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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Sección de Estudios de Posgrado e Investigación Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada ESTUDIO DE LA FORMACION DE NOx EN GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA OPCIÓN ENERGETICA P R E S E N T A M. en C. GUILLERMO JARQUIN LÓPEZ D I R E C T O R D E T E S I S DR. GEORGIY POLUPAN MEXICO D.F. AGOSTO DEL 006

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4 SEPI-ESIME ZACATENCO RESUMEN RESUMEN En este trabajo se propone una metodología para la determinación de óxidos de nitrógeno (NOx) en generadores de vapor que queman combustoleo y gas natural. La metodología se basa en cuatro parámetros principales del proceso de combustión en la zona de combustión activa (ZCA) del horno. Estos parámetros son los siguientes: coeficiente de exceso de aire en ZCA, temperatura promedio de la ZCA, flujo de calor reflejado en la ZCA y el tiempo de residencia de los gases en la ZCA. Como herramienta de aplicación de esta metodología se propone un software denominado NOX AD el cual calcula los cuatro parámetros y la concentración de NOx para diferentes métodos operacionales a fin de obtener una reducción máxima. Este software depende de los resultados del software COMBUST (volúmenes de aire y de los productos de la combustión y entalpías para ambos combustibles). El ejemplo de aplicación se desarrolla para un generador de vapor de 350 ton/h de vapor (80MW) de la marca Combustión Engineering, el cual está equipado con quemadores tangenciales y actualmente opera en la planta termoeléctrica Ing. Jorge Luque en el Estado de México. El combustoleo estudiado tiene una composición en porcentaje másico de: C=84.9 %, S=3.8%, N=0.4%, H=10.8%, O=0.0% y W=0.0% y el gas natural tiene una composición en porcentaje en volumen de: CH %, C H 6-7.1%, C 3 H %. Los métodos disminución de NOx investigados con el software NOX AD son los siguientes: recirculación de los gases, lugar de entrada de gases recirculados, inyección de agua, combustión a dos etapas y combinación de métodos. La determinación de los cuatro parámetros principales y la concentración de NOx correspondientes a cada método de disminución se realizaron a las siguientes cargas: 45%, 67%, 87% y 100%. Los porcentajes de recirculación e inyección de agua fueron: 0%, 5%, 10% y 15%. El software NOX AD presenta gráficas que muestran el comportamiento de la formación de NOx para cada método de disminución. Los resultados obtenidos muestran que la reducción máxima de NOx sucede cuando se aplica la combinación de métodos de disminución. VIII

5 SEPI-ESIME ZACATENCO ABSTRACT ABSTRACT In this work there was developed a methodology to determine nitrogen oxides emissions (NOx) in steam generators that burn both fuel oil and natural gas. The proposed methodology is based on four main parameters related to combustion process in the furnace active burning zone (ABZ). Such parameters are the following ones: air excess coefficient in ABZ, average temperature in ABZ, reflected heat in ABZ and the residence time of combustion products in ABZ. As a tool to apply this methodology, there was a specially designed software which was named NOX AD. It can calculate the four parameters above as well as the NOx concentration for different operational methods to get a maximized reduction. This software depends on the results of the COMBUST software (air volumes and combustion products as well as enthalpies for both fuels). The methodology was applied in a 350-ton/h (80MW) steam generator manufactured by Combustion Engineering, which is equipped with tangential burners and is currently working in the thermoelectric plant Ing. Jorge Luque located in the State of Mexico. The fuel oil used has a mass percentage composition of C=84.9%, S=3.8%, N=0.4%, H=10.8%, O=0.0% and W=0.0%. The natural gas has a volume percentage composition of CH 4 = 91.97%, C H 6 = 7.1% and C 3 H 8 = 0.91%. Different methods of NOx decrease were researched by using NOX AD software: gases recirculation, entrance place of gases, water injection in the ABZ, combustion at two stages and combinations of methods. The determining of the four main parameters and the NOx concentration that corresponded to each diminishing method were made under the following loads: 45%, 67%, 87% and 100%. The recirculation and water injection percentages were: 0%, 5%, 10% and 15%. The NOX AD software displays graphics that show the NOx formation behavior for each diminishing method. The results shows the maximized NOx reduction when combinations of methods is applied. IX

