para reducir sustancialmente la temperatura del incinerador. Esto se hace al recircular más que 25% (en. volumen) (de manera preferente más que- 40%, o de manera más preferente más que 50%) del efluente descargado de SNCR de nuevo al incinerador como corriente de gas recirculado FGR. También,¦ cuando el gas residual (TG) contiene menor que o igual a aproximadamente 4% de agua, por ejemplo, una condición de. "gas residual seco", la recirculación"¦ . de . gas de combustión se incrementa típicamente de relativo con estos intervalos, todos los otros factores iguales, tal como hacer recircular mayor que 30% (en volumen) (o mayor que 40%, o de manera' preferente mayor que 50%, o de manera más preferente mayor que 60%). del efluente descargado del SNCR de regreso al incinerador. En el arreglo mostrado en la FIGURA 4, más del 25% (en volumen) del gas de combustión total se recicla a la posición "B" cerca de la parte superior del incinerador (por ejemplo, en la parte superior 33% de la altura del recipiente), de esta manera la moderación de la temperatura de la cámara de combustión puede ser significativa. Estos porcentajes de reciclado pueden estar sobre una base de proporción gravimétrica . (por ejemplo, tonelad s/hora, etcétera) . Una fuente que contiene oxigeno se puede introducir en el incinerador para asegurar la combustión casi o completa del gas residual. La introducción del F.GR como . diluyente en el incinerador modera, la temperatura del incineración de aproximadamente. 950°C . a 1100°C en esta ilustración, mientras que. el SNCR se opera de aproximadamente 850°C a 1100°C. La urea u otro agente de reductor se pueden introducir aún en el SNCR en este ejemplo. No se necesita inyección de gas de combustión en la entrada "A" en el. incinerador debido a que el incinerador ya está en la temperatura apropiada en el SNCR. Tanto el uso. del SNCR como la reducción de temperatura e la cámara de combustión reducen las emisiones de NOx, y se descubrió que él uso del reciclado de gas de combustión para controlar . las temperaturas es una .forma altamente ventajosa para hacer esto para mantener la eficiencia de la caldera.
En la FIGURA 5, el gas de combustión se recicla a la posición "B" cerca de la parte' superior del incinerador (por ejemplo, en la superior ..,33% , dé la altura del recipiente), y el agente reductor de N0X, por ejemplo, urea, se inyecta en el orificio "A" solo o con FGR pequeño (por ejemplo, típicamente de manera aproximada 5% a aproximadamente 10%, pero si "B". fluyer es bajo puede estar hasta 40%) (por ejemplo, cerca del fondo del incinerador, tal como en el 33% del fondo de la altura del recipiente). Uña fuente que contiene oxígeno se puede introducir en el incinerador para asegurar la combustión casi o completa del gas residual. La introducción del FGR como diluyente en el incinerador también modera la temperatura del incinerador de aproximadamente 950°C a 1100°C en esta ilustración, mientras que el SNCR se. opera de aproximadamente 850 °C a 100°C. El FGR de proporción de reciclado del SNCR que se introduce en la posición "B" del incinerador puede . ser similar aquella indicada para el arreglo de la FIGURA 4, o pueden ser valores más pequeños. El agente reductor (urea) se, puede inyectar en el incinerador en éste arreglo, tal como en la posición "A", debido a que el incinerador ya . está a una temperatura apropiada para el SNCR. ' Por la misma razón, la protección radiante ( supercalentado) · se puede mover después del SNCR. El volumen de SNCR se puede reducir debido a , que el SNCR comienza en el incinerador.
En la FIGURA 6, este diseño es similar aquel de la FIGURA 5 excepto . que el quemador ' de gas residual (TGB) /secadores del gas- de combustión (DF) sé usa para controlar la. temperatura en el incinerador en lugar, del reciclado de gas. de Combustión de. la caldera y SNCR. Una fuente que contiene oxigeno se ' puede introducir en el incinerador para asegurar casi por la combustión completa del gas residual. La introducción del gas de. combustión de los secadores como diluyente en el incinerador modera la temperatura del incinerador de aproximadamente 9.50 °C a 1100 C en esta' ilustración, ' mientras que el SNCR se opera de aproximadamente 850°C a 1100°C. Este arreglo puede usar un tercer punto de inyección de gas de combustión. Por ejemplo, el punto de . inyección "B" se puede usar para reducir la temperatura del incinerador tan baja como sea posible, y el punto de inyección "A" se puede usar para reducir la temperatura del incinerador a la temperatura SNCR y con inyección de urea, y el punto de inyección "C" se puede usar para inyectar cualquier gas de' combustión en exceso (FG.) restante. El gas TGB/DF puede tener NO.x total .más alto y/o NPCs que el FGR (caldera) al favorecer las reacciones indicadas (7) y (8) . para la destrucción de . NOx. Una recuperación posible de 15% extra de energía de. una planta de producción de negro de. humo de horno, por ejemplo, se puede obtener usando este esquema. El arreglo de la FIGURA .6 se puede combinar con aquel de la FIGURA 5, . en donde una porción del efluente de SNCR se. recicla de regreso al incinerador además de la introducción de gas de combustión más seco.. Como se indica, la cantidad y tipos de diluyentes introducidos en el incinerador, se pueden seleccionar, e implementar para moderar la temperatura a niveles de reducción, de. N0X, tal como en la presencia de NPCs.
Además, con respecto al arreglo.de la FIGURA 6, el gas de combustión de los secadores se envía en la . cámara de combustión, SNCR, . o ambas, del centro de energía en. lugar dé, o. además de, el reciclado del gas de combustión. El uso del gas de combustión de' los secadores para aumentar o reemplazar el reciclado del gas de combustión de la caldera permite que se realice un número, de beneficios adicionales. La eficiencia de la recuperación de energía incrementada se hace posible ya que el gas de efluente del secador puede ser mayor que 500°C, en la producción de negro de humo de horno. Previamente este calor residual no ha sido capturado, o por lo menos no en la manera de la presente invención. Si la corriente de gas de combustión más seco se envía al incinerador, mucho . del calor sensible se puede recuperar debido, a que el efluente de la caldera puede ser de aproximadamente 230 °C u otras temperaturas menores. El . uso del efluente del secador en .la cámara de combustión puede permitir el control, de NO¡¡ en el TGB/secador sin .'necesidad de rediseñar el TGB/secádor.
Cualquier NOx creado en los quemadores de gas residual para los . secadores se puede destruir en el SNCR. Los quemadores/secadores de gas residual pueden no ' tener reducción de NOx. La instalación de SNCR en la caldera de gas residual puede incrementar grandemente la complej idad ' y costo. El envió del efluente del secador al incinerador puede reducir o evitar¦ el costo. El NOx generado en los quemadores de gas residual puede remover el HCN y NH3 en la corriente de gas residual principal de la caldera. Si el. efluente del secador se combina, con el gas residual antes de entrar a la cámara de combustión o incinerador, el NOx, HCN y NH3 pueden estar presentes, juntos. Esto permitiría que . se presenten reacciones indicadas (7) y (8) en la cámara dé combustión. Efectivamente, esto actúa como SCNR in situ para reducir el N0X sin reducción de la inyección del agente.
Como detalles adicionales en el incinerador y el sistema SNCR del arreglo de comparación mostrado en. la FIGURA 3, una. cámara de combustión para quemar materiales combustibles se puede proporcionar como un incinerador, que puede comprender una cámara de combustión ' verticalmente orientada que comprende una parte., superior, un fondo, una pared "lateral sustancialmente cilindrica que conecta la parte superior y el fondo, y por lo menos una entrada de gas residual para la. introducción de gas residual (TG) y por lo menos una salida de gas de escape se puede proporcionar en esta pared lateral. Se puede colocar un quemador superior dentro de la parte superior de la cámara, que se adapta para recibir combustible de una fuente de combustible externa. Se pueden proporcionar una o más entradas de aire a la. cámara de combustión. La salida de gas de escape de. la cámara de combustión se puede alimentar en un SNCR. El gas tratado, en la' región de SNCR entonces puede fluir a través de una caldera. El agua de alimentación de la caldera se puede alimentar a un tambor de vapor y condensado se. puede enviar a la caldera para evaporizar el vapor producido que fluye de nuevo al tambor de vapor. El gas de' combustión puede salir de la caldera para proporcionar la ventilación y corrientes de FGR* . El sistema SNCR (por ejemplo, SNCR y caldera) produce un efluente, de gas que se puede ventilar o reciclar (FGR* o FGR) a la cámara de . combustión .
