SISTEMAS DE REDUCCIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO: COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN DE PROCESOS

SISTEMAS DE REDUCCIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO: COMPARACIÓN Y EVALUACIÓN DE PROCESOS Ponente: Fernando Sánchez Santafé

Directiva 2000/76/CE relativa a la incineración de residuos. ANEXO 5: Valores límite de emisión a la atmósfera. a) Valores medios diarios. Monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2), expresado como dióxido de nitrógeno, para instalaciones de incineración existentes de capacidad nominal superior a 6 toneladas por hora o para instalaciones de incineración nuevas. 200 mg/m 3 (*) Monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2), expresado como dióxido 400 mg/m 3 (*) de nitrógeno, para instalaciones de incineración ya existentes de capacidad nominal no superior a 6 toneladas por hora. (*) Hasta el 1 de enero de 2007 y sin perjuicio de lo dispuesto en la legislación comunitaria pertinente, el valor límite de emisión para el NO 2 no se aplicará a las instalaciones que solamente incineren residuos peligrosos. La autoridad competente podrá autorizar exenciones respecto del NO X para instalaciones de incineración existentes: - de capacidad nominal no superior a 6 toneladas por hora, siempre y cuando la autorización establezca unos valores medios diarios no superiores a 500 mg/m 3 y ello hasta el 1 de enero de 2008, - de capacidad nominal superior a 6 toneladas por hora pero no superior a 16 toneladas por hora, siempre y cuando la autorización establezca unos valores medios diarios no superiores a 400 mg/m 3 y ello hasta el 1 de enero de 2010, - de capacidad nominal superior a 16 toneladas por hora pero inferior a 25 toneladas por hora y que no produzcan vertidos de aguas, siempre y cuando la autorización establezca unos valores medios diarios no superiores a 400 mg/m 3 y ello hasta el 1 de enero de 2008. Hasta el 1 de enero de 2008, la autoridad competente podrá autorizar exenciones respecto de las partículas para instalaciones de incineración existentes, siempre y cuando la autorización establezca valores medios diarios no superiores a 20 mg/m 3.

Directiva 2000/76/CE relativa a la incineración de residuos. ANEXO 5: Valores límite de emisión a la atmósfera. b) Valores medios semihorarios. (100 %) A (97 %) B Monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO 2), expresado como dióxido de nitrógeno, para instalaciones de incineración existentes de capacidad nominal superior a 6 toneladas por hora o para instalaciones de incineración nuevas. 400 mg/m 3 (*) 200 mg/m 3 (*) (*) Hasta el 1 de enero de 2007 y sin perjuicio de lo dispuesto en la legislación comunitaria pertinente, el valor límite de emisión para el NO 2 no se aplicará a las instalaciones que solamente incineren residuos peligrosos. Hasta el 1 de enero de 2010, la autoridad competente podrá autorizar exenciones respecto del NO X para las instalaciones de incineración existentes de capacidad nominal comprendida entre 6 y 16 toneladas por hora, siempre y cuando el valor medio semihorario sea igual o inferior a 600 mg/m 3 para la columna A, o igual o inferior a 400 mg/m 3 para la columna B.

Comparación de normativas. CONTAMINANTE EUROPA (89/369/CEE) ESPAÑA (RD 1088/1992) (1) ALEMANIA (17 BimSchV) (1) HOLANDA (1) CO 100 50 50 Compuestos orgánicos (TOC) 20 10 10 NOX -- 200 70 Partículas totales 30 10 10 HCl 50 10 10 HF 2 1 1 SO2 300 50 40 Metales pesados: Hg 0,05 0,05 0,2 Cd 0,05 0,05 TI As + Ni 1 Co + Se + Te -- Pb + Cr + Cu + Mn 5 0,5 0,5 Sb + Sn + V -- Dioxinas y Furanos (PCDD / PCDF) (2) 0,1 ngteq 2 /Nm 3 (3) 0,1 ngteq 2 /Nm 3 (4) (1) Valores límite de emisión en mg/nm 3, referidos a: temperatura 273 K, presión 101,3 kpa, 11% de oxígeno ó 9% de CO2, gas seco. (2) No especifican un límite máximo de emisión pero adoptan medidas primarias que minimicen su concentración a salida de horno: 850 ºC, 2 segundos, 6% mínimo de exceso de O2. (3) Equivalentes tóxicos de 2, 3, 4, 8 TCDD, según NATO. (4) Equivalentes tóxicos de 2, 3, 4, 8 TCDD, según EADON.