6 SEPI-ESIME ZACATENCO AGRADECIMIENTOS AGRADECIMIENTOS A la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME- IPN ZACATENCO por la formación Profesional que me brindó. Al Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación por brindarme la oportunidad de estudiar el doctorado. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por brindarme apoyo económico durante la realización de mis estudios. A los directores de la ESIME CULHUACAN Dr. Miguel Toledo Velázquez e Ing. Fermín Valencia Figueroa por proponerme para realizar los estudios de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica en la SEPI-ESIMEZ IPN. Al Comité de Prestaciones a Becarios (COTEPABE), mi más sincero agradecimiento por la autorización de las licencias para realizar mis estudios de doctorado. A mi director de tesis doctoral Mi más sincero agradecimiento al Dr. Georgiy Polupan no sólo por su asesoría en este trabajo de investigación, sino también por haberme enseñado el camino de la investigación. Agradezco también su paciencia y apoyo durante la realización de este trabajo. Por su calidad humana y por su amistad. Muchas Gracias. Al Comité Doctoral ya que gracias a sus comentarios se logro obtener un trabajo de calidad. DR. MIGUEL TOLEDO VELAZQUEZ DR. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA DR. GEORGIY POLUPAN DR. PEDRO QUINTO DIEZ DR. ROBERTO LIMAS BALLESTEROS DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

7 SEPI-ESIME ZACATENCO AGRADECIMIENTOS Al Dr. FLORENCIO SANCHEZ SILVA, por su disposición y por sus comentarios para mejorar la realización de este trabajo. Al Dr. PEDRO QUINTO DIEZ, por sus valiosas observaciones y por su exigencia para la culminación del presente trabajo de investigación. Al Dr. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL, por sus atenciones, sus comentarios y su apoyo durante el desarrollo del trabajo de investigación. Al Dr. ROBERTO LIMAS BALLESTEROS, por su disposición para señalar sus observaciones y comentarios durante la realización de la investigación. Un reconocimiento especial al Dr. MIGUEL TOLEDO VELÁZQUEZ por su confianza y su gran apoyo para la realización y culminación de mis estudios de doctorado. Al M. EN C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA, por sus comentarios y las facilidades brindadas para el desarrollo de este trabajo. Al M. EN C. JOSE HERNANDEZ RODRIGUEZ, por su amistad y comentarios para realizar este trabajo. A todos mis maestros de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación por su contribución en mi formación profesional. Por inculcarnos amor hacia el trabajo y gran sentido de responsabilidad. A todos mis compañeros de maestría y doctorado por el buen compañerismo que compartimos durante mi estancia en el LABINTHAP. A los integrantes de la comunidad de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Culhuacan que me apoyaron para la terminación de esta tesis doctoral. GRACIAS

8 SEPI-ESIME ZACATENCO DEDICATORIAS DEDICATORIAS A MIS PADRES: ENRIQUE JARQUIN FRANCO ELISEA LOPEZ PEREZ Por inculcarme la disciplina y la responsabilidad en el trabajo. Además, por ser mis guías en la vida. A MIS HERMANOS: RAFAELA, SERVANDO ELENA, ROSELIA SALUSTIA, ALICIA ABEL Y OSVELIA Que gracias a su afecto y cariño que me han brindado, he logrado una meta más de mi vida. A LA C. MAGDALENA REYES GARCIA: Por apoyarme como responsable ante la ESIME-IPN - CULHUACAN durante la realización de mis estudios. AL LIC. JOSE RAUL PEÑA SANDOVAL: Por su disposición y amabilidad que me brindó siempre para tramitar las licencias ante el COTEPABE.

