| WO1996028380A1 | 1996-09-19 | |||
| WO1989012601A1 | 1989-12-28 |
| US5058514A | 1991-10-22 |
| REIVINDICACIONES 1 . Una mezcla que comprende de entre 30% a 70% de urea, de entre 0.1 % a 3% de un tensoactivo seleccionado de EDTA, iso-octadecenyl, resina de nonilfenol y Rhodafac rs/7-e; de entre 4% a 8% de acetato de magnesio y agua, para usarse en la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión. 2. La mezcla de conformidad con la reivindicación 1 caracterizada porque comprende además de 0% a 30% de carbonato de calcio. 3. Un sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión caracterizado porque comprende: un tanque de almacenamiento que comprende una mezcla de entre 30% a 70% de urea, de entre 0.1 % a 3% de un tensoactivo seleccionado de EDTA, iso-octadecenyl, resina de nonilfenol y Rhodafac rs/7-e; de entre 4% a 8% de acetato de magnesio y agua; al menos una estación de inyección en donde se inyecta la mezcla de urea de manera continua en los gases resultantes de una combustión; una línea hidráulica mediante la cual se alimenta la mezcla de urea hasta al menos una estación de inyección; un sistema neumático que comprende un compresor, un sistema de bombeo que mantiene la mezcla de urea a una presión constante en las líneas de inyección; en donde la al menos una estación de inyección comprende al menos un inyector que comprende una lanza con una boquilla de aspersión, en donde la boquilla de aspersión de la lanza se acopla en la línea hidráulica del sistema. 4. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 3, en donde la línea hidráulica comprende un arreglo de válvulas para controlar el flujo de la mezcla de urea y un sistema de filtrado para garantizar que cualquier materia sólida en la mezcla urea quede atrapada. 5. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 4, en donde la línea hidráulica comprende además un medidor de flujo para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes. 6. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 5, en donde el arreglo de válvulas es un arreglo de válvulas de bola y el sistema de filtrado comprende filtros del tipo "Y". 7. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde el sistema de bombeo mantiene la mezcla de urea a una presión de 1 .0 kg hasta 7.0 kg. 8. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque la inyección de la mezcla se lleva a cabo mediante la circulación de un fluido de transporte, a una presión de entre 1 Kg y 4 Kg. 9. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el fluido de transporte se selecciona de aire o vapor. 10. El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, caracterizado porque el sistema comprende además un gabinete de control caracterizado porque dicho gabinete de control comprende un control electrónico que consiste de un regulador de frecuencia para el control de la bomba; en donde se alimenta a la bomba de la mezcla de urea a través de un conector de alimentación y en donde un segundo conector de salida provee el flujo de urea de mezcla a al menos una lanza de inyección. 1 1 . El sistema para la eliminación de S03 de los gases resultantes de una combustión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 10, caracterizado porque las lanzas de inyección consisten de líneas tubulares que comprenden un sistema de recirculación de refrigerante para su enfriamiento; un primer medio de acoplamiento roscado mediante el cual se alimenta la mezcla de urea hacia la boquilla de aspersión; un segundo medio de acoplamiento roscado para la entrada de un medio refrigerante que circula a través de la estructura interna de la lanza para disminuir la temperatura de la lanza con el fin de evitar un sobrecalentamiento de la misma; un tercer medio de acoplamiento roscado para la salida del refrigerante que enfría la lanza y un cuarto medio de acoplamiento roscado para la entrada de un fluido de transporte hacia la boquilla de aspersión, en donde el fluido de transporte aire atomiza la mezcla de urea produciendo una niebla de mezcla urea. |
QUE CONTIENEN ÓXIDOS DE AZUFRE.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso para remover eficientemente trióxido de azufre (S0 3 ) de los gases generados en una combustión. Las aplicaciones de dicho proceso incluyen, pero no se limitan a la reducción de contaminantes generados por el uso de motores de combustión interna tales como los utilizados en plantas eléctricas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La reducción de la emisión de gases y/o sustancias nocivas para el medio ambiente tales como óxidos de Nitrógeno (NOx), materia particulada (MP) y óxidos de azufre (SOx) a partir de procesos tales como una combustión, es crítica para el cumplimiento de las regulaciones ambientales que hoy en día se aplican en diferentes industrias de un gran número de países.
En México, la Procuraduría Federal de Protección al Medio Ambiente (PROFEPA) se encarga de inspeccionar y vigilar los niveles de contaminantes permitidos los cuales son emitidos por industrias tales como la química, del petróleo, de pintura, automotriz, de celulosa, metalúrgica, de vidrio, de generación de energía, y cementera. No obstante, es menester implementar nuevas tecnologías que permitan una reducción en los niveles de gases contaminantes o nocivos emitidos a partir de la industria en general.
Los gases emitidos por un motor de combustión interna además de contener gases inofensivos tales como nitrógeno, oxígeno, vapor de agua e hidrógeno; contienen también gases nocivos o contaminantes; tales como monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, plomo, óxidos de azufre, entre otros. Adicionalmente, una combustión incompleta genera materia particulada, es decir partículas de hollín y ceniza, además de pequeñas gotas de alquitrán. Una exposición prolongada de la población a todos estos contaminantes puede derivar en efectos adversos severos sobre la población tales como un aumento en la mortalidad. De entre los contaminantes más nocivos generados por la industria en general, destacan el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, los clorofluorocarbonos (CFCs), los óxidos de nitrógeno (NOx), los óxidos de azufre (SOx), las dioxinas, el material particulado y el ozono troposférico.
