4.3 RELACIN ENTRE LOS MECANISMOS DE FORMACIN DE NOx CON LAS TCNICAS DE CONTROLDE EMISIONES: REQUEMADO, SECUENCIACIN DEAIRE, OVERFIRE.

La reduccin de la emisin de xido de nitrgeno se ha convertido en unos de los grandes avances en materia de proteccin ambiental. De aqu que este tpico est siendo intensamente investigado por numerosos grupos tanto de laboratorios acadmicos como industriales. La reduccin de las emisiones antropognicas de los xidos de nitrgeno a la atmsfera pueden realizarse mediante la adopcin de medidas internas o primarias basadas en evitar su formacin, o bien, mediante mtodos en limitar su salida a la atmsfera: medidas secundarias.

La formacin de los NOx se puede evitar en las fuentes, mediante procesos basados en modificaciones (a) en los combustibles o (b) en el proceso de combustin. De esta forma pueden considerarse procesos tales como: (a) los de hidrodesnitrogenacin (HDN) y (b) diseo de quemadores de baja produccin de NOx, recirculacin del gas, con inyeccin de agua o vapor entre otros. Este tipo de proceso se ha aplicado de un modo generalizado en numerosas centrales trmicas y plantas de combustin que, en principio, son las soluciones a priori ms recomendables. Sin embargo, la reduccin de contaminantes alcanzada mediante estas medidas primarias no suelen ser muy elevadas, de manera que no se llegan a cumplir las estrictas legislaciones existentes. Dependiendo de las exigencias medioambientales de cada pas o regin, la adopcin de medidas primarias puede ser suficiente para cumplir la normativa vigente, o bien se hace necesario adoptar medidas secundarias, basadas, bien en retencin o en su transformacin en sustancias inocuas.

Los xidos de nitrgeno presentes en los gases emitidos de fuentes fijas, pueden ser eliminados mediante tecnologas basadas en la absorcin de estos compuestos por disoluciones, en su adsorcin sobre tamices moleculares, carbn activo, etc. O bien en la reduccin a nitrgeno, con distintos agentes reductores en presencia o no de un catalizador. Dada la baja solubilidad del NO en medio acuosos, los sistemas basados en la absorcin requiere generalmente una primera fase de oxidacin del NO a NO2, no obstante se facilita su retencin mediante la utilizacin de disoluciones de cido sulfrico y la sosa, que forma respectivamente nitrosilsulfrico y nitrato de sosa [22].

El conocimiento de los factores fsicos que controlan la formacin de los xidos de nitrgeno, pueden ser usados para definir los mecanismos y/o tcnicas para reducir las emisiones de NOX en sistemas de combustin. A continuacin se exponen estas tcnicas.

1.2 Reduccin del exceso de aire. Como se sabe de acuerdo con el equilibrio qumico, los xidos de nitrgeno se forman a partir de N2 y 02 a altas temperaturas, es decir, en la zona de la flama, por lo que al reducir la concentracin de oxgeno en esta zona disminuye la concentracin de NOX. Este mtodo es efectivo nicamente para los combustibles fsiles lquidos y slidos debido a que el contenido de nitrgeno en los combustibles gaseosos es mnimo y la formacin de los NOX se debe principalmente a la formacin trmica. Se han obtenido datos de algunas plantas que utilizan combustibles lquidos y gaseosos. Como se puede observar en la Figura 1.2 a niveles bajos de oxigeno se tienen concentraciones bajas de xidos de nitrgeno.

En aos recientes se han desarrollado tcnicas de operacin de equipos de combustin de combustibles lquidos con bajo exceso de aire, de 2 al 5 % (0.4 a 1 % de 02) cuando convencionalmente se utiliza de 1O a 20 % (2 a 4 % de 02). Desafortunadamente el operar a bajo exceso de aire causa problemas de formacin de humo, emisiones de monxido de carbono y trixido de azufre.

1.3 Recirculacin del flujo gaseoso La recirculacin de una porcin del flujo gaseoso en la zona de combustin reduce la concentracin de los NOX trmico y control a la temperatura de la flama. Un efecto tpico de la recirculacin de los gases en la emisin de NOX es mostrado en la Figura 1.3.

Esta tcnica ha sido aplicada algunas veces por generadores de vapor donde la reduccin de las emisiones de NOX se logra por la recirculacin del 30% del flujo gaseoso. Este tipo de operacin incrementa la eficiencia del quemador para hacer una flama radiante y ms uniforme a lo largo de la cmara de combustin. Hay mucha variacin de un equipo a Otro, en la cantidad de recirculacin del gas necesario para el control de la temperatura del vapor y el punto en el cual es introducido dicho gas.

