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TECNOLOGIAS DE DESNITRIFICACION:

TECNICAS PRIMARIAS Y SECUNDARIAS DE

REDUCCION DE NOX

Dr. Francisco Rodríguez Barea

Director de la División de Procesos de INERCO, S.A.

I JORNADAS CATEDRA E.ON ESPAÑA

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ESQUEMA GENERAL PARA REDUCCION DE NOX

TECNICAS DE PRECOMBUSTION (MEDIDAS PRIMARIAS)

• MENOR CONTENIDO EN NITROGENO

• MAYORES VOLATILES

• MOLIENDA MAS FINA

TECNICAS DE MODIFICACION DE LA COMBUSTION (MEDIDAS PRIMARIAS)

• TEMPERATURA

• EXCESO DE OXIGENO

• TIEMPO DE RESIDENCIA

TECNICAS DE POSTCOMBUSTION (MEDIDAS SECUNDARIAS)

• TRATAMIENTO DE GASES, SOLO NOX

• TRATAMIENTO SIMULTANEO SOX/NOX

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JUSTIFICACION DE MEDIDAS PRIMARIAS: FORMACION DE NOX EN PROCESOS DE COMBUSTION

HOMOGENEASREACCIONES

OXIDO NITROSO

DIOXIDO DE NITROGENO

OXIDO NITRICO

HETEROGENEASREACCIONES

MECANISMOS CINETICOS

FACTORES QUIMICOS

>90%NO

2N O

NO2

≈

≈ 5%

TURBULENCIA

GRADIENTES DECONCENTRACION

FACTORES FISICOS

DIFUSIONALESFENOMENOS

NOX

NO2

+

NO

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DEFINICION DE LOS MECANISMOS DE FORMACION DE NOX

SEGÚN FUENTE DE N Y MEDIO REACTIVO

NO SUBITO

N COMBUSTIBLE

NO DELCOMBUSTIBLE

N2AIRE

NO TERMICOPRODUCTOS DE

( O, OH )COMBUSTION

LLAMA( O, OH, CX )

FRENTE DE

MECANISMO DEREACCION

MEDIOREACTIVONITROGENO

FUENTE DE

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EFECTO DE LA TEMPERATURA DE COMBUSTION EN LA GENERACION DE NOX POR LOS DISTINTOS MECANISMOS

NO

X,

mg

/N

m

(C.N

.)

1000

500

01000

3

TEMPERATURA, °C1400

1500

NITROGENO DEL COMBUSTIBLE

1800 2000

NOX -SUBITO

NO PROCEDENTE DELX

DE NOX

FORMACION TERMICA

POSIBILIDAD DE REDUCIR T PARA CONTROL DE NOx TERMICO

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EFECTO DEL TIEMPO DE RESIDENCIA EN ZONA DE COMBUSTION: COMPARACION DE LAS VELOCIDADES DE FORMACION DEL NO

TERMICO (LENTO) Y NO DEL COMBUSTIBLE (RAPIDO)

0,0 0,5 1,0 1,50

100

200

300

400

500

600

TIEMPO DE RESIDENCIA (ms)

NO

(p

pm

)x

NO COMBUSTIBLE

NO TERMICO

POSIBILIDAD DE REDUCIR TIEMPO DE RESIDENCIA A ALTA T PARACONTROL DE NOx TERMICO

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EFECTO DE LA RELACION COMBUSTIBLE/AIRE PARA EL MECANISMO DE FORMACION DE NOx DEL COMBUSTIBLE

NXESPECIES

ORGANICASNITROGENADAS SECUNDARIAS

NITROGENADASESPECIES

NZ

RADICALESHIDROCARBONADOS

CX

HCNNH( )3

NHi

A( +OH, O ) ( V ) NO

N2( +NH , NO ) VBi

CONVERSION A NOx MENOR PARA MENOR OXIGENO (MAYOR RATIO COMBUSTIBLE/AIRE):