En un arreglo, se puede equipar uña caldera de vapor con un dispositivo SNCR para reducción de. N0X en el gas de combustión final. El agente reductor, se puede agregar en el SNCR usando boquillas de roció. El SNCR puede tener una pluralidad de boquillas de roció (por ejemplo, una a seis o más), que se pueden arreglar vert'icalmente tres a un lado (parte- superior y. de fondo) que rocían dentro 'de' un espacio corriente debajo de la protección radiante, que separa la cámara de combustión de los tubos' de generación de vapor. El SNCR puede operar al rociar una solución de urea y/u otro agente reductor de N0X en la corriente de gas . de combustión que proviene de la cámara de combustión. La temperatura de operación óptima' del SNCR puede variar de aproximadamente 850°C a 1000°G o de 950°C a 1000°C. La colocación .de las boquillas SNCR detrás de' la protección radiante seguida .de una suposición de diseño de que ¦ la . cámara .'. de combustión operará a una temperatura arriba del intervalo apropiado para la reacción SNCR. .
Se puede usar una linea de proceso identificada como FGR (una linea de recirculación de gas de combustión) . La. linea FGR puede ramificarse en la, cámara de. combustión, y el gas . de combustión reciclado se puede alimentar en la cámara de combustión cerca de la parte superior (por ejemplo, dentro, de la parte superior 33% de' la altura del recipiente), o cerca del .fondo . (por ejemplo, dentro del fondo '33% de :1a altura del recipiente), . o ambos. , El . reciclado de gas. de combustión puede' incrementar la eficiencia de la caldera, y reducir la temperatura en la cámara de combustión. . Si la temperatura en la cámara de combustión se reduce a través de un reciclado de gas de combustión (orificio de entrada superior) al punto de estar en el intervalo tal como de 850°C a 1000°C, ya no puede ser deseable colocar el SNCR detrás de la protección radiante, lo cual puede reducir la temperatura aproximadamente 100°C adicionales. En esta ilustración, como se indica, la solución de urea y/u otro agente reductor se puede inyectar en la linea de reciclado de gas de combustión que se alimenta en el fondo de la. cámara de combustión. La linea puede tener un medidor de flujo de orificio venturi cerca de la entrada de la cámara de combustión. Si la solución de urea y/u otro agente reductor se inyecta en el punto reducido del venturi del medidor de flujo, la alta velocidad del gas de combustión reciclado puede dispersar la solución. La porción de fondo de la cámara de combustión ahora, puede actuar como tiempo de residencia adicional para que se presente la reacción de SNCR. Este diseño, tiene la ventaja adicionada de simplificar la adición de. la solución de urea y/u otro agente reductor de. N0X, ya que. un solo roció de anillo se puede usar, en lugar de múltiples boquillas separadas, cuyos, flujos se deben modular individualmente. El FGR se puede hacer al recircular mayor que 25% (de manera preferente mayor que 40%, o de manera ; más preferente mayor que 50%) del efluente descargado del sistema SNCR de nuevo al incinerador como FGR de corriente de gas recirculada.
Los métodos y sistemas postratamiénto del gas residual de la presente invención pueden tener una. o más de las siguientes características.
Una reducción en el N0X en él gas de combustión, por ejemplo, de., por lo menos aproximadamente 10% o por lo menos aproximadamente 15%, o por lo menos aproximadamente 20%, o por lo menos aproximadamente 30%, o por lo menos aproximadamente 40%,' o por lo menos aproximadamente 50%, o de aproximadamente 10% a aproximadamente 50%, sobre una base de proporción gravimétrica, se puede obtener relativo. con el NOx en el gas de combustión obtenido con la cámara . de combustión operada a una temperatura de aproximadamente 1200 °C.
El diluyente. introducido en el incinerador o cámara de combustión puede controlar la temperatura de la cámara de combustión a una¦ temperatura, por ejemplo, de aproximadamente 950 °C a aproximadamente 1100 °C, o de aproximadamente 975°C a aproximadamente 1100°C, o de aproximadamente 990°C a aproximadamente 1075°C, o de aproximadamente 1000 °C a aproximadamente 1050°C, o de aproximadamente 10Í0°C a aproximadamente 1030 °C, con otros intervalos de temperatura. El gas residual puede tener un tiempo de residencia en la cámara de combustión, por ejemplo, de aproximadamente 0.2 segundos a aproximadamente 5 segundos o. más, o de aproximadamente 0.5 segundos a aproximadamente A segundos,, o de aproximadamente 1 segundo aproximadamente 3 segundos, o de aproximadamente 1.5 segundos aproximadamente 2.5 segundos, u otros tiempos. El diluyente introducido en el incinerador puede comprenden, . por ejemplo, 25% o más, o 30% o más, o 40% o más, o 50% o más, o 60% o más, sobre una base, de proporción gravimétrica, de gas de combustión total descargado de por menos una unidad de reducción no catalítica selectiva. El diluyente puede . comprender por lo menos una porción del gas de combustión de por ' lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, y por lo menos una porción del agente reductor de NOx se. introduce en la cámara de combustión. El diluyente puede comprender por lo menos en parte gas de combustión de un secador de negro de humo. Donde el gas de combustión de un secador de negro de humo se usa como diluyente en el incinerador, el gas de combustión más seco puede tener una temperatura, por ejemplo, mayor que 200 °C. o dé aproximadamente. 225°C a aproximadamente .650 °C, o de aproximadamente 400°C aproximadamente 600 °C,. o de aproximadamente 45.0 °C aproximadamente 550 °C. El gas de combustión más seco puede contener NOx,. tal como NOx en no menor que 5 mg/Nm3, o mayor que. 50 mg/Nm3, o mayor que 100 mg/Nm3. El contenido de NOx del gas. de combustión de secador también . se . puede reducir por los arreglos postratamiento indicados de la presente invención.
El efluente de la cámara de. combustión se puede conducir a por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva que tiene una temperatura, por ejemplo, de aproximadamente 850°C a aproximadamente 1.100 °C, 0 de aproximadamente ¦ 900°C a aproximadamente 1050 °C, o de aproximadamente a 900 °C a aproximadamente 1000 °C, 0 de aproximadamente 925°C a aproximadamente 1000°C, 0 de aproximadamente .9.50 °C . a aproximadamente 1000°C, u otros valores de temperatura. El volumen de SNCR al volumen de la caldera puede ser, por ejemplo, en una relación de aproximadamente 0.1 a aproximadamente . 10, o de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 5, ó de aproximadamente 0.4 a aproximadamente 3, o de. aproximadamente 0.5 a aproximadamente 2.
La presente invención también, se refiere a un método para reducir las emisiones de NOx en la incineración del gas . residual que comprende controlar la relación, de aire a combustible en la .cámara de combustión en la cual se introduce el gas residual, en tanto controla la temperatura de la flama de la cámara de combustión a través de inyecciones de diluyente. La concentración de oxigeno del efluente de la cámara de combustión se puede reducir sin incrementar la temperatura de la. cámara de combustión. Él efluente se ' puede, conducir de la cámara de combustión a la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, en donde la concentración de 02 del gas de combustión descargado de la unidad de reducción no catalítica ' selectiva es menor que aproximadamente 8% en volumen,, o menor que aproximadamente 5% en volumen, o menor que aproximadamente 3% en volumen, en esta configuración, con relación de aire a combustible controlada en la cámara de combustión.
Los efluentes se pueden conducir desdé la. cámara de combustión a la por lo menos una unidad de. reducción .no catalítica selectiva sin ninguna intervención de protección radiante que reduzca la temperatura de efluente más de aproximadamente 10 °C antes de la introducción del efluente en la por lo menos ' una unidad de reducción no catalítica selectiva.