Los óxidos de azufre (SOx) se refieren al dióxido de azufre (S0 2 ) el cual es un gas incoloro y al trióxido de azufre (S0 3 ) el cual es un gas azulado o blanco. Ambos son gases no inflamables resultantes de la producción energética térmica que deriva del consumo de combustibles fósiles que contienen azufre. El S0 2 presenta un olor acre e irritante y el S0 3 se caracteriza por presentarse en aproximadamente un 4% con respecto del nivel de S0 2 . La mayor parte del azufre nocivo se forma mediante el procesamiento del gas natural y en el refinamiento del petróleo.
Por otra parte, los óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (N0 2 ), son un grupo de gases formados por nitrógeno y oxígeno. La emisión natural de óxido de nitrógeno es casi 15 veces mayor que la realizada por el ser humano. El óxido nítrico es relativamente inofensivo, sin embargo, el dióxido de nitrógeno puede causar daños en la salud, perjudica al sistema respiratorio y además contribuye a la formación de la lluvia acida.
Aunque algunas industrias se han encargado de implementar nuevos procesos o sistemas de reducción de contaminantes tales como NOx y/o MP, dichos procesos presentan determinados inconvenientes, tal es el caso de la solicitud de patente estadounidense US 4,208,308; en la cual, se requiere el uso de grandes cantidades de oxígeno a temperaturas elevadas, además de que únicamente se disminuye la cantidad de óxido nítrico generado en el proceso de combustión, permitiendo que otros contaminantes continúen siendo expedidos.
Por otro lado, la reducción de emisiones de NOx generados a partir de los procesos de combustión, se puede llevar a cabo mediante la recirculación de una porción del gas producto de la combustión en la zona de reacción para así disminuir tanto la temperatura de reacción como el contenido de oxígeno de la zona de reacción. Este proceso es también conocido como la recirculación de gases de escape en ingeniería. Sin embargo, este proceso únicamente es eficiente para la disminución de la emisión de NOx al ambiente, permitiendo la emisión de SOx.
Por otra parte, las patentes estadounidenses US 4,719,092; US 5,098,680 y US
5,237,939 describen la inyección de una sustancia tal como amoniaco en el flujo de gas producto de la combustión. La cantidad de amoniaco debe de ser cuidadosamente calculada de manera que se lleve a cabo una reacción balanceada; en caso contrario, el exceso de amoniaco podría ser emitido junto con los gases de combustión y lejos de disminuir la cantidad de contaminantes generados, podría generar mayor contaminación al ambiente de manera peligrosa.
Otra de las soluciones divulgadas para la disminución de NOx a partir de flujos de gases de combustión, es la adición de determinadas sustancias al flujo de gases, las cuales pueden ser sustancias tan nocivas como el carbamato de amonio, tal como se describe en la patente americana número US 6,077,491. Si bien es cierto que el uso de dicha sustancia reduce la emisión de NOx al ambiente, también es cierto que esta sustancia es altamente nociva tanto al contacto como al ser emitida al ambiente. Adicionalmente, su precio es elevado.
Otra manera de disminuir la emisión de contaminantes tales como los SOx es mediante el uso de combustibles de bajo contenido de azufre. No obstante, este tipo de combustible es mucho más caro que los combustibles de un nivel de azufre convencional.
Algunas tecnologías utilizadas para la disminución de especies de azufre son tecnologías que emplean columnas de absorción/desorción. Regularmente, estos métodos requieren el uso de sustancias tales como aminas para separar S0 2 de gases residuales. El inconveniente en estos métodos es que se requiere la inversión de un gran capital, sobretodo en columnas de gran tamaño toda vez que se consumen grandes cantidades de energía para regenerar el absorbente. Adicionalmente, estas tecnologías requieren un tratamiento posterior de S0 2 , es decir, del producto recuperado. Otra de las tecnologías ampliamente utilizadas para la disminución de SOx de los gases resultantes de la combustión por motores de diésel es la depuración de gases de escape, también conocida como "scrubber", que se puede realizar en modalidades tales como "húmeda" y "en seco". Esta tecnología permite la reducción de más del 90% de SOx de los gases de escape, usando agua de mar o agua fresca como el medio depurador. A pesar de presentar una alta disminución de SOx de los gases de escape, este sistema presenta los siguientes inconvenientes: los depuradores de circuito abierto son sujetos a determinadas restricciones en virtud de la emisión de hidrocarburos poliaromáticos y nitratos. Por otro lado, los depuradores de circuito cerrado pueden presentar la acumulación de materia particulada o ceniza o problemas de limpieza.