POSIBILIDAD DE RETIRAR AIRE DEL INICIO DE LA LLAMA(ESTRATIFICACION DE COMBUSTION) PARA CONTROL DE NOx

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INFLUENCIA DE PARAMETROS DE COMBUSTION EN MECANISMOS PRINCIPALES DE FORMACION DE NOX

NO TERMICO NO COMBUSTIBLE

N EN COMBUSTIBLE NULA APRECIABLE

TEMPERATURA DECOMBUSTION

MUY IMPORTANTE A PARTIR DE 1300 ºC

(CRECIMIENTO EXPONENCIAL)

POCO IMPORTANTE (SOLO INFLUYE A T BAJAS),

SALVO EFECTO EN DEVOLATILIZACION

TIEMPO DE RESIDENCIAIMPORTANTE

(SOBRE TODO A ALTAS T)POCO IMPORTANTE

(REACCION EN 0,5 ms)

RELACION COMBUSTIBLE/AIRE

POCO IMPORTANTEMUY IMPORTANTE

(TANTO PARA INICIO COMO FINAL DE LLAMA)

PARAMETROINFLUENCIA

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FUENTES DE NOX EN FUNCION DEL COMBUSTIBLE

FUENTES DE NO (%)

TERMICO

20

30-35

100

COMBUSTIBLE

80

65-70

-

CARBON1

FUELOIL

GAS

1 RATIOS TERMICO/COMBUSTIBLE DEL ORDEN 50/50 PARA COMBUSTION DE CARBONES BAJOS EN VOLATILES

10

MEDIDAS PRIMARIAS:REDUCCION DE NOX ANTES DE LA COMBUSTION

1. NITROGENO

• CONTENIDO TOTAL Y TIPOS DE COMPUESTOS

2. VOLATILES (CASO DEL CARBON)

• A MAYORES VOLATILES:

– NIVELES INFERIORES DE NOX MEDIANTE ESTRATIFICACION DE COMBUSTION

3. OPTIMIZACION DE MOLIENDA (CASO DEL CARBON):

• MAYOR FINURA IMPLICA:

- MAYORES VELOCIDADES DE IGNICION Y COMBUSTION

- POSIBILIDAD DE OPERAR CON MENOR EXCESO DE OXIGENO

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MEDIDAS PRIMARIAS: REDUCCION DE LAS EMISIONES DE NOX DURANTE LA COMBUSTION

OBJETIVO

• DIFICULTAR TERMODINAMICA Y CINETICAMENTE LA FORMACION Y FAVORECER LA DESTRUCCION A ALTA TEMPERATURA

• EFECTIVIDAD DEPENDIENTE DE CONSEGUIR CONDICIONES DE HOGAR CONTROLADO (EQUILIBRADO DE COMBUSTION):

– MEJORAS RECIENTES EN MONITORIZACION (APORTES DE COMBUSTIBLE Y AIRE, Y CONCENTRACIONES DE GASES EN HOGAR)

– NUEVAS CAPACIDADES DE REGULACION Y CONTROL

• CONDICIONADA POR EVENTUALES FENOMENOS SECUNDARIOS

MENOR TEMPERATURA DE LLAMA

MENOR EXCESO DE OXIGENO

MENOR TIEMPO DE RESIDENCIA

X

X

X

TERMICO COMBUSTIBLE

HOGAR CONTROLADO: TECNOLOGIA ABACO

ABACO - Opticom

ABACO - Air

EMIR

EMIR

ABACO - Loi

AWP4

ABACO - Coal

Mejoras en: Monitorización + Regulación + Control de Combustión

SISTEMA EXPERTO PARACONTROL LOCALDE COMBUSTION

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PERFILES DE O2 Y NOX EN HOGAR Y DISTRIBUCION DE APORTES DE CARBON EN CASO BASE (CALDERA TANGENCIAL)

LEVEL 6

O2

2.2

6.5

2.4

0.4

1.1

3.3

638

861

685

355

404

NO

677

OFA (0%)

0% < DAV < + 5%

DAV ≥ + 5%

- 5% < DAV < 0%

DAV ≤ - 5%

Coal mass flow

DAV≡ Deviation from Average Value

BOOS (LEVEL 6)

BOOS≡ Burners Out Of Service

O2 (%, d.b.)