Por lo menos un agente reductor de NOx se puede introducir a por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva localizada corriente debajo de. la. cámara de combustión, a la cámara de combustión, o ambas,, en. donde el agente reductor de NOx o productos . de descomposición del mismo o ambos reaccionan con NOx para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva. El agente reductor de NOx puede ser urea. ((NH2)2CO) , amoníaco (NH3) , ácido isociánico (HNCO) , q combinaciones de. los mismos,, y/u otros., agentes reductores .para NOx. El agente reductor de NOx. puede comprender, por ejemplo, . una solución de urea acuosa, una solución de amoníaco acuosa, o combinaciones de las mismas. Los agentes reductores pueden comprender, por ejemplo, una solución acuosa diluida que contiene urea, amoniaco, o ambos, en agua en el intervalo de aproximadamente 1% a aproximadamente 25% en peso, con base en un agente activo, u otras concentraciones. La introducción de agente (s) reductor se puede hacer en un solo punto de introducción o como en etapas usando una o más boquillas de inyección colocadas a lo largo de la trayectoria de flujo del reciclado de gas de combustión (FGR). El NH3 se puede generar incrementadamente, por ejemplo, por la descomposición o vaporización de los agentes reductores que se inyectan en el FGR o directamente en la cámara¦ de combustión, como sea aplicable, como sólidos, fusiones liquidas,, emulsiones, suspensiones o soluciones.. Algunas sales de amonio, tal como carbonato de amonio '( (NH4) 3C03) , . y bicarbonato de amonio ((NH4)HC03) se pueden descomponer de. manera esencial completamente en gases, tal como al liberar NH3 y C02 cuando se calientan,, y el carbonato también puede generar agua.
Las composiciones de gas residual que se pueden tratar por los métodos y aparato de la ' presente invención para reducir alli los niveles de . N0X no se limitán particularmente.. El gas residual introducido al incinerador puede tener un valor de calentamiento neto, por ejemplo, de aproximadamente 40 .a aproximadamente 12.0 BTU por pie cúbico estándar (scf) (356 a 1, 068 Kcal/m3) , o de aproximadamente 45 a aproximadamente 110 BTU por pie cubico estándar (scf) (400.5. a 979 Kcal/m3), o de aproximadamente 50 a aproximadamente 80 BTU por pie cúbico estándar (scf) (445. a 712 Kcal/m3) . Un combustible o fuente .de' combustible, diferente al gas residual u otro gas residual, se pueden introducir en la cámara de combustión (incinerador).
La Tabla 1 en la sección de' ejemplos en este documento indica algunas · composiciones .. de gas. residual no limitantes ejemplares que se pueden tratar para reducir el NOx usando la présente invención. Sin que se desee ser limitado por ninguna teoría particular,' también se cree que ciertas características de composición del gas residual pueden ayudar al uso de combustión de temperatura baja a través de inserción de agentes externos (tal como recirculación de ..gas de combustión) . Primero, muchos combustibles de incinerador (por ejemplo, aceite, carbón mineral, gas natural) tienen ' valores de calentamiento extremadamente altos y. se queman extremadamente rápido. La combustión se completa, y las temperaturas de flama adiabáticas, pico se logran muy rápidamente, y el tiempo de mezclado para el ' diluyente es demasiado . grande para evitar las altas temperaturas . observadas en estas flamas. El uso.de un combustible que. contiene altas cantidades de hidrógeno, que se quema fácilmente, puede permanecer estable aún cuando se reduzca la temperatura de combustión. A la inversa, aceite y gas natural,' y. carbón mineral pueden ser más difíciles de encender, requiriendo más energía¦ térmica, y. la. flama .de temperatura baja no puede sostenerse, de modo que aún si se pudiera pre-diluir el combustible con el diluyente para resolver el primer problema (anterior), la reducción en las temperaturas adiabáticas en el incinerador, podrían conducir a inestabilidades.
Como se . indica, el control de, emisión de NOx con la incineración de gas residual proporcionado por la presente invención se . puede usar, por ejemplo, para ..gases de residuales de reactores · de negro de humo de horno, con adaptaciones y modificaciones tal como se relaciona en este documento. La presente invención se puede usar,' por ejemplo, para tratar gases residuales generados en los reactores ;de negro de humo tales . como aquellos en un modular, también referido como una configuración de reactor de negro de humo de. horno, "en' etapas". Se muestran reactores de horno en etapas que pueden recibir tratamiento.. de gas residual de acuerdo con la presente invención,, por ejemplo, en las Patente de EUA Nos. ' 3,922,3351;. 4,383,973; 5,190,739; 5,877, 250; 5, 904, 762; 6, 153, 684: 6, 156, 837; ·. 6, 403.695 ; ¦ y 6,485,693 Bl, todos de los cuales se incorporan en sus totalidades a manera de referencia en esté documento.
Las condiciones de proceso y las materias primas usadas en los reactores de negro de humo que generan gas residual que se. puede tratar de acuerdo con la presente invención, no se limitan particularmente. La FIGURA 2 muestra una porción de un tipo de. reactor de negro de humo de horno 2 que se puede usar en un proces.o de la presente invención para producir negros de humo. Los diámetros longitudes útiles de las diversas zonas en el reactor que se pueden usar se pueden seleccionar con referencia a las patentes indicadas en · lo anterior incorporadas a manera de referencia. Entre los combustibles adecuados, para el uso en la reacción con la corriente de oxidante (aire) en la zona de combustión 18 para generar los gases de combustión calientes, son cualquiera de los gases fácilmente, combustibles, vapor o corrientes liquidas tales como gas natural, hidrógeno, monóxido de carbono, metano, acetileno, alcoholes ó queroseno, u otros combustibles. Se prefiere en .general, sin embargo, usar combustibles que tengan un alto contenido, de componentes que contengan carbono y, en particular, . hidrocarburos. La relación de aire á gas natural usada para producir los negros de humo puede ser · de aproximadamente 1:1 (relación estequiométrica) a. afinidad. Para facilitar la generación de gases de combustión calientes, se puede precalentar la corriente de oxidante. Como se indica, la corriente. de gas de combustión caliente fluye corriente debajo de la zona de garganta del reactor donde se puede introducir la materia prima qué produce, negro de humo, ? y/u otros puntos de introducción de materia prima en el. reactor. La materia prima se puede introducir, por ejemplo, ya sea a través de. una sonda (axial o. radialmente) , radialmente hacia dentro a través de una pluralidad de orificios colocados en la pared del reactor, o una combinación de los dos. Adecuado para el uso en este documento como los tipos de materias primas de hidrocarburo que producen negro de humo, - que pueden ser fácilmente volatilizab.les bajo- las . condiciones de la reacción, incluyen aquellos descritos . en las patentes incorporadas indicadas, en lo anterior. La materia prima se puede precalentar antes de que se introduzca en el reactor. En la introducción, la materia, prima se combina con la corriente de gas. calentado para formar una corriente de reacción en. la cual se forma el negro de humo en. el reactor.
Aditivos, tales como aquellos usados convencionalmente en la producción de negro de humo, se pueden introducir en el reactor'. Los. aditivos que pueden modificar la estructura, del negro de humo, por ejemplo, tal como iones de metal álcali/alcalinos dé Grupo. I y/o TI se pueden usar como aditivos. Estos aditivos se pueden agregar, por ejemplo, en una cantidad tal que 200 ppm o más del elemento o ión del Grupo IA y/o elemento del Grupo IIA (o ión del mismo) está presente en el producto' de negro de humo finalmente formado. El -aditivo (s). se puede, agregar en cualquier forma que incluya cualquier medio convencional. En otras palabras, la sustancia se puede agregar de la misma manera, que se introduce una materia prima que : produce negro de humo. La sustancia se puede agregar como un .gas, liquido, o . sólido, o cualquier combinación de los mismos .. La sustancia se puede agregar en un punto o varios puntos y se puede agregar . como una sola corriente o una pluralidad de corrientes .
