Modelo de estimación de emisiones producidas por centrales termo-eléctricas

Transcripción

1 Modelo de estimación de emisiones producidas por centrales termo-eléctricas José Ignacio Huertas, ME, MSc, DSc Diego Moreno Moctezuma, MtE, MSc Mauricio Carmona García, ME, MSc 1

2 Motivación Típicamente la autoridad ambiental mexicana exige de 1 a 4 puntos de monitoreo de calidad del aire Alto costo de adquisición y mantenimiento de estaciones de monitoreo La CFE busca nuevas estrategias para cumplir con las regulaciones con el mínimo número de estaciones de calidad del aire.

3 Implementación del modelo en centrales termoeléctricas 3

4 Implementación de CIMAPUFF Modelo de dispersión de contaminantes atmosféricos - CIMAPUFF Central Termoelectrica Guadalupe Victoria Lerdo, Durango Centro de Investigación en Ingeniería Automotríz -CIMA Tecnologico de Monterrey, Campus Toluca Tipo de modelo a usar para estimar emisiones en la chimenea Unidades Modelos de estimación de emisiones Medición de emisiones Consumo de combustible Valores típicos Emisiones arbitrarias Fuera de servicio Factores de emisión 1 Emisiones arbi Emisiones arbitrarias Valores típicos Valores típicos 4

5 Implementación en centrales termoeléctricas Complejo termoeléctrico Adolfo Lopez Mateus Zona costera, 8 unidades,. GW Central termoeléctrica Guadalupe Victoria Zona continental, unidades, 0.3 GW Central carbo-electrica Rio Escondido Zonal continental, 4 unidades, 1. GW Central carbo-electrica Carbón II Zonal continental, 4 unidades, 1. GW Ver video 5

6 Necesidad Se requiere de un modulo de emisiones que provea la siguiente información en forma horaria. Emisión de NO X, SO y PST en unidades de Kg/hr para cada unidad de generación. Velocidad de salida de los productos de combustión en la chimenea en unidades m/s Temperatura de salida de los productos de combustión en la chimenea en unidades C 6

7 Objetivo Desarrollar un modelo de estimación del flujo másico de contaminantes atmosféricos en centrales termoeléctricas a partir de las variables típicamente monitoreadas durante la operación de las centrales termoeléctricas 7

8 Infraestructura disponible en centrales termoeléctricas de la CFE Registro continuo de emisiones de cada uno de los contaminantes en cada unidad de generación Mediciones de emisiones periódicas Contratación de medición de emisiones en forma esporádica. Registro del consumo y composición química del combustible. Monitoreo del porcentaje de exceso de aire en forma continua 8

9 Modelo de emisiones desarrollado Desarrollo de un modulo versátil para estimar la emisión de contaminantes a partir de infraestructura disponible: Mediciones de concentración de contaminantes en la chimenea Consumo de combustible Factores de emisión de la US-EPA 9

10 Emisiones a partir de medicines de concentración de contaminantes en la chimenea 10

11 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Características Alternativa recomendada para estimar emisiones en fuentes puntuales Medición directa de concentración en la salida de la chimenea utilizando procedimientos estándar. Caracterizan el comportamiento de la fuente de emisión bajo las condiciones de operación en el momento de las mediciones Mediciones manuales: Poseen procedimientos con condiciones adversas Se asume que las mediciones realizadas caracterizan el comportamiento de la fuente de emisión mientras las condiciones de operación de la planta permanezcan constantes. 11

12 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Información obtenida por este método: Emisión de contaminantes en términos de concentración en base seca (NO x y SO x [ppm] y PST [ug/m 3 ]) Temperatura en diferentes puntos en el área transversal de la chimenea a la altura de muestreo Velocidad (presión dinámica medida con un tubo de pitot) en diferentes puntos en el área transversal de la chimenea a la altura de muestreo. Adecuaciones para calcular la emisión de contaminantes y variables de interés en formato aceptado por CALPUFF a partir de la información disponible. 1

13 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Conversión de composición másica a volumetría para el combustible: m i = CiM = Ci Y jm j Y j = 1 Donde: m i : masa del componente i M: masa total C i : Fracción másica del componente i Y i : Fracción molar del componente i 13