NO (mg/Nm3, d.b., @ 6% O2)

3.5 650FURNACE

EXIT BOILER EXIT

O2 NO3.8 656

LEVEL 5

LEVEL 4

LEVEL 3

LEVEL 2

LEVEL 14 C

OR

NER

BU

RN

ERS LEVEL 6

O2

2.2

6.5

2.4

0.4

1.1

3.3

638

861

685

355

404

NO

677

OFA (0%)

0% < DAV < + 5%

DAV ≥ + 5%

- 5% < DAV < 0%

DAV ≤ - 5%

Coal mass flow

DAV≡ Deviation from Average Value

BOOS (LEVEL 6)

BOOS≡ Burners Out Of Service

0% < DAV < + 5%0% < DAV < + 5%

DAV ≥ + 5%DAV ≥ + 5%

- 5% < DAV < 0%- 5% < DAV < 0%

DAV ≤ - 5%DAV ≤ - 5%

Coal mass flow

DAV≡ Deviation from Average Value

BOOS (LEVEL 6)

BOOS≡ Burners Out Of Service

O2 (%, d.b.)

NO (mg/Nm3, d.b., @ 6% O2)

3.5 650FURNACE

EXIT BOILER EXIT

O2 NO3.8 656

LEVEL 5

LEVEL 4

LEVEL 3

LEVEL 2

LEVEL 14 C

OR

NER

BU

RN

ERS

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TECNOLOGIAS DE MODIFICACION DE LA COMBUSTION PARA REDUCIR EMISIONES DE NOX

RECIRCULACION GASES SI SI SI4.2.

MENOR PRECALENTAMIENTO SI - -4.1.

1.

2.

4.

3. -SISIQUEMADORES DE NOX BAJO

REDUCCION TEMPERATURA DE LLAMA

-SISI

COMBUSTION ESCALONADA(EN ETAPAS) EN HOGAR

MENOR TIEMPOREDUCCION DE O2MENOR TEMPERATURATECNOLOGIA DE LLAMA DISPONIBLE RESIDENCIA

BAJO EXCESO AIRE - SI -

TECNICA

2.1. ESCALONAMIENTO DE AIRE

REDUCCION(%)

2.2. ESCALONAMIENTO DECOMBUSTIBLE

SI SI - 40-60

20-45

20-40

30-50

5-15

10-40

15

NOx GENERADO EN FUNCION DEL EXCESO DE AIRE Y DEL % N EN EL COMBUSTIBLE

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COMBUSTION EN ETAPAS

• ZONA PRIMARIA• ZONA DE REBURNING• ZONA DE BURNOUT

• ZONA SUBESTEQUIOMETRICA• ZONA DE COMBUSTION FINAL

EN HOGAR

EN QUEMADORES

COMBUSTIBLESEN

ETAPAS

AIREEN

ETAPAS

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ESTRATIFICACION EN HOGAR Y QUEMADORES

ESTRATIFICACIONEN HOGAR

ESTRATIFICACIONEN QUEMADORES

18

ESCALONAMIENTO DE AIRE. LOCALIZACION DE LAS ENTRADAS DE AIRE DE SEGUNDA ETAPA EN PARED DE HOGAR Y

QUEMADORES

19

DISPOSICION TANGENCIAL DE QUEMADORES Y MODIFICACION PARA REDUCCION DE NOx

20

PRINCIPIOS DE OPERACION CON COMBUSTIBLES EN ETAPAS

DESTRUCCION NOx Z. PRIMARIA POR REACCION CON RADICALES HIDROCARBONADOS (SIN O2)

