04 gt17 reduccion de nox en humos

REDUCCIN DE EMISIONES CONTAMINANTES EN GRANDES INSTALACIONES DE COMBUSTIN. ISMAEL PRIETO

REDUCCIN DE EMISIONES DE XIDOS DE NITRGENO

NDICE DE MATERIAS

2. REDUCCIN DE EMISIONES DE XIDOS DE NITRGENO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1. Formacin de xidos de nitrgeno en la combustin de combustibles fsiles . . . . . . . . 232.1.1. Formacin de NOX trmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.2. Formacin de NOX del combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.3. Formacin de NOX sbito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.4. Formacin de NO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1.5. Formacin de N2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2. Tecnologas para la reduccin de emisiones de xidos de nitrgeno . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.1. Medidas primarias para la reduccin de emisiones de NOX . . . . . . . . . . . . . . 30

1.2.1.1. Combustin con bajo exceso de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.1.2. Reduccin del precalentamiento del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.1.3. Inyeccin en etapas de aire en la caldera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.1.4. Recirculacin de gases de combustin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.1.5. Combustin escalonada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.2.1.6. Inyeccin de agua o vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.2.1.7. Quemadores de bajo NOX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.2. Medidas secundarias para la reduccin de emisiones de NOX . . . . . . . . . . . . 542.2.2.1. Reduccin cataltica selectiva (SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.2.2.2. Reduccin selectiva no cataltica (SNCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60


23

2. REDUCCIN DE EMISIONES DE XIDOS DE NITRGENO

2.1. Formacin de xidos de nitrgeno en la combustin de combustibles fsiles

El trmino general de los xidos de nitrgeno engloba desde un punto de vista formal lossiguientes compuestos: NO, NO2, N2O2, N2O4, N2O, N2O3 y NO3, siendo ste ltimo inestable.Los principales xidos de nitrgeno emitidos durante la combustin de combustibles fsiles enson, el xido ntrico (NO), dixido de nitrgeno (NO2) y xido nitroso (N2O). El trmino NOXse aplica solo a los dos primeros, debido a su presencia mayoritaria y facilidad de transformacinmutua en presencia del O2 del aire. El xido ntrico es un gas incoloro y no inflamable, peroinodoro y txico. El dixido de nitrgeno, es un gas pardo rojizo, no es inflamable pero si txicoy se caracteriza por un olor muy asfixiante. El xido nitroso es un gas incoloro, con aroma ysabor ligeramente dulce.

A la temperatura ambiente el oxgeno y el nitrgeno tienen poca tendencia a reaccionarentre s, puesto que su reaccin de formacin es extremadamente endotrmica. La energanecesaria slo esta disponible a temperaturas altas, como las generadas en los procesos decombustin (de 1300 a 2500 /C). Incluso a tales temperaturas nicamente se producen cantidadesmuy pequeas de NO, pero tienen importancia en trminos de atmosfrica.

En general podemos decir que el tiempo de residencia de los gases en la zona decombustin, as como la temperatura de la llama, y la concentracin de oxgeno determinan lacantidad de NO que realmente se forma.

Si el efluente de la combustin se enfra lentamente a medida que es emitido, el NO seconvertira en O2 y N2. Sin embargo, en la mayor parte de los equipos de combustin, unafraccin importante de la energa trmica de los productos gaseosos se cede rpidamente ya bienpor la conversin en trabajo o por tranferencia de calor. Bajo tales circunstancias el NOpermanece en los escapes a baja temperatura, pues no tiene tiempo de descomponerse.

El NO2 aparece debido reaccin del NO con el O2, pero esto tan slo sucede a bajastemperaturas (menos de 150 /C); as pues se encuentra muy poco NO2 en la mezcla gaseosa atemperaturas de combustin y podemos decir que el 90 % del total de NOX que se emite es NO.

Una vez en la atmsfera, tanto el NO como el NO2, entran en un conjunto de reaccionesfotoqumicas que desembocan en el aumento de la concentracin de NO2, y en una disminucinde la de NO. Dichas reacciones forman parte del ciclo fotoltico del NO2, en el cual, con laparticipacin del O2 atmosfrico y de la energa del sol, se produce la circulacin del NO2. Eneste proceso las concentraciones de NO y NO2 no varan sino fuera por la existencia dereacciones competidoras que implican a hidrocarburos y que traen como resultado la formacinde compuestos perjudiciales para el medio ambiente como son el smog fotoqumico o la lluviacida.

Centrndonos ya en los mecanismos de formacin de los xidos de nitrgeno podemosdistinguir tres tipos, a los que denominaremos:

NOX trmico: producido por oxidacin del nitrgeno contenido en el aire de combustin


24

NOX del combustible, resultante de la oxidacin del nitrgeno contenido en elcombustibleNOX sbito, se forma por conversin del nitrgeno molecular en presencia dehidrocarburos, en el frente de la llama.

El tipo de proceso de combustin tambin afecta a la cantidad de xidos de nitrgenoemitida. En el caso del carbn, por ejemplo:

- Las emisiones de NOX son ms bajas en las calderas de parrillas mviles, debido a lasrelativamente bajas temperaturas de combustin- Las emisiones son ms altas en calderas de carbn pulverizado, variando segn el tipode quemador y el diseo de la cmara de combustin- Las emisiones de NOX en una caldera en lecho fluido son menores que las producidasen calderas convencionales, aunque las emisiones de N2O son mayores.

Tabla 10. Mecanismo de formacin de los NOXxidos deNitrgeno

Lugar de Formacin

Mecanismo/Reaccin Factores principales que afectan a laformacin del NO

NO Trmico Llama(zona de

pre-reaccin)

a) Exceso de O2 N2 + O 6 NO + N N + O2 6 NO + Ob) Exceso de combustible N + OH 6 NO + H

- Concentracin de tomos de O2 atmico- Tiempo de residencia- Temperatura $ 1300 C

NO Combustible Llama Sobre compuestos decarbono, entre otros,parcialmentedesconocidos

- Concentracin de O2- Tiempo de residencia

NO Sbito Llama CN + H2 6 HCN + HCN + H2O 6 HCN + OHCH + N26 HCN + N

- Concentracin de tomos de O2 en lareaccin de combustin- Exceso de aire

NO2

Llama NO + H2O 6 NO2 + OH - Enfriamiento rpido de la reaccin decombustin (turbinas de gas)Conductos

y Chimenea 2NO + O2 6 NO2- Temperatura menor de 650 C- Concentracin de O2- Tiempo de residencia

Atmsfera NO2 + hv 6 NO + OO + O2 + M 6 O3 + MNO + O3 6 NO2 + O2

- Concentracin de O2- Intensidad de la insolacin- Tiempo de residencia- Polucin del aire

Por tanto la cantidad de NOX producido depende fundamentalmente, del diseo y tipo decaldera, de las propiedades del combustible y de las condiciones en que tienen lugar lacombustin, como la temperatura, el exceso de aire y el tiempo de residencia.


25

2.1.1. Formacin de NOX trmico

El mecanismo de reacciones que se producen es conocido con el nombre de Zeldovich,el cual se expone a continuacin:

N2 + O N + NO (El = 314 kJ/mol)N + O2 NO + O (E2 = 29 kJ/mol)N + OH NO + H (El = 0)

La formacin del NO trmico crece exponencialmente con la temperatura y esconsiderable la cantidad del mismo que se puede generar en presencia de una llama contemperaturas alrededor de los 1500 /C. Del mismo modo, cuando las temperaturas de combustinson inferiores a 1000 /C, las emisiones de NO se reducen significativamente, dependiendo en talcaso, del contenido en nitrgeno del combustible. La conversin es pues favorecida por las altastemperaturas, e intervienen adems como condiciones favorables el tiempo de residencia en lazona de llama y la concentracin de oxgeno, siendo proporcional la formacin de NO trmicoa la raz cuadrada de la concentracin de oxgeno.