Un ejemplo de "scrubber en seco" es la depuración química. Dependiendo de la aplicación, los scrubbers en seco trabajan en un amplio rango de temperatura. Estos métodos comúnmente producen flujos de residuos sólidos o líquidos. Esta tecnología reduce la presencia de especies de azufre mediante el contacto del gas con un depurador o "scrubber" químico. Entre los depuradores químicos se encuentran las soluciones cáusticas líquidas o sólidas tales como los gránulos de hidróxido de calcio, los cuales atrapan a las especies de azufre. Los scrubbers químicos regularmente son inyectados en contraflujo del gas resultante de una combustión. La depuración mediante scrubber químico puede eliminar aproximadamente 98% de SOx. Otro de los inconvenientes de la tecnología de scrubber es que se requiere que los gases provenientes de la combustión sean transferidos al equipo con la tecnología scrubber, es decir, que la tecnología scrubber opera en un equipo diferente al equipo donde se realiza la combustión. Una vez que ha disminuido la cantidad de SOx del flujo de gas, este regresa al ducto del primer equipo para la emisión de gases al ambiente.
Una de las sustancias utilizadas para el "scrubbing" del óxido nítrico de los gases resultantes de la combustión, es la urea (US 6,436,359 B1 , US 4,208,386). Arand et al., (US 4,208,386) divulgan que la urea reacciona con el óxido nítrico aún en presencia de altas cantidades de oxígeno. Spencer III, et al., (US 6,436,359 B1 ) enseña que la urea suministrada al sistema se hidroliza a temperaturas de al menos 1 10°C hasta 300°C bajo presiones de 20- 500 psig produciendo un flujo gaseoso de amoniaco, dióxido de carbono y agua. La reacción global es la siguiente:
(x)H 2 0 + CO(NH 2 ) 2 → 2NH 3 + C0 2 + (x - 1)H 2 0
La reacción global de hidrólisis de urea en amoniaco se lleva a cabo mediante reacciones intermediarias a continuación ilustradas.
En una primera reacción, la urea presenta una disociación térmica a partir de una temperatura de 149°C generando amoniaco y ácido isociánico:
CO(NH 2 ) 2 → NH 3 + HNCO
El ácido isociánico a su vez, a través de una hidrólisis forma amoniaco y dióxido de carbono, lo cual se ilustra en la siguiente reacción:
HNCO + H 2 0→NH 3 + C0 2
El ácido isociánico reacciona también con los óxidos de nitrógeno ocasionando la reducción del estado de oxidación del nitrógeno mediante la siguiente reacción:
4HNC0 + 4N0 + 0 2 → 4N 2 + 4C0 2 + 2H 2 0
Adicionalmente, el ácido isociánico disminuye la deposición de sales sulfato tales como el sulfato de amonio o el bisulfato de amonio [(NH 4 )2S0 4 o NH 4 HS0 4 ], las cuales se forman en presencia de amoniaco y óxidos de azufre (US, 6,077,491 ). Por lo que comúnmente el ácido isociánico además de contribuir a la formación de amoniaco, funge como reactivo de limpieza (Siret y Tabaries, EP2011559, ES2379902). http: l vvorldwide.espacenet.com/publicationDetails/description?GC=E S& R=2379902T3&KC =T3&FT=D&ND=&date=20 20504&DB=&locale=en EP.
Otra manera de las maneras de reducir S0 3 de los gases de combustión es mediante el uso de óxidos de metales alcalinotérreos tales como el calcio y el magnesio (US 3,475,121 A). para la disminución de SC¾, con excepción del método de scrubber, e\ cual como se ha descrito, tiene diversas desvéntalas. La presente invención supera dichos inconvenientes [oda caso en ios duelos de escape que transportan ios gases de combustión.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente Invención utiliza una mezcla formada principalmente por urea, un tensoactivo y acetato de magnesio para ia reducción de la presencia de SO?, de los gases de combustión. La mezcla contiene opcionalmente carbonato de calcio. Esta mezcla se inyecta en un sistema para eliminar ei contaminante SO ; de ios gases generados en ia combustión.
OBJETIVOS
Proporcionar una mezcla para tratar los gases (eliminar S0 3 de los gases) producto de una combustión.
Proporcionar un método para tratar los gases (eliminar S0 3 de los gases) producto de una combustión.
Proporcionar una mezcla y/o un método para tratar los gases (eliminar S0 3 de los gases) producto de una combustión que sea de bajo costo y alta eficiencia.
Proporcionar una mezcla y/o un método para tratar los gases (eliminar S0 3 de los gases) producto de una combustión que sea de bajo costo y alta eficiencia, en donde la eliminación de S0 3 se lleve a cabo en los ductos de escape de los gases provenientes de una combustión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra un diagrama ejemplar de un sistema de generación de energía eléctrica en donde se aplica el sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 2 muestra un diagrama ejemplar respecto al sistema de bombeo y arreglo de válvulas del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención. La figura 3 muestra un diagrama ejemplar del sistema de control e inyección del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 4 ilustra un diagrama ejemplar de una lanza de inyección del sistema de inyección de mezcla de urea de la presente invención.
La figura 5 muestra un corte transversal de la lanza de inyección de la figura 4.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En el contexto de la presente invención, el término "gases resultantes de una combustión" se refiere a los gases resultantes de una combustión industrial de fuentes tanto estacionarias como móviles, tales como los gases de escape producidos por motores diésel que contienen S0 3 .
