Monitoreo del punto de rocío ácido en corrientes de gas de

World Class Asset Management
Monitoreo del punto
de rocío ácido en corrientes
de gas de escape
S
D. Stuart
Gerente de Proyecto
Ametek Process & Analytical Instruments
e conoce comúnmente que las emisiones de dióxido
de azufre (SO2) de
plantas de proceso
contribuyen a la lluvia ácida, y muchos
sitios tienen que monitorear o
controlar tales emisiones. Sin embargo, los problemas asociados
con las emisiones de trióxido de
azufre (SO3) y de ácido sulfúrico
(H2SO4) son menos reconocidas.
También es menos conocido que
el ácido sulfúrico en los gases de
chimeneas contribuye a serios y
costosos problemas de mantenimiento.
Un conocimiento práctico del
punto de rocío ácido y su efecto
en las emisiones de azufre
puede permitir mejor a los
operadores de planta a reducir
los costos de mantenimiento,
disminuir las emisiones y
mejorar la eficiencia operativa
de la planta. Este artículo
revisará los factores clave
que deben comprender los
operadores de planta para
lograr estos beneficios. También
describirá los monitores
portátiles y continuos de
temperatura del punto de
rocío ácido que requieren
un mantenimiento mínimo y
proporcionan una medición
confiable y práctica del azufre
en los gases de las chimeneas.
Cuando se queman combustibles que contienen azufre, el
azufre se oxida a SO2. Si hay
suficiente oxígeno disponible,
parte de dicho SO2 se oxida aún
más a SO3. En la mayoría de
los casos, el SO3 representa una
fracción pequeña, pero significativa, del azufre oxidado.Típicamente se trata de un reducido
porcentaje del total. La mayoría
de los combustibles sólidos y
líquidos contiene algo de azufre, la mayor parte de las hullas,
aceite pesado, coque de petróleo y combustibles Orimulsion
en base a alquitrán, típicamente
contiene entre un 0.5% y un 3%
de azufre por peso.
Si hay agua, esta puede reaccionar con el SO3 para formar
H2SO4 en una reacción reversi-
ble. La reacción de disociación
se favorece a temperaturas más
altas, tal como se muestra en la
Figura 1. A bajas temperaturas,
por debajo de 200°C, todo el
SO3 se presenta como H2SO4.
Por arriba de 500°C, se trata casi
totalmente de SO3 libre. El punto
de equilibrio también depende
de la concentración de vapor
de agua a una temperatura dada. Habrá más del SO3 inicial
presente como H2SO4 cuando la
concentración de agua es alta.
Donde se forme ácido sulfúrico, un número de factores
afecta la cantidad de SO3 libre y
H2SO4 presentes en los gases de
la chimenea. Esta proporción aumenta si el combustible contiene
sustancias tales como vanadio,
que actúa como un catalizador fomentando la formación de
SO3. Los combustibles a base de
petróleo contienen más vanadio
que la hulla, de modo que la
concentración de SO3, por lo general, es mayor al quemar aceite
que al quemar hulla.
El SO3 también se adsorbe
en las cenizas volantes. Las cenizas, por lo general, tienen un
pH básico, y de este modo el
SO3 ácido se liga fácilmente a la
superficie, resultando en niveles
bajos de SO3 libre. Las cenizas,
junto con el SO3 adsorbido, se
eliminan de la corriente gaseosa
mediante precipitadores o cámaras de filtros de bolsas.
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Figura 1.
Fracción de SO3
inicial presente
como H2SO4.
nera negativa a la salud humana.
Además, los problemas de los
penachos azules han sido vinculados con sistemas de reducción
catalítica selectiva (SCR) utilizados para reducir las concentraciones de NOx. El catalizador
aparentemente ayuda a promover la reacción de SO2 a SO3.
Cuando se permite que la
materia particulada se acumule
en los conductores, pueden formarse aglomeraciones de partículas, y el SO3 se adsorberá
sobre estas partículas, tal como se ha indicado previamente.