La formacin de NO trmico, es el mecanismo predominante por el que se producen lasemisiones de NOX, cuando se queman combustibles lquidos y gaseosos.

En la prctica la formacin de NO trmico en una caldera depende de:

- Parmetros de la combustin (temperatura, exceso de aire, etc.)- Diseo de la caldera- Diseo de los quemadores- Potencia de funcionamiento de la caldera.

2.1.2. Formacin de NOX del combustible

El nitrgeno formando parte de las molculas del combustible se presenta en loscombustibles tipo carbn o petrleo. El contenido medio de nitrgeno del gas natural y losproductos petrolferos ligeros es despreciable, mientras que en los crudos de petroleo oscilaalrededor del 0,1-0,5 % . El carbn abarca una gama de contenidos de 0,5-2 %. De este modoes lgico pensar que la formacin de NOX del combustible predomine en el carbn y lospetrleos brutos, llegando en los quemadores de carbn pulverizado a constituir del 30-80 % delNOX producido.


26

1.00.80.60.40.20.1 2.0 3.0

100

80

60

40

30

20

104.0

Aceite Carbon

Fraccion masica de nitrogeno en el combustible

Con

vers

ion

a N

O, %

Figura 1. Magnitud de la conversin del nitrgeno del combustible a NO

Tabla 11: Nitrgeno qumicamente combinado con el combustibles.Combustible N2 formando parte de las

molculas(% peso sobre basa seca y limpia)

Carbn 0,5 - 2

Biomasa (madera) < 0,5

Turba 1,5 - 2,5

Fuel-oil < 1,0

Gas natural < 0,1

Durante la combustin, una fraccin de este nitrgeno contenido en el combustible esliberado y es convertido en la zona de llama en xidos de nitrgeno y/o N2. La cantidad de NOformado depende de:

- El nitrgeno contenido en el combustible (materia voltil y en carbono fijo)- Las caractersticas del combustible- La concentracin de nitrgeno del combustible liberada a la fase gaseosa en la zona dellama.- Los parmetros de la combustin (especialmente el exceso de O2)- El diseo de la caldera.

El porcentaje de nitrgeno combustible liberado para convertirse en NO es decrecientecon el contenido total en nitrgeno del combustible, como se puede apreciar en la figura 1.

Cuando las condiciones de reaccin se desarrollan con altos excesos de oxgeno,predominar la formacin de xidos de nitrgeno.


27

Bajo condiciones ricas en combustible o cuando el contenido en nitrgeno del combustiblees muy alto, las reacciones que producen nitrgeno molecular predominan, resultando unporcentaje de conversin de nitrgeno combustible a NO menor. Esto es debido a que el NOreacciona con algunos radicales, descomponindose en nitrgeno molecular. Este mecanismo sepuede utilizar para reducir la formacin de NOX, mediante los procesos de inyeccin de aire ycombustible en etapas (air staging y rebuming).

2.1.3. Formacin de NOX sbito

La formacin del NO sbito se produce por reaccin de nitrgeno molecular confragmentos de hidrocarburos en le frente de la llama. Los enlaces N=N pueden rompersefcilmente en presencia de radicales CH, CH2, etc.

N2 + CH HCN + N

El producto HCN es un subproducto del mecanismo anterior, es decir del NOX delcombustible, por lo que se puede entender como una progresin o segunda fase del mecanismoanterior. Este mecanismo es el de menor importancia relativa a la hora de contribuir a laformacin de xidos de nitrgeno.

Como resumen se puede decir que el NOX se forma en el frente de llama, donde lastemperaturas son altas y donde existe una concentracin importante de tomos de oxgeno libre.Los factores que son determinantes en su formacin y que por ello es necesario cuidar, son eldiseo de la caldera, de los quemadores y los parmetros de combustin.

Como la temperatura de los gases de combustin decrece al atravesar la caldera, laformacin del NO trmico deja de producirse rpidamente debido a que la reaccin de formacines fuertemente endotrmica. La concentracin de radicales necesarios para la formacin de NOXdel combustible tambin decrece al desplazarse los gases de combustin por la caldera, debidoa que se consumen los hidrocarburos por el proceso de combustin. El camino de produccin deNO combustible por lo tanto decrece (no tan rpidamente como por el mecanismo de NO trmico)al ascender los gases de combustin por la caldera.

2.1.4. Formacin de NO2

La cantidad de NO2 observada en la prctica vara entre el 1-5 % del total de NOXproducido, dependiendo del tipo de caldera y la operacin. La cantidad exacta producida esimportante debido a los efectos negativos que provoca, algunos de los cuales son los siguientes:

- Formacin de SO3- Oxidacin de sulfatos en procesos regenerativos de desulfuracin de gases decombustin- Aumenta la concentracin de sales disueltas en las aguas del proceso de desulfuracinde humos- Provoca la formacin de humos pardos.


28

La reaccin de formacin de NO2 es la siguiente:

2NO + O2 2NO2

Esta reaccin es favorecida termodinmicamente por el descenso de temperatura, comose puede observar en la figura 2.

2.1.5. Formacin de N2O

El mecanismo de formacin de este compuesto o sus reacciones de formacin no est muyclaro, aunque existe alguna hiptesis que apunta hacia unos caminos de reaccin bastantecomplejos.

Aparentemente se forma entre las temperaturas de 800 y 1100 /C en la zona depostcombustin y tiene relacin con la cantidad de HCN y NH3. A temperaturas superiores aestas, el N2O es inestable, reducindose a N2.

La cantidad formada en la mayora de las instalaciones convencionales de combustin,es pequea, menor de 10 ppm. Esto ocurre porque en la mayora de las plantas los radicales deltipo HCN son producidos en la zona de combustin, donde las temperaturas son del orden de1500 /C, a las cuales no se forma N2O. Al llegar los gases a temperaturas de 800 a l100 /C,intervalo de formacin del N2O, los radicales HCN necesarios para su formacin se hanconsumido en otras reacciones.

5000.1Temperatura, C

1000

-1

Loga

ritm

o de

la c

onst

ante

de

equi

librio

, log

K

-3

-4

-2

1

0

2eq

2/ 2O1NO +

N O+2 2

2NO

1500

2NO

3

Figura 2. Constante de equilibrio de la formacin de NO y NO2 en funcin de la temperatura


29

Figura 3. Formacin de NOX a medida que evoluciona la temperatura en la combustin convencional

Por lo tanto las emisiones de N2O son ms elevadas en calderas de lecho fluido circulante,burbujeante y presurizado, al tener lugar estos procesos a temperaturas en el entorno de 850 /C.

En experimentos de laboratorio, se ha demostrado que en procesos de ReduccinCataltica Selectiva (SCR), se forma xido nitroso cuando se alcanza el rango de temperaturasptimo del proceso.

El N2O adems contribuye al efecto invernadero, como absorbente de radiaciones delinfrarrojo trmico en la atmsfera. La vida del N2O en la troposfera es bastante larga, ya que suinteraccin con otros gases es mnima. El N2O se descompone en presencia de ozono, formandoNO2 y NO3.