9 SEPI-ESIME ZACATENCO CONTENIDO INDICE GENERAL DESCRIPCION LISTA DE FIGURAS Y TABLAS NOMENCLATURA RESUMEN ABSTRACT INTRODUCCION PAG I IV VIII IX X CAPITULO I MARCO TEORICO DEL ESTUDIO DE LA FORMACION DE NOX EN GENERADORES DE VAPOR 1.1 GENERALIDADES 1. CLASIFICACION DE LOS METODOS DE CONTROL DE LA FORMACION DE NOx 1..1 Control antes de la combustión 1.. Control durante la combustión Control durante la postcombustion METODOS DE CONTROL DE NOx ANALIZADOS EN 3 LA TESIS Recirculación de los gases Inyección de agua en el horno Bajo exceso de aire Combustión a dos etapas Combinación de métodos de disminución NORMATIVIDAD DE EMISIONES CONTAMINANTES APORTACIONES 9 CAPITULO II ESTUDIO NUMERICO DE LA FORMACION DE NO X Y SO X EN EQUILIBRIO QUIMICO.1 INTRODUCCION 11. METODOLOGIA DE CALCULO DE NOx PROPUESTO 11 POR C. OLIKARA Y G. BORMAN.3 METODOLOGIA DE CALCULO DE NOx PROPUESTO 1 EN ESTE TRABAJO.3.1 Balances de conservación de átomos Constantes de equilibrio Reducción en el número de ecuaciones Valores iniciales de las fracciones molares χ 4, χ 6, χ 8 y χ 11 19

10 SEPI-ESIME ZACATENCO CONTENIDO.3.5 Derivadas parciales de las fracciones molares Entalpía y energía interna.3.7 Primera ley de la termodinámica Solución numérica de la primera ley de la termodinámica 4.4 MODIFICACION DE LA METODOLOGIA DE CALCULO DE NOx DE C. OLIKARA Y G. BORMAN 5 PARA ESTUDIAR SOx.13 SOFTWARE FLAME AD 5 CAPITULO III METODOLOGIA PARA EL CALCULO DE NO X EN GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL 3.1 INTRODUCCION A LA METODOLOGIA 7 3. CONSIDERACIONES PARA EL CALCULO DE LA 7 CONCENTRACION DE NOX 3.3 ETAPAS DE LA METODOLOGIA Obtención de datos Coeficiente de absortividad promedio de la ZCA Flujos de calor Capacidades caloríficas de los flujos Temperatura promedio de los gases en la ZCA Flujo de calor reflejado en la ZCA Tiempo de residencia de los gases en la ZCA Coeficiente de exceso de aire en la ZCA Concentración de óxidos de nitrógeno NOx 39 CAPITULO IV DESARROLLO DEL SOFTWARE NOX AD Y EJEMPLO DE APLICACIÓN 4.1 DESCRIPCION DEL SOFTWARE NOX AD Interfaz Nox Ad Interfaz Nox Ad Gas Natural Interfaz Datos de entrada para Gas Natural Interfaz Resultados Interfaz Grafica de Nox para Gas Natural FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE DIAGRAMA DE FLUJO DEL SOFTWARE EJEMPLO DE APLICACIÓN Características del generador de vapor estudiado Datos de entrada del software NOX AD para gas natural y 57 combustoleo Operación a cargas parciales 58

11 SEPI-ESIME ZACATENCO CONTENIDO Resultados de concentración de NOx sin métodos de 58 disminución 4.5 CALCULO DE LA EFICIENCIA TERMICA PARA METODOS DE DISMINUCION DE NOx Perdidas por los gases de escape, vapor para la atomización del combustible y de agua adicional DISMINUCION DE EFICIENCIA TERMICA Recirculación de los gases Inyección de agua en el horno Combustión a dos etapas CALCULO ECONOMICO PARA LA RECIRCULACION DE GASES 63 CAPITULO V ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.1 RESULTADOS Y DISCUSION RECIRCULACION DE LOS GASES DIFERENTES LUGARES DE INTRODUCCION DE LOS GASES DE RECIRCULACIÓN INYECCIÓN DE AGUA EN EL HORNO DEL GENERADOR DE VAPOR COMBINACIÓN DE MÉTODOS: GASES DE RECIRCULACIÓN, INYECCIÓN DE AGUA Y BAJO EXCESO DE AIRE DOS ETAPAS DE COMBUSTIÓN EN EL HORNO DEL GENERADOR DE VAPOR COMBINACIÓN DE MÉTODOS DE DISMINUCIÓN DE NOx COMPARACION DE RESULTADOS DE FORMACION DE NOx 80 CONCLUSIONES 8 RECOMENDACIONES 84 REFERENCIAS 85 APENDICE A PARAMETROS DE COMBUSTION: COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL APENDICE B NOx Y SOx EN EQUILIBRIO QUIMICO Y CODIFICACION FLAME AD APENDICE C VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LA FORMACION DE NOX, GRADO DE QUEMADO DE LOS COMBUSTIBLES, FACTOR DE FORMA Y GEOMETRIAS DE HORNOS APENDICE D MANUAL DE USUARIO Y CODIFICACION DEL SOFTWARE NOX_AD