La corriente de reacción dentro del reactor puede tener una temperatura a enfriamiento, rápido, por ejemplo, de aproximadamente 600 °C a aproximadamente 2000 °C, de aproximadamente 800 °C a aproximadamente 1800 °C, de aproximadamente 1000°C a aproximadamente 1500°C,. u otras temperaturas altas que reflejen . una reacción exotérmica extrema que se genere, en el reactor de horno. El negro de humo en la corriente de reacción se puede enfriar rápidamente en una o más zonas.. Por ejemplo, como se indica en la FIGURA 2, en la ubicación de enfriamiento 15, se inyecta fluido de enfriamiento rápido,- que puede ser agua,, que se puede usar para detener completamente o esencialmente de manera completa la pirólisis de la. materia prima que produce negro de humo, o solo enfria -parcialmente la materia prima sin detener la pirólisis seguido por un enfriamiento rápido secundario 21, que puede estar corriente abajo de un intercambiador de calor 3,- usado para detener la pirólisis de la materia prima que produce negro de humo. Después de que la mezcla, de los gases de combustión calientes y la materia prima que produce negro de humo se enfrian rápidamente, los gases enfriados pasan corriente abajo en el medio de separación, que puede ser convencional,, mediante el cual el negro de humo se recupera y el gas residual se transporta' a un ISS o la. presente invención.
La presente invención incluye los siguientes aspectos/modalidades/características en cualquier orden y/o en cualquier combinación:
1. La presente invención se refiere, a un método para reducir emisiones de N0X en la incineración de gas residual que comprende:
introducir gas residual en una cámara, de combustión que tiene una temperatura de cámara de combustión, en donde el gas residual comprende N0X, precursores de NOK, o ambos,, y x es un valor positivo: y
.introducir, diluyente en la cámara de combustión para controlar la temperatura de la. cámara de combustión, a una temperatura de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C.
2. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto . anterior o siguiente, en donde el gas residual es de por lo menos un horno de negro de humo.. ·
3. El método de cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde el gas residual tiene un tiempo de residencia en la cámara de combustión de aproximadamente 0.2 segundos a aproximadamente 5 segundos.
4. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, que comprende además conducir el efluente de la cámara de combustión a por lo menos una unidad de reducción no catalítica . selectiva que tiene . una temperatura. de aproximadamente 850°C' a aproximadamente 1100°C. .
5. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, que comprende además introducir por lo menos un agente reductor de NOx a por lo menos una unidad de, reducción no catalítica selectiva localizada corriente abajo de ia cámara de combustión, la cámara , de combustión, o. ambas, en donde el agente reductor de N0X o productos de descomposición del mismo o ambos reaccionan con N0X para producir nitrógeno incluido con. el ' gas de combustión descargado, de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
6. El método. de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el diluyente comprende 25% o más sobre una base de proporción gravimétrica de gas de combustión total descargado de la por lo menos una unidad¦ de reducción no. catalítica selectiva, y por lo, menos una porción del agente reductor N0X se introduce directamente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
7. -El . método de cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde el gas residual introducido a la . cámara de combustión comprende menor que o igual a aproximadamente 4% en peso de agua y el diluyente comprende 30% o más sobre una base de proporción gravimétrica de gas de . combustión total descargado de la por lo menos una unidad ' de reducción no . catalítica selectiva, y por lo menos una porción del agente reductor de N0X se introduce . directamente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
8. . El método de cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde el gas de combustión se recicla a la cámara de combustión de una misma unidad de reducción no catalítica selectiva a la cual el agente reductor de N0X se introduce directamente.
9. El método. de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el diluyente comprende por lo menos una porción del gas de combustión de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, y por .lo menos una porción del agente reductor de N0X se introduce en la cámara de combustión. .
10. . El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el diluyente comprende gas de combustión de una fuente de combustión, y, opcionalmente, por lo menos una porción del agente reductor ?? se introduce en la cámara de. combustión:.
11. El' método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el diluyente comprende gas de combustión . de un secador de negro de humo, y, opcionalmente, por lo menos una porción del agente reductor de N0X se introduce en . la cámara de combustión .
12. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, .en donde . el diluyente comprende un gas de combustión de un i ¦ ' ¦
secador de negro de humo que tiene una temperatura de mayor que 200°C.
13. El método . de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, que comprende además introducir un combustible, diferente a gas residual u otro gas. residual, en la cámara de combustión.
14. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o 'siguiente, en donde el efluente se conduce desde la cámara de combustión hasta por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva sin ninguna intervención de protección . radiante que reduzca la temperatura de efluente más . de aproximadamente 10 °C antes de la introducción del efluente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva-.
15. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el agente reductor de NOx es urea, amoníaco, o. ambos.
16. , El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde el reductor de NOx comprende una solución de urea acuosa.
17. . El . método . . de cualquier modalidad/característica/a.specto anterior o siguiente, en donde por lo menos una reducción, de 10%,.. sobre una base de proporción gravimétrica, en el N0X en gas de combustión se obtiene relativo con el NOx en el gas de combustión obtenido con la cámara de combustión operada a una temperatura de aproximadamente 1230 °C ..
18. El, método. . de. cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, en donde él gas residual como se introduce al incinerador tiene un valor de calentamiento neto de aproximadamente 40 a aproximadamente 120 BTÜ por pie cúbico estándar (scf) (356 a 1, 068 Kcal/m3) .
19. El método de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior, o siguiente, en donde el NOx térmico es una reacción minoritaria que se presenta en la incineración del gas residual.
20. El método de cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde la incineración del gas residual se. presenta en ausencia, sustancial del NOx térmico.
21. El' método .. . de cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde la incineración del gas residual se presenta sin formación del NOx térmico.
22. , El. método de ¦ cualquier modalidad/caracteristica/aspecto anterior o siguiente, en donde el volumen de SNCR al volumen de la caldera está en una relación de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 10.
23. Un método para reducir emisiones de NOx en el gas residual de combustión, que comprende:
introducir, gas residual de combustión de por lo menos un . hidrocarburo en un incinerador que. tiene una temperatura de incinerador, en ' donde el gas residual comprende NOx y precursores de NOx, y x es un valor positivo:
introducir . düuyente en el incinerador para controlar la temperatura del incinerador a una temperatura 'de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C;
conducir el efluente del incinerador de por lo menos una unidad de reducción no catalítica que tiene una temperatura de aproximadamente 850°C a aproximadamente 1100°C;
introducir por lo menos un . agente reductor de. NOx a la por lo menos una. unidad de reducción , no ¦ catalítica selectiva, el incinerador, o ambos,, en donde el agente reductor de NOx o productos de descomposición del mismo, o ambos reaccionan con el NOx para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por . lo . menos una unidad.de reducción: no catalítica selectiva.
24. Un método para redücir las emisiones de N0X en la incineración de gas residual que comprende, controlar la relación de aire a combustible en una cámara de. combustión en la cual se introduce el gas residual, en tanto controla la temperatura de flama de la cámara de combustión a . través de inyecciones de diluyente, en donde el gas residual comprende N0X, precursores de,' N0X, o ambos, y x es un valor positivo, y la concentración de oxigeno de la efluente de la cámara de combustión se reduce sin incrementar la temperatura de la cámara de combustión.
25. El' método . de cualquier modalidad/característica/aspecto anterior o siguiente, que comprende además conducir el efluente de la cámara de combustión a por lo menos una unidad de . reducción no catalítica selectiva, en donde la concentración de O2 de gas de combustión descargado de la unidad de reducción no catalítica selectiva es menor que aproximadamente 8% en volumen.