2.2. Tecnologas para la reduccin de emisiones de xidos de nitrgeno

Los xidos de nitrgeno (NOX) formados durante la combustin de combustibles fsilesson principalmente el NO, NO2 y N2O. El NO contribuye en ms de un 90 % del total de NOXemitido, en la mayora de los sistemas de combustin. En teora hay tres mecanismos diferentesde formacin del NO: NO trmico, NO combustible y NO sbito.

Las tcnicas para reducir las emisiones de xidos de nitrgeno se dividen en primarias ysecundarias. Las medidas primarias, han sido desarrolladas para controlar la formacin de NOXen la caldera, mientras que las secundarias son sistemas para el tratamiento de los humos decombustin.

Las medidas primarias necesitan tomar en cuenta los diferentes mecanismos de formacin


30

Combustion con bajoexceso de aire

en etapasInyeccion de aire

Recirculacion dehumos de combustion

Reduccion delprecalentamiento

de aire

Combustionen etapas

En caldera

en etapas

Quemadores debajo NO

Inyeccion de aireen la caldera

de servicio

firing (BBF)

Aire

Quemadores fuera

Biased burner

sobrefuegos (OFA)

Quemadores debajo NO

bajo NOQuemadores de

En caldera

Combustionen etapas

Figura 4. Esquema de las medidas primarias para la reduccin de emisiones de xidos de nitrgeno

adems de los principales parmetros de NOX:

- Temperatura de combustin- Contenido de O2 en la zona de combustin- Tiempo de residencia del nitrgeno en la zona de alta temperatura- Contenido en nitrgeno del combustible.

Las medidas bsicas para evitar la formacin de NOX trmico pasan por la reduccin delas temperaturas mximas, del tiempo de residencia, y de la concentracin de oxgeno atmicoen zonas de alta temperatura.

Las medidas secundarias para la limpieza de gases de combustin estn basadas enreacciones de descomposicin del NO por medio de la adicin de reactivos (NH3 y ureaprincipalmente).

2.2.1. Medidas primarias para la reduccin de emisiones de NOX

Hay una gran variedad de medidas primarias para reducir la formacin de xidos denitrgeno en las instalaciones de combustin. Todas estas medidas se basan en la modificacinde parmetros de operacin (combustin con bajo exceso de aire y reduccin delprecalentamiento del aire) o de diseo de los sistemas de combustin de las instalaciones [airstaging (aire en etapas), reburning (recombustin), quemadores de bajo NOX, etc.], de tal maneraque se reduzca la formacin de los xidos de nitrgeno, o que reaccionen para transformarlos enla caldera antes de ser emitidos. La figura 4 resume estas medidas primarias.


31

La reduccin de NOX alcanzada mediante estos sistemas no sobrepasa el 50-60 %, demanera que no siempre se cumplen las legislaciones existentes. Adems, el efecto de las medidasprimarias depende en gran medida de la capacidad y diseo de la instalacin y de lascaractersticas del combustible, por tanto, no se puede generalizar a cualquier instalacin, siendosu implantacin muy especfica.

Cuando se introducen medidas primarias es importante procurar que las modificacionesen el diseo de la caldera sean lo ms pequeas posibles para impedir un impacto negativo en sufuncionamiento, y que no se produzca un aumento en las emisiones de otros contaminantes. Porestos motivos es interesante tener en cuenta los siguientes criterios:

- Seguridad operacional (ignicin estable)- Fiabilidad operacional (para prevenir corrosin, erosin, ensuciamiento, formacin deescorias, sobrecalentamiento de tubos, etc.)- Posibilidad de quemar un amplio rango de combustibles- Combustin completa (para reducir inquemados en las cenizas, que deben de serinferiores a un 5 % como condicin para poder ser vendidas a cementeras. Tambin esrequerida la combustin completa para reducir emisiones de monxido de carbono)- Emisiones de contaminantes lo ms bajas posibles, por ejemplo impedir la formacinde materia con partcu1as orgnicas (POM), o N2O- Impacto mnimo en los sistemas de limpieza de humos- Bajos costes de mantenimiento.

Los quemadores de bajo NOX son la medida ms comn, ya que la modificacin necesariaen la caldera es baja, y su precio no es excesivamente alto, en comparacin con otras tcnicas dereduccin de NOx, logrando reducciones de un 30 - 60 %.

1.2.1.1. Combustin con bajo exceso de aire

La combustin con bajo exceso de aire es una medida operativa simple y fcil deimplantar reduciendo la cantidad de oxgeno disponible, en la zona de combustin, al mnimonecesario para que la combustin sea completa, se pueden lograr importantes reducciones en laformacin de NO del combustible, y en menor medida de las de NO trmico. Se pueden lograrconsiderables ndices de reduccin con esta medida, entorno al 10-45 %, especialmente eninstalaciones antiguas, por lo que se ha implantado en gran nmero de instalaciones decombustin existentes. En general, las instalaciones nuevas estn equipadas con sistemas decontrol que impiden otros ajustes del suministro de aire en la combustin.

Como ventajas de este sistema, podemos mencionar que no se requiere un consumoadicional de energa, y si se opera correctamente, tampoco se detecta una disminucin en lafiabilidad de funcionamiento de la instalacin de combustin. Por el contrario, al reducir el nivelde oxgeno, la combustin puede resultar incompleta, aumentando la presencia de inquemadosde carbono en las cenizas. Adems, la temperatura del vapor puede disminuir. Reducir el excesode oxgeno en la zona de combustin primaria a cantidades demasiado bajas, puede tambin llevara la emisin de altos niveles de monxido de carbono. Los resultados de estos cambios son ladisminucin del rendimiento de la caldera, formacin de escorias, corrosin y combustin


32

inestable. Otro efecto de esta tcnica es la reduccin del SO3, que puede causar corrosin yensuciamiento en el calentador de aire y en los dispositivos de control de partculas. Losproblemas de seguridad que pueden derivarse del uso de esta tcnica cuando no se lleva unestricto control sobre su aplicacin, son la formacin de incendios en los calentadores de aire yen las tolvas de cenizas, as como un incremento en la opacidad de los humos y un desgaste delas 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 granimpacto sobre la formacin de NOX, ya que un aumento de esta, implica mayores temperaturasadiabticas de llama y mayores temperaturas de pico en la zona primaria de combustin, lo quederiva en un incremento de la formacin de NO trmico. Por este motivo se realizan reduccionesen la temperatura a la que se calienta el aire de combustin, especialmente en procesos decombustin 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 lo que necesitan temperaturas de precalentamiento del aire elevadas para el adecuadofuncionamiento de la instalacin, por lo que no es adecuada la implantacin de esta medida. Elsegundo caso, en el resto de hogares, trata de disminuir la temperatura de precalentamiento deaire, lo cual implica un mayor consumo de combustible al desaprovechar una mayor porcin delcalor contenido en los humos de combustin que se elimina por la chimenea. Esto puedecontrarrestarse utilizando medidas para la conservacin de la energa, aprovechando el calor dealguna 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 (airstaging), se basa en la creacin de dos zonas de combustin separadas, una zona primaria en laque se induce una falta de oxgeno, y otra zona secundaria con exceso de oxgeno para asegurarque la combustin sea completa. La inyeccin de aire escalonada reduce la cantidad de oxgenodisponible (un 70-90 % del aire primario) en la zona primaria de combustin. Estas condicionespor 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 menortemperatura pico conseguida. En la zona secundaria, se inyecta el aire restante por el exterior dela zona primaria. Con esta inyeccin se consigue completar la combustin, habiendo desarrolladomenores temperaturas en el proceso, que limitan la formacin de NOX trmico.

