Reducción de NOx en Calderas

Transcripción

1 Reducción de NOx en Calderas La próxima entrada en vigencia de los artículos del Decreto Supremo N 58, correspondiente al Plan de Prevención y Descontaminación Atmosférica de la Región Metropolitana, que restringen las emisiones de Óxidos de Nitrógeno en Fuentes Estacionarias; nos ha llevado a querer contribuir con antecedentes respecto de la formación del NOx, emisiones esperadas para los distintos combustibles, factores que favorecen su formación, mecanismos de abatimiento, etc. Introducción Las emisiones de NOx han sido culpadas de las lluvias ácidas, que contribuyen a la degradación de los bosques, destrucción de cosechas y daños en las construcciones. También se cree que el NOx es precursor de la formación de ozono, principal componente del aire contaminado y agente que tiene a la Región Metropolitana saturada por su presencia. Por otro lado se sospecha que las emisiones de NOx también contribuyen a la destrucción de la capa de ozono, la cual actúa como un escudo frente a las radiaciones ultravioleta provenientes del sol. A la vez se piensa que intervienen en el efecto invernadero al absorber radiación infrarroja reflejada de la superficie terrestre. A pesar de que existen estudios que desestiman la severidad de los efectos producidos por el NOx, cada día aumenta en el mundo la preocupación por reducir sus emisiones. Decreto Supremo N 58 Los artículos N 43 al N 46 establecen que las fuentes estacionarias denominadas Mayores Emisores deben reducir a partir del 1 de Mayo en un 33 % las emisiones de NOx registradas en el año 1997 % y un 50 % en el año Los Mayores Emisores son aquellas fuentes estacionarias que concentran el 80 % de las emisiones de NOx de este sector en el año 1997.

2 Formación de NOx En un proceso de combustión existen tres fuentes generadoras de Óxidos de Nitrógeno. El NOx Térmico proveniente de la disociación y reacción de atmosférico. nitrógeno El NOx térmico resulta de la disociación del nitrógeno atmosférico en las zonas de alta temperatura de la llama, de acuerdo a las siguientes reacciones: N2 + O -> NO + N N + O2 -> NO + O Primeramente se produce una reacción entre el nitrógeno molecular preveniente del aire requerido para la combustión y el oxígeno atómico, y luego la reacción entre el nitrógeno atomico, formado previamente, con el oxígeno molecular. Especialmente la primera de estas reacciones es altamente dependiente de la temperatura y el tiempo de residencia, tal como se observa en la figura N 1. En un menor grado la reacción es dependiente del contenido de oxígeno y nitrógeno. Figura N 1: Relación entre la temperatura de la llama y la formación de NOx.

3 Incluso para tiempos de residencia breves de los productos de la combustión en zonas de alta temperatura (superior a 1200 C), se producirá un aumento importante en la cantidad de NOx formado. Las zonas de alta temperatura de una llama serán por lo tanto centros en los que se favorecerá la formación de NOx. El NOx Prompt o instantáneo, producido en la presencia de radicales de CH. El NOx Prompt se forma en las primeras etapas de la llama resultante de la combustión de hidrocarburos en presencia de radicales de hidrocarbonos, es decir, en la combustión de combustibles que no poseen radicales CH no se producirá NOx Prompt. Las fórmulas que rigen esta reacción son las siguientes: N2 + CH -> N + HCN N + O2 -> NO + O Se ha podido observar que existe una menor formación de NOx prompt en llamas pobres en combustible y viceversa. Niveles típicos de NOx prompt figuran en rangos de 10 a 15 ppm, adquiriendo importancia por lo tanto en lugares donde las límites de las emisiones son extremadamente bajos. El NOx del Combustible proveniente del nitrógeno contenido en el combustible El NOx del combustible se forma a partir de los átomos de nitrógeno diretamente ligados a las moléculas que forman el combustible. Como el hidrógeno y el carbono son oxidados durante la combustión, todos los átomos de nitrógeno del combustible son liberados como átomos inestables. Una fracción del nitrógeno del combustible se transforma en NOx y el restante se recombina como nitrógeno molecular. Las fórmulas que rigen la reacción son las siguientes: HCN -> NHi NHi + Ox -> NO + NHi + NO -> N2 + Por lo tanto, combustibles con un elevado contenido de nitrógeno ligado a ellos, producirán cantidades importantes de NOx.

