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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.

e conoce común-mente que las emi-siones de dióxido de azufre (SO2) de plantas de proceso contribuyen a la llu-via ácida, y muchos

sitios tienen que monitorear o controlar tales emisiones. Sin em-bargo, 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 manteni-miento.

Cuando se queman combus-tibles 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 signifi-cativa, del azufre oxidado.Típi-camente se trata de un reducido porcentaje del total. La mayoría de los combustibles sólidos y líquidos contiene algo de azu-fre, la mayor parte de las hullas, aceite pesado, coque de petró-leo 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 reac-cionar 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 da-da. Habrá más del SO3 inicial presente como H2SO4 cuando la concentración de agua es alta.

Donde se forme ácido sul-fúrico, un número de factores afecta la cantidad de SO3 libre y H2SO4 presentes en los gases de la chimenea. Esta proporción au-menta si el combustible contiene sustancias tales como vanadio, que actúa como un cataliza-dor 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 ge-neral, es mayor al quemar aceite que al quemar hulla.

El SO3 también se adsorbe en las cenizas volantes. Las ce-nizas, 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 cáma-ras de filtros de bolsas.

S

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Monitoreo del punto de rocío ácido en corrientes de gas de escape

D. StuartGerente de Proyecto

Ametek Process & Analytical Instruments

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La presencia de SO3 en los

gases de la chimenea puede conducir a un número de con-secuencias indeseables. El ácido sulfúrico se condensa a tem-peraturas muy superiores a los 100°C. Si la temperatura del gas disminuye por debajo del punto de rocío ácido, se forma un aero-sol 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 mo-do que pueden dispersar la luz

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 nega-tivo en la visibilidad a una gran distancia de la fuente.

Los administradores de la ca-lidad del aire cada vez tienen una mayor preocupación con respecto a cuestiones de visibili-dad que surgen de las emisiones de sulfatos en aerosol. Los aero-soles de ácido sulfúrico también contribuyen a las emisiones de PM2.5 que pueden afectar de ma-

nera negativa a la salud humana. Además, los problemas de los penachos azules han sido vincu-lados con sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) utiliza-dos para reducir las concentra-ciones de NOx. El catalizador aparentemente ayuda a promo-ver la reacción de SO2 a SO3.

Cuando se permite que la materia particulada se acumule en los conductores, pueden for-marse aglomeraciones de par-tículas, y el SO3 se adsorberá sobre estas partículas, tal co-mo se ha indicado previamente. Cuando tales aglomeraciones se desprenden, pueden emitirse de la chimenea como hollines áci-dos–trozos de polvo altamente corrosivo que atacan las super-ficies sobre las cuales aterrizan, incluidos automóviles cercanos, casas y vegetación.

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 su-perficie 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 tempe-ratura de salida de la chimenea disminuye la eficiencia térmica de la planta y aumenta los cos-tos 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 práctica-mente (Figura 2).

La corrosión de extremo frío puede ocurrir en cualquier lugar en que disminuya la temperatura

Figura 1. Fracción de SO3 inicial presente como H2SO4.

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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 mini-mizar la formación de SO3 y las emisiones relacionadas. Los de-puradores 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.

Una solución es utilizar aditi-vos para combustibles, tales co-mo óxido de magnesio (MgO) o hidróxido de magnesio (MgOH). Estos reaccionan con el azu-

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 es-trategia de mitigación tanto para la formación de SO3 como para las emisiones de sulfato en ae-rosol. 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 mu-cho sin disponer de un método práctico y confiable para medir la concentración de SO3. El mé-todo 8 de la Agencia de Protec-ción Medioambiental de EE.UU, Determinación de Emisiones de Ácido Sulfúrico y Dióxido Sulfú-rico Provenientes de Fuentes Es-tacionarias, ha sido desde hace tiempo el método utilizado. Co-mo método que emplea agentes químicos húmedos, resulta un poco engorroso y no es idóneo para realizar mediciones rápidas ni continuas.

Por otra parte, puede utilizar-se un sensor de la temperatura del punto de rocío ácido (ADT) para monitorear de manera efi-caz la concentración de ácido sulfúrico de manera continua o

Figura 2.Condiciones ope-rativas óptimas para una máxima eficiencia del hervidor.

Figura 4. Sensor

del punto de rocío ácido

Figura 3. Sensor de temperatura del punto de rocío ácido

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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 ter-mopar mide la temperatura de la superficie mientras el interior del dedal es enfriado por un flujo de

aire. Se forma una película de ácido sulfúrico sobre el sensor cuando se enfría el sensor por debajo del punto de rocío áci-do. 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. Cuan-do el sensor se encuentra a la temperatura de punto de rocío

ácido, las velocidades de evapo-ración y deposición son iguales, de modo que el grosor de la película y, por ende, su conduc-tividad, resultan constantes.

El primer monitor ADT ba-sado en este diseño de sen-sor apareció en 1965. Si bien las mejoras en los componentes electrónicos y los modernos con-troles neumáticos con el correr de los años han producido una mayor eficiencia y capacidad de utilización, el principio de me-dición sobre el cual se basa el analizador ha continuado siendo esencialmente el mismo.

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

Figura 5. Monitor ADT portátil.

Figura 6. Monitor ADT

fijo mostrando el sistema de

limpieza.

mediciones sucesivas para su ul-terior 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 entor-nos industriales más exigentes. Todo lo que se requiere es un suministro local de aire compri-mido y un punto de acceso apro-piado para la sonda para realizar el muestreo. Un operador sin ninguna destreza especial puede completar el monitoreo. La uni-dad puede capturar y almacenar más de 10.000 lecturas.

La limpieza del sensor de punto de rocío es muy im-portante. La materia particula-da 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 simple-mente 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 cho-que 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 en-friamiento, el tiempo práctico de instalación de un monitor ADT puede aumentar desde unas po-cas horas hasta muchos meses antes de requerirse una limpieza manual.

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