26. Una unidad de caldera para incineración de gas residual, que comprende:
(i) cámara de. combustión operable para . recibir :
(a) gas residual que comprende N0X, precursores de N0X, o ambos, y
(b) diluyente de tipo(s) y cantidad (es) para controlar la temperatura de la cámara de combustión de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C; y
(ii) . por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva que comprende . por lo menos un dispositivo de reducción no catalítica selectiva y una caldera, la unidad de reducción operable para recibir efluente descargado de la cámara de combustión y por lo menos un agente reductor de . N0X o productos de descomposición del mismo o ambos que reaccionan con N0X para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
27. Un aparato para la producción de negro de humo que comprende un reactor de horno de negro de. humo para producir negro de humo y gas residual, un filtró para separar el negro de humo de gas' residual, y una unidad de caldera para incineración . del gas de residual de acuerdo con ,1a reivindicación anterior.
La presente, invención puede incluir con. cualquier combinación, de estas diferentes características o modalidades anteriores y/o posteriores como se expone en oraciones y/o párrafos. Cualquier combinación de las . características ' dadas a conocer en este documento se considera parte de . la presente invención y ninguna limitación se propone con respecto a las características de combinación.
La presente invención se pondrá en claro adicionalmente por. los siguientes ejemplos, que se proponen para ser ejemplares de,, la presente invención.
EJEMPLOS
La presente invención se demostró sobre una caldera de. vapor calentada con gas residual comercial. La configuración de la caldera se ilustra en la FIGURA 7. La Figura no está a escala.
En la FIGURA 7. La cámara de combustión- de gas residual se compone de las secciones Á y B. Las corrientes y las zonas/recipientes se resaltan con números y letras, respectivamente.. Por toda este planteamiento, se usan paréntesis cuando se refieren a . corrientes (#) y zonas/recipientes (abe) . La flama se quema de. arriba hacia abajo. El combustible residual se alimenta en la cámara de combustión (120) a través de la entrada (105). El aire de combustión suministrado en la linea (101) se separa en tres corrientes, donde la corriente (102) se envía a la cámara de combustión desde la parte superior como suministro de aire del quemador piloto. Las corrientes (103) y (104) se inyectan en la cámara de combustión en dos elevaciones. Las corrientes de aire se inyectan a través de una placa perforada, en la dirección radial a la cámara de' · combustión para lograr una distribución uniforme. La formación en etapas de aire de combustión da por resultado en dos zonas de combustión en la cámara de combustión con la relación de aire a combustible en cada una de las zonas de combustión aju.stable . a través de la velocidad de flujo de las corrientes (103) y (104).
El gas residual quemado se envía a la caldera (E) a través del supercalentador de vapor (D). Después de la transferencia de calor en la caldera . (E), - el gases de combustión sale de la -caldera como corriente (109). La corriente (109) se puede separar en la corriente (109A) y una porción del gas de combustión (108) de la 'salida de la caldera se recicla de nuevo a la cámara de combustión (.120) a través de un soplador (no mostrado). El gas de combustión reciclado (108) se separa en dos corrientes' (106). y (107), que se inyectan en diferentes ubicaciones de. la cámara de combustión. La corriente (106) se usa. principalmente para controlar la temperatura en la cámara de , combustión, y la corriente (107) se usa para ajustar, la temperatura de SNCR
(mostrado en la zona (C) ) . La inyección de urea, usada como un reactivo de ' reducción de N0X, se suministra por la . vía
(113) .
El agua de alimentación de la caldera se alimenta al tambor de vapor (F) y el condensado (111) se envía a la caldera (E) para vaporizarse para producir vapor (112).- El producto final (115) sale de la unidad para utilización. Una fracción del vapor que sale de tambor de vapor se; envía al supercalentador de vapor (D) ¦ para producir vapor sobrecalentado. Mientras tanto, el supercalentador (D) actúa como protección radiante para proteger los tubos de caldera de ser sobre calentados. Debido a que se hizo el ensayo durante la producción de vapor, la demanda de vapor indicó la cantidad de gas residual procesado, de modo que los flujos varían por toda la corrida. Los volúmenes de las zonas claves para la reacción fueron como sigue:
Zona de combustión superior (A): 58.3 m3. .
Zona de combustión inferior (B) : 258.7 m3.
Zona de reacción SNCR (C) : 101.4 m3.
El flujo de combustión promedio en el incinerador (que incluye reciclado, (109A) + (108)) se calculó para .ser 96.081 Nm3/hr (con base en el balance de masa y asumiendo la combustión completa). Por lo tanto el espacio velocidad normal promedio (definida como Nm3/hr flujo de gas de combustión Nm3/hr por m3 de volumen) fue como sigue:
Zona de combustión superior (A): 2280 hr"1.
Zona de combustión inferior (B) : 514 hr"1.
Zona de reacción SNCR (C) : 1311 hr"1. .
El gas residual para la composición promedio se proporciona en la Tabla 1. Los NPCs se midieron por todo el ensayo, de modo que este valor se basa en las mediciones. Los componentes restantes se evaluaron con base en la termodinámica y el balance de -masa. La Tabla .1 contiene intervalos no limitantes de composiciones de gas residual que se pueden usar para varias condiciones de producción y varias materias primas usadas en los métodos de la presente invención .
La Tabla 2 resume el intervalo . de variables sometidas a prueba durante el ensayo de demostración. Se llevaron a cabo dos estudios concurrentemente. El primer estudio investigó el desempeño de la. caldera solamente (con el SNCR apagado). El segundo estudio investigó el- desempeño del SNCR con encender simplemente . el SNCR durante cada una .de las primeras condiciones de estudio y la medir la eficacia del sistema SNCR en la destrucción de N0X . De esta manera, para cada condición, el estudio fue capaz de medir qué tan bien el control de ' operación solo podría reducir el N0X, y que también el SNCR entonces podría reducir la combustión del NOx. Como el SNCR, consume reactivos', es preferible.' evitar el NOx a través de las operaciones de la caldera teniendo que remediarlo usando urea o amoníaco. en una SNCR.
El aire piloto. (102) se mantuvo constante durante el ensayo completo. El gas natural se apagó durante .el conjunto de datos . descritos en este punto..
La emisión de NOx de la. 'caldera se supervisó continuamente con un analizador de NOx en línea instalado en el apilado. La concentración de N0X se convirtió a base seca, en 3% de O2 después del estándar industrial.
Para la operación sin SNCR, se desarrollaron dos correlaciones lineales, empíricas con base en 'las variables significativas en el diseño del experimento (DOE) ¦ (véase la Tabla 2) . Debido a ' que el FGR y la temperatura del incinerador se relacionan estrechamente, se puede desarrollar una buena correlación lineal usando una o la /otra, de estas variables, pero ??· ambas. La Tabla 3 muestra la correlación con base en la temperatura del incinerador, salida de oxígeno de salida y flujo de gas de combustión de ventilación. La FIGURA 8 muestra una correlación entre la . emisión, de NOx y la temperatura de la cámara' de combustión, con la constante de oxígeno de gas de combustión. La FIGURA 8 representa gráficamente la correlación para el flujo de gas de combustión de ventilación constante de 125,000 NmVhr. El intervalo de gama alta del DOE se representa . debido a que ilustra el régimen más difícil para la reducción de NOx. La Tabla 4 muestra una correlación ..alterna con- base en el oxígeno . de salida de . fracción de recirculación de gas de combustión, y el flujo de gas de combustión de ventilación. La FIGURA 9 muestra una correlación entre la emisión de NOx . y la relación de r.eciclado de gas de combustión con la constante de oxígeno de gas de combustión. La FIGURA 9 representa gráficamente la correlación para un. flujo de gas de combustión de ventilación constante de 125,000 Nm3/hr.
La FIGURA.8 muestra que cuando la temperatura, de la cámara de combustión disminuye, disminuye la emisión de NOx. Por ejemplo,, en una 'concentración de, oxígeno de gas de combustión de 2%: 'en - volumen, cuando la temperatura de la cámara de combustión disminuyó de 2 vo-1% a aproximadamente 1200°C, a aproximadamente 950°C, la correlación empírica predice una emisión de NOx que disminuye de 550 mg/Nm3 a 300 mg/Nm3 con la temperatura.. Las gráficas también se etiquetan como "% de precursores NOx convertidos a NOx en gas de combustión" que se define como la relación de flujo molar de NOx en el gas de combustión el flujo molar del NPCs totales en el gas residual . que se alimenta a la caldera. Como la emisión de NOx disminuyó, .el "% de. precursores dé NOx convertidos a NOx en el gas de combustión" también disminuyó.
