Capítulo 1 Controles de NOx

Capítulo 1
Controles de NOx
1.1 Generalidades
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son compuestos de nitrógeno y oxígeno que
se forman en las combustiones con exceso de oxígeno y altas temperaturas. El
término óxido de nitrógeno puede referirse a cualquiera de ellos:
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Óxido nítrico u óxido de nitrógeno (II), NO.
Dióxido de nitrógeno, NO2.
Óxido nitroso o monóxido de dinitrógeno, N2O.
Trióxido de dinitrógeno, N2O3.
Tetraóxido de dinitrógeno, N2O4.
Pentóxido de dinitrógeno, N2O5.
El monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno constituyen dos de los
óxidos de nitrógeno más importantes toxicológicamente; ninguno de los dos es
inflamable.
El monóxido de nitrógeno es un gas a temperatura ambiente de olor dulce
penetrante, fácilmente oxidable a dióxido de nitrógeno. Mientras que el dióxido de
nitrógeno tiene un fuerte olor desagradable. El dióxido de nitrógeno es un líquido a
temperatura ambiente, pero se transforma en un gas pardo-rojizo a temperaturas
sobre los 21 °C.
Los óxidos de nitrógeno son degradados rápidamente en la atmósfera al
reaccionar con otras sustancias comúnmente presentes en el aire. La reacción del
dióxido de nitrógeno con sustancias químicas producidas por la luz solar lleva a la
formación de ácido nítrico, el principal constituyente de la lluvia ácida. El dióxido
de nitrógeno reacciona con la luz solar, lo cual lleva a la formación de ozono y
smog en el aire que respiramos.
Los óxidos de nitrógeno son liberados al aire desde el escape de vehículos
motorizados (sobre todo diésel), de la combustión del carbón, petróleo o gas
natural, y durante procesos tales como la soldadura por arco, galvanoplastia,
grabado de metales y detonación de dinamita. También son producidos
comercialmente al hacer reaccionar el ácido nítrico con metales o con celulosa.
En los procesos de combustión mientras que el gas de combustión se
encuentra dentro de la unidad de combustión, cerca del 95% del NOx existe en
forma de óxido nítrico (NO). El resto es dióxido de nitrógeno (NO2), el cual es
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inestable a altas temperaturas. Una vez que el gas de combustión es emitido a la
atmósfera, la mayor parte del NOx es finalmente convertido a no2. El NOx en la
atmósfera reacciona en presencia de la luz solar para formar ozono (O3), uno de
los contaminantes criterios para el que se han establecido normas nacionales de
la calidad del aire ambiental en base a efectos en la salud.
En la Figura 1.1 se muestra el ciclo del dióxido de nitrógeno- ozono. El
dióxido de nitrógeno se descompone en presencia de la luz solar para formar
oxígeno atómico y monóxido de nitrógeno. El oxígeno atómico se combina con el
oxígeno atmosférico para formar ozono. Para completar el ciclo, el monóxido de
nitrógeno y el ozono se combinan para formar dióxido de nitrógeno y oxígeno.
Figura1.1 Ciclo del dióxido de nitrógeno- ozono
Los óxidos de nitrógeno juegan un papel diferenciado en el ciclo del ozono
troposférico: el dióxido de nitrógeno (NO2) cataliza la formación de ozono,
mientras que el óxido nítrico conduce a su destrucción (NO).
Los NOx poseen una gran trascendencia en la formación de la mezcla de
niebla, humo y vapores e intervienen en el fenómeno de la lluvia ácida.
En altas concentraciones, producen problemas respiratorios sobre la salud
humana, problemas de crecimiento y clorosis en la vegetación, y son capaces de
corroer tejidos y materiales diversos.