12 SEPI-ESIME ZACATENCO LISTA DE FIGURAS Y TABLAS LISTA DE FIGURAS Y TABLAS FIGURAS FIGURA DESCRIPCION PAG..1 Cámara de combustión: reactivos y productos 13. Volumen de control para flujo estacionario Dimensiones de la ZCA para diferentes casos de combustión Estructura general del software 4 4. Interfaz Nox Ad Interfaz Nox Ad Gas Natural Interfaz Datos de entrada para Gas Natural Interfaz Resultados Interfaz Grafica de Nox para Gas Natural Diagrama de flujo general del cálculo de la concentración de NOx Generador de vapor de 350 ton/h Vista lateral del generador de vapor de 350 ton/h Arreglo de quemadores tangenciales en el generador de vapor de 350 ton/h Zona de combustion activa a) Gas natural; b) Combustoleo Detalle de quemadores utilizados por el generador de vapor (cotas en mm) Flujos de calor en el horno de un generador de vapor Formación de NOx dependiendo de la carga a diferentes porcentajes de recirculación para gas natural 67 Formación de NOx dependiendo de la carga a diferentes porcentajes de recirculación para 5. combustoleo Formación de NOx dependiendo del lugar de introducción de los gases de recirculación para gas natural Formación de NOx dependiendo del lugar de introducción de los gases de recirculación para combustoleo Formación de NOx dependiendo de la carga a diferentes porcentajes de agua inyectada en el horno para gas natural 7 I

13 SEPI-ESIME ZACATENCO LISTA DE FIGURAS Y TABLAS FIGURA DESCRIPCION PAG Formación de NOx dependiendo de la carga a diferentes porcentajes de agua inyectada en el horno para combustoleo 7 Formación de NOx sin métodos de disminución y con la combinación: recirculación de gases, inyección de agua y bajo exceso de aire para gas natural 74 Formación de NOx sin métodos de disminución y con la combinación: recirculación de gases, inyección de agua y bajo exceso de aire para combustoleo 74 Formación de NOx dependiendo de la carga y dos etapas de combustión para gas natural 77 Formación de NOx dependiendo de la carga y dos etapas de combustión para combustoleo 77 Combinación de métodos de disminución de NOx: Convencional, con inyección de agua y bajo exceso de aire y con dos etapas de combustión para gas natural 79 Combinación de métodos de disminución de NOx: Convencional, con inyección de agua y bajo exceso de aire y con dos etapas de combustión para combustoleo 79 Comportamiento de la formación de NOx en dependencia de la capacidad del generador de vapor A.1 Interfaz principal Combust 9 A. Interfaz entrada de datos combustoleo 9 A.3 Interfaz volúmenes de los productos de combustión 93 A.4 Interfaz Entalpías para combustoleo alfa= B.1 Interfaz FLAME AD 96 B. Interfaz CONTROLES FLAME AD 97 B.3 Interfaz MENU DE PROCESOS 98 B.4 Interfaz ENTRADA DE DATOS G 98 B.5 Interfaz TEMPERATURA ADIABATICA G 99 Interfaz GRAFICA DE TEMPERATURA B.6 ADIABATICA 99 B.7 Interfaz GRAFICA DE NOx Y SOx 100 C.1 Distribución de los tubos en el horno (curva 4 para el caso de estudio). 114 II