El efecto de la relación de aire a combustible, es decir, concentración de oxígeno de gas de combustión en la emisión de NOx se muestra claramente entre las líneas paralelas en la FIGURA 8. En la temperatura de .flama constante, la concentración de oxígeno, más . baja da por resultado reducción . de . NOx más baja.
Resultados similares se. pueden observar en la FIGURA 9, que muestra que conforme la velocidad del recic.lado de gas de combustión 'se incrementa, la emisión de NOx se disminuyó. Se ha mostrado que la relación de reciclado dé gas de combustión y la relación de airé a combustible que es de dos formas efectivas para minimizar, la reducción de N0X.
Los siguientes ejemplos no limitantes ilustran adicionalmente la, presente invención. Los resultados se resumen en la Tabla 5.
EJEMPLO COMPARATIVO 1A
Este ejemplo ilustra una condición de operación de caldera típica.. El gas residual ingresó a la cámara de combustión del sistema de caldera en la entrada (105), y . el flujo total del aire a la linea (101.) se controló tal que el contenido de oxígeno de salida de caldera fue a 5.9%. Los resultados se muestran en la Tabla 3. Si todos los NPCs en el gas residual se convirtió en NOx en la caldera, 1455 mg/Ñm3 (base seca) de NO2 en el gas de combustión se podría medir. Sin embargo, aún. en esta configuración no. optimizada, solamente 35.9% de los NPCs se convierten a N02, y 522 mgN/m3 de O2, base seca, se midió a la' salida de la caldera.. No se alimentó urea al SNCR de modo que no se presentó destrucción adicional de N02.
EJEMPLO COMPARATIVO IB,
En las mismas condiciones de operación de la caldera como en el Ejemplo Comparativo 1A, el " SNCR fue encendido. El flujo de urea se incrementó hasta que se obtuvo una cantidad mínima de emisiones de N02. En esta condición, 36.4% del N02 alimentado al SNCR sé destruyó. Sin embargo, las pérdidas de calor a través de la protección, radiante redujo la temperatura de entrada de SNCR a 882°C de 935°C en la salida del incinerador. Es sabido que es demasiado baja para una temperatura de operación de SNCR. La operación de SNCR se optimiza generalmente entre. 900 y 1000°C (por ejemplo, Dúo y colaboradores, Can, J. Chem. Eng.. 70, 1014 (1992) . . .
Como resultado, la conversión de urea es pobre. Los SNCRs convierten generalmente aproximadamente 50% (en peso) de. urea alimentado (por ejemplo, Dúo y colaboradores, Can. J. Eng. Chem. 70, 1014 (1992); http://www.ftck.com/pdfs/TPP-522.pdf). Sin embargo, en este ejemplo, se estimó que sólo una conversión de .urea de 12% (en peso) se dirigió' hacia la reacción de reducción de N0X. La pobre conversión de urea no se desea, incrementa el consumo de RMC y conduce a emisiones de amoniaco en la ventilación, que también se regulan frecuentemente cómo un . contaminante del aire.
EJEMPLO COMPARATIVO 2A .
En este, ejemplo, se intentó la reducción de. N02 principalmente al reducir la concentración de oxigeno de salida. No se usó el SNCR. El oxigeno más bajo debe reducir las emisiones de N0X debido a la cinética de la reacción de formación de NOx que depende de la . concentración de oxigeno..
Sin embargo, en este, ejemplo, solamente se proporciona la recirculación de gas de combustión mínima (<7% en peso de la alimentación de gas reciente total) . Esto no es adecuado para mantener la temperatura más baja, en el Ejemplo Comparativo
IA. El resultado es que la mezcla de gases es cercana a la relación de aire a quema, estequiométrica, de. modo que la temperatura es mas alta. La temperatura más alta favorece .a la formación de N0X, de modo que esto compensa los beneficios de la reducción de oxígeno. Existe alguna mejora en el N0X (44.6% en. peso de menos rendimiento del N0X del NPCs ve'rsus Ejemplo Comparativo 1A) .
EJEMPLO COMPARATIVO 2B
En las mismas condiciones de operación de la caldera^ como en el Ejemplo Comparativo 2A, el SNCR se encendió. El flujo de urea se incrementó hasta . que se obtuvo una cantidad mínima de emisiones de N02. En esta condición, se destruyeron 60% en peso del N02 alimentado al SNCR. Sin embargo, las pérdidas de calor a través de la protección radiante redujeron a temperatura de entrada del SNCR a 850 °C de 1008°C en la salida del incinerador. Como en el ejemplo
IB, las pérdidas a través de la . protección radiante provocaron que . el SNCR opere abajo de temperaturas aceptables.. La conversión de N02 fue mejor solamente debido, a que las velocidades de flujo, en este ejemplo fueron menores que el Ejemplo Comparativo IB.
EJEMPLO 3A
Como en el Ejemplo Comparativo 2A, no se' intentó reducción de N02 primero al reducir la concentración de oxigeno de salida, pero diferente al ejemplo 2A, se usa él reciclado de gas de combustión en. cantidades altas (39% en peso de alimentación de gas .reciente), para reducir la temperatura del incinerador a 905°C. No se usó el SNCR. La reducción de oxigeno de salida, en tanto se mantiene el incinerador a temperaturas más bajas mostró, reducción notable en las emisiones de NOx . Las emisiones de NOx se redujeron por 61.2% versus Ejemplo Comparativo 1A (como es medido por el % de. NPCs convertidos a NOx), y una disminución del pinto de 16.6 puntos por ciento, adicionales en el rendimiento¦ de NPC .a N0X del ejemplo 2A (donde solamente se uso oxigeno más bajo) . Este ejemplo muestra que las' velocidades de recirculación de gas de combustión altas se pueden usar para reducir sustancialmente la . temperatura del incinerador . y en consecuencia, las emisiones de N0X,. especialmente cuando se combinan con el oxigeno de salida reducido. .
La reducción de la temperatura en el incinerador, y las emisiones de ???' consecuentes podrían en principio ser logradas con cualquier agente de dilución inerte, tal como agua, vapor, nitrógeno, dióxido de carbono, u otra fuente de gas de combustión. Sin embargo, la recirculación de gas de combustión tiene la ventaja de que no reduce la ' eficiencia de recuperación de energía.
EJEMPLO 3B
En las mismas condiciones : de operación de la caldera como un Ejemplo 3A, el SNCR se encendió. El flujo de urea se incrementó hasta que se obtuvo una cantidad mínima de emisiones de N02. En esta condición, solamente se destruyeron 19% del N0X alimentado al SNCR y solamente se consumieron 2% de la urea alimentada. La combustión de temperatura baja .y las pérdidas de calor a través de la ' protección , de calor radiante proporcionó una' temperatura de operación, de SNCR extremadamente baja de 817°C, muy por abajo de la temperatura aceptable para la operación del SNCR. Este ejemplo ilustra la paradoja de combustión de temperatura baja:' conforme ;la temperatura de combustión se disminuye, el N0X inherente en el incinerador se reduce, pero la temperatura más baja hace ineficaces los sistemas de reducción de SNCR tradicionalmente diseñados .