En calderas y hornos, existen diversas opciones, para llevar acabo la inyeccin de aire escalonada:

- Biased burner firing (BBF): Se usa frecuentemente como una medida para la mejora deemisiones en instalaciones existentes, ya que no requiere grandes modificaciones en lainstalacin de combustin. Los quemadores inferiores operan en condiciones ricas decombustible, mientras que los superiores lo hacen con un exceso de aire.


33

- Burners out of service (BOOS) o quemadores fuera de servicio: Como la puesta fuera deservicio de alguno de los quemadores no requiere grandes alteraciones en la instalacinde combustin, esta medida se usa frecuentemente en instalaciones existentes. Aqu, losquemadores inferiores operan bajo condiciones ricas en combustible, mientras que lossuperiores no funcionan, solo estn inyectando aire. El efecto logrado es similar al delsistema OFA, aunque con menor eficiencia. Los problemas pueden aparecer por ladificultad para mantener la potencia de la unidad, ya que se tiene que conseguir la mismapotencia trmica en la caldera, con un menor nmero de quemadores en funcionamiento.Debido a esto, esta medida generalmente solo se aplica en calderas que quemen gases ofuel-oil.

- Overfire air (OFA) aire sobrefuegos: se instalan boquillas de inyeccin de aire ademsde las utilizadas para los quemadores. Una parte del aire de combustin se inyecta a travsde estas boquillas separadas, que estn situadas por encima de la fila superior dequemadores (aire sobrefuegos). Los quemadores operan con bajo exceso de aire, lo cualinhibe la formacin de NOX, y las entradas de aire posteriores garantizan la combustincompleta. De la cantidad de aire de combustin que normalmente va a los quemadores,entorno a un 15-30 % se desva hacia las boquillas de aire. La instalacin de los OFA enuna caldera de una instalacin existente, implica modificaciones en la caja de aire, en lostubos de la pared de agua, para crear los accesos de las boquillas de aire secundario, y laadicin de conductos, y compuertas de aire.

La inyeccin escalonada de aire es una tecnologa bien desarrollada e implantadacomercialmente tanto en calderas de combustin en pared como en calderas de quemadorestangenciales. En una caldera de combustin en pared, se suelen instalar entradas de aire separadas(SOFA) por encima de la ltima fila de quemadores, mientras que en calderas de combustintangencial, se pueden instalar tanto aire sobrefuegos de acoplamiento cercano (CCOFA) comoentradas de aire separadas (SOFA). Son de destacar los diseos realizados por Alstom en susistema de combustin concntrica de bajo NOX (low-NOX concentric firing, LNCFS) paracalderas de combustin tangencial. Los sistemas LNCFS I, II, y III, han ido progresivamenteproporcionando mayores reducciones de NOX, a medida que aumentaba la separacin del airesobrefuegos de los quemadores y se iba introduciendo mayor proporcin de aire sobrefuegos.Posteriores mejoras en el sistema LNCFS III dieron como resultado el sistema TFS 2000. Engeneral, los sistemas convencionales de inyeccin escalonada de aire en caldera pueden conseguirreducciones de NOX entorno a 20-40 % en calderas de carbn de fuegos tangenciales. Lossistemas LNCFS y TFS 2000, pueden desarrollar reducciones superiores a 55 y 60 %respectivamente.

Otro de estos sistemas es el de combustin tangencial de ultra-bajo NOX (ULNTF) paracarbones bituminosos, el cual se caracteriza por una superposicin de inyeccin de aire radialy axial en la caldera. La combustin se realiza en condiciones subestequiomtricas. El aire axialse inyecta a travs de unas boquillas de OFA en direccin vertical a la caldera. Mientras que lainyeccin de aire radial se realiza a travs de unas boquillas de aire instaladas en los propiosquemadores tangenciales, que dirigen el aire hacia las paredes del hogar, creando una zona de altocontenido en O2 y bajo en CO en las paredes del hogar, que las protege contra la corrosin. Laexperiencia con la que se cuenta de este sistema es limitada, pero se prev su aplicacin tanto a


34

instalaciones nuevas como existentes

Las entradas sobrefuegos estn instaladas a una distancia considerable sobre la ultimalnea de quemadores (Separated OFA), cuya disposicin y dimensiones deben de elegirse de talmanera que la distribucin del aire a lo largo de toda la seccin transversal de la caldera sea laadecuada para mantener una combustin eficiente. Cada quemador individual est formado poruna o dos boquillas de combustible, una boquilla para inyeccin el aire radial sobre las paredes,una boquilla rectangular de aire auxiliar y dos circulares de aire, las cuales tambin se utilizancomo quemadores de fuel-oil en los arranques. Todas las lanzas excepto la de aire radial sedirigen hacia al circulo tangencia.

Las emisiones de NOX que pueden conseguirse con el sistema ULNTF en funcin de laestequiometra del quemador se muestran en la figura 6. Cuando la estequiometra del quemadordisminuye, las emisiones de NOX se reducen, siendo los niveles de emisiones ms bajos conestequiometras inferiores a 8 = 0,8. La figura tambin muestra una comparacin entre lasemisiones de NOX de diferentes tipos de quemadores tangenciales y quemadores tangenciales +OFA con los ULNTF.

Boquilla sobrefuegos de aire axial

Seccion transversal de la camara de combustion

Aire de pared

Llama principal

Quemadores nivel 1

aire radialInyeccion de

aire axialInyeccion de

Quemadores nivel 2

Quemadores nivel 3

Quemadores nivel 4

Superposicion

Quemador de carbon

Quemador de combustible liquido

Quemador de combustible liquido

Boquilla de aire

Quemador de carbon

Boquilla de aire de paredes

Figura 5. Principio de la inyeccin combinada de aire axial y aire radial


35

Las ventajas de la instalacin del sistema ULNTF son, la mejora de la eficiencia delgenerador de vapor, incremento de la potencia neta producida y el que no conlleva costesoperativo s adicionales.

La inyeccin de aire escalonada no incrementa el consumo de energa en la instalacinde combustin, y no tiene efectos negativos en la operacin, cuando se aplica apropiadamente.

Las mayores desventajas de este sistema son dos. La primera es la cantidad significativade CO que puede formarse si las boquillas de aire no estn bien situadas. Otro efecto es que puedeaumentar la cantidad de inquemados, en al caso de instalacin de este sistema en una planta

0,9Estequiometria del quemador

200

0,70,60

0,8

1400

600

1600

1000

1200

800

400NO

(S

obre

seco

, 6 %

de

O )

, mg/

mX

23

Carbon bituminoso 1Carbon bituminoso 2Lignito

1,0 1,21,1

Fuegos tangenciales de ultra bajo NOx

Fuegos tangenciales + aire sobrefuegos

Fuegos tangenciales

0,9Nitrogeno del combustible, % sobre limpio y seco

NO

(S

obre

seco

, 6 %

de

O )

, mg/

m

200

400

X

00,6 0,7 0,8

1400

1200

1000

800

600

32

40 %

Vol

atile

s del

com

bust

ible

, % so

bre

limpi

o y

seco

1,0

40 %

1,1 1,2

30 %

30 %

40 %

30 %

Figura 6. Emisin de NOX en funcin de la estequiometra y del tipo de quemadores


36

existente, debido a la reduccin del volumen entre el final de la zona de combustin y el primerpaquete de tubos intercambiadores de calor.