14 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Ecuación de combustión global: C x H y S z + λk( O N ) A CO 1 + A H O + A 3 N + A 4 O + A CO + 5 A 6 H + A 7 NO + A 8 SO Donde: x,y,z Subíndices obtenidos a partir del análisis de composición química del combustible como Y j λ -1 % de exceso de aire K Coeficiente estequiométrico de la reacción A i Número de moles del producto de combustión i por mol de combustible Es necesario encontrar A i y λ 14

15 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Conservación de especies: ν = ν i ij ij i Donde: ν ij número de átomos j en la especie i en los reactantes ν ij número de átomos j en la especie i en los productos j Átomos C, H, S, O, N i Cada una de especies en la reacción global Mediciones de concentración (C i ) de CO, O, SO y NO x en base seca. X i Ai = A j Donde X i Medida de concentración en base seca de la especie CO, O, SO y NO x A 15

16 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Equilibrio químico K p = Yi P ref P υ '' υ ' i i Donde: K p Constante de equilibrio P Presión de los productos P ref Presión de referencia. Reacción de equilibrio para mediciones: CO H H O + + CO 16

17 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Velocidad de los productos de combustión a la salida de la chimenea: V = K P M R P o T Donde: K Constante de calibración del tubo de Pitot R o Constante universal de los gases T Temperatura de los productos de combustión a la salida de la chimenea M Peso molecular de los productos de combustión P Presión total a la salida de la chimenea. 17

18 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Velocidad de los productos de combustión a la salida de la chimenea: 30.0 V r + 3 ( ) = ar + br + cr d V = 1 φ / 8 V( r ) da = A A φ 0 rv ( r) dr V (m/s) y = x x x R = a 3 b c V = φ + φ + φ d r (m) 18

19 Estimación de emisiones a partir de medición de concentración en chimeneas Flujo másico del contaminante o especie i para SO x y NO x : m i = M i P R º T Y i V π 4 φ Flujo másico de material particulado: m i = [ PM ] V 4 * 10 πφ 6 Donde: m i Flujo de contaminante i en unidades de masa por unidad de tiempo M i Peso molecular del contaminante i [PM]: Medición de concentración de material particulado en unidades mg/m 3 a la salida de la chimenea 19

20 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible 0

21 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible Características Permite estimar la emisión de contaminantes a partir de variables monitoreadas en forma continua en las centrales termoeléctricas de CFE Este modelo se constituye en la segunda alternativa en preferencia para estimar emisiones por cuanto tiene en cuenta las condiciones variables de operación de la central. Esta limitado a la estimación de contaminantes gaseosos. 1

22 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible Flujo másico del contaminante o especie i para SO x y NO x : A i M i m f i m = M f Velocidad: 4m& i V = πφ Yi o R T P M i Los datos utilizados son de la especie mayor CO con el fin de disminuir los errores de redondeo en los cálculos

23 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible Pasos y consideraciones seguidas en el modelo: Convertir la composición química del combustible de base másica a fracción molar. Considerar proceso de combustión reacción Global. C x H y S z + λk( O N ) A CO 1 + A H O + A 3 N + A 4 O + A CO + 5 A 6 H + A NO + 7 A 8 SO Mismas 9 incógnitas con utilización de la reacción de equilibrio: N + O NO CO y H aparecen en concentraciones muy bajas. Generación NO despreciable 3

24 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible Calibración del modelo de estimación de emisiones por consumo de combustible para el caso de SO x : Error en la determinación de concentración de azufre en el combustible Error en el modelo de conversión de S a SO durante el proceso de combustión Error generado por el uso de tecnología de control de emisiones Calibración del modelo de estimación de emisiones por consumo de combustible para el caso de NO x : Error en las especies consideradas en el modelo de estimación de emisiones Error en la temperatura considerada Error generado por el uso de tecnología de control de emisiones 4

25 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible Concentracion de SO en los productos de combustion (ppm) y = x R = concentracion en los productos de combustion (ppm) SO SO SO3 S HS Concentracion de S en el combustible (%) Temperatura (K) Flujo SO medido[kg/s] 1.8 Unidad y = x Flujo SO Calculado Calibración del modelo de estimación de emisiones por consumo de combustible para el caso de SOx: 5