EJEMPLO A (PROFÉTICO)
El Ejemplo 4A ilustra un uso benéfico . de un diluyente externo en lugar de usar .recirculación de gas ..de combustión interno, para, controlar la temperatura en el incinerador. En éste ejemplo, la temperatura, y la velocidad de oxígeno de salida se mantienen igual como en el Ejemplo 3A, pero la temperatura se controla por el gas.de combustión desde una fuente de combustión externa. En este ejemplo, se usa un efluente de secador de negro de humo con una composición similar a gas · de combustión ¦ del Ejemplo Comparativo 1A, que contiene 522 mg/m3 de N0X.. (base seca). Este gas entra a la caldera a 500 °C. El desempeño, se mejora sobre el Ejemplo 3A en dos formas:
Primera, se reduce más N0X, tanto como un % de NPCs alimentado como una base de masa absoluta. La .reducción absoluta del NOx es un- resultado del simple hecho de que el secador se. ejecuta' similar al Ejemplo 1A no optimizado .y tiene NOx más alto. Simplemente al agregarlo a la corriente de gas y al volver a quemarlo .con. buen control de temperatura, el NOx se reduce . · Simplemente colocando, 40% más de gas está siendo, procesado con rendimientos más bajos a N0X. Adicionalmente, el NOx en este gas en combustión reaccionará actualmente con los NPCs que provienen del gas residual, y ejecutan un SNCR in situ. en la entrada del incinerador. Esto da por resultado el rendimiento de los ' PCs a la reducción de NOx de 13.9% en el Ejemplo 3A '-a 11.8% en el Ejemplo 4A.
Segundo, .. debido a que el gas de combustión está a 500 °C, la desviación de este gas a la caldera permite que la caldera recupere este calor que se desperdiciaría normalmente. La producción de vapor se elevaría de 34.6 toneladas métricas/hr en. el Ejemplo 3A a 3.9.8 toneladas métricas/h en el. Ejemplo 4A.
EJEMPLO 4B (PROFÉTICO)
El ejemplo 4B resuelve la paradoja descrita en él Ejemplo 3. La operación es idéntica al Ejemplo 3B con un cambio mayor. En lugar dé inyectar la solución de urea en la corriente (113). La solución de urea se co-inyecta con una cantidad pequeña de FGR (u otro gas) para atomización en la corriente (107) ., En la operación del incinerador normal (sin FGR u otro diluyente agregados a' la corriente (106) , esto no sería efectivo debido a que la temperatura en la zona (B) sería muy alta para la operación, del SNCR. Sin embargo, en este ejemplo, el FGR . en la corriente (106) reduce la temperatura en a. zona (B) a 907 °Cr en el lado de la temperatura baja,, pero dentro de la. ventana de operación aceptable para el SNCR. Por otra parte, la temperatura baja se compensa por el volumen mucho más grande de la zona (B) que la cavidad de SNCR. La zona (B) es de aproximadamente 2.5X de zona (C) en volumen, y en consecuencia, el tiempo de residencia es también.2.5X de la zona (C) . Como resultado, se observarían eficiencias más típicas' para, la conversión, e urea (50%) y conversipn . de N0X (60%). Estos ejemplos usan la optimización de la caldera y. el SNCR en la mejo configuración, dando por resultado el N0X más bajo de todo los ejemplos, 84.9% menor que el Ejemplo 1A base.
Tabla 1
Composición de gas residual promedio para, el ensayo y composiciones de gas. residual típico del procesamiento¦ de negro de humo
. Composición de gas residual Intervalos de gas residual de promedio para DOE negro de humo
Componentes principales, % en volumen (base húmeda)
H2 12% 5% - 30%
CO. 12% 5% - 30%
C02 0% 1 % - 5% - H20 42% 2% - 50%
Hidrocarburos <2% <2%
N2 balanceado balanceado
Componentes trazas, ppmv (base seca)
NPCs (HCN,+NI(3+NOx) 1758 100 - 10000
Especies que contienen azufre
ejemplo, H2S, CS2, COS, S02)
Tabla .2
Diseño de intervalos de condición experimentales
Variables estudiadas en la caldera DOE Correlación
(sin SNCR) significativa con
Variable de control (todos los puntos en la formación de corchetes se refieren a la Fig. 9) NOx de caldera?
(prueba F > 95% de confianza)
% de volumen de oxigeno de salida 2.50% 6% Si Cantidad de aire piloto, Nm3/hr (2) 11 ,700 11 ,700 Variable fija
Distribución de aire adicional Todo a Todo a aire No
aire a 1 o 2o (4)
Gas de combustión recirculado 0 0.39 Si
(FCR: :alimentación de gas reciente total a
la caldera)*
Temperatura de salida del incinerador (B) 854 1044 Si
Gas de combustión total a ventilación 59,170 124,001 Si
Nm3 hr (9)
Estudios SNCR
Variable/condición de control Min Max
Temperatura de entrada de SNCR [entrada 808 901
a CJ
SNCR apagado encendido
Velocidad de inyección de urea kg por kg de .0 6.06
N02 alimentado a SNCR
*La alimentación de gas reciente es el gas
residual (5) + alimentación de aire total (1 )
Tabla 3
Correlación con basé en la temperatura del incinerador, oxigeno de salida, y flujo de gas: de. combustión de ventilación. El grado de confianza se proporciona por 100% el- valor en la columna final.
Ecuación para la correlación:'
% NPCs convertido a N02 = b + ml*FGvent + m2*02 de¦ salida m3* Tincinerador
Coeficiente de Coeficiente Error estándar Relación 1 Prob>[t] correlación (o
intercepción)
Intercepción = b -0.6325468 0.153402 -4.123458 0.030% Gas de combustión 9.52E-07 3.33E-07 2.862067 0.788% de ventilación total a
[9] = mi
% en volumen de 3.84786618 0.447951 8.589932 0.060% oxigeno de salida =
w2
Temperatura del 6.75E-04 1.49E-04 4.530917 0.010% incinerador, °C - m3
Tabla 4
Correlación con base en el reciclado de gas de combustión oxigeno de salida, y flujo de gas de combustión de ventilación. El gr.ado. de confianza se. proporciona por 100°C- el valor en la columna final.
Ecuación para la correlación:
% de NPCs convertido a N02.= b + mi *FGR/flujo de gas a la caldera ¦+ m2*FGvent + m3*02 de salida
Plazo Estimado Error estándar Relación 1 Prot»[t]
Intercepción 0.05541533 0.029655 1.8686665 8.13E-02
Flujo FGR [8]/flujo de -2.29É-01 4.46E-02 -5.1420078 1.20E-04 gas a la caldera [1]- [5] - mi
Gas de combustión 1.42E-06 3.49E-07 4.08252652 9.80E-04 de ventilación total a
[9] = m2 ¦
% en volumen de 185E+06 4.12E-01 4.49855511 . 4.25E-04 . '.·. oxigeno de salida = .
m3
La FIGURA 10 muestra la Tabla.5., que . es un resumen de los resultados para estos ejemplos. En el Ejemplo 4A, la relación de. flujo de FGR a la alimentación de gas reciente total se calcula como sigue: el flujo de FGR.se refiere al gas de combustión de una caja secadora de negro de humo, y la alimentación de gas reciente incluye solamente gas residual-, y aire. No hay recirculación de gas de combustión interna en este ejemplo, pero el gas. de combustión más seco de negro de humo se trata como FGR y no alimentación de gas "reciente".
Los solicitantes incorporan específicamente · los contenidos completos de todas las referencias citadas en esta descripción. Además,, cuando una cantidad, concentración u otro valor o parámetro se . proporciona como ya sea un intervalo, intervalos, intervalo preferido, o. una lista de valores preferibles superiores y valores preferibles inferiores, se va a entender que dan a conocer específicamente todos .los -intervalos formados a partir de cualquier par de cualquier límite de intervalo superior, o valor referido y cualquier límite de intervalo inferior o valor preferido, sin considerar si los intervalos se dan a conocer separadamente. Donde un intervalo, de valores numéricos se cita' en este documento, a menos que se establezca de otra manera, el intervalo se propone para incluir los puntos finales del mismo, y todos los números enteros y fracciones dentro del intervalo. No se propone que el alcance de la invención se limite a los valores .específicos, citados cuando se defina un intervalo.
Otras modalidades de la presente invención serán evidentes para aquellas personas expertas en el campo de la consideración de la presente especificación y práctica de la presente invención dada a conocer en este documento. Se propone que la. presenté especificación y ejemplos sean considerados como ejemplares solamente con un alcance y espíritu verdadero de la invención que se indica por las siguientes reivindicaciones equivalentes de las. mismas.