Cuando tales aglomeraciones se
desprenden, pueden emitirse de
la chimenea como hollines ácidos–trozos de polvo altamente
corrosivo que atacan las superficies sobre las cuales aterrizan,
incluidos automóviles cercanos,
casas y vegetación.
La presencia de SO3 en los
gases de la chimenea puede
conducir a un número de consecuencias indeseables. El ácido
sulfúrico se condensa a temperaturas muy superiores a los
100°C. Si la temperatura del gas
disminuye por debajo del punto
de rocío ácido, se forma un aerosol de ácido sulfúrico, y también
se formará una película de ácido
sulfúrico en cualquier superficie
expuesta con una temperatura
por debajo del punto de rocío.
Las gotas de aerosol son
muy pequeñas, típicamente de
aproximadamente 1 µm, de modo que pueden dispersar la luz
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de manera muy eficaz. Si hay
ácido sulfúrico presente en los
gases a la salida de la chimenea,
el aerosol condensante forma
un así denominado “penacho
azul”. Una vez formados, tales
penachos son muy persistentes y
pueden tener un impacto negativo en la visibilidad a una gran
distancia de la fuente.
Los administradores de la calidad del aire cada vez tienen
una mayor preocupación con
respecto a cuestiones de visibilidad que surgen de las emisiones
de sulfatos en aerosol. Los aerosoles de ácido sulfúrico también
contribuyen a las emisiones de
PM2.5 que pueden afectar de ma-
Para los operadores de planta,
las consecuencias más graves
ocurren cuando los gases caen
por debajo del punto de rocío
dentro del proceso. La corrosión
es una consecuencia inevitable
cada vez que se deposita ácido
sulfúrico caliente sobre una superficie metálica. Las superficies
recubiertas con vidrio son una
opción, pero son muy costosas
de instalar. Por lo general, es
mejor mantener la temperatura
por arriba del punto de rocío.
Esta no es una cuestión trivial,
ya que el aumento de la temperatura de salida de la chimenea
disminuye la eficiencia térmica
de la planta y aumenta los costos del combustible. Claramente,
existe una temperatura óptima
de operaciónque esté de manera
segura por arriba del punto de
rocío pero tan cerca al mismo
como pueda arreglarse prácticamente (Figura 2).
La corrosión de extremo frío
puede ocurrir en cualquier lugar
en que disminuya la temperatura
Figura 2.
Condiciones operativas óptimas
para una máxima
eficiencia del
hervidor.
del gas, o donde las condiciones
ambiente puedan conducir a un
enfriamiento de la superficie.
Los intercambiadores térmicos,
los conductos expuestos y las
chimeneas son especialmente
vulnerables. Puede utilizarse un
número de estrategias para minimizar la formación de SO3 y las
emisiones relacionadas. Los depuradores con agua, tales como
aquellos utilizados para eliminar
el SO2, tienden a ser ineficaces
para eliminar los aerosoles de
ácido sulfúrico porque las gotas
son demasiado pequeñas como
ser atrapadas en los fangos de
los depuradores.
fre del combustible en la zona
de combustión, formando sales
sólidas que se precipitan desde
la corriente de gas. Junto con
la eliminación de las cenizas
volantes, ésta es la principal estrategia de mitigación tanto para
la formación de SO3 como para
las emisiones de sulfato en aerosol. Otro enfoque es utilizar
un precipitador húmedo que
efectivamente recoja el sulfato
en aerosol. Sin embargo, cual-
quier estrategia para lidiar con
SO3 y H2SO4 requiere un método
para medir su concentración en
los gases de las chimeneas. Esto
puede resultar bastante difícil,
especialmente si se requiere una
medición continua.
Lo anterior no significa mucho sin disponer de un método
práctico y confiable para medir
la concentración de SO3. El método 8 de la Agencia de Protección Medioambiental de EE.UU,
Determinación de Emisiones de
Ácido Sulfúrico y Dióxido Sulfúrico Provenientes de Fuentes Estacionarias, ha sido desde hace
tiempo el método utilizado. Como método que emplea agentes
químicos húmedos, resulta un
poco engorroso y no es idóneo
para realizar mediciones rápidas
ni continuas.