La principal fuente de emisión de NOx se encuentra en el sector transporte,
debido a las reacciones de combustión de los vehículos
El NOx se genera de una de tres formas; NOx combustible, NOx térmico y
NOx inmediato. El NOx combustible es producido por la oxidación del nitrógeno en
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la fuente del combustible. La combustión de combustibles con alto contenido de
nitrógeno, tales como el carbón y los aceites residuales, produce mayores
cantidades de NOx que aquellos con bajo contenido de nitrógeno, tales como
aceite destilado y gas natural. El NOx térmico se forma por la fijación de nitrógeno y
oxígeno molecular a temperaturas mayores a 3600 °F (2000 °C). El NOx inmediato
se forma de la oxidación de radicales de hidrocarburos cerca de la flama de la
combustión.
El conocimiento de los factores físicos que controlan la formación de los
óxidos de nitrógeno, pueden ser usados para definir los mecanismos y/o técnicas
para reducir las emisiones de NOx en sistemas de combustión. A continuación se
exponen estos técnicas.
1.2 Reducción del exceso de aire.
Como se sabe de acuerdo con el equilibrio químico, los óxidos de nitrógeno
se forman a partir de N2 y O2 a altas temperaturas, es decir, en la zona de la flama,
por lo que al reducir la concentración de oxígeno en esta zona disminuye la
concentración de NOx. Este método es efectivo únicamente para los combustibles
fósiles líquidos y sólidos debido a que el contenido de nitrógeno en los
combustibles gaseosos es mínimo y la formación de los NOx se debe
principalmente a la formación térmica.
Se han obtenido datos de algunas plantas que utilizan combustibles líquidos
y gaseosos. Como se puede observar en la Figura 1.2 a niveles bajos de oxígeno
se tienen concentraciones bajas de óxidos de nitrógeno.
Figura 1.2 Efecto del exceso de O2 sobre la formación de
NOx.
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En años recientes se han desarrollado técnicas de operación de equipos de
combustión de combustibles líquidos con bajo exceso de aire, de 2 al 5 % (0.4 a 1
% de O2) cuando convencionalmente se utiliza de 10 a 20 % (2 a 4 % de O2).
Desafortunadamente el operar a bajo exceso de aire causa problemas de
formación de humo, emisiones de monóxido de carbono y trióxido de azufre.
1.3 Recirculación del flujo gaseoso
La recirculación de una porción del flujo gaseoso en la zona de combustión,
reduce la concentración de los NOx térmico y control a la temperatura de la flama.
Un efecto típico de la recirculación de los gases en la emisión de NOx es mostrado
en la Figura 1.3.
Figura 1.3 Efecto de la reducción de los NOx por recirculación
de los gases.
Esta técnica ha sido aplicada algunas veces por generadores de vapor
donde la reducción de las emisiones de NOx se logra por la recirculación del 30%
del flujo gaseoso. Este tipo de operación incrementa la eficiencia del quemador
para hacer una flama radiante y más uniforme a lo largo de la cámara de
combustión.
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Hay mucha variación de un equipo a otro, en la cantidad de recirculación
del gas necesario para el control de la temperatura del vapor y el punto en el cual
es introducido dicho gas.
1.4 Combustión en etapas.
En este método el quemador está diseñado para proveer aire en menor
cantidad que el estequiométrico. El resto del aire es adicionado a través de
puertos separados en algunas posiciones corriente abajo en el horno donde antes
la flama ha perdido una apreciable cantidad de calor circundante.
Por esta vía la temperatura y la concentración de oxígeno en estas zonas
de combustión primaria y secundaria son bajas, teniendo como resultado una
mínima emisión de los NOx (térmico y del nitrógeno fijo del combustible).
En la zona de combustión primaria, el nitrógeno del combustible muchas
veces es convertido en componentes amoniacales (NHx) los cuales están
disponibles para reducir un porcentaje de óxido nítrico (NO) formado en la cámara
secundaria de combustión.
Esta técnica de operación permite tener una reducción del 30 al 50% de las
emisiones de NOx y pueden ser llevadas a cabo en calentadores industriales.
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