Comparación de normativas. CONTAMINANTE EUROPA (89/369/CEE) ESPAÑA (RD 1088/1992) (1) DIRECTIVA 2000/76/CE = ALEMANIA (17 BimSchV) (1) HOLANDA (1) CO 100 50 50 Compuestos orgánicos (TOC) 20 10 10 NOX -- 200 70 Partículas totales 30 10 10 HCl 50 10 10 HF 2 1 1 SO2 300 50 40 Metales pesados: Hg 0,05 0,05 0,2 Cd 0,05 0,05 TI As + Ni 1 Co + Se + Te -- Pb + Cr + Cu + Mn 5 0,5 0,5 Sb + Sn + V -- Dioxinas y Furanos (PCDD / PCDF) (2) 0,1 ngteq 2 /Nm 3 (3) 0,1 ngteq 2 /Nm 3 (4) (1) Valores límite de emisión en mg/nm 3, referidos a: temperatura 273 K, presión 101,3 kpa, 11% de oxígeno ó 9% de CO2, gas seco. (2) No especifican un límite máximo de emisión pero adoptan medidas primarias que minimicen su concentración a salida de horno: 850 ºC, 2 segundos, 6% mínimo de exceso de O2. (3) Equivalentes tóxicos de 2, 3, 4, 8 TCDD, según NATO. (4) Equivalentes tóxicos de 2, 3, 4, 8 TCDD, según EADON.

Formación de NO X en función de la temperatura de combustión.

Formación de NO X en la incineración de residuos. NO.95% NO 2 (1). 5% (1) Inestable a altas temperaturas.

Concentraciones aproximadas de contaminantes en el gas de combustión antes de la depuración. EMISIONES en Residuos Municipales Residuos Peligrosos Lodos EDAR mg/nm 3, C.N., 11% O 2, gas seco Promedio Máximo Promedio Máximo Promedio Máximo Partículas 3.000 8.000 8.000 15.000 15.000 25.000 HCl 1.000 2.000 3.000 8.000 50 100 HF 10 20 150 400 -- -- SO X (como SO 2 ) 300 600 400 1.000 1.500 2.000 NO X (como NO 2 ) 350 450 250 500 200 250 Hg < 0,4 1 0,4 1 0,5 1 PCDD/F's (1) 2 x 10-6 10 x 10-6 2 x 10-6 10 x 10-6 Bajo Bajo (1) Valores con amplios rangos de variación, depende de la tecnología de combustión empleada y de las condiciones de la combustión.

Tecnologías preventivas y correctoras para el control y reducción de los NO X en aplicaciones de combustión externa (Fuente: EPA) Técnica Descripción Ventajas Desventajas Impactos Disminuir el aire en exceso a. Quemadores fuera de Servicio (QFS) b. Aire de sobrefuego Quemador de bajo NO x Recirculación de gases de combustión Inyección de agua/vapor Disminuir el precalentamiento del aire Reduce la disponibilidad del oxígeno Combustión estratificada Combustión interna estratificada <20% del gas de combustión recirculado con aire, disminuyendo la temperatura Reduce la temperatura de la llama Aire no precalentado, reduce la temperatura de la llama Modificación fácil Bajo costo Sin costo capital para QFS Costo de operación bajo Compatible con RGC Alto potencial de reducción de NO x para bajos en nitrógeno Costo de inversión moderado Reducción de NO x similar a RGC Alto potencial de reducción de NO x Baja reducción de NO x a. Mayor flujo de aire para el CO b. Alto coste de inversión Coste inversión moderadamente alto Coste de inversión y operación moderadamente altos Afecta la transferencia de calor y las presiones del sistema Disminuye la eficiencia Potencia más alta Pérdida significativa en eficiencia (1% por cada 40 C) CO alto Longitud llama Estabilidad llama Longitud de la llama Capacidad del extractor Presión de colector Longitud de la llama Capacidad del extractor Estabilidad de turndown Capacidad del extractor Presión del horno Caída en la presión del quemador Estabilidad de turndown Estabilidad de la llama Disminuye la eficiencia Capacidad del extractor Disminuye la eficiencia Aplicabilidad Quemadores múltiples para QFS Combustibles bajos en nitrógeno Combustibles bajos en nitrógeno Aplicación a instalaciones incineración Sí No No Sí Sí Sí Reducción Catalítica Selectiva (RCS) (tecnología de adición) Catalizador localizado en el flujo del aire, promueve la reacción entre el amoníaco y el NO x Alta reducción de NO x Coste de inversión muy alto Alto coste de operación Ubicación del catalizador Aumento en la pérdidad de carga Puede requerir lavado con agua Requisitos de espacio Emisiones del amoníaco no reaccionado Genera residuos Sí