El término "tratamiento de gases" se refiere a la oxidación de SO 3 para ser eliminado en forma de (NH4)2S04 y trazas de NH3HS04, sustancias que se liberan a la atmósfera.
Una persona con conocimientos medios en la materia reconocerá que el tratamiento de gases, tal como se describe en el presente documento, puede utilizarse para aplicaciones tanto móviles como estacionarias, tales como los gases resultantes de una combustión industrial y a los gases de escape producidos por los motores de combustión interna empleando combustibles residuales con un alto contenido de azufre tales como combustóleo, incluyendo combustóleo intermedio conocido como IFO por sus siglas en inglés "Intermedíate Fuel Oil".
Mediante esta invención, el proceso de eliminación de S0 3 de los gases resultantes de una combustión se lleva a cabo mediante la oxidación de S0 3 para obtener sulfato o bisulfato de amonio, sustancias que resultan de la reacción del S0 3 con el amoniaco proveniente de la mezcla de urea.
Las reacciones que se llevan a cabo en el proceso de oxidación del S0 3 son las siguientes:
A partir de 149°C, la urea se hidroliza para formar amoniaco y dióxido de carbono:
(x)H 2 0 + CO(NH 2 ) 2 → 2NH 3 + C0 2 + (x - 1)H 2 0 (Ri) La reacción global de la hidrólisis de urea se lleva a cabo mediante las siguientes reacciones intermediarias:
Primeramente, ocurre la disociación térmica de urea a partir de 149°C para generar amoniaco y ácido isociánico:
CO(NH 2 ) 2 → NH 3 + HNCO (R M )
En segundo lugar, ocurre la hidrólisis del ácido isociánico para formar amoniaco y dióxido de carbono:
HNCO + H 2 0→NH 3 + C0 2 (R m )
El amoniaco reacciona con el trióxido de azufre para formar sulfato y/o bisulfato de amonio:
2NH 3 + S0 3 + H 2 0→ (NH 4 ) 2 S0 4 (R, v )
NH 3 + S0 3 + H 2 0→ NH4HSO4 (R v )
Otra de las reacciones que se llevan a cabo para eliminar el S0 3 de los gases producto de una combustión en esta invención, es la hidrólisis de acetato de magnesio para generar ácido acético y óxido de magnesio en donde este último a su vez reacciona con el S0 3 en diferentes condiciones termodinámicas a las cuales el S0 3 reacciona con la urea, más específicamente, la reacción de acetato de magnesio con trióxido de azufre se lleva a cabo a partir de 328°C. Las reacciones involucradas son las siguientes:
Mg(C 2 H 3 0 2 ) 2 + H 2 0→ MgO + 2C 2 H 4 0 2 (Rvi)
MgO + S0 3 → MgS0 4 (Rvn)
Uno de los reactivos utilizados opcionalmente en la presente invención es el carbonato de calcio, el cual funge también como agente oxidante de S0 3 . Dicho reactivo se presenta en una suspensión en agua en una concentración de 30% a 70%
Cuando el S0 3 se expone a la humedad, este reacciona para resultar en ácido sulfúrico, el cual a su vez reacciona con el carbonato de calcio para formar sulfato de calcio, agua y dióxido de carbono. Las reacciones involucradas son las siguientes: S0 3 + H 2 0→ H 2 S0 4 ( VIII)
+ CaC0 3 → CaS0 4 + H 2 0 + C0 2 (Rix)
La urea que reacciona con los gases producto de una combustión se provee mediante una mezcla que contiene urea en una concentración de aproximadamente 30% a aproximadamente 70%, un tensoactivo en una concentración de aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 3%, acetato de magnesio en una concentración de aproximadamente 4% a aproximadamente 8% y opcionalmente carbonato de calcio en una concentración de aproximadamente 0% a aproximadamente 30%.
Un aspecto de la presente invención proporciona un proceso de tratamiento de gases resultantes de una combustión, el cual incluye las siguientes etapas en secuencia:
a) oxidar S0 3 de los gases resultantes de una combustión empleando una mezcla de urea, agua, un tensoactivo, acetato de magnesio; y
b) expedir los productos resultantes de la oxidación de S0 3 tales como sulfato y/o bisulfato de amonio.
Una de las ventajas de la presente invención es que no es necesario añadir catalizadores, que regularmente tienen un precio elevado, tampoco es necesario adicionar sustancias químicas altamente peligrosas para la eliminación de S0 3 de los gases resultantes de una combustión. Por el contrario, únicamente se requiere la inyección de la mezcla inicial. Otra ventaja de la presente invención es que todas las etapas del proceso de oxidación de los gases producto de una combustión, pueden realizarse sobre el ducto de escape del equipo sin necesidad de operar en otro equipo diferente al equipo donde se realiza la combustión.
La figura 1 ilustra esquemáticamente un diagrama ejemplar del sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención aplicado a un sistema para la generación de energía eléctrica, de conformidad con una modalidad de la invención. Este tipo de sistemas comprenden principalmente un motor de combustión interna (101 ) y ductos de escape de gases (102).