21

ESQUEMA DE UN QUEMADOR AVANZADO DE NOX BAJO

22

CHIMENEAA GAS DE COMBUSTION

METODOS DE REDUCCION DE TEMPERATURA EN CALDERAS

AIRE DE COMBUSTIONBYPASS DE PARTE DEL

DE AGUAINYECCION

GAS DE COMBUSTIONRECIRCULACION DE

GAS DE COMBUSTION

PRECALENTADOAIRE DE COMBUSTION

COMBUSTIBLE

AGUA

PRECALENTADORDE

AIRECALDERA

AIRE

23

TECNICAS SECUNDARIAS O DE ABATIMIENTO DE NOx: CLASIFICACION DE LOS PROCESOS APLICABLES

24

REDUCCION SELECTIVA CATALITICA (SCR)

REDUCCION DE NOX POR AMONIACO CON CATALIZADOR

4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O

4NH3 + 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2O

REACCIONES A MINIMIZAR

OXIDACION DE SO2 A SO3

2SO2 + O2 → 2SO3

OXIDACION DE AMONIACO

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

25

ESQUEMA DEL PROCESO SCR

26

REDUCCION SELECTIVA CATALITICA (SCR)

INSTALACIONES AUXILIARES

TEMPERATURA Y PARTICULAS EN GASES

VIDA UTIL DEL CATALIZADOR

SITUACION EN LA INSTALACION

AMONIACO EN SALIDA (AMMONIA SLIP: 2-5 PPM)

EVITAR FORMACION DE SO3 Y SU REACCION CON AMONIACO PARA ORIGINAR BISULFATO AMONICO

ASPECTOS CRITICOS

REDUCCION EN NOx TIPICA: 70-90%

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REDUCCION SELECTIVA NO CATALITICA (SNCR)

REDUCCION DE NOX POR AMONIACO (O UREA CO(NH2)2)SIN CATALIZADOR

REALIZADA A ALTA TEMPERATURA

INTERVALO PRECISO DE TEMPERATURAS: 900-1100 °C

TIEMPO DE REACCION MUY CORTO: O,1 s

BUENA MEZCLA ENTRE GAS Y REACTIVOS

AFECTADO POR O2, CO, SO3, SO2 Y NOX

REDUCCION EN NOx TIPICA: 20-50% CON COSTES DE INVERSION Y MANTENIMIENTO SUSTANCIALMENTE INFERIORES A SISTEMAS SCR

28

MODIFICACION DEL INTERVALO DE TEMPERATURAS OPTIMO PARA REDUCCION SELECTIVA NO CATALITICA DE

NOX (SNCR) EN FUNCION DE LA CONCENTRACION DE OXIGENO EN GASES DE COMBUSTION

29

SISTEMA DE REDUCCION SELECTIVA NO CATALITICA DE NOX (SNCR): INYECCION EN MULTIPLES NIVELES

30

COSTES DE CONTROL DE EMISIONES DE NOX

TECNOLOGIA

AJUSTE DE COMBUSTION (HOGAR CONTROLADO)

OVERFIRE

QUEMADORES DE BAJO NOX

OVERFIRE + QUEMADORES DE BAJO NOX

REBURNING

RECIRCULACION DE GASES + QUEMADORES DE BAJO NOX

MEDIDAS PRIMARIAS

SNCR

SCR

20-50

20-40

30-50

60

60

60-70

REDUCCIONNOX (%)

20-50

70-90

1-4

6-8

10-25

10-30

15-30

15-40

INVERSION(€/kW)

5-20

40-150

30-150

100-400

150-400

200-400

400-1500

250-500

COSTE TOTAL(€/t NOX

ELIMINADO)

500-1500

700-3000

0,3-1,2

1,8-2,4

3,0-7,5

3,0-9,0

4,5-9,0

4,5-12,0

INVERSION(M€)

(PARA 300 MW)

1,5-6,0

12,0-45,0

MEDIDAS SECUNDARIAS