4 A modo de ejemplo, el petróleo liviano posee entre 0,015 y 0,05 % de nitrógeno, en cambio el petróleo residual contiene entre 0,25 y 0,5 %, lo que se traduce en producciones de NOx de 10 ppm y 200 a 300 ppm respectivamente. Resulta evidente señalar que combustibles como el gas natural, que contienen nitrógeno molecular y no poseen átomos de nitrógeno ligados, formarán solo NOx térmico. Por otro lado durante el proceso de combustión se generan principalmente (95 98 %) de óxidos de nitrogeno (NO), los que posteriormente se transforman en dióxidos de nitrógeno (NO2) en la atmósfera. Al hablar de NOx se hace referencia al NO2 por lo tanto las emisiones de NO son convertidas a NO2, para efectos de poder realizar comparaciones. Mecanismos para Reducir Formación de NOx En este punto analizaremos principalmente las técnicas para la reducción del NOx térmico y del combustible relacionadas con la modificación del proceso de combustión. Reducción del NOx Térmico Los mecanismos existentes para reducir al formación de NOx Térmico, tienen relación con reducir la temperatura de la llama, reducir los tiempos de residencia en zonas de alta temperatura y por último evitar atmósferas oxidantes (zonas pobres en combustible). En la figura N 4 se observa como el precalentamiento del aire requerido para la combustión contribuye a aumentar la temperatura de la llama y por lo tanto favorece la formación de NOx. Situación similar se produce en hogares en los que existen elevadas cargas térmicas o gran cantidad de superficies cubiertas por material refractario. Los mecanismos más difundidos para reducir la formación de NOx son la reciculación (interna o extrena) de productos de la combustión y la inyección de agua o vapor a la zona previa a la formación de la llama. De esta forma se logra reducir por dilución la forma de la llama y el nivel local de oxígeno en esa zona. La recirculación de los productos de la combustión consiste en re-inyectar una fracción (inferior al 15 %) de estos gases en la zona previa a la formación de la llama.

5 Figura N 4: Influencia del precalentamiento de aire para la combustión en las emisiones de NOx. Existen dos mecanismos para lograr esta recirculación: a) la recirculación interna, que se produce en el mismo cabezal del quemador, mostrada en la figura N 5 b) la recirculación externa, que se logra re-inyectando una fracción de los productos de la combustión descargados por la chimenea (figura N 6) Figura N 5: Recirculación interna de gases

6 Figura N 6: Recirculación externa de gases La recirculación de productos de la combustión ha demostrado ser el método más efectivo para reducir la formación de NOx térmico, sin afectar la estabilidad de la llama o favorecer la emisión de otros contaminantes (monóxido de carbono, material particulado, etc.) Este mecanismo de reducción de emisiones de NOx trae consigo una disminución en al eficiencia de las calderas de 0.3 a 0.5 %, el que resulta inferior al provocado por sistemas de inyección de agua o vapor (2 a 4 %). La gran desventaja de este método es el mayor costo de operación asociado al consumo de energía eléctrica requerida para recircular los productos de la combustión, mediante un ventilador externo, o bien la inducción a través del ventilador del quemador.

7 Figura N 7: Influencia de la recirculación de gases en la reducción en las emisiones de NOx. La figura N 7 muestra la reducción en las emisiones de NOx térmico obtenido con la recirculación de productos de la combustión. La implementación de un sistema de recirculación de gases debe considerar los siguientes parámetros: - Tipo de combustible - Instalación del ventilador externo - Temperatura del aire para la combustión - Cantidad de recirculación de gases requerida - Tipo de sistema de control de combustión El tipo de combustible y la temperatura del aire requerido para la combustión, son parámetros que cobran importancia cuando el combustible contiene azufre y nitrógeno ligado (petróleo residual), ya que, los daños por condensación por ácido sulfúrico y nítrico deben ser considerados. Reducción del NOx Térmico El mejor ambiente para minimizar la formación del NOx del combustible, es aquel que posee una zona primaria rica en combustible (muy poco O2) donde exista una elevada temperatura y el tiempo de residencia en ella sea suficiente (0.5 seg) para minimizar el número de átomos de nitrógeno liberados para formar NOx con el oxígeno. De esta manera se consigue transformar el nitrógeno del combustible en nitrógeno molecular. Una vez que las reacciones para formar NOx han alcanzado un mínimo, suavemente se debe aportar el aire requerido para completar la combustión aguas abajo en el hogar, sin incrementar importantemente el NOx térmico. Este mecanismo para reducir la formación de NOx recibe el nombre de combustión en etapas y contribuye además para reducir la formación NOx térmico. Este mecanismo aprovecha el efecto de las zonas ricas/pobres en combustible en la formación de NOx, tal como se muestra en la figura N 8. Una reducción en la formación de NOx del combustible de hasta 55 % es posible de ser alcanzada mediante la combustión en etapas.

8 Finalmente deseamos mencionar algunas técnicas para reducir la formación de NOx, que no tienen relación con la modificación de la combustión. El uso de combustibles como el gas natural, LPG o petróleos livianos con bajo contenido de átomos de nitrógeno ligados, lógicamente permiten alcanzar bajos niveles de NOx. También es posible eliminar el NOx formado en el proceso de combustión a través de reactores con catalizadores selectivos (SCR), que lo destruyan antes que los productos de la combustión sean expulsados por la chimenea. Estos dispositivos eliminan el NOx mediante la inyección de amoíaco y un catalizador para obtener N2 y agua, logrando emisiones de NOx de solo 9 pppm. En un próximo artículo analizaremos con mayor detalle como funcionan y cuales son los requisitos, para poder utilizar catalizadores para abatir las emisiones de NOx en calderas. Arnulfo Oelker Behn THERMAL ENGINEERING LTDA.