Esta es una forma muy barata de disminuir las emisiones de xidos de nitrgeno. Amenudo se aplica junto con otras medidas primarias como quemadores de bajo NOX, por lo quees muy difcil estimar los costes debidos nicamente a la implantacin de esta medida. Los costesde inversin de sistemas de quemadores de bajo NOX (LNB) + aire sobrefuegos (OFA) se situanen 12-28 i/kWe, con unos costes totales anualizados de 0,3-0,6 i/MWh producido y 120-250 i/tde NOX eliminada. Una estimacin de un sistema de aire sobrefuegos (OFA), nos da unos costesde 1 milln de i para una caldera de 250 MWt, siendo adems el precio de la tonelada de NOXeliminada de 300-1000 i.

2.2.1.4. Recirculacin de gases de combustin

La recirculacin de gases de combustin (FGR) tiene como finalidad reducir el nivel deoxgeno disponible en la zona de combustin, el cual implica a su vez un enfriamiento, queproduce un descenso en la temperatura de la llama. De esta forma, se reduce la formacin tantode NO combustible como trmico. La recirculacin de los gases para mezc1arlos con el aire decombustin, ha resultado ser una medida muy efectiva para la reduccin de NOX en procesos dealta temperatura de combustin, como calderas de cenicero hmedo o cenizas fundidas einstalaciones de combustin para combustibles lquidos o gaseosos.

Como se puede ver en la figura 7, parte de los humos de combustin (20-30 % atemperaturas de 150 /C) son extrados de la corriente principal de gases aguas abajo delcalentador de aire, normalmente despus de haber realizado la separacin de partculas, y serecirculan a la caldera. El gas de combustin recirculado se mezcla con el aire de combustin queva hacia los quemadores, o con el aire de inyeccin escalonada. Para la recirculacin hacia losquemadores, se deben de utilizar quemadores especialmente diseados para este propsito. Si hayuna excesiva cantidad de gases recirculados, se pueden producir algunas limitaciones en laoperacin, como problemas de corrosin cuando se quema combustible que contenga cantidades

combustion

de aireCalentador

Humos

Humos

Aire de

Figura 7. Recirculacin de gases de combustin


37

Figura 8. Las tres zonas de combustin y los parmetros ms relevantes del procesode combustin escalonada.

moderadas de azufre, prdidas de eficiencia debidas al aumento de la temperatura en la chimenea,incremento del consumo de energa de los ventiladores, e inestabilidad de la llama. Por estosmotivos, los operadores recomiendan limitar la cantidad de humos recirculados(aproximadamente a un 30 %) y compensar la limitacin de reduccin de NOX instalandoquemadores de bajo NOX avanzados.

2.2.1.5. Combustin escalonada


38

400

NO

(S

obre

seco

), m

g/m 800

1000

0

200

600

X3

A 3 % de OA 6 % de O2 2

Combustible primario

Combustible secundario

Gas natural

Fuel-oil

Carbon

Carbon Fuel-oil

Figura 9. Comparacin entre el empleo de carbn, fuel-oil y gas natural como combustible secundario

El proceso conocido como combustin escalonada o reburning, se basa en la creacin dediferentes zonas en la caldera mediante la inyeccin estratificada de combustible y aire. Lafinalidad de esta medida es descomponer los xidos de nitrgeno formados durante lacombustin. Como se puede ver en la figura 8, la combustin se puede dividir en tres zonas.

Las tres zonas de combustin son las siguientes:

- En la zona primaria de combustin, el 85 - 90 % del combustible es quemado en unaatmsfera oxidante o ligeramente reductora (bajo exceso de aire). Esta zona impide latransferencia del exceso de oxgeno a la segunda zona, el cual podra implicar laformacin de ms NOX

- En la segunda zona de combustin (tambin llamada zona de reburning), se inyecta elcombustible secundario en una atmsfera reductora (ligeramente rica en combustible).Aqu se forman radicales de hidrocarburos, que reaccionan con los xidos de nitrgenoformados en la zona primaria, reducindolos a nitrgeno; tambin se forman otroscompuestos voltiles de nitrgeno no deseados, como el amonaco.

- En la tercera zona o zona de burnout, situada en la parte ms alta del hogar, se inyectael aire restante para conseguir la combustin completa.

Se pueden emplear diferentes combustibles en la zona secundaria, como combustiblessecundarios (carbn pulverizado, fueloil, gas natural, madera, turba), aunque el ms comnmenteempleado es el gas natural, debido a sus propiedades, que son su bajo contenido en nitrgeno,facilidad de ignicin, alta intensidad energtica, ausencia de emisiones de SO2 y bajas de CO2.


39

La figura 9 muestra las ventajas del gas natural sobre el carbn y el fuel-oil. Cuando se utilizacarbn o fueloil, el nitrgeno est presente en el combustible secundario, lo que conduce a laformacin de NOX en la zona donde hay un exceso de aire normal. Este inconveniente se evitaempleando gas natural.

La eficiencia del proceso de reburning depende de varios factores:

- Temperatura: la reduccin del NOX en la zona secundaria se ve favorecida con latemperatura, con inyeccin de combustible secundario entorno a 1200 /C. La figuramuestra el ndice de desnitrificacin en funcin de la relacin de reburning a diferentestemperaturas- Tiempo de residencia: el incremento del tiempo de residencia en la zona secundariafavorece la reduccin de NOX. El tiempo de residencia debe de estar comprendido entre0,4 y 1,5 s- El grado de aireacin de la zona secundaria: la estequiometria en esta zona debe deestar comprendida entre 8 = 0,7 - 0,9.- El grado de mezcla entre los gases de combustin primaria y el combustible secundario- El exceso de aire en la zona primaria: debe de ser bajo, con una estequiometria delorden de 8 = 1,1.

En principio, la combustin escalonada puede aplicarse a cualquier tipo de instalacin decombustin, y combinarse con otras tcnicas de reduccin de xidos de nitrgeno, comoquemadores de bajo NOX. Esta es una tcnica muy atractiva para las nuevas instalaciones,necesita de un gran volumen en el hogar para impedir la formacin de inquemados. En

Temperatura = 1100

C70

XG

rdo

de e

limin

aci

n de

NO

0,200,150,00 0,05 0,10Grado de reburning, %

10

0

30

20

50

40

60

0,300,25

Temperatura = 960 C

80

Figura 10. Eliminacin de xidos de nitrgeno en funcin del grado de reburning


40

instalaciones existentes es menos interesante, debido al escaso espacio que hay en estas calderas.La combustin escalonada ha sido implantada en muchas instalaciones en todo el mundo

Los mayores problemas de esta tcnica se deben a la combustin incompleta. Lacombustin escalonada, por tanto se adapta mejor a plantas que tengan hogares en los que sepuedan conseguir el suficiente tiempo de residencia y tengan disponible el combustiblesecundario adecuado a buen precio. El gas natural es la mejor alternativa como combustiblesecundario, por su buena capacidad de ignicin y nulo contenido en azufre.

Los costes de la combustin escalonada dependen de la estructura de la caldera y delcombustible usado. El empleo de un combustible secundario como el gas natural, hace aumentarlos costes, pero por el contrario, libera gran cantidad de calor al proceso y tiene efectos muypositivos en la reduccin de otros contaminantes, por lo que puede considerarse como uncombustible til. Tambin hay que considerar para los clculos econmicos otros factores comocambios en el rendimiento de la caldera.

La experiencia ha demostrado que la combustin escalonada no es tan econmica comoel uso de quemadores de bajo NOX junto con aire sobrefuegos (OFA), pero sigue siendo unamedida adecuada para la reduccin de NOX. Las estimaciones sitan el coste de inversin de lacombustin escalonada con gas natural entorno a 15 i/kWe. Los costes de operacin se estimaque sean el doble que los costes de operacin para el sistema de quemadores de bajo NOX juntocon (OFA). Los costes anuales totales son de 1,1-2 i/MWh producido y de 410-680 i/t de NOXeliminada. .

