Reducción de NOx en Calderas

ARTÍCULO TÉCNICO
Reduccion de NOx en Calderas
Reducción de NOx en Calderas
La próxima entrada en vigencia de los artículos del Decreto
Supremo N°58, correspondiente al Plan de Prevención y
Descontaminación Atmosférica de la Región Metropolitana,
que restringen las emisiones de Óxidos de Nitrógeno en
Fuentes Estacionarias; nos ha llevado a querer contribuir con
antecedentes respecto de la formación del NOx, emisiones
esperadas para los distintos combustibles, factores que
favorecen su formación, mecanismos de abatimiento, etc.
Introducción
Las emisiones de NOx han sido culpadas de las lluvias ácidas, que contribuyen
a la degradación de los bosques, destrucción de cosechas y daños en las
construcciones.
También se cree que el NOx es precursor de la formación de ozono, principal
componente del aire contaminado y agente que tiene a la Región Metropolitana
saturada por su presencia.
Por otro lado se sospecha que las emisiones de NOx también contribuyen a la
destrucción de la capa de ozono, la cual actúa como un escudo frente a las
radiaciones ultravioleta provenientes del sol.
A la vez se piensa que intervienen en el “efecto invernadero” al absorber
radiación infrarroja reflejada de la superficie terrestre.
A pesar de que existen estudios que desestiman la severidad de los efectos
producidos por el NOx, cada día aumenta en el mundo la preocupación por
reducir sus emisiones.
Decreto Supremo N°58
Los artículos N°43 al N°46 establecen que las fuentes estacionarias
denominadas Mayores Emisores deben reducir a partir del 1 de Mayo en un 33
% las emisiones de NOx registradas en el año 1997 % y un 50 % en el año
2010.
Los Mayores Emisores son aquellas fuentes estacionarias que concentran el
80 % de las emisiones de NOx de este sector en el año 1997.
THERMAL ENGINEERING LTDA.
Americo Vespucio 2880 – Of. 902, Santiago, Chile
Fono: 56 – 2 – 623 2852
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Formación de NOx
En un proceso de combustión existen tres fuentes generadoras de Óxidos de
Nitrógeno.
El NOx Térmico proveniente de la disociación y reacción de
atmosférico.
nitrógeno
El NOx térmico resulta de la disociación del nitrógeno atmosférico en las zonas
de alta temperatura de la llama, de acuerdo a las siguientes reacciones:
N2 + O -> NO + N
N + O2 -> NO + O
Primeramente se produce una reacción entre el nitrógeno molecular
preveniente del aire requerido para la combustión y el oxígeno atómico, y luego
la reacción entre el nitrógeno atomico , formado previamente, con el oxígeno
molecular.
Especialmente la primera de estas reacciones es altamente dependiente de la
temperatura y el tiempo de residencia, tal como se observa en la figura N°1.
En un menor grado la reacción es dependiente del contenido de oxígeno y
nitrógeno.
Figura N°1: Relación entre la temperatura de la llama y la formación de NOx.
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Incluso para tiempos de residencia breves de los productos de la combustión
en zonas de alta temperatura (superior a 1200 °C), se producirá un aumento
importante en la cantidad de NOx formado.
Las zonas de alta temperatura de una llama serán por lo tanto centros en los
que se favorecerá la formación de NOx.
El NOx Prompt o instantáneo, producido en la presencia de radicales de CH.
El NOx Prompt se forma en las primeras etapas de la llama resultante de la
combustión de hidrocarburos en presencia de radicales de hidrocarbonos, es
decir, en la combustión de combustibles que no poseen radicales CH no se
producirá NOx Prompt.
Las fórmulas que rigen esta reacción son las siguientes:
N2 + CH -> N + HCN
N + O2 -> NO + O
Se ha podido observar que existe una menor formación de NOx prompt en
llamas pobres en combustible y viceversa.
Niveles típicos de NOx prompt figuran en rangos de 10 a 15 ppm, adquiriendo
importancia por lo tanto en lugares donde las límites de las emisiones son
extremadamente bajos.
El NOx del Combustible proveniente del nitrógeno contenido en el
combustible
El NOx del combustible se forma a partir de los átomos de nitrógeno
diretamente ligados a las moléculas que forman el combustible.
Como el hidrógeno y el carbono son oxidados durante la combustión, todos los
átomos de nitrógeno del combustible son liberados como átomos inestables.
Una fracción del nitrógeno del combustible se transforma en NOx y el restante
se recombina como nitrógeno molecular.
Las fórmulas que rigen la reacción son las siguientes:
HCN -> NHi
NHi + Ox -> NO + …
NHi + NO -> N2 + …
Por lo tanto, combustibles con un elevado contenido de nitrógeno ligado a
ellos, producirán cantidades importantes de NOx.
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A modo de ejemplo, el petróleo liviano posee entre 0,015 y 0,05 % de
nitrógeno, en cambio el petróleo residual contiene entre 0,25 y 0,5 %, lo que se
traduce en producciones de NOx de 10 ppm y 200 a 300 ppm respectivamente.
Resulta evidente señalar que combustibles como el gas natural, que contienen
nitrógeno molecular y no poseen átomos de nitrógeno ligados, formarán solo
NOx térmico.
Por otro lado durante el proceso de combustión se generan principalmente (95
– 98 %) de óxidos de nitrogeno (NO), los que posteriormente se transforman
en dióxidos de nitrógeno (NO2) en la atmósfera.