En referencia a la figura 1 , en un sistema de generación de energía eléctrica a partir de energía mecánica, los gases de combustión provenientes de un motor (101 ) emanan hasta una chimenea (103) a través de ductos de escape (102), en donde dichos gases se expiden a la atmósfera. Preferentemente, el sistema de generación de energía eléctrica incluye una caldera de recuperación (104) que utiliza la energía residual de los gases de combustión para generar vapor de media presión, que a su vez se utiliza para la generación de energía eléctrica y un silenciador de escape (105) que reduce el ruido que produce el motor de combustión interna (101 ). El silenciador (105) puede acoplarse a la salida del motor (101 ) como se muestra en la figura 1 o antes de la chimenea (103).
De manera general, los gases resultantes de la combustión, los cuales son descargados hacia los ductos de escape (102) se encuentran regularmente a una temperatura de aproximadamente 180°C a aproximadamente 380°C y a una presión de aproximadamente 0.5 atmósferas a aproximadamente 3.0 atmósferas.
Continuando con la figura 1 , el sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención comprende un tanque de almacenamiento (107), que contiene la mezcla de urea que se utiliza en el tratamiento de gases de la presente invención; la mezcla urea circula a través de un línea hidráulica (108) mediante el cual se alimenta hasta al menos una estación de inyección (106a) y (106b); en donde la mezcla urea se inyecta de manera continua en los gases resultantes de la combustión.
Para una eficiencia óptima en la eliminación de S0 3 , el sistema de inyección de la presente invención comprende un sistema de bombeo (1 1 1 ) que mantiene la mezcla de urea a una presión constante en las líneas de inyección que van desde 1 .0 Kg hasta 7.0 Kg mas no limitado a dicho rango, debido a que depende del gasto requerido de mezcla de urea para la disminución de S0 3 . Considerando que el volumen y el gasto de la mezcla de urea depende de la carga en la generación de gases de combustión por cada motor.
Por lo que, la mezcla de urea se conduce a través de la línea hidráulica (108) hasta las estaciones de inyección (106a) y (106b) a una presión constante requerida para que la mezcla urea sea inyectada en los gases de escape de una manera eficiente. De acuerdo a la modalidad de la figura 1 , el sistema de la presente invención comprende una primera estación de inyección (106a) que se acopla al conducto de salida de los gases de combustión después del silenciador (105) y antes de la entrada a la caldera de recuperación (104). Un segundo sitio de inyección (106b) se acopla al ducto de salida de los gases de combustión después de la caldera de recuperación (104) y antes de la chimenea (106).
La configuración y acoplamiento de la primera y segunda estaciones de inyección (106a) y (106b) de la modalidad del sistema de inyección de mezcla urea de la presente invención representada en la figura 1 , se debe al mantenimiento periódico limpieza de la caldera de recuperación (104). De acuerdo con dicha modalidad, cuando el sistema de generación de energía eléctrica funciona en condiciones normales, el proceso de eliminación de S0 3 de los gases de escape resultantes de la combustión se lleva a cabo a través de la primera estación de inyección (106a) mediante la inyección de la mezcla de urea a los gases de escape de salida de la caldera de recuperación (104).
En un estado de mantenimiento, cuando la caldera de recuperación (104) requiere de mantenimiento, la compuerta (109) cierra el paso a la circulación de los gases de escape a través de la caldera de recuperación (104) y se abre la compuerta (1 10) para permitir que los gases de escape fluyan hacia la chimenea (103). Por lo que, el proceso de eliminación de S0 3 de los gases de escape resultantes de la combustión se lleva a cabo a través de la segunda estación de inyección (106b) mediante la inyección de la mezcla de urea a los gases de escape de salida de la caldera de recuperación (104). No obstante, en condiciones normales de funcionamiento del sistema de generación de energía eléctrica es posible utilizar ambas estaciones de inyección (106a) y (106b) lo cual depende de la calidad del combustible y la cantidad de los gases de escape resultantes de la combustión que lleva a cabo el motor de combustión interna (101 ). Debido a que inyectar la mezcla de urea a los gases de escape antes y después de circular a través de la caldera de recuperación (104), se hace más eficiente el proceso de tratamiento de los gases de escape de la presente invención, toda vez que la mezcla de la presente invención se puede aplicar en uno o en dos puntos de inyección de manera simultánea.
Cada estación de inyección (106a) y (106b) comprende al menos un inyector que consiste de una lanza con una boquilla de aspersión; en donde la boquilla de aspersión de la lanza se acopla en el ducto de escape (102). La capacidad de los sitios de inyección (106a) y (106b) de la mezcla urea se determinan de acuerdo al perfil de temperaturas de los gases en los ductos, considerando todas las cargas posibles de operación en la unidad a tratar siendo el cálculo de aproximadamente 4Kg de mezcla de urea por cada m 3 de S0 3 .
Haciendo referencia nuevamente a la figura 1 , los sistemas de bombeo (1 1 1 ) preferidos (más no limitado a los mismos) para la presente invención son de tipo neumático o mecánico.
Un sistema mecánico comprende una bomba centrifuga multietapa que proporciona que la mezcla de urea se mantenga a una presión necesaria y constante para hacer llegar la mezcla a la(s) estación(es) de inyección (106a) y (106b) para su inyección.