1.4 Combustin en etapas. En este mtodo el quemador est diseado para proveer aire en menor cantidad que el estequiomtrico. El resto del aire es adicionado a travs de puertos separados en alguna posicin corriente abajo en el horno donde antes la flama ha perdido una apreciable cantidad de calor circundante. Por esta va la temperatura y la concentracin de oxgeno en estas zonas de combustin primaria y secundaria son bajas, teniendo como resultado una mnima emisin de los NOX (trmico y del nitrgeno fijo del combustible). En la zona de combustin primaria, el nitrgeno del combustible muchas veces es convertido en componentes amoniacales (NHx) los cuales estn disponibles para reducir un porcentaje de xido ntrico (NO) formado en la cmara secundaria de combustin. Esta tcnica de operacin permite tener una reduccin del 30 al 50% de las emisiones de NOX y pueden ser llevadas a cabo en calentadores industriales.

http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/18046/Capitulo1.pdf

http://ocw.uniovi.es/pluginfile.php/1015/mod_resource/content/1/1C_C12757_0910/04_GT17_Reduccion_de_NOX_en_humos.pdf Los quemadores de bajo NOX son la medida ms comn, ya que la modificacin necesaria en la caldera es baja, y su precio no es excesivamente alto, en comparacin con Otras tcnicas de reduccin de NOx, logrando reducciones de un 30 - 60 0/0. 1.2.1.1. Combustin con bajo exceso de aire La combustin con bajo exceso de aire es una medida operativa Simple y fcil de implantar reduciendo la cantidad de oxigeno disponible, en la zona de combustin, al mnimo necesario para que la combustin sea completa, se pueden lograr importantes reducciones en la formacin de NO del combustible, y en menor medida de las de NO trmico, Se pueden lograr considerables indices de reduccin con esta medida, entorno al 10-45 0/0, especialmente en Instalaciones antiguas, por 10 que se ha implantado en gran nmero de instalaciones de combustin existentes. En general, las instalaciones nuevas estn equipadas con sistemas de control que impiden otros ajustes del suministro de aire en la combustin. Como ventajas de este sistema, podemos mencionar que no se requiere un consumo adicional de energa, y si se opera correctamente, tampoco se detecta una disminucin en la fiabilidad de funcionamiento de la instalacin de combustin. Por el contrario, al reducir el nivel d oxigeno, la combustin puede resultar incompleta, aumentando la presencia de inquemados de carbono en las cenizas. Adems, la temperatura del vapor puede disminuir, Reducir el exceso de oxigeno en la zona de combustin primaria a cantidades demasiado bajas, puede tambin llevar a la emisin de altos niveles de monxido de carbono. Los resultados de estos cambios son la disminucin del rendimiento de la caldera, formacin de escorias, corrosin y combustin inestable. Otro efecto de esta tcnica es la reduccin del SOS, que puede causar corrosin y ensuciamiento en el calentador de aire y en los dispositivos de control de partculas. Los problemas de seguridad que pueden derivarse del LISO de esta tcnica cuando no se lleva un estricto control sobre su aplicacin, son la formacin de incendios en los calentadores de aire y en las tolvas de cenizas, asi como un incremento en la opacidad de los humos y un desgaste de las paredes de agua. 2.2.1.2. Reduccin del precalentamiento del aire La temperatura que se alcance en el precalentamiento del aire de combustin tiene un gran impacto sobre la formacin de NOX, ya que un aumento de esta, implica mayores temperaturas adiabticas de llama y mayores temperaturas de pico en la zona primaria de combustin, 10 que deriva en un incremento de la formacin de NO trmico. Por este motivo se realizan reducciones en la temperatura a la que se calienta el aire de combustin, especialmente en procesos de combustin a alta temperatura. A la hora de aplicar este proceso se plantean dos casos. El primero, en algunas calderas, como las de carbn de cenizas fundidas, las cuales requieren altas temperaturas de combustin, por 10 que necesitan temperaturas de precalentamiento del aire elevadas para el adecuado funcionamiento de la instalacin, por 10 que no es adecuada la implantacin de esta medida. El segundo caso, en el resto de hogares, trata de disminuir la temperatura de precalentamiento de aire, 10 cual implica un mayor consumo de combustible al desaprovechar una mayor porcin del calor contenido en los humos de combustin que se elimina por la chimenea. Esto puede contrarrestarse utilizando medidas para la conservacin de la energa, aprovechando el calor de alguna Otra manera, como el aumento del tamao del economizador.