Tecnologías preventivas y correctoras para el control y reducción de los NO X en aplicaciones de combustión externa (Fuente: EPA) Técnica Descripción Ventajas Desventajas Impactos Reducción No Catalítica Selectiva (SNCR) (tecnología de adición) a. urea b. amoníaco Re-quemado ("reburning") de combustible Optimización de la combustión Combustión catalítica Plasma no térmico Inyectar Oxidante Inyectar reactivo para reaccionar con NOx Inyectar combustible para reaccionar con NOx Mejorar la eficiencia de la combustión primaria El catalizador causa combustión a temperatura más baja El agente reductor es oxidado o se forma oxidante en el flujo Oxidante químico inyectado en el flujo a. Bajo coste de inversión Reducción inferior de NOx respecto al SCR Reactivo no tóxico La urea es efectiva en una "ventana" de temperatura ligeramente superior al amoníaco b. Bajo costo de operación Reducción inferior de NOx respecto al SCR El uso de amoníaco y urea acuoso presenta mayor eficiencia comparado con la urea en seco Coste moderado Reducción moderada de NOx Coste mínimo Permite alcanzar los niveles de NOx más bajos posibles Coste moderado Fácil ubicación Alta reducción de NOx Coste moderado a. Dependiente de la temperatura Menor reducción de NOx a cargas más bajas El uso de urea implica una mayor generación de N2O que el amoníaco acuoso b. Costo de inversión moderadamente alto Almacenaje, manejo, sistema de inyección del amoníaco Aumenta el tiempo de residencia Aumenta el tiempo de residencia Coste de inversión muy alto Alto coste de operación Ubicación del catalizador Posibilidad de contaminación Posibilidad de emisión de ozono Eliminación de ácido nítrico a. Geometría del horno Perfil de temperaturas b. Geometría del horno Perfil de temperaturas Perfil de la temperatura del horno Perfil de la temperatura del horno Requisitos de espacio Residuos Utiliza energía eléctrica Tecnología de adición Aplicabilidad (sólido pulverizado) Gas Combustibles líquidos Gas Combustibles líquidos Aplicación a instalaciones incineración Sí No Sí No No No

Tecnologías preventivas y correctoras para el control y reducción de los NO X en aplicaciones de combustión externa (Fuente: EPA) Técnica Descripción Ventajas Desventajas Impactos Oxígeno en vez de Aire Combustible ultrabajo en nitrógeno Utilización de sorbentes en (tecnología de adición): a. Combustión b. Conducto del filtro de mangas c. Conducto del precipitador electrostático Estratificación del Aire Estratificación del combustible Utilizar oxígeno para oxidar combustible Utilizar combustible bajo en nitrógeno Utilizar una sustancia química para absorber NO x o un adsorbente para retenerlo. Admisión de aire en etapas separadas Admitir combustible en etapas separadas Costo moderado a alto Combustión intensa Elimina los NO x Sin coste de inversión Puede controlar otros contaminantes así como el NO x Coste de operación moderado Reduce los picos de temperatura Reduce los picos de temperatura Eliminación de NO x inmediatos Alteración del horno Aumento leve en el costo de operación Costo de manejo del sorbente Espacio para almacenamiento y manejo del sorbente Aumenta el tiempo de residencia de combustión a una temperatura menor Aumenta el tiempo de residencia de combustión a una temperatura menor Equipo para manejar oxígeno Cambio mínimo Tecnología de adición Añade conductos y reguladores para controlar el aire Modificación del horno Añade inyectores de combustible en otras ubicaciones Modificación del hormo Aplicabilidad ultrabajos en NO x Aplicación a instalaciones incineración Sí No Sí Sí No

Medidas para la reducción de las emisiones de NO X a la atmósfera. Medidas primarias (prevención de la formación DeNO X ). Medidas secundarias (destrucción del NO X formado mediante consumo de reactivos).