Un sistema de bombeo neumático comprende una bomba neumática y un amortiguador de impulsos adecuado del cual se calcula su capacidad para mantener la presión requerida en las líneas de inyección que depende del consumo requerido de mezcla urea para la disminución de S0 3 . Una bomba neumática es eficiente y de consumo energético nulo, la gran desventaja es que, de no presentarse un diseño de bombeo adecuado con este tipo de bomba; por ejemplo, cuando el sistema presenta distancias significativas en altura y distancia en la línea hidráulica, puede suscitarse intermitencia en la inyección debido a que la mezcla de urea no se mantendría a una presión constante, lo cual afecta los resultados óptimos en la disminución de S0 3 .
Como se ha mencionado anteriormente, el proceso de tratamiento de los gases de escape de la presente invención requiere un flujo constante así como una presión constante en la inyección de la mezcla urea a. El sistema de bombeo preferido de la invención es un sistema mecánico que comprende una bomba centrífuga multietapa, misma que proporciona la presión necesaria y constante para hacer llegar la mezcla de urea al punto indicado de inyección.
Una bomba centrífuga a diferencia de una neumática es más estable en cuanto a flujo constante. No obstante, dichas bombas son diseñadas para grandes caudales. En la presente invención, se manejan caudales relativamente bajos, por lo que añadido a esta bomba y con el fin de aprovechar la constancia de su flujo es necesario un arreglo de diversos tipos de válvulas, mismas que permiten controlar el flujo de la mezcla de urea de acuerdo con lo requerido por la unidad de combustión.
La figura 2 ejemplifica un sistema de bombeo que utiliza una bomba centrífuga el cual comprende un arreglo de válvulas preferido para la presente invención. El sistema comprende un tanque de almacenamiento (107), que contiene la mezcla de urea que se utiliza en el tratamiento de gases de la presente invención; la mezcla urea circula a través de una línea hidráulica (108) mediante el cual se alimenta hasta al menos una estación de inyección, en donde dicha línea hidráulica comprende un arreglo de válvulas de bola (201 ) para controlar el flujo de la mezcla de urea a la salida del tanque de almacenamiento (107), a través de los filtros tipo "Y" (202) que se conectan en una formación de dúplex o paralelo, en donde dichos filtros (202) garantizan que cualquier materia sólida en la mezcla urea quede atrapada, de manera tal que cuando es necesario limpiar uno de ellos, el otro entre en operación y el proceso no sea detenido; una bomba centrifuga multietapa (203) se acopla a la salida del arreglo en paralelo de los filtros (202) que provee un flujo de mezcla de urea constante sin pulsaciones.
Posterior a la bomba centrifuga multietapa (203), la línea hidráulica (108) de descarga comprende tres ramificaciones o extracciones de flujo en dicha línea, en donde la primera línea (108a) comprende una primera válvula (204) la cual puede ser de tipo compuerta para un sistema manual o una electroválvula para un sistema automatizado; en donde la primera válvula (204) desfoga todo el flujo innecesario de mezcla de urea y lo regresa al tanque de almacenamiento (107); la segunda línea (108b) realiza la misma función que la primera línea (108a) pero de una manera más fina a través de una válvula del tipo aguja (205). Con el fin de mantener una presión contante en la línea (108) se implemente una válvula de alivio (206) en la tercera línea o extracción (108c) se calibra por debajo de la presión de trabajo de la bomba centrifuga multietapa (203) a la descarga, de tal forma, la válvula de alivio (206) siempre abrirá y mantendrá en la línea (108) posterior a la bomba (203), la presión de la mezcla de urea requerida para ser atomizado de manera eficiente, y si es necesario una mayor presión, la válvula de alivio (206) cerrara cumpliendo su función de mantener dicha presión en el sistema de la presente invención. Al final de dicho arreglo de válvulas y antes de las estaciones de inyección, la línea hidráulica (108) comprende un medidor de flujo (207) para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes por el sistema de generación de energía eléctrica.
Haciendo nuevamente referencia a la figura 1 , idealmente, las estaciones de inyección (106a) y (106b) se ubican en los ductos de escape donde el gas se encuentra a una temperatura entre 150°C a 400°C, preferiblemente entre 250°C a 350°C, más preferiblemente entre 290°C a 320°C, así como a una presión entre 0.4935 atmósferas y 2.9608 atmósferas, preferentemente entre 1 .4804 atmósferas y 2.9608 atmósferas. La presión de la mezcla de urea en las estaciones de inyección, es de preferencia de entre 0.296078 atmósferas a 2.9608 atmósferas, preferiblemente de 0.9869 atmósferas a 2.9608 atmósferas y el aire de atomización de 0.9869 atmósferas a 5.9215 atmósferas.