2.2.1.3. Inyeccin en etapas de aire en la caldera La reduccin de las emisiones de NOX mediante la inyeccin escalonada de aire (alr staging), se basa en la creacin de dos zonas de combustin separadas, una zona primaria en la que se induce una falta de oxigeno, y Otra zona secundaria con exceso de oxigeno para asegurar que la combustin sea completa. La inyeccin de aire escalonada reduce la cantidad de oxigeno disponible (un 70-90 % del aire primario) en la zona primarla de combustin. Estas condiciones por debajo de las estequiomtricas en la zona primaria, impiden la formacin NO del combustible. La produccin de NO trmico tambin disminuye en cierta cantidad, debido a la menor temperatura pico conseguida. En la zona secundaria, se inyecta el aire restante por el exterior de la zona primaria. Con esta inyeccin se consigue completar la combustin, habiendo desarrollado menores temperaturas en el proceso, que limitan la formacin de NOX trmico.

4.4Ventajas y desventajas de otras tcnicas adicionales para el control de emisiones de NOx: recirculacin de gases, inyeccin de vapor, reduccin cataltica selectiva.

Larecirculacin de gases de escapeoEGR(en InglsExhaust gas recirculation)1es un sistema utilizado desde principios del1970,2que consiste en redirigir una parte de los gases de escapemotores de combustinhacia elcolector de admisin, para reducir las emisiones dexidos de nitrgeno.3La EGR funciona principalmente, a baja carga del motor y a baja velocidad. La proporcin de gas recirculado se adecua para cada motor en base a los estndares de contaminacin para respetar el equilibrio entre las emisiones de xidos de nitrgeno y de partculas. El endurecimiento de las normas de emisin conllev un aumento de la necesidad de usar la EGR.Los fabricantes europeos han adoptado el sistema desde 1996 para cumplir con la norma europea Euro 2 sobre contaminacin.Ventajas[editar]Su instalacin reduce la emisin de los xidos de nitrgeno, siendo instalado por los fabricantes para cumplir, a menor costo, con las normas europeas.Este sistema tiene el efecto de: Ralentizar la velocidad de combustin mediante la reduccin de la proporcin de oxgeno en la mezcla; Absorber parte de las caloras (aumentando la capacidad calorfica de la mezcla), reduciendo por lo tanto, su temperatura durante la combustin.Esto tiene el efecto de disminuir la cantidad dexidos de nitrgeno(NOx) en el gas de escape,3[ que conllevan originalmente lacontaminacin ozono atmosfrico.La produccin de xidos de nitrgeno depende en particular de la temperatura y de la presencia de oxgeno durante la combustin, (ver el mecanismo de Zeldovich -Physicochim Acta. 21, 577,1946)Desventajas[editar]La EGR aumenta la produccin departculas. Un compromiso entre la reduccin dexidos de nitrgeno3y el aumento de las partculas a travs de la eleccin de la tasa de EGR ptima para cada punto de velocidad y carga. Los gases recirculados se enfran ms, lo que disminuye la temperatura del gas y al reinyectarlos se reduce la produccin de partculas y xidos de nitrgeno para la misma tasa de EGR.Uno de los impactos negativos de este sistema es la reduccin en la tasa de combustin que se traduce en una disminucin en el rendimiento del motor (diferencia respecto al ciclo terico) e induce un aumento en el consumo de combustible. Sin embargo, la disminucin en el flujo de aire compensa parcialmente la disminucin en el rendimiento.El aumento de la produccin de holln durante la combustin genera un ensuciamiento ms pronunciado del aceite causado por la ingesta del circuito de escape del motor, siendo posible la necesidad de un filtro de partculas de acuerdo con el nivel de exigencia de las normas vigentes.http://es.wikipedia.org/wiki/Recirculaci%C3%B3n_de_gases_de_escapeINYECCIN DEVAPOR,Uno de los mtodos ms comunes para el control de NOx, que produce efectos adversos en la salud humana y al medio ambiente, implica el uso de agua o vapor de agua.s de Control

Durante la operacin de una turbina a gas siempre se pretende optimizar la eficiencia trmica elevando la temperatura de combustin. Y, por otro lado, para evitar la generacin de xidos de nitrgeno, se busca controlar (bajar) la temperatura (principal variable). Este conflicto ha generado la bsqueda de mecanismos para controlar las emisiones. Destacan tres grandes mtodos posibles para eso, amn de la optimizacin del diseo de turbinas, quemadores y control de gases a altas temperaturas. Estos mecanismos son principalmente los siguientes:

a) Incorporacin de agua o vapor a la cmara de combustin.

b) Control seco, que consiste en variar razn combustible/aire por retardo o en cmaras primarias y segundarias.

c) Mediante uso de procesos catalticos en zona de combustin y/o procesos catalticos selectivos.