Medidas primarias aplicables a la incineración de residuos. Disminución del exceso de aire de combustión. Disminución del precalentamiento del aire. Distribución del aire de combustión. Recirculación de parte del gas de combustión. Las medidas primarias son, desde el punto de vista medioambiental las más adecuadas; pero no son suficientes para cumplir los valores límite de la Directiva 2000/76/CE.

Medidas secundarias. Sistemas DeNO X SNCR. Sistemas DeNO X SCR. Otros sistemas (p.e., la inyección de amoníaco en el sello del gas de combustión que atraviesa un lecho de carbón activo a una temperatura de 120 ºC) en los que no profundizaremos puesto que no han alcanzado el mismo nivel de desarrollo que los anteriores.

Sistema SNCR. Fundamentos: Reactivo amoníaco (normalmente acuoso): 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N 2 + 6H 2 O Temperatura: 930-980 ºC Reactivo urea: 4 NO + 2 CO(NH 2 ) 2 + O 2 4 N 2 + 2CO 2 + 4H 2 O Temperatura: 950-1.050 ºC

Sistema SNCR. Esquema tipo (ejemplo amoníaco acuoso):

Sistema SNCR. Aplicación: Rendimiento depuración NO X : 60 % Escape máximo de amoníaco en chimenea: 10 mg/nm 3 (combinado con rendimiento) Si se sobrepasan estos requisitos, normalmente sería necesario contemplar un sistema SCR.

Sistema SNCR. Datos económicos aproximados: Coste de inversión: incinerado 10-20 /Nm 3 por hora de gas 50.000-100.000 /t por hora de residuo Costes de explotación: (operación + mantenimiento) 1-2,5 /t de residuo incinerado Los costes exactos dependerán de las condiciones particulares de cada instalación.

Sistema SCR. Fundamentos: Reacciones principales con amoníaco: 4 NO + 4 NH 3 4 N 2 + 6H 2 O 6 NO + 8 NH 3 7 N 2 + 12H 2 O Temperaturas de trabajo: 160-400 ºC (con equipos distintos).

Sistema SCR. Esquema:

Sistema SCR. Vistas de equipos y bloques de catalizador:

Sistema SCR. Aplicación: Rendimiento depuración NO X : 80-90 % Escape de amoníaco en chimenea: < 10 mg/nm 3 seco, CN, 11%O 2

Sistema SCR. Datos económicos aproximados: Coste de inversión: 300.000-600.000 /t por hora de residuo incinerado Costes de explotación: 1-6 (1) /t de residuo incinerado (operación + mantenimiento) (1) Gran dispersión de costes de explotación por amplio rango de temperatura de trabajo (coste de gas), coste de eliminación de catalizador y potencial ahorro de carbón activo para eliminación de dioxinas.

Conclusiones. La Directiva 2000/76/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 4 de diciembre de 2000, relativa a la incineración de residuos obliga, con carácter general, a adoptar medidas correctoras para la reducción de las emisiones a la atmósfera de NO X en las instalaciones de incineración de residuos municipales de capacidad nominal superior a 6 toneladas por hora existentes y en las nuevas instalaciones con independencia de su capacidad. De forma general, las medidas primarias no serán suficientes para conseguir cumplir los valores límite de emisión fijados por la Directiva. En las nuevas instalaciones de incineración de residuos, por cuestiones de sostenibilidad medioambiental debiera considerarse incorporar la recirculación de una porción del gas de combustión al horno donde se incineran los residuos. Para las condiciones que se conocen en algunas de las plantas existentes, un sistema SNCR puede proporcionar una solución suficiente desde el punto de vista técnico y económicamente más barata que un sistema SCR. Cuando se requieran altas eficiencias de depuración, por ejemplo en ciudades donde se sobrepasen los valores guía de NO X, será preferible un sistema SCR, que además puede utilizarse para reducir las emisiones de dioxinas

DATOS DE CONTACTO RESA Fernando Sánchez Santafé Director de Desarrollo Gran Via de les Corts Catalanes, 184-5º 1ª 08038 Barcelona Tel.: 93 431 83 11 - Fax: 93 432 35 95 e-mail: fernando.sanchez@resa-bcn.com