Emisones en Equipos de combustión Industrial

EMISIONES ATMOSFÉRICAS EN
SIST. COMBUSTIÓN INDUSTRIALES
Ing. MSc. Mario Sánchez
PREMAC SAS
CONTENIDO
1. Conceptos básicos de combustión
2. Emisiones en procesos de combustión
3. Métodos de control de emisiones
4. Tecnologías para el análisis de gases
5. Normatividad de emisiones atmosféricas
2
1. CONCEPTOS BÁSICOS DE
COMBUSTIÓN
3
Proceso básico de combustión
Triángulo de fuego
•
Aire
(21% O2, 79% N2)

El triángulo del fuego no es suficiente para que se
presente un proceso de combustión
4
Proceso básico de combustión

Condiciones adicionales para que se de la
combustión
» Límites de inflamabilidad
» Temperatura mínima de ignición
5
Composición de los combustibles
GLP
Metano CH4
Etano C2H6
Propano
C3H8
Butano
C4H10
Propano C3H8
Dodecano
C12H26
Decano
C10H22
Coronene C24H12
6
Proceso básico de combustión
Reacciones de combustión global (1 ó 2 pasos)
CxHySz + a(O2+3,76N2) → xCO2 + yH2O + eSO2 + zN2 + bO2 + cCO + dH2 +fCxHy
Aire
Prod. Comb.
completa
Prod. Comb.
Incompleta
Exceso aire
CH4 + 2,3(O2+3,76N2) → 0,9CO2 + 2H2O + 8,65N2 + 0,35O2 + 0,1CO
Mecanismo cinético de la combustión
• El mecanismo de reacción del metano contiene
325 reacciones y 53 especies