Al hablar de NOx se hace referencia al NO2 por lo tanto las emisiones de NO
son convertidas a NO2, para efectos de poder realizar comparaciones.
Mecanismos para Reducir Formación de NOx
En este punto analizaremos principalmente las técnicas para la reducción del
NOx térmico y del combustible relacionadas con la modificación del proceso de
combustión.
Reducción del NOx Térmico
Los mecanismos existentes para reducir al formación de NOx Térmico, tienen
relación con reducir la temperatura de la llama, reducir los tiempos de
residencia en zonas de alta temperatura y por último evitar atmósferas
oxidantes (zonas pobres en combustible).
En la figura N°4 se observa como el precalentamiento del aire requerido para
la combustión contribuye a aumentar la temperatura de la llama y por lo tanto
favorece la formación de NOx.
Situación similar se produce en hogares en los que existen elevadas cargas
térmicas o gran cantidad de superficies cubiertas por material refractario.
Los mecanismos más difundidos para reducir la formación de NOx son la
reciculación (interna o extrena) de productos de la combustión y la inyección de
agua o vapor a la zona previa a la formación de la llama.
De esta forma se logra reducir por dilución la forma de la llama y el nivel local
de oxígeno en esa zona.
La recirculación de los productos de la combustión consiste en re-inyectar una
fracción (inferior al 15 %) de estos gases en la zona previa a la formación de la
llama.
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Figura N°4: Influencia del precalentamiento de aire para la combustión en
las emisiones de NOx.
Existen dos mecanismos para lograr esta recirculación:
a) la recirculación interna, que se produce en el mismo cabezal del quemador,
mostrada en la figura N°5
b) la recirculación externa, que se logra re-inyectando una fracción de los
productos de la combustión descargados por la chimenea (figura N°6)
Figura N°5: Recirculación interna de gases
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Figura N°6: Recirculación externa de gases
La recirculación de productos de la combustión ha demostrado ser el método
más efectivo para reducir la formación de NOx térmico, sin afectar la
estabilidad de la llama o favorecer la emisión de otros contaminantes
(monóxido de carbono, material particulado, etc.)
Este mecanismo de reducción de emisiones de NOx trae consigo una
disminución en al eficiencia de las calderas de 0.3 a 0.5 %, el que resulta
inferior al provocado por sistemas de inyección de agua o vapor (2 a 4 %).
La gran desventaja de este método es el mayor costo de operación asociado al
consumo de energía eléctrica requerida para recircular los productos de la
combustión, mediante un ventilador externo, o bien la inducción a través del
ventilador del quemador.
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Figura N°7: Influencia de la recirculación de gases en la reducción en las
emisiones de NOx.
La figura N°7 muestra la reducción en las emisiones de NOx térmico obtenido
con la recirculación de productos de la combustión.
La implementación de un sistema de recirculación de gases debe considerar
los siguientes parámetros:
-
Tipo de combustible
Instalación del ventilador externo
Temperatura del aire para la combustión
Cantidad de recirculación de gases requerida
Tipo de sistema de control de combustión
El tipo de combustible y la temperatura del aire requerido para la combustión,
son parámetros que cobran importancia cuando el combustible contiene azufre
y nitrógeno ligado (petróleo residual), ya que, los daños por condensación por
ácido sulfúrico y nítrico deben ser considerados.
Reducción del NOx Térmico
El mejor ambiente para minimizar la formación del NOx del combustible, es
aquel que posee una zona primaria rica en combustible (muy poco O2) donde
exista una elevada temperatura y el tiempo de residencia en ella sea suficiente
(0.5 seg) para minimizar el número de átomos de nitrógeno liberados para
formar NOx con el oxígeno.
De esta manera se consigue transformar el nitrógeno del combustible en
nitrógeno molecular.
Una vez que las reacciones para formar NOx han alcanzado un mínimo,
suavemente se debe aportar el aire requerido para completar la combustión
aguas abajo en el hogar, sin incrementar importantemente el NOx térmico.
Este mecanismo para reducir la formación de NOx recibe el nombre de
“combustión en etapas” y contribuye además para reducir la formación NOx
térmico.
Este mecanismo aprovecha el efecto de las zonas ricas/pobres en combustible
en la formación de NOx, tal como se muestra en la figura N°8.
Una reducción en la formación de NOx del combustible de hasta 55 % es
posible de ser alcanzada mediante la combustión en etapas.
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Finalmente deseamos mencionar algunas técnicas para reducir la formación de
NOx, que no tienen relación con la modificación de la combustión.
El uso de combustibles como el gas natural, LPG o petróleos livianos con bajo
contenido de átomos de nitrógeno ligados, lógicamente permiten alcanzar
bajos niveles de NOx.
También es posible eliminar el NOx formado en el proceso de combustión a
través de reactores con catalizadores selectivos (SCR), que lo destruyan antes
que los productos de la combustión sean expulsados por la chimenea.
Estos dispositivos eliminan el NOx mediante la inyección de amoíaco y un
catalizador para obtener N2 y agua, logrando emisiones de NOx de solo 9
pppm.
En un próximo artículo analizaremos con mayor detalle como funcionan y
cuales son los requisitos, para poder utilizar catalizadores para abatir las
emisiones de NOx en calderas.
Arnulfo Oelker Behn
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