En una modalidad preferida de la invención, la inyección de la mezcla se lleva a cabo mediante un método asistido, el cual consta de hacer circular un fluido de transporte, por ejemplo, aire o vapor, a una presión de entre 1 Kg y 4 Kg de aire, a través de una lanza de dosificación, de manera que este fluido de transporte se mezcle con el producto en la cámara de la boquilla y sea atomizado de forma espontánea, eficiente y en forma de nube. De ahí el nombre de método asistido, pues cuenta con la presencia de un flujo adicional. Este método resulta en una mejor eficiencia en el proceso de disminución de S0 3 , pues a pesar de que con este método se obtiene un patrón irregular, el tamaño de gota resultante de la atomización es mucho menor, proporcionando una mayor superficie de contacto, lo cual se traduce en una mayor eficiencia en la reacción que en un método no asistido.
La Figura 3 representa una modalidad de una estación de inyección asistida para la mezcla urea que consiste de un gabinete de control, en donde dicho gabinete de control comprende un control electrónico (305) que consiste de un regulador de frecuencia para el control de la bomba centrifuga (203); un conector de alimentación de aire (301 ) a presión proveniente de un compresor de aire (no mostrado), en conexión con una electroválvula (308) normalmente abierta que controla la apertura/cierre del paso del aire a presión hacia un regulador de presión (302) el cual regula la presión del aire de atomización de la mezcla de urea a través de al menos una lanza de inyección (figura 4), un filtro de aire (303) elimina las partículas y humedad del aire y un primer conector de salida (307) provee de aire a al menos una lanza de inyección (ver figura 4). Un conector de alimentación de mezcla de urea (304) alimenta la bomba centrifuga (203) que aumenta la presión del flujo de dicha mezcla y provee un flujo de mezcla de urea constante sin pulsaciones que circula a través de un medidor de flujo (1 1 1 ) que puede ser digital mas no limitado al mismo, el cual mide el consumo de la mezcla mediante una lectura instantánea del flujo de mezcla urea y un segundo conector de salida (306) como medio de conexión provee el flujo de mezcla de urea constante a al menos una lanza de inyección (figura 4).
En la modalidad de inyección asistida, la eficiencia en la eliminación de S0 3 es de entre 50% a 99.9% dependiendo de las condiciones de atomización del equipo, así como de la mezcla de urea. Cuando la atomización genera gotas de gran diámetro, la superficie de contacto es menor, es decir la cantidad de la urea que reacciona es menor, por lo que los resultados en la oxidación de S0 3 dependen tanto del tamaño de gota como de otros parámetros del proceso. Por el contrario, gotas más pequeñas proporcionan una mayor superficie de contacto, por lo que la eliminación de S0 3 mediante la reacción de este último con urea para generar (S0 4 ) 2" es más eficiente. No obstante, las gotas de diámetros aún más pequeños se evaporan. Por lo tanto, es crucial emplear un tamaño de gota apropiado, el cual se ha determinado que se logra mediante la adición de un tensoactivo el cual es un adyuvante en la elongación mecánica de la gota. Esto con el objetivo de que la gota mantenga su tamaño durante el tiempo suficiente para lograr la saturación del ducto de escape con la mezcla de urea y así esta reaccione con la mayor cantidad de S0 3 .
En otra modalidad de la invención, la inyección de la mezcla de urea en las estaciones de inyección, se lleva a cabo mediante un método no asistido que consiste en la inyección de la mezcla de urea proveniente del sistema de bombeo en conexión con los sitios de inyección que consisten de inyectores que no requieren el suministro adicional de presión de aire para la atomización; en donde la presión de la mezcla urea es aproximadamente entre 0.296078 atmósferas a 2.9608 atmósferas, preferiblemente de 0.9869 atmósferas a 2.9608 sin limitarse a las mismas.
Una vez seleccionado el punto de inyección óptimo, el cual corresponde a la temperatura óptima de los gases de combustión se pueden optimizar los parámetros para llevar a cabo de manera eficaz el proceso de oxidación de S0 3 , estos parámetros son la presión a la cual es inyectada la mezcla de urea o la presión del aire de atomización, en donde la presión de atomización es superior a la presión de inyección, así como el tamaño de las gotas resultantes de la atomización.
Las gotas generadas mecánicamente (mediante inyección o el método no asistido) son típicamente de órdenes de magnitud de aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 1000 mieras dependiendo de las condiciones del proceso tales como la presión de inyección de la mezcla o la presión del aire de atomización. En algunas modalidades, por ejemplo, en el método asistido el tamaño idóneo de las gotas de la atomización de la mezcla puede variar de entre aproximadamente 10 mieras a aproximadamente 500 mieras. No obstante, este puede ser modificado y lograr un tamaño de gota de entre 50 y 200 mieras mediante el uso de tensoactivos tales como EDTA, iso-octadecenil, resina de nonilfenol y Rhodafac ® rs/7-e en una concentración de aproximadamente 0.1 % a aproximadamente 3% de la mezcla.
Como se mencionó anteriormente, el sistema asistido de la presente invención requiere el uso de lanzas de inyección de manera que el producto sea administrado directamente a los gases dentro de los ductos de escape de la unidad generadora. Con el fin de disminuir la temperatura de las lanzas, evitando la cristalización de la urea dentro de las lanzas, se hace circular agua a través del sistema de recirculación con el fin de evitar un sobrecalentamiento de las mismas toda vez que las lanzas de inyección se encuentran en contacto directo con los ductos del sistema por medio de los cuales circulan los gases resultantes de una combustión, los cuales a su vez tienen altas temperaturas. La disminución de la temperatura de las lanzas se lleva a cabo mediante la circulación de agua por medio de un sistema de bombas centrífugas, en donde una vez habiendo circulado el agua y enfriado la lanza, esta regresa al tanque principal, en donde uno o más intercambiadores de calor disminuyen la temperatura del agua que vuelve a circular alrededor del tubo principal de la lanza, que a su vez en un tubo interno transporta la mezcla de urea disminuyendo así la temperatura del agua que recircula en la lanza y a su vez de la mezcla de urea contenida también en la lanza de inyección.