El frente de llama tiene un mm de espesor
7
2. EMISIONES ATMOSFÉRICAS EN
PROCESOS DE COMBUSTIÓN
8
Clasificación contaminantes atmosféricos
•
Según la naturaleza física
– Contaminantes particulados (líquidos y sólidos) (0.001 micrones a
1mm)
– Contaminantes gaseosos
•
Según el origen
– Primarios: emitidos directamente por una fuente identificable, se
encuentran en la atmósfera en el mismo estado físico y químico
que la emisión (CO, CO2, SO2, VOCs, partículas micrométricas)
– Secundarios: producidos por transformaciones físicas y químicas
en el aire entre los contaminantes primarios y los componentes
de la atmósfera (ozono troposférico, partículas nanométricas,
smog fotoquímico)
9
Unidades de medida de concentración
de gases
CH4 + 2,3(O2+3,76N2)
→ CO2 + 2H2O + 8,65N2 + 0,3O2
CO2: ~9%
H2O: ~16%
N2: ~72%
O2: ~3%
10
Emisiones contaminantes y sus efectos
EFECTOS EN LA SALUD
MATERIAL
PARTICUL.
Irritación de las vías
respiratorias, daño de los
pulmones, bronquitis
CO
Reduce la capacidad de la
sangre para dar oxígeno a
las células.
SO2
Problemas
respiratorios,
daño permanente de los
pulmones
NOx
EFECTOS AMBIENTE
LLuvia ácida: daña
árboles,
lagos y
edificaciones
Daño de plantas
Daño en los pulmones,
pérdida
de
capacidad
respiratoria
Daño de árboles
COV
Cáncer
Ozono
Asma,
problemas
respiratorios, irritación de
los ojos, reducción de la
capacidad inmunológica
Otros contaminantes: metales pesados, dioxinas y furanos, HCl, HF11
Monóxido de carbono (CO)
Es un gas incoloro, inodoro, tóxico e inflamable. Se produce por una
combustión incompleta, por problemas de mezclado o defecto de aire o por
una temperatura insuficiente.
Se produce además por la interrupción de las reacciones químicas de
propagación de la combustión al tener contacto con superficies frías.
Factores importantes:
Turbulencia y mezclado
Tiempo de residencia
Temperatura
Exceso de aire
12
Efectos sobre la salud del monóxido
de carbono (CO)
13
Material particulado
•
•
Origen: cenizas volantes,
fragmentos sin quemar,
sales condensadas.
Composición: partículas de
carbono aglomeradas,
óxidos metálicos, sales,
silicatos, …
Inquemados
Partículas
14
Material particulado
15
Cantidad de partículas en los gases
16
Óxidos de Nitrógeno – NOx (NO – NO2)
3 mecanismos de formación:
•
NO térmico: a partir del nitrógeno
atmosférico formado en las alturas
temperatura de la llama. Este
mecanismo es la principal fuente de
emisiones de NOx en la combustión
del gas natural.
•
NO combustible: formado a partir
del nitrógeno en el combustible,
puede ser el principal mecanismo de
formación de NOx para
combustibles con alto contenido de
nitrógeno como el carbón.
17
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Emisiones típicas de NOx (mg/Nm3)
en instalaciones industriales
18
Óxidos de azufre (SO2)
Las emisiones anuales se estiman en 200 millones de toneladas, la
mitad de fuentes industriales.
Cuando el SO2 gaseoso se combina con agua líquida, se forma ácido
sulfúrico SO4 H2, componente principal de la lluvia ácida,
El SO2 se puede también oxidar en la atmósfera para formar trióxido
de azufre SO3 gaseoso; este gas tiene una elevada afinidad por el vapor
de agua
Un pH inferior a 7 se considera ácido. Si el agua de lluvia no contiene
nada de sulfúrico ni de nítrico, el valor de su pH es 5,7. Un valor del
pH= 4,6 es suficiente para provocar daños permanentes en lagos y
bosques
19
Óxidos de azufre (SO2)
Provoca lluvia ácida, destrucción de bosques y acidificación de lagos.
Representa cerca del 50% de los ácidos absorbidos por el suelo.
Ataca las mucosidades y los pulmones, altas concentraciones pueden
irritar el tracto respiratorio, causar bronquitis y congestionar los
conductos bronquiales.
20
Compuestos orgánicos
volátiles (COV)
•
•
Origen: hidrocarburos
evaporados y solventes,
o moléculas orgánicas
producidas por una
combustión incompleta.
Composición: contiene
átomos de carbono e
hidrógeno y
heteroátomos de O, Cl,
F, P, S, N, …
Efectos
•
•
•
Precursores del ozono troposférico
y destructores del ozono
estratosférico. Contribuyen a la
formación del smog fotoquímico al
reaccionar con los NOx.
Irritación de ojos y garganta, dolor
de cabeza, mareo, vómito.
A largo plazo pueden dañar el
hígado, los riñones o el sistema
nervioso central. También pueden
ser carcinógenos
21
Dióxido de carbono (CO2)
Los 3 sectores principales que utilizan combustibles fósiles responsables de las emisiones
antropogénicas de CO2 son:
CONTAMINACIÓN
- El transporte
ANTROPOGÉNICA
- Los servicios públicos (electricidad, gas, petróleo, etc.)
- La producción industrial
Países deberán adoptar políticas y medidas encaminadas a mitigar el cambio climático, y la
fijación de objetivos cuantificados de reducción y limitación de emisiones de gases de
22
efecto invernadero (GEI).
3. MÉTODOS DE CONTROL
DE EMISIONES
23
Métodos de control de contaminantes
Primarios (reducción en la fuente)
Quemadores de bajo NOx: combustión por etapas, recirculación de interna de
productos de combustión, premezclas con altos excesos de aire, oxicombustión
Recirculación externa de productos de combustión
Reburning (zonas ricas para conversión de NOx to N2)
Inyección de vapor de agua
Calibración – ajuste del exceso de aire, evitar infiltraciones de aire
Cambio de combustible, uso de combustible con menos azufre, metales o nitrógeno
24
Control NOx (térmico)
Reducción en la fuente
Combustión por etapas y
recirculación de POC
Llamas de premezcla con altos
excesos de aire (“llamas frías”)
25
Métodos de control de contaminantes
Secundarios (aguas abajo de la formación)
Tratamiento
mecánico:
electrostáticos
filtros,
ciclones,
precipitadores
Lavadores (scrubbers): neutralización, partículas
Reducción selectiva no catalítica (SNCR) (amoníaco o úrea)
Reducción selectiva catalítica (SCR)
Filtros carbón activado
26
Métodos mecánicos control material particulado
27
Neutralización/depuradores
Se emplea para el tratamiento de gases ácidos, metales pesados
gaseosos y dioxinas y furanos. Métodos húmedos y secos.
Reacción química en la que se combina una base con ácido para
producir un hidróxido (sal). En los procesos húmedos se
emprea cal (óxido de calcio), caliza* (carbonato de calcio CaCO3), Alcali dual (carbonato de Na/hidróxido de Ca)
Sulfito de calcio
Yeso
28
Neutralización/depuradores
Métodos secos o semisecos
Materiales de construcción más baratos
Productos residuales secos
Simplicidad operativa
Eficiencias del 90% (cercanas a las del
método húmedo)
Mayores costos de los reactivos, para
unidades de menor tamaño por su
simplicidad y menor inversión, o de mayor
tamaño con bajas emisiones de SO2
29
Reducción selectiva
Reducción Selectiva No Catalítica (SNCR) (NOx)
•