2.2.1.6. Inyeccin de agua o vapor

La inyeccin de agua o vapor puede llevarse a cabo mediante la inyeccin de una mezclade combustible y agua o vapor, o mediante la inyeccin de agua o vapor a travs de la tobera delquemador, directamente sobre la cmara de combustin. Para evaporar o sobrecalentar el vaporse requiere energa trmica, que se toma del calor de combustin, haciendo as que este calor nocaliente la llama, alcanzando menores temperaturas, que permitirn reducir las emisiones deNOX. Como se puede ver en la figura 11, la reduccin de emisiones depende en gran medida dela cantidad de agua o vapor utilizada, siendo necesaria una gran cantidad para lograr reduccioneselevadas. En algunas ocasiones el volumen de agua o vapor empleados es mayor que el decombustible quemado. Se consiguen mayores reducciones empleando agua en vez de vapor (parauna relacin agua-vapor/combustible dado), ya que es necesaria ms energa para evaporar elagua (en la prctica aproximadamente el doble que para la cantidad de vapor que consiga lamisma reduccin de NOX). La inyeccin de agua se emplea a menudo cuando no se puededisponer de vapor, mientras que la inyeccin de vapor se prefiere en ciclos combinados de gasnatural, en donde el vapor se extrae de la caldera de recuperacin de calor.

El sistema de inyeccin de agua o vapor se emplea mucho en instalaciones de turbinas degas y ciclos combinados, sobre todo en las instalaciones de este tipo ms antiguas, por sufacilidad de aplicacin. Normalmente se suele aplicar junto con otras medidas para la reduccinde NOX.


41

El vapor o el agua inyectado en la turbina de gas necesitan ser de elevada pureza, para locual se requiere el uso de plantas de tratamiento de agua, que generarn un efluente lquido, quenecesitar ser tratado. Adems es necesario inyectar el agua o el vapor a alta presin, entorno a20 bar o superior. Esto puede reducir la vida operativa de la turbina de gas.

Cuando no sea necesario disminuir las emisiones de CO, se pueden lograr reducciones delorden de 60-80 % de NOX con la inyeccin de agua o vapor. Cuando sea necesario limitar lasemisiones de CO, los ndices de disminucin de emisiones alcanzados sern de 40-60 %. Estoporque las emisiones de CO aumentan al disminuir la temperatura de la llama, al contrario quesucede con los xidos de nitrgeno. La relacin vapor-agua/combustible, depende del tipo deturbina de gas, y es de 1-1,2. Con este mtodo las emisiones de NOX en turbinas de gas se puedenreducir a 80-120 mg/Nm3. Estos niveles de emisin dependen de la carga de la turbina.

Rel

aci

n ag

ua-v

apor

/com

bust

ible

0,6

0,6

Relacin entre el NO formado y el formado cuando no hay inyeccion

00,2 0,3

0,2

0,4

0,4

X

0,5 0,7 0,8 0,9 1,0

Inyeccion de agua

1,2

0,8

1,0

1,4

1,6

GAS-OIL

Inyeccion de vapor

Figura 11. Reduccin de la emisin de NOX con inyeccin de agua o vapor

Relacin entre el NO formado y el formado cuando no hay inyeccionX

Rel

aci

n ag

ua-v

apor

/com

bust

ible

Inyeccion de agua

0,6

Inyeccion de vapor1,0

0,4

00,2

0,2

0,3

0,6

0,8

0,4 0,5

GAS NATURAL

1,6

1,2

1,4

0,7 0,8 0,9 1,0


42

La inyeccin de agua o vapor tiene influencia sobre los parmetros generales defuncionamiento de la turbina, como la eficiencia, estabilidad de la llama y flujo de gases deescape. La inyeccin de vapor causa mayores prdidas en la eficiencia que el agua (3-4 % parala inyeccin de agua). Otras consideraciones a tener en cuenta son los daos que puedenproducirse en los materiales por fatiga trmica al inyectar agua o vapor directamente. Estos daosson menores cuando se inyecta una mezcla de combustible y agua o vapor.

El coste de inversin para turbinas de gas existentes con inyeccin de agua o vapor, puedevariar ampliamente. Depende fundamentalmente del tratamiento del agua y dispositivos deinyeccin utilizados. Los costes de operacin adicionales se deben al incremento en el consumode combustible. La instalacin de esta medida en una turbina de gas existente de 140 MWtasciende a cerca de 1,7 millones de euros.

2.2.1.7. Quemadores de bajo NOX

Los quemadores de bajo NOX (LNB) han alcanzado la madurez en su grado de desarrollo,pero todava quedan muchas mejoras por realizar en los diseos que actualmente estn enfuncionamiento por todo el mundo. Los diseos de los LNB varan significativamente de unosfabricantes a otros, pero los principios bsicos son los mismos.

En las instalaciones clsicas de combustin, la mezcla de combustible y aire/oxgeno seinyecta en el mismo lugar. La llama resultante esta compuesta por una zona primaria de oxidacinque se encuentra a elevadas temperaturas y est situada en la raz de la llama, y de otra zonasecundaria ms fra localizada en la parte final de la llama. La mayor parte del NOX se genera enla zona primaria, aumentando exponencialmente con la temperatura, mientras que la contribucinde la zona secundaria a esta formacin es bastante ms modesta.

En los quemadores de bajo NOX se modifica la entrada de combustible y aire para retrasarla mezcla, se reduce la cantidad de oxgeno disponible en las zonas ms crticas para la formacinde NOX, y se reduce la temperatura pico de la llama. Los LNB reducen, por tanto, la formacinde NOX del combustible y NOX trmico, manteniendo una elevada eficiencia de combustin. Sepueden aumentar las cadas de presin en los conductos de aire, encareciendo la operacin. Lapulverizacin del carbn debe de mejorarse, lo cual implica mayores costes de operacin ymantenimiento. Tambin pueden darse problemas de corrosin, especialmente si el proceso nose controla adecuadamente.

Los principales problemas que pueden aparecer tras la instalacin de estos quemadoresson:

- Inquemados slidos en las cenizas (carbono). Como el quemador de bajo NOX retrasa la mezclaentre el aire y el combustible, aumenta la aparicin de inquemados- La atmsfera ms reductora existente en la llama producida por un quemador de bajo NOX,puede provocar dos tipos de problemas: un incremento en las cantidades de monxido de carbono(CO) y de sulfuro de hidrgeno (H2S), que tiene como consecuencia el aumento de la corrosinen las paredes de la caldera. Esto puede ser contrarrestado con la instalacin de inyectores de aire


43

en la pared de la caldera. El otro problema son las cenizas, particularmente aquellas con unelevado contenido en hierro, tienen una mayor tendencia a la escorificacin en condicionesreductoras.

La tcnica de LNB requiere, al menos, de un cambio de quemadores y la instalacin deun sistema de aire sobre fuegos (OFA). Si los quemadores instalados son del tipo clsico,cambiarlos por unos LNB puede resultar una operacin muy econmica. Si los quemadoresexistentes son de bajo NOX antiguos, los beneficios de su actualizacin deben de ser evaluadoscuidadosamente mediante un estudio de cada caso concreto.

Los costes de inversin de los quemadores de bajo NOX (LNBs) son de 10-20 i/kWe,mientras que los costes anuales totales ascienden a 0,3-0,5 i/MWh producido y 120-220 i/t deNOX eliminada. El coste de quemadores de bajo NOX junto con el sistema OFA para una calderade 250 MWt que queme combustibles slidos, es de aproximadamente 1,7 millones de euros.