Figura 4.
Sensor
del punto
de rocío ácido
Por otra parte, puede utilizarse un sensor de la temperatura
del punto de rocío ácido (ADT)
para monitorear de manera eficaz la concentración de ácido
sulfúrico de manera continua o
Una solución es utilizar aditivos para combustibles, tales como óxido de magnesio (MgO) o
hidróxido de magnesio (MgOH).
Estos reaccionan con el azu-
Figura 3. Sensor de temperatura del punto
de rocío ácido
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ácido, las velocidades de evaporación y deposición son iguales,
de modo que el grosor de la
película y, por ende, su conductividad, resultan constantes.
El primer monitor ADT basado en este diseño de sensor apareció en 1965. Si bien
las mejoras en los componentes
electrónicos y los modernos controles neumáticos con el correr
de los años han producido una
mayor eficiencia y capacidad de
utilización, el principio de medición sobre el cual se basa el
analizador ha continuado siendo
esencialmente el mismo.
periódica. El sensor consta de un
termopar de metales preciosos y
un electrodo de anillo incrustado
en un dedal de vidrio, tal como
se muestra en la Figura 3.
La Figura 4 muestra una vista
esquemática del sensor. El termopar mide la temperatura de la
superficie mientras el interior del
dedal es enfriado por un flujo de
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aire. Se forma una película de
ácido sulfúrico sobre el sensor
cuando se enfría el sensor por
debajo del punto de rocío ácido. El ácido es muy conductor
de modo que la conductividad
entre el electrodo de anillo y el
termopar proporciona un indicio
del grosor de la película. Cuando el sensor se encuentra a la
temperatura de punto de rocío
Figura 5.
Monitor ADT
portátil.
Figura 6.
Monitor ADT
fijo mostrando
el sistema de
limpieza.
Un moderno monitor ADT
portátil, como el Lancom 200
mostrado en la Figura 5, consta
de una sonda con un sensor
montado en la punta y una
unidad de control portátil que
incluye un regulador del flujo de
aire y componentes electrónicos
para medir la conductividad y
la temperatura del termopar. El
registro y la impresión de los
datos permiten almacenar las
mediciones sucesivas para su ulterior análisis. Esta configuración
es muy práctica porque permite
al operador analizar un número
de puntos diferentes en una
planta de proceso y registrar los
datos en tiempo real, antes de
descargarlos a una PC para su
subsiguiente análisis.
La unidad es liviana (10 kg)
pero lo suficientemente robusta
para un uso regular en los entornos industriales más exigentes.
Todo lo que se requiere es un
suministro local de aire comprimido y un punto de acceso apropiado para la sonda para realizar
el muestreo. Un operador sin
ninguna destreza especial puede
completar el monitoreo. La unidad puede capturar y almacenar
más de 10.000 lecturas.
La limpieza del sensor de
punto de rocío es muy importante. La materia particulada que contamina la cara del
sensor alterará la medición de
conductividad, haciendo que
resulte imposible determinar
cuándo se ha llegado al punto
de rocío. Con un analizador
portátil, esto no representa un
problema. Un operador simplemente puede limpiar el sensor
después de cada medición. En
el caso de un punto de rocío
continuo, es mucho más difícil
mantener limpio al sensor. Es
posible emplear un sistema de
lavado con agua. Sin embargo,
sin un control cuidadoso, existe
la posibilidad de que el choque térmico del agua fría que
entra en contacto con el vidrio
caliente agriete al sensor. Se
ha encontrado que el esquema
siguiente funciona bien:
a) Enfríe el sensor utilizando
el flujo máximo disponible de
aire de enfriamiento.
b) Enfríe el sensor aún más
utilizando una neblina de baja
presión de aire y agua.
c) Limpie el sensor utilizando
un chorro de alta presión de aire
y agua.
Mediante esta técnica de enfriamiento, el tiempo práctico de
instalación de un monitor ADT
puede aumentar desde unas pocas horas hasta muchos meses
antes de requerirse una limpieza
manual.
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