•
Un agente reductor a base de nitrógeno, como el amoníaco ó urea,
se inyecta en el gas después de la combustión. Reducción química de
la molécula de NOX a N2 y H2O. Se favorece la reacción de
reducción con NOX a temperaturas entre los 870°C a 1150°C.
NOx de ~200 ppm a 400 ppm. Es más apropiada para aplicaciones
con alto niveles de material particulado
La urea no es tóxica, es un líquido menos volátil y puede ser
almacenado y manejado con mayor seguridad. Las gotas de la
solución de urea pueden penetrar más adentro en el gas de
combustión cuando se inyectan dentro de la caldera. Sin embargo,
más cara que el amoníaco
30
Reducción selectiva
Reducción Selectiva Catalítica (SCR)
(Nox, Dioxinas y Furanos, COV, CO )
Eficiencias de reducción altas (>70%) en
concentraciones de NOx tan bajas como 20
partes por millón (ppm).
El catalizador está compuesto de metales
activos o cerámicas con una estructura
altamente porosa. Óxidos de titatio, vanadio,
molibdeno, tungsteno, platino*, rodio* y
zeolitas,
Es aplicable a fuentes con bajas
concentraciones de NOx. Las reacciones
ocurren dentro de un rango de temperatura
más bajo
31
Control de la emisión de CO2

Mejorar la eficiencia de los proceso (reducción del consumo
de combustible, (m3/Kg producto)

Cambio de combustible (mayor relación H/C)

Uso de biocombustibles y biomasa

Captura y secuestro de CO2
32
Control de la emisión de CO2
Relación directa entre las emisiones de CO2 y el consumo de
combustible. Una reducción en el consumo de energía equivale a la
misma reducción en las emisiones de CO2.
Por cada 1000 m3 de GN consumido se emiten ~2 ton de CO2.
Por cada 100 galones de ACPM consumido se emiten ~1,1 ton de CO2.
Para capturar 100 toneladas de CO2 al año se requieren ~5,000
árboles y ~15 hectáreas sembradas. Estas mismas 100 toneladas
de CO2 corresponden a sacar de las vías a ~70 automóviles
durante todo un año
Un caldera de 500 BHP puede consumir 150,000 m3/mes de GN, con
un economizador para el ahorro de 5% de combustible se dejan de
emitir a la atmósfera ~350 Ton/CO2 año (~50 hectáreas, ~17,000
árboles, ~245 automóviles)
33
MP
Metales
(p)
Metales
(g)
Gases
ácidos
NOx
PCDD/F
COV
CO
Reducción en la fuente
X
X
X
X
X
X
X
X
Mecánico
- Ciclón
X
X
(X)
X
Método
/Contaminante
- Venturi
Filtros electrostáticos
- Filtro de mangas
Neutralización
- Sódica
- Cálcica
Carbón activado
(X)
(X)
X
SNCR
X
SCR
X 34
(X)
(X)
4. ANÁLISIS DE GASES
35
PRINCIPIOS DE MEDICIÓN ANÁLISIS DE GASES
•
Electroquímico (O2, CO, CH4, NOx, SO2)
•
Infrarrojo no dispersivo (CH4, CO, CO2)
•
Quimioluminescente (NOx)
•
Paramagnético (O2)
•
Láser (Material particulado)
Analizadores
portátiles
Analizadores fijos
36
Analizadores portátiles
Measurement
O2
CO-H2
T-Stack
T-Ambient
Pressure
CO-high
NO
NO2
SO2
Analizadores portátiles con
sensores electroquímicos
Calculation
Efficiency
Excess Air
CO2
CO to O2 Ref
NOx
NO to O2 Ref
NO2 to O2 Ref
NOx to O2 Ref
SO2 to O2 Ref
Range
0 to 20.9
0 to 4000
-4 to 2192 F
-4 to 999 F
0 to +/- 72 inwc
4000 to 20,000 ppm
0 to 3000 ppm
0 to 500 ppm
0 to 5000 ppm
Resolution
0.1 %
1 ppm
1F
0.1 F
0.01 inwc
10 ppm
1 ppm
1 ppm
1 ppm
Range
0 to 100 %
1 to 250 %
0 to a fuel dependent max
0 to 9999
0 to 3500
0 to 9999
0 to 9999
0 to 9999
0 to 9999
37
Resolution
0.1 %
1%
0.1 %
1 ppm
1 ppm
1 ppm
1 ppm
1 ppm
1 ppm
Analizadores fijos
Analizadores estacionarios para la medición
continua de gases.
Puede acoplarse con sensores infrarrojos y/o electroquímicos. Los
sensores posibles son: O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S (electroquímicos); CO,
CO2, CH4, N2O (IR); O2(paramagnético); NOx (quimioluminescente)
38
5. NORMATIVIDAD AMBIENTAL
39
Estándares de emisiones
Colombia, Bogotá, AMVA
Colombia (MAVDT)
Resolución
909 de 2008
NORMATIVIDAD
APLICABLE
FUENTES FIJAS
No establece un estándar de
emisión máxximo para Monóxido
de Carbono (CO) en calderas y
hornos.
Los contaminantes y sus limites
se establecen según la actividad
productiva que desempeñe la
empresa.
Resolución
6982 de 2011
Resolución
1208 de 2003
(derogada)
Resolución
2381 de40
2015
Bogotá (SDA)
AMVA
Resolución 909/08