14 SEPI-ESIME ZACATENCO LISTA DE FIGURAS Y TABLAS TABLAS TABLA DESCRIPCION PAG. 1.1 Limites máximos permisibles de emisiones contaminantes 8.1 Resultados de las propiedades termodinámicas y concentración de NOx en equilibrio de los productos de la combustión para gas natural Características del generador de vapor Datos de entrada del software NOx AD Consumo de combustible a cargas parciales Resultados de concentración de NOx sin ningún método de disminución Resultados de formación de NOx al variar la cantidad de gases de recirculación en el horno para gas natural y combustoleo Resultados de concentración de NOx al variar el lugar de introducción de los gases de escape Resultados de formación de NOx dependiendo de la carga y del porcentaje de agua inyectada en el horno para gas natural y combustoleo Formación de NOx con y sin combinación de métodos de disminución Resultados de combustión a dos etapas para gas natural y combustoleo Resultados de la combinación de métodos de disminución de NOx Formación y reducción de NOx en generadores de vapor con combustibles mexicanos Mediciones experimentales de formación de NOx para gas natural en el generador de vapor de 350 ton/h y resultados obtenidos mediante el software NOx AD 81 A.1 Composición másica del combustoleo 90 A. Composición volumétrica del gas natural 94 C.1 Variables que intervienen en la formación de NOx en generadores de vapor: caso Generador de vapor de 350 ton/h quemando gas natural a una carga de 100% 111 C. Grado de quemado para gas natural y combustoleo en función del coeficiente de exceso de aire 113 C.3 Principales características de diseño de los generadores de vapor 115 III

15 SEPI-ESIME ZACATENCO NOMENCLATURA NOMENCLATURA Símbolo Descripción Unidades S.I. A Área m f Coeficientes de la matriz jacobiana - i Ai, j = χ j a Profundidad del horno m B Consumo de combustible 3 m / s ó kg / s b Ancho del horno m C Concentración de óxidos de nitrógeno ppm C Capacidad calorífica 3 0 c MJ / m C c Calor especifico a presión constante KJ / Kg p d Diámetro de tubos m e Energía especifica KJ / Kg L Altura m F Factor de forma de paredes del horno - f i Función no lineal de las fracciones molares - g Fracción de agua inyectada a la ZCA - h Entalpía especifica de los gases de combustión kj / kg ó 3 kj / m h Entalpía por mol de los productos i KJ / Kg i j Numero de átomos de azufre - K p Constantes de equilibrio a presiones parciales - k Número de átomos de nitrógeno del combustible - kt Coeficiente de temperatura - l Número de átomos de oxígeno del combustible - M Peso molecular de la mezcla kg / kmol m Número de átomos de hidrógeno del combustible - m Flujo másico Kg / s n Factor empírico que depende del lugar donde se - ingresan los gases de recirculación NO Óxidos de nitrógeno ppm P Presión total Pa P Presiones parciales de los productos i Pa i IV

16 SEPI-ESIME ZACATENCO NOMENCLATURA Símbolo Descripción Unidades S.I. PCI Poder calorífico inferior del combustible 3 kj / m ó kj / kg 3 Q Calor sensible del combustible inyectado en la ZCA comb MJ / m 3 Q Calor introducido a la ZCA por aire caliente aire MJ / m 3 Q Calor introducido a la ZCA por gases de recirculación rec MJ / m 3 Q Calor introducido a la ZCA por agua inyectada o vapor h MJ / m q Flujo de calor MW / m r Fracción de gases de recirculación - R Constante específica de los gases KJ / kg K R Constante universal de los gases KJ / kmol K r 1 u Constante que depende de la cantidad de átomos de nitrógeno y oxígeno r Constante que depende de la cantidad de argón - r Constante que depende de la cantidad de átomos de - 3 carbono y dióxido de carbono r Constante que depende de la cantidad de átomos de - 4 carbono en combustible y agua s Distancia entre centros de tubos m T Temperatura K χ Derivadas de las fracciones molares con respecto a las i T i, j = χ cuatro incógnitas j u Energía interna kg kj / v Volumen especifico 3 m 3 m 3 m kg v Volumen teórico del aire m m m kg χ 1 Fracción molar de hidrógeno monoatómico ( ) χ Fracción molar de oxígeno monoatómico ( O ) - χ 3 Fracción molar de nitrógeno monoatómico ( N ) - χ Fracción molar de hidrógeno 4 ( H ) - χ 5 Fracción molar de hidroxilo ( OH ) - χ 6 Fracción molar de monóxido de carbono ( CO ) - NO - χ Fracción molar de monóxido de nitrógeno ( ) 7 χ Fracción molar de oxígeno ( ) 8 χ Fracción molar de vapor de agua ( O) 9 H - O - H - - V