Planta de Tratamiento

Un sistema tpico de una planta de tratamiento de agua desmineralizada para su posterior inyeccin a turbinas de gas, para el control de las emisiones de NOx, considera:

1.Agua de pozo:Ingresa a la etapa de filtracin para retener las partculas suspendidas que podra tener el agua de alimentacin. Dependiendo de la fuente de agua cruda (por ejemplo superficial) esta etapa podra ser ms compleja en trminos de tratamiento, incorporando una unidad de coagulacin/floculacin/sedimentacin.

2.Estanque de agua cruda:Como respaldo de agua para la central termoelctrica se necesita incorporar un estanque de acumulacin. Para evitar la descomposicin del agua almacenada, se recomienda dosificar hipoclorito de sodio a nivel de 0,3-0,4 mg/l ClO.

3.Un sistema de bombas:Mediante un sistema de bombas se alimenta una batera de filtros de carbn activado para remover el residual de cloro libre antes de su ingreso a las unidades de osmosis inversa.

4.Un sistema de microfiltros:Se utilizan carcazas de acero inoxidable o FRP para los filtros de cartuchos o mangas de polipropileno, para evitar el ingreso de elementos extraos que pudieran obstruir las unidades de osmosis inversa.

5.Bombas de alta presin:Estas bombas forman parte de las unidades de osmosis inversa e incrementan la presin del agua de entrada por sobre la presin osmtica natural del agua cruda. En este instante comienza la produccin de permeato. Como se trata de un elemento crtico, se recomienda incorporar una unidad de respaldo.

6.Unidades de osmosis inversa:Corresponde a los bastidores con tubos y membranas de alta presin que se disponen de una forma determinada para asegurar la produccin de agua desmineralizada, en el volumen deseado. La disposicin puede por el 100% del caudal o 2 x 50% para asegurar el respaldo.

7.Estanque de permeado:El agua desmineralizada (permeato) que surge de las unidades de osmosis inversa se acumula en un estanque de transferencia para su impulso hacia la segunda etapa de tratamiento, o etapa de pulimiento.

8.Sistema de microfiltros:Su objetivo es proteger la unidad de descarbonatacin de cualquier suciedad que pueda acumularse en el estanque de permeado.

9.Descarbonatador por contactor de membranas:La unidad de electro-deionizacin (CEDI) establece que se debe cumplir con una calidad de agua mnima para operar. Por lo anterior, y en funcin del contenido de anhdrido carbnico del agua, se incorpora una etapa de remocin por medio de un sistema de membranas que operan contra un vaco.

10.Electro-deionizacin:En esta etapa se genera el pulimiento del agua para alcanzar la calidad de < 0,1 microSiemens que se requiere para inyeccin a las turbinas. Una fraccin inferior al 5% del agua que ingresa a esta fase de CEDI retorna al estanque original por tratarse de un agua con una calidad superior a la original o cruda que ingresa a la planta.

Conclusiones

Las turbinas generadoras de electricidad operadas con combustible fsil producen emisiones contaminantes a la atmsfera (como CO, NOx y SOx) que deben controlarse y reducirse.

El combustible fsil de menor generacin de emisiones txicas es el gas natural.

Las emisiones de NOx dependen fundamentalmente de la temperatura de combustin. Mientras ms alta sea sta, mayor ser la generacin de NOx.

La forma ms utilizada para reducir la temperatura de combustin es a travs del suministro de agua ultra-pura a la cmara de inyeccin.

Debido a la temperatura de combustin, el agua a inyectar a la turbina (cmara de inyeccin) debe ser de alta pureza.

La produccin de agua desmineralizada se realiza a travs de la remocin de elementos suspendidos (decantacin/filtracin) y elementos disueltos (osmosis inversa/CEDI).

El tratamiento por osmosis inversa se emplea de manera preferente por sobre el intercambio inico que pudieran generar fuga de sodio o slice. Adems de emplear regenerantes que deben ser neutralizados y descartados al medio ambiente.

La desmineralizacin puede disearse mediante uno o dos pasos en serie de osmosis inversa, adems del pulidor final. Esta disposicin depender de la calidad fsica y qumica del agua cruda.