En los quemadores de bajo NOX debemos de tener en cuenta dos aspectos diferenciales,por un lado las diferentes disposiciones de los quemadores en la caldera, y por otro lado el propiodiseo de los quemadores.

Atendiendo a la ubicacin de los quemadores obtendremos dos tipos principales decombustin: a) combustin tangencial, b) combustin en pared. Las diferencias entre ambas sepueden observar en la figura 12.

a) Fuegos Tangenciales. La disposicin de estos quemadores tangenciales, produce

Fuegos en paredes frontal y posterior

Fuegos en pared frontal

Fuegos tangenciales

Figura 12. Diferentes emplazamientos de los quemadores


44

menores emisiones de NOX que en los sistemas que se instalan en la pared de la caldera,lo cual es debido a dos razones principalmente. En primer lugar a la disposicin de losinyectores primarios, que arrastran el carbn pulverizado, y los inyectores de airesecundario, los cuales se ubican alternados en las esquinas de la caldera y no interfierenlas corrientes hasta que el centro del hogar. De este modo con la adecuada orientacin decada uno de ellos, se crean zonas ricas en combustible y zonas perifricas con defecto decombustible. Como consecuencia se produce un retraso en la mezcla del aire con elcombustible. La segunda de las razones es que la parte principal de la combustin tienelugar fuera de la corriente de aire-carbn, es decir, tiene lugar en el centro del hogardonde el combustible se mezcla con el aire secundario, quemndose con una temperaturaque depende del tipo de quemador, pero generalmente ms baja que las conseguidas enla combustin en pared. Los nuevos desarrollos en el concepto de modificar la disposicinde los quemadores e inyectores de aire y de la adicin de aire sobrefuegos, han producidoreducciones an mayores (sistemas LNCFS y ULNTF).

b) Fuegos en fachada. Los quemadores horizontales convencionales producen untorbellino de aire secundario, provoca la rpida mezcla de combustible y aire, con elresultado de una combustin rica en oxgeno en la zona de ignicin. La finalidadprincipal de estos quemadores es la creacin de un ncleo inicial rico en combustibleseguido por una mezcla controlada progresiva del aire que se necesite para realizar unabuena combustin.

En cuanto a calderas de quemadores verticales, utilizadas para quemar carbonesbituminosos de bajo contenido en voltiles y antracitas, su uso se ha visto reducido, a medida queaumenta el tamao de las calderas, y que las restricciones medio ambientales, con relacin alNOX, se hacen ms severas.

Las mejoras llevadas a cabo por Foster Wheeler en los quemadores verticales de tipo"cicln" para la reduccin de NOX, consisten en un acortamiento de la boquilla precalentadorade la tobera que consigue una premezcla de aire primario/carbn, ms fra, con aire de la caja devientos ms caliente, mejorando la estabilidad de la llama y la capacidad de venteo del cicln, yla integracin del venteo del quemador en un sistema OFA. La adopcin de estas medidas traecomo consecuencia no deseada, el aumento de inquemados, que puede contrarrestarse con lamejora de los clasificadores de carbn. Con esta tcnica se consigui reducir las emisiones deNOX hasta en un 50 %, cuando se emplean carbones de mayores contenidos en voltiles,aproximndose a los niveles de los sistemas ms avanzados de quemadores de bajo NOXhorizontales. Los costes de estas modificaciones son similares a los de las realizadas paracombustin en fachada.

En cuanto al diseo del propio quemador, este se basa en los diferentes principios dereduccin de NOX. Los quemadores de bajo NOX han sido desarrollados con criterios deinyeccin de aire escalonada, recirculacin de gases de combustin y combustin escalonada.Entre los tecnlogos que se dedican al diseo de este tipo de quemadores encontramos a Babcock& Wilcox, Foster Wheeler, Alstom Power, Deutsche Babcock Borsig, Mitsui Babcock Energy,Babcock Hitachi, Mitsubishi Heavy Industries, Burmeister, etc.


45

Quemadores de bajo NOX con inyeccin escalonada de aire

Este sistema es el utilizado en los quemadores horizontales de bajo NOX. En el procesode inyeccin escalonada de aire, el aire primario se mezcla con la totalidad del combustible,produciendo una llama rica en combustible, la cual se desarrolla a menores temperaturas ycantidades de oxgeno; estas condiciones hacen que la formacin de xidos de nitrgeno seinhiba. La mezcla combustible-aire primario y el aire secundario 1 crean una zona de combustinbajo condiciones subestequiomtricas (zona primaria), tal y como se muestra en la figura 13. Lascondiciones de esta zona son reductoras, debido a que el aire secundario no se inyecta todo en elprimer momento, sino que se hace llegar a la llama en etapas sucesivas. La temperatura de estazona primaria reductora se eleva rpidamente, lo cual hace que se desprendan voltiles junto concompuestos de nitrgeno. Bajo estas condiciones de bajo oxgeno y alta concentracin de CO, selimita la oxidacin de los compuestos de nitrgeno transformndolos en nitrgeno molecular. Elaire secundario restante, se incorpora posteriormente en la llama, creando una zona secundariao de quemado, de combustin bajo condiciones de exceso de oxgeno, que permiten lacombustin completa. Adems de la baja concentracin de oxgeno que impide la formacin delos xidos de nitrgeno en la zona primaria, hay que sumar el efecto producido por elalargamiento de la llama debido a la incorporacin escalonada de aire. Este alargamiento da lugara que la temperatura mxima que se alcanza en la llama sea inferior a la normal, inhibiendotambin la formacin de NOX trmico.

Entre los modelos ms destacados de este tipo de diseo de LNB, nos encontramos conla serie DRB-XCL (dual register burner) desarrollada por Babcock & Wilcox para calderas decombustin en pared. La entrada de aire secundario se regula mediante un regulador deslizante,que se controla empleando un actuador lineal. Mediante un dispositivo de medicin se controla

Figura 13. Quemador de baja formacin de NOX con inyeccin escalonada de aire


46

Figura 14. Quemador de bajo NOX DRB-XCL de Babcock & Wilcox

el flujo del aire secundario en cada quemador, detectando as el balance de aire apropiado en lacaja de aire, y estableciendo la posicin apropiada del regulador deslizante. Mediante un deflectory un difusor cnico localizados a la entrada de la tobera de carbn, se distribuye el aire primarioy el carbn por todo el quemador. Mediante unos platos situados a la salida del quemador, sesepara el aire secundario de la zona de mezcla de carbn y aire primario, para que llegue de formaescalonada a la llama. Finalmente se usan unas paletas fijas y otras regulables, para distribuir elaire y proporcionar un giro a la inyeccin de aire que permita una buena combustin.

Del mismo modo, otros tecnlogos tambin cuentan con modelos de LNB de gran xito,como la serie Controlled Flow/Split Flame de LNBs (CF/SF) fabricada por Foster Wheeler, losquemadores de la serie HT-NR de Babcock Hitachi, los quemadores de bajo NOX Mark III deMitsui Babcock Energy, y los quemadores WS (Whirl Staged Burner) de Deutsche BabcockBorsig.