17 SEPI-ESIME ZACATENCO NOMENCLATURA Símbolo Descripción Unidades S.I. χ Fracción molar de bióxido de carbono 10 ( ) χ Fracción molar de nitrógeno 11 ( N ) - χ 1 Fracción molar de argón en los productos ( AR ) - χ Cantidad de combustible para formar un mol de Kmol 13 productos CO - Subíndices abs Absorbido ad Adiabática comb Combustoleo combust Combustible esteq Estequiomètrica gas. nat Gas natural gs Gases secos gh Gases húmedos i Superficie en la ZCA NOx Óxidos de Nitrógeno Pared frontal p. f. Pared posterior p. p. Paredes laterales p.l. prod Productos quem Quemador r Formación de Reactantes rap Rápidos react Reactivos rec, g Gases de recirculaciòn y agua T Total term Térmicos ZCA En la zona de combustión activa Distancia geométrica de la ZCA GZCA VI

18 SEPI-ESIME ZACATENCO NOMENCLATURA Símbolo Descripción Unidades S.I. Superíndices 0 Teórico refl Reflejado Promedio ' Combustión incompleta Cantidad molar LETRAS GRIEGAS Φ Relación de equivalencia de combustible-aire - α Coeficiente de exceso de aire - α Coeficiente de exceso de aire en la zona de combustión - ZCA activa α Coeficiente de exceso de aire de los gases de rec recirculación τ ZCA Tiempo de residencia de los gases en la ZCA s β Grado de quemado del combustible - ψ Coeficiente de absortividad promedio de las - ZCA superficies de la ZCA ψ i Coeficiente de absortividad térmica de las superficies en la ZCA ξ Factor de llenado de la ZCA por los productos de la - combustión. ε Relación de la cantidad de oxígeno por cantidad de kmol / kmol combustible η Eficiencia térmica ϑ Coeficiente estequiometrico - ζ Coeficiente de contaminación de las paredes de agua VII

19 SEPI-ESIME ZACATENCO RESUMEN RESUMEN En este trabajo se propone una metodología para la determinación de óxidos de nitrógeno (NOx) en generadores de vapor que queman combustoleo y gas natural. La metodología se basa en cuatro parámetros principales del proceso de combustión en la zona de combustión activa (ZCA) del horno. Estos parámetros son los siguientes: coeficiente de exceso de aire en ZCA, temperatura promedio de la ZCA, flujo de calor reflejado en la ZCA y el tiempo de residencia de los gases en la ZCA. Como herramienta de aplicación de esta metodología se propone un software denominado NOX AD el cual calcula los cuatro parámetros y la concentración de NOx para diferentes métodos operacionales a fin de obtener una reducción máxima. Este software depende de los resultados del software COMBUST (volúmenes de aire y de los productos de la combustión y entalpías para ambos combustibles). El ejemplo de aplicación se desarrolla para un generador de vapor de 350 ton/h de vapor (80MW) de la marca Combustión Engineering, el cual está equipado con quemadores tangenciales y actualmente opera en la planta termoeléctrica Ing. Jorge Luque en el Estado de México. El combustoleo estudiado tiene una composición en porcentaje másico de: C=84.9 %, S=3.8%, N=0.4%, H=10.8%, O=0.0% y W=0.0% y el gas natural tiene una composición en porcentaje en volumen de: CH %, C H 6-7.1%, C 3 H %. Los métodos disminución de NOx investigados con el software NOX AD son los siguientes: recirculación de los gases, lugar de entrada de gases recirculados, inyección de agua, combustión a dos etapas y combinación de métodos. La determinación de los cuatro parámetros principales y la concentración de NOx correspondientes a cada método de disminución se realizaron a las siguientes cargas: 45%, 67%, 87% y 100%. Los porcentajes de recirculación e inyección de agua fueron: 0%, 5%, 10% y 15%. El software NOX AD presenta gráficas que muestran el comportamiento de la formación de NOx para cada método de disminución. Los resultados obtenidos muestran que la reducción máxima de NOx sucede cuando se aplica la combinación de métodos de disminución. VIII