Se regulan las actividades industriales (Tabla 3 – Artículo 6
(activididades)) (Tabla 1 – Artículo 3 (estándares)), (algunos sólo se
deben medir)
Los equipos de combustión externa (Tabla 4 - Artículo 7),
Instalaciones de incineración y hornos crematorios,
Fabricación de cemento y agregados (Capítulo IX),
Industrias productos textiles (Capítulo VI)
Equipos que utilizan biomasa (Capítulo VII)
Estándares de emisión admisibles para: MP, SO2, NOx, HF, HCl,
HCT, Dioxinas y Furanos, Neblinas ácida o trióxido de azufre, COV,
Pb, Cd, Cu, CO, Hg, NH3, H2S, mercaptanos y COT
41
Estándares resolucion 909 de 2008
equipos combustion externa (Tabla 4. Artículo 7)
42
ESTANDARES RESOLUCION 6982 DE 2011
EQUIPOS COMBUSTION EXTERNA
Nota: Con corrección por oxigeno de referencia cuando se utilice combustible
gaseoso y liquido 3%, carbón 6% , turba , y residuos de madera 7%.
43
Resolución 2381 de 2015 AMVA
Artículo 8. EQUIPOS EXISTENTES
Equipos de combustión igual o superior a 100 BHP u
hornos con una entrada de calor equivalente.
Capacidad
equipos***
Frecuencia de
medición
Parámetros
% CO2* %O2 %N2**
CO
(ppm)
% Eficiencia
combustión
% Exceso
aire
Temperatura de
gases, °C
Temperatura
Ambiente, °C
100 a 750
BHP(Kcal/Hr)
X
X
X
X
X
X
X
X
Trimestral
750 a 3000
BHP(Kcal/Hr)
X
X
X
X
X
X
X
X
Bimensual
Mayores de
3000 BHP(Kcal/Hr)
X
X
X
X
X
X
X
X
Mensual
Tabla 1. Frecuencia de monitoreo de parámetros de gases y combustión
*opcional, No es Obligatorio
**N2, no se mide, se calcula con datos disponibles
***100BHP- 4,200MM Btu/h - 1226Kw
750BHP - 31,400MMBtu/h - 9198Kw
3000BHP - 125,500MMBtu/h - 36791Kw
44
Resolución 2381 de 2015 AMVA
Artículo 13. FUENTES NUEVAS
Las nuevas fuentes de emisión con capacidad superior a 100
BHP, deberán contar con un monitoreo continuo de los
parámetros de combustión Temperatura de gases, O2, CO, CO2,
N2, eficiencia y exceso de aire.
Parámetros
Capacidad
equipos
>100 BHP(Kcal/Hr)
% CO2* %O2 %N2**
X
X
Frecuencia de medición
CO
(ppm)
% Eficiencia
combustión
% Exceso
aire
Temperatura
de gases, °C
X
X
X
X
X
Mensual
Tabla 3. Frecuencia de medición para fuentes nuevas
*opcional, No es Obligatorio
**N2, no se mide, se calcula con datos disponibles
45
Resolución 2381 de 2015 AMVA
Los equipos nuevos con capacidad superior a 1000 BHP, deben
monitorear parámetros adicionales según sea el combustible:
Carbón como combustible, deberán realizar medición y reporte
de los siguientes parámetros: material particulado, SOx, NOx.
Gas Natural como combustible deberán realizar medición y
reporte de los parámetros NOx.
46
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
47