En la figura 4, se muestra un diagrama ejemplar de una de las lanzas (400) en acoplamiento con la boquilla de aspersión (500) preferidas para la presente invención más no limitada a la misma. Dicha lanza se conforma por líneas tubulares que puede ser de 1 .40 m, con una brida de 4 y 6 pulgadas; que comprende además con un sistema de recirculación de refrigerante para su enfriamiento; un primer medio de acoplamiento roscado (401 ) mediante el cual se alimenta la mezcla de urea hacia la boquilla de aspersión (500); un segundo medio de acoplamiento roscado (402) para la entrada de un medio refrigerante que circula a través de la estructura interna de la lanza para disminuir la temperatura de la lanza con el fin de evitar un sobrecalentamiento de la misma; un tercer medio de acoplamiento roscado (403) para la salida del refrigerante que enfría la lanza y un cuarto medio de acoplamiento roscado (404) para la entrada de aire (404) hacia la boquilla de aspersión (500), en donde el aire atomiza la mezcla de urea produciendo una niebla de mezcla urea.
La figura 5 ilustra un corte transversal de la lanza (400) de la figura 4, en donde su estructura interna comprende: un tubo o ducto exterior (414) en cuyo interior se acopla un tubo interno (413) y en donde ambos fungen como medio de alojamiento y a la vez como medio de enfriamiento en donde fluye refrigerante en su diámetro interior para disminuir la temperatura de la mezcla de urea; así mismo, se ilustra un primer tubo o ducto interno (41 1 ) el cual transporta a la mezcla de urea en donde dicho tubo interno se acopla dentro de un tubo externo (412) en donde fluye el aire que se inyecta a la mezcla a través de la boquilla para formar la niebla de mezcla de urea.
Las lanzas pueden estar hechas de un gran número de materiales, preferentemente materiales no corrosivos los cuales incluyen, pero no se limitan, acero al carbón, acero inoxidable, acero inoxidable 316, más preferiblemente acero inoxidable AISI 316 o acero inoxidable AISI 304 y/o PVC CED 80, titanio o algún metal noble.
En referencia a la figura 4, cada lanza (400) comprende una boquilla del tipo SU46- 316ss (más no limitada a la misma); (Figura 4) las cuales permiten manejar flujos relativamente altos y estos ser atomizados homogéneamente en una amplia zona de incidencia. Tal como en el caso de las lanzas, un gran número de materiales pueden ser utilizados para las boquillas de aspersión de doble fluido; estos materiales son preferentemente materiales no corrosivos los cuales incluyen, pero no se limitan, acero al carbón, acero inoxidable, preferiblemente acero inoxidable 316 o acero inoxidable AISI 304 y/o PVC CED 80, titanio o algún metal noble.
En una modalidad alternativa de la invención después de las válvulas del sistema y antes de las líneas de atomización el sistema puede comprender un sensor de flujo de S0 3 , para asegurar que la inyección de la mezcla de urea sea proporcional a la generación de gases contaminantes; el sistema puede comprender además un microcontrolador, el cual, por medio de una lógica de control, permitirá el suministro de la mezcla de urea a través de válvulas (electroválvulas) mediante inyección a pulso.
En algunas modalidades preferidas, el sistema de tratamiento de gases incluye además una o más válvulas instaladas en el sitio de inyección para un mantener una presión del sistema. Estas válvulas liberan presión si ésta aumenta en el sistema. Los cambios de presión se pueden presentar por varios factores, un aumento de voltaje o amperaje en la corriente que alimenta las bombas, algún tipo de burbuja en el sistema etc. Al tener este juego de válvulas se garantiza una reacción óptima de manera continua.
Ejemplos no limitantes
Los ejemplos no limitantes de aplicaciones de la invención se dan a continuación. Los expertos en la técnica reconocerán que estos ejemplos pueden ser modificados para adaptarse a las necesidades de la aplicación específica en el que los gases resultantes de una combustión sean tratados para la presencia de un contaminante específico (S0 3 ), en cuyo caso su eliminación no sea necesaria.
Ejemplo 1
La figura 1 ejemplifica mediante un diagrama esquemático, el proceso para la eliminación de S0 3 de los gases resultantes de una combustión la cual se lleva a cabo en un sistema de generación de energía eléctrica. Dicho proceso puede presentarse en motores de combustión interna, los cuales utilicen combustibles con alto contenido de azufre. Cabe mencionar que dependiendo del tamaño de los ductos de escape se pueden presentar variaciones mecánicas al proceso.
Next Patent: AN AIR DEFLECTING STRUCTURE FOR A TWO WHEELED VEHICLE