20 SEPI-ESIME ZACATENCO ABSTRACT ABSTRACT In this work there was developed a methodology to determine nitrogen oxides emissions (NOx) in steam generators that burn both fuel oil and natural gas. The proposed methodology is based on four main parameters related to combustion process in the furnace active burning zone (ABZ). Such parameters are the following ones: air excess coefficient in ABZ, average temperature in ABZ, reflected heat in ABZ and the residence time of combustion products in ABZ. As a tool to apply this methodology, there was a specially designed software which was named NOX AD. It can calculate the four parameters above as well as the NOx concentration for different operational methods to get a maximized reduction. This software depends on the results of the COMBUST software (air volumes and combustion products as well as enthalpies for both fuels). The methodology was applied in a 350-ton/h (80MW) steam generator manufactured by Combustion Engineering, which is equipped with tangential burners and is currently working in the thermoelectric plant Ing. Jorge Luque located in the State of Mexico. The fuel oil used has a mass percentage composition of C=84.9%, S=3.8%, N=0.4%, H=10.8%, O=0.0% and W=0.0%. The natural gas has a volume percentage composition of CH 4 = 91.97%, C H 6 = 7.1% and C 3 H 8 = 0.91%. Different methods of NOx decrease were researched by using NOX AD software: gases recirculation, entrance place of gases, water injection in the ABZ, combustion at two stages and combinations of methods. The determining of the four main parameters and the NOx concentration that corresponded to each diminishing method were made under the following loads: 45%, 67%, 87% and 100%. The recirculation and water injection percentages were: 0%, 5%, 10% and 15%. The NOX AD software displays graphics that show the NOx formation behavior for each diminishing method. The results shows the maximized NOx reduction when combinations of methods is applied. IX

21 SEPI-ESIME ZACATENCO INTRODUCCION INTRODUCCION La aplicación de los métodos de disminución de óxidos de nitrógeno (NOx) para cumplir con la normatividad vigente es un tema de actualidad nacional e internacional. En México las principales compañías que tienen en explotación los generadores de vapor son: Petróleos Mexicanos (PEMEX), Luz y fuerza del Centro (LyFC) y Comisión Federal de Electricidad (CFE). Las investigaciones sobre la formación de NOx en México son realizados por: La Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el Instituto de Investigaciones Eléctricas de Morelos, el grupo de Combustión de Veracruz, el Instituto Mexicano del Petróleo de México D.F. principalmente. La formación de óxidos de nitrógeno en los generadores de vapor ocurre debido a la oxidación de nitrógeno contenido en el aire y/o en el combustible sometido a altas temperaturas. Los óxidos de nitrógeno (NO x ) formados en los hornos de generadores de vapor, representan la suma de monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO ). De acuerdo a J. Warnatz, 001 [10] existen tres mecanismos de formación de NOx y son los siguientes: térmicos (NO term ), rápidos (NO rapidos ) y de combustible (NO combustible ). En conjunto se les ha designado como NOx. La contaminación del aire por NOx ha sido causa de numerosos problemas de salud incluyendo asma y cáncer de acuerdo a Yunus A. Cengel, 00 [19]. Los NOx se generan en el campo de altas temperaturas llamada zona de combustión activa (ZCA), superiores a 1800 K, Sigal, 1983 [4]. Roslyakov, 1993 a 1997 [37, 36, 39] señala que la formación de NOx en los generadores de vapor está determinada principalmente por cuatro parámetros: el coeficiente de exceso de aire (α ZCA ), la temperatura promedio en la refl ZCA ( T ZCA), flujo de calor reflejado en la ZCA ( q ZCA ) y el tiempo de residencia de los gases en la ZCA (τ ZCA ). El fundamento de los métodos de disminución es influir sobre los parámetros que determinan la formación de NOx. El comportamiento de estos parámetros sobre la formación de NOx se muestra en las figuras 1, y 3. Figura 1. Comportamiento del exceso de aire en la ZCA contra la formación de NO. a) 1-NO rap, -NO comb, 3-NO term. b) 1-Emisión de NOx para gas natural, - Emisión de NOx para combustoleo. X