26 Estimación de emisiones a partir del consumo de combustible STANJAN (mol) 800 concentracion productos (mol) 7.00E E E E E-03.00E E E+00 NO NO Emisiones de NOx [ng de NOx/J d[ NO] = K dt G [ N 1 ][ O ] NOx Térmico NOx Combustible T(K) 100 NOx Químico Unidad 3 Temperatura [C] y = x Flujo NO medido [Kg/s] Flujo NO modelo [Kg/s] Calibración del modelo de estimación de emisiones por consumo de combustible para el caso de NOx: 6

27 Estimación de emisiones a partir de los factores de emisión de la US EPA 7

28 Estimación de emisiones a partir de factores de emisión desarrollados por la EPA Características Especifican la cantidad generada de un contaminante dado por unidad de actividad realizada. Obtenidos al promediar múltiples mediciones de la misma actividad bajo diferentes circunstancias de operación Recomendada cuando no se disponen de mediciones que reflejen las condiciones particulares de la fuente de emisión Permite estimar las emisiones SO y NO X y PST E ( ) = E A 1 η f E (kg/hr) = emisión del contaminante A (m 3 /hr) = actividad o consumo de combustible E f (kg/m 3 ) = factor de emisión η (%) =Eficiencia del sistema de reducción de emisiones 8

29 Comparación de resultados 9

30 Condiciones de operación Análisis fisicoquímico de combustóleo utilizado en la campaña de medición. Tomado del informe K331 realizado por LAPEM del análisis No. 77 C del 19 de Julio de 005 Determinaciones fisicoquímicas Norma Equipo de prueba Valor Unidad Cenizas totales ASTM D 48 Mufla Lindberg % peso Carbono como C ASTM D 5373 Leco CNS % peso Hidrógeno como H Balance No aplicable % peso Nitrógeno como N ASTM D 5373 Leco CNS % peso Azufre como S ASTM D 155 Leco CNS % peso Oxígeno como O Balance No aplicable % peso 30

31 Medición de emisiones 31

32 Medición de emisiones 3

33 Comparación de resultados entre modelos de estimación: Caso SOx en el CTPALM Flujo SO Unidad 5 [Kg/s] Flujo SO Unidad 1 [Kg/s] Factores de emisión EPA 0.8 Modelo de predicción 0.6 Mediciones :00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora Factores de emisión EPA 1 Modelo de predicción 0.8 Mediciones :00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora Flujo SO Unidad 6 [Kg/s] Flujo SO Unidad 3 [Kg/s] Factores de emisión EPA 0.8 Modelo de predicción 0.6 Mediciones :00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora Factores de emisión EPA 0.6 Modelo de predicción 0.4 Mediciones :00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora 33

34 Comparación de resultados entre modelos de estimación: Caso NOx en el CTPALM Flujo NO Unidad 1 [Kg/s] Configuración tangencial Factores de emisión EPA Modelo de combustión Mediciones Flujo NO Unidad 3 [Kg/s] Configuración tangencial Factores de emisión EPA Modelo de combustión Mediciones 0 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora :00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora Flujo NO Unidad 5 [Kg/s] Configuración tangencial Factores de emisión EPA Modelo de combustión Mediciones Flujo NO Unidad 6 [Kg/s] Configuración tangencial Factores de emisión EPA Modelo de combustión Mediciones 0 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora 0 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 1:00 0:00 Hora 34

35 Conclusiones 35

36 Conclusiones Se propusieron modelos alternativos para estimar la emisión másica de emisión de contaminantes atmosféricos a partir de las variables que típicamente se monitorean en la operación de centrales termoeléctricas El modelo fue calibrado para el caso de SOx y NOx Se comparó el modelo propuesto con datos experimentales y se encontró alta correlación. Los valores obtenidos usando factores de emisión fueron comparados contra los medidos y se encontró que estos requieren ser ajustados para tener en cuenta las condiciones particulares de las centrales termo eléctricas. 36