Claims (27)
1. Un método para reducir las emisiones de N0X en la incineración ' de . gas residual,, caracterizado porque comprende: introducir gas residual en una cámara de combustión que tiene una temperatura de cámara de combustión, en donde el gas residual comprende N0X, precursores, de N0X, o ambos, y X es un valor positivo; e introducir diluyente en la cámara de combustión para controlar la temperatura de la. cámara de combustión, a una ' temperatura de. aproximadamente 95.0°C a aproximadamente 1Í00°C en donde el diluyente se introduce en una parte superior del 33% de la altura del recipiente de la cámara de combustión, y en donde el diluyente comprende por lo menos uno de (i) 25% o más de una base, de proporción gravimétrica de. gas de combustión total descargado de por lo menos una unidad de proceso localizada corriente abajo de la cámara de combustión, o (ii) gas de combustión de un quemador de gas residual o secador de negro de humo. .¦
2. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas residual es de por lo menos un horno de negro de humo.
3. El método dé conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas residual, tiene un tiempo de residencia en la cámara de combustión de aproximadamente 0.2 segundos a aproximadamente 5 segundos. ·
4. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende conducir, el efluente de la cámara de combustión a por lo menos una unidad de reducción no catalítica, selectiva que tiene una temperatura de ¦aproximadamente 850 °C a aproximadamente 1100°C.
5. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende introducir, pór lo menos un agente reductor de NOx a por lo menos una. unidad de reducción no catalítica selectiva localizada corriente abajo de la cámara de combustión, la cámara de combustión, o ambas, en donde el agente reductor de N0X o productos de descomposición del mismo o ambos reaccionan con NOx para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo .menos una. unidad de reducción no · catalítica selectiva. 33
6. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el diluyente comprende 25% o más sobre una base de proporción gravimétrica de gas dé combustión total descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, y por lo menos una. porción del agente reductor N0X se introduce directamente en la por lo menos . una' unidad de reducción no catalítica selectiva.
7. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas residual introducido a la cámara de combustión . comprende menor que o igual a aproximadamente 4% en peso de agua y el diluyente comprende 30% o más sobre una base de proporción gravimétrica de gas de combustión total descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica, selectiva, y por lo . menos una porción del agente reductor de NOx se introduce directamente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
8. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones . anteriores, caracterizado porque el gas de combustión se recicla a la cámara de combustión de. una misma unidad de reducción no catalítica selectiva a la cual el agente reductor de N0X se introduce directamente.
9. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado . porque', el diluyente comprende por lo menos una; porción del gas de combustión de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, y por lo menos una. porción del agente reductor de N0X se introduce en la cámara de combustión.'
10. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque. él diluyente comprende gas de combustión de . una fuente de combustión, y, opcionalmente, por lo menos una porción del agente reductor NOx se introduce en la cámara de combustión.
11. El método de conformidad con cualquiera de. las reivindicaciones, .'anteriores, caracterizado , porque el diluyente comprende gas de combustión de un secador de negro de humo, y, opcionalmente, por lo menos una porción del agente reductor de NOx se introduce en la cámara de combustión .
12. El método de conformidad con cualquiera.de las reivindicaciones. anteriores, caracterizado porque el diluyente comprende un gas de combustión de un secador de negro de humo que tiene una temperatura mayor que 200°C.
13. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además comprende introducir . un combustible, diferente a gas residual u otro gas residual.,' en la cámara de combustión.
14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el efluente se conduce desde la cámara de combustión hasta, por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva sin ninguna intervención de protección radiante que reduzca la temperatura de efluente más de aproximadamente 10°C antes de la introducción del efluente en la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agente reductor de NOx es urea, amoníaco, o ambos.
16. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el reductor de N0X comprende una solución de urea acuosa.
17. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,' caracterizado porque por lo menos una . reducción de 10%, sobre una base de proporción gravimétrica, en el NOx en gas de. combustión se obtiene relativo con el NOx en el gas de combustión obtenido con la cámara de combustión operada a una temperatura de aproximadamente 1200°C.
18. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones, anteriores, caracterizado porque . el gas residual como se introduce al incinerador tiene un valor de calentamiento neto de' aproximadamente 40 a aproximadamente 120 BTU por pie cúbico estándar (scf) (356 a 1, 068 Kcal/m3) .'
19. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones' anteriores, caracterizado porque . el. NOx térmico es una reacción minoritaria que se presenta en la incineración del gas residual ¿
20. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la incineración del gas residual se presenta en. ausencia sustancial de NOx térmico.'
21. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado . porque la incineración del gas residual se presenta sin formación del NOx térmico. ·
22. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el volumen de SNCR al volumen · de la caldera está en una relación de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 10.
23. Un método para reducir emisiones dé NOx en él gas residual de combustión, caracterizado porqu comprende: introducir gas residual de combustión de por lo menos un hidrocarburo en un incinerador que tiene una temperatura, de incinerador, en donde el gas residual comprende NOx ' y precursores de NOx, y x es un valor positivo: introducir diluyente en . el : incinerador para controlar la temperatura del incinerador a una temperatura de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C; en donde se introduce en un 33% superior de la altura del recipiente del incinerador, y en donde el diluyente comprendé por lo menos uno de (i) 25% .o . más sobre una base de proporción gravimétrica del. gas de combustión total descargado: de por lo menos una unidad de proceso localizada corriente abajo del incinerador, o (ii) el gas de combustión de un quemador de gas residual o secador de negro de humo; conducir el efluente del incinerador a. por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva que tiene una temperatura de aproximadamente 850°C . a 'aproximadamente 1100°C; introducir por lo menos un agente reductor de N0X a la por lo menos . una unidad de reducción no catalítica selectiva, el incinerador, o ambos, en donde el agente reductor de N0X o productos de descomposición del mismo o ambos reaccionan con el N0X para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva.
24. Un- método para reducir' las emisiones de N0X en la incineración .de gas residual, caracterizado porque comprende controlar la relación de aire. a. combustible en una cámara de combustión en la cual se introduce el gas residual, en tanto se controla la temperatura de flama de la cámara de combustión á través de inyecciones de diluyente, en donde el gas residual comprende. NOx, precursores de NOx, o ambos, y x es un valor positivo, y la concentración de oxigeno de la efluente de la cámara de combustión se reduce sin incrementar la temperatura de la cámara de combustión.
25. El método de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque además comprende conducir el efluente de la cámara de combustión a por lo menos una unidad de reducción no catalítica selectiva, en donde la concentración de C½ de gas de combustión descargado de la unidad- de reducción no catalítica . selectiva - es menor que aproximadamente 8% en volumen.
26. Una unidad de caldera para incineración . de gas residual, caracterizada porque comprende: (i) cámara de. combustión operable para, recibir:-. (a) gas residual que comprende N0X, precursores de N0X, o ambos, y (b) diluyente de tipo(s) y . cantidad (es ) para controlar la temperatura de la cámara de combustión de aproximadamente 950°C a aproximadamente 1100°C; en donde . el diluyente se introduce en un 33% superior de la altura del recipiente de la . cámara de combustión, y en donde el diluyente comprende por lo menos uno de (i) 25% o más sobre una base de proporción gravimétrica de gas de combustión residual total descargado de por lo menos una unidad de proceso localizada corriente abajo de la , cámara de combustión, o (ii) el gas de combustión de un quemador de gas residual o secador de negro de humo; y . ¦ (ii) por lo menos una unidad de , reducción ,no catalítica selectiva que comprende por ¦lo menos 'un dispositivo de reducción no catalítica selectiva y una caldera, la unidad de reducción, .operable para recibir efluente descargado de ' la cámara de combustión y por lo menos un agente reductor de N0X o - productos de descomposición del mismo o ambos que reaccionan con N0X para producir nitrógeno incluido con el gas de combustión descargado de la por lo menos una unidad, de reducción no catalítica selectiva.
27. Un aparato para la producción de negro de humó, caracterizado porque comprende un reactor de horno .de negro de humo para, producir negro de humo y gas residual, . un filtro para separar el. negro de humo del gas residual, y una unidad de caldera para incineración del gas residual de conformidad' con la reivindicación anterior.
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