22 SEPI-ESIME ZACATENCO INTRODUCCION Figura. Comportamiento de la formación de NOx contra el flujo de calor en la ZCA. Zona 1 - τ ZCA <0.4 seg; zona - τ ZCA = seg; τ ZCA >0.8 seg. Figura 3. Comportamiento de la formación de NOx contra el tiempo de residencia de los gases en la ZCA. 1- q ZCA = MW/m; - q ZCA = MW/m; 3- q ZCA = MW/m; 4- q ZCA = MW/m La revisión de literatura menciona que la temperatura en la zona de combustión influye de manera exponencial sobre la formación de NOx, Muzio L. J., 1997 [30]. Las investigaciones teóricas y experimentales de Roslyakov, 1991 [41] y Vasilev, 1986 [43] han mostrado que el aumento de la temperatura en dicha zona causa un aumento exponencial de la concentración de NO x. Para alcanzar la concentración de equilibrio de NOx, en un rango de temperaturas de 1800 a 1900 K en generadores de vapor de acuerdo a Chgun Bey, 199 [0] oscila entre 4 a 0 segundos. En los hornos de los generadores de vapor, el tiempo de residencia de los gases en la ZCA es menor de acuerdo a Roslyakov, 000 [37]. El incremento en el tiempo de residencia de los productos de la combustión en la ZCA es directamente proporcional a la formación de NOx de acuerdo a Roslyakov y Egorova, 1996, ver figura 1 [40]. XI

23 SEPI-ESIME ZACATENCO INTRODUCCION Para la presente investigación se ha elegido un generador de vapor de 80 MW de la marca Combustion Engineering, con una capacidad de 350 t/h. Este generador de vapor es de la compañía de Luz y Fuerza del Centro de México. El combustible usado puede ser gas natural y/o combustoleo. El combustible se introduce a los quemadores tangenciales localizados en las esquinas del horno en tres niveles para ambos combustibles. De acuerdo a Macías Guzmán, 004 [48] la planta termoeléctrica Jorge Luque, solamente quema gas natural a partir de Sin embargo, se realiza el cálculo de la concentración de NOx al quemar combustoleo para analizar posibilidades de aplicación. El generador de vapor está equipado con un sistema de recirculación de gases, que los extrae después del precalentador de aire y son inyectados en conducto de aire caliente antes de llegar a los quemadores. Este generador de vapor normalmente opera con 10 % de gases de recirculación de acuerdo a los datos de la planta termoeléctrica [1]. El aire antes de introducirse en los quemadores es calentado en un precalentador de aire regenerativo, donde el exceso de aire tiene un valor de 16% debido a las filtraciones de aire. En este trabajo doctoral se propone una metodología basada en los cuatro parámetros propuesto por Roslyakov, 1997 [39]. La diferencia radica en reemplazar la ecuación de la temperatura promedio de Roslyakov (depende de temperatura adiabática de combustión incompleta y coeficiente de absortividad de paredes del horno) por la ecuación de Lipov, 1991 [1] ya que considera dos variables adicionales a las variables de Roslyakov (cantidad de gases de recirculación r y lugar de introducción de gases n ). Lo cual permite analizar mayor cantidad de posibilidades de métodos de disminución de NOx en generadores de vapor. El objetivo de la metodología es encontrar una máxima reducción de la formación de NOx cuando se queman combustoleo y/o gas natural bajo las condiciones reales de operación del generador de vapor de 80 MW. Como resultado se ha desarrollado software el software NOx AD, el cual depende en sus datos de entrada del software COMBUST (parámetros de combustión). En forma general la tesis cuenta con cinco capítulos, el contenido de cada uno de ellos se describe a continuación: El capítulo uno se presenta una breve descripción de los métodos de control de la formación de NOx en generadores de vapor. Se describen los métodos de control de NOx durante la combustión, los cuales son estudiados en la tesis, y son los siguientes: recirculación de los gases, inyección de agua en el horno, bajo exceso de aire, combustión a dos etapas y la combinación de métodos. Para concluir el capitulo se trata la normatividad de emisiones contaminantes y limites permisibles de norma vigente en cuanto a NOx y SOx para el generador de vapor de 80 MW. En el capítulo dos se realiza un estudio de la formación de NOx y SOx en equilibrio químico. Las ecuaciones de la metodología desarrollado por C. Olikara Y G. Borman 000 [35] se ha modificado para estudiar la formación de NOx en equilibrio con un aire mas real. A esta metodología se modifica por segunda vez, para estudiar la formación de SOx. Como resultado se presenta el software FLAME AD en Visual Basic 6.0, que sirve para determinar la formación de SOx y NOx en equilibrio químico. Este capitulo es un estudio adicional al estudio de la formación de NOx con polinomios experimentales que se XII

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