Quemadores de bajo NOX con recirculacin de gases de combustin

Para combustibles slidos y lquidos con un contenido en nitrgeno entre 0,3-0,6 % enpeso, la formacin de NOX del combustible predomina sobre la de NOX trmico (75 % de NOXtrmico). Por lo tanto, adems de una reduccin de la temperatura de la llama para disminuir laproduccin de NOX trmico, tambin es necesaria una reduccin del contenido de oxgeno, perocontrolando la cantidad de carbono inquemado. La solucin a esto se puede lograr mediante unatcnica que consiste en realizar una separacin de las zonas con la recirculacin de los gases decombustin. Inyectando una parte de los gases de combustin directamente sobre la zona de


47

combustin o por los conductos de suministro de aire a los quemadores, se logra reducir latemperatura de la llama y la concentracin de oxgeno, evitando la formacin de NOX.

La funcin bsica es similar al de los LNB con inyeccin escalonada de aire, con lasalvedad de que la distancia entre los conductos de aire primario y secundario es mayor, alinyectarse una capa de gases de combustin entre ambos. En estos quemadores, se recircula del15 al 25 % de los humos calientes junto con el aire de combustin hacia la zona secundaria dela llama de condiciones oxidantes en la que se asegura la combustin completa. Los humos actancomo diluyente, disminuyendo la temperatura de la llama y la presin parcial de oxgeno,reduciendo as la formacin de NOX. Esta tecnologa se emplea para quemar combustibleslquidos y en la ltima generacin de LNB para la combustin combinada de gas y fuel-oil.

Quemadores de bajo NOx con combustin escalonada

El principio del funcionamiento del quemador con combustin escalonada, se orientahacia la reduccin del NOX formado en una etapa previa, mediante la inyeccin de parte delcombustible en una segunda etapa. Este tipo de quemadores se aplica principalmente encombustin de gas.

Esta tcnica comienza con la combustin de una parte del combustible bajo condicionesde alto exceso de aire, las cuales hacen posible que las temperaturas de la llama seanrelativamente bajas, inhibiendo as la formacin de xidos de nitrgeno. La zona interna decorriente de retorno del combustible y la combustin casi estequiomtrica aseguran la estabilidadde la llama. Como la combustin es casi completa en esta zona primaria, se inyecta combustible

Figura 15. Quemador de fuel-oil/gas de bajo NOX con recirculacin de humos


48

adicional (entre 20-30 %) a una distancia de la base de la llama, formando la zona secundaria, lacual es extremadamente reductora. Bajo estas condiciones el NOX se reduce a N2 por los radicalesde NH3, HCN, y CO. En una tercera etapa se forma una zona oxidante de quemado al inyectar airesecundario para completar la combustin. La llama as formada es un 50 % ms larga que la deun quemador estndar.

Nueva generacin de quemadores de bajo NOX

Los diseos ms recientes de LNB (llamados quemadores de bajo NOX hbridos)combinan la inyeccin de aire escalonado, recirculacin de gases de combustin y combustinescalonada, junto con nuevas tcnicas que permiten lograr emisiones de NOX ultra-bajas. Una delas desventajas de la primera generacin de LNB es la necesidad de suficiente espacio parapermitir la zonificacin de la llama: el dimetro de la llama de un quemador de bajo NOX es entreun 30-50 % ms grande que el de una llama de quemador convencional. Para reducir esta faltade espacio, as como para reducir las emisiones de NOX, se ha desarrollado un nuevo modelo dequemador que combina la zonacin de llamas y la inyeccin escalonada de aire. Esteescalonamiento se realiza inyectando el 30-40 % del aire de combustin por las lanzas,directamente en cada zona de la llama. La introduccin de partes mviles que generanturbulencias es tenida en cuenta para impedir prdidas de aire de combustin, que anteriormentepasaba entre las llamas, pero ahora se inyecta directamente donde es requerido. Esto contribuyea una mejora en la reduccin de emisiones de NOX, sin incrementar la cantidad de inquemados.Adems los inyectores de aire secundario tienen mayor impulso, lo cual acerca cada zona al ejede la llama, reduciendo su dimetro a un valor similar al de las llamas de quemadoresconvencionales. Este tipo de quemadores tambin puede implantarse en instalaciones existentes.

Figura 16. Quemador de bajo NOX con combustin escalonada


49

En las instalaciones nuevas, el coste de inversin adicional que supone la implementacinde un LNB de nueva generacin comparado con un quemador clsico, se puede considerar comodespreciable. Para instalaciones existentes, la introduccin de una de estas tcnicas requiere dealguna reforma especfica en la planta, por lo que los costes no se pueden calcular en trminosgenerales. Los costes operativos suplementarios requeridos por los quemadores de bajo NOX sonelevados, debido al consumo adicional de energa que requieren estos equipos a causa de:

- La necesidad de mayores ventiladores de aire, debido a que se producen mayores cadasde presin en los quemadores.- La necesidad de asegurar una mejor pulverizacin del carbn, para poder lograr unacombustin eficiente bajo las condiciones de bajo exceso de aire que se requieren en losquemadores.

La compaa Babcock & Wi1cox ha desarrollado un modelo de quemadores de ultra-bajoNOX, conocido como DRB-4Z, a partir de su modelo DRB-XCL de LNB convencional. Laprincipal novedad reside en la formacin de una zona de transicin, que permite mayoresreducciones de NOX. Esta zona est situada entre las zonas primaria y secundaria de aire actuandoa modo de amortiguador, y mejorando la mezcla y la estabilidad de la llama. La zona detransicin produce en una limitacin de las corrientes de retorno, que transportan los productosde combustin hacia la zona de desprendimiento de voltiles y bajo oxgeno.

Las numerosas pruebas realizadas con estos quemadores dieron muy buenos resultadospara diferentes tipos de carbn, si bien los niveles de emisin de NOX e inquemados dependenen gran medida de las caractersticas especficas de cada planta, como tipo de carbn, la

Figura 17. Quemador de ultra-bajo NOX DRB-4Z de Babcock & Wilcox


50

configuracin de los quemadores existentes y de la caldera. La mejora de la pulverizacin decarbn disminuye las emisiones de CO e inquemados, manteniendo inalteradas las de NOX.Tambin existen configuraciones del DRB-4Z para quemar gas natural y fueloil.

Otro sistema de combustin de bajo NOX en calderas de cenizas secas de combustin enpared, para carbones bituminosos, es el que emplea una nueva generacin de quemadores de bajoNOX de turbulencia (Drall-stufenbrenner (DS burners)), desarrollados por Deutsche BabcockBorsig.

El requisito inicial para instalar este tipo de quemadores, consiste en una mejora delsistema de pulverizacin del carbn. Uno de los elementos clave del diseo de los quemadoresDS, es la inclusin de paletas giratorias en el conducto de carbn y aire primario, y un anillodentado estabilizador a la salida de este. De esta forma, se produce una ignicin rpida y establede la llama. La mayor parte del aire de combustin se aporta como aire secundario y terciario deforma escalonada, a travs de los anillos deflectores, para retrasar la mezcla. Como losquemadores funcionan en condiciones subestequiomtricas de aire, se aade un sistema OFA, quegarantiza la combustin total, en una zona de burnout. Para lograr estas condicionessubestequiomtricas (tpicamente 8 = 1,15), es muy importante conseguir una buena distribucindel carbn pulverizado entre los quemadores asociados a cada molino, y controlando el aire quese suministra a estos quemadores.

Pruebas realizadas con este tipo de quemadores en carbones bituminosos de alto contenidoen voltiles, relaciones de aire de 8 = 0,95, dieron como resultado unas emisiones de entorno a280 mg/Nm3. Estas pruebas tambin mostraron que la concentracin de oxgeno era suficientepara evitar la corrosin de las paredes de la caldera. En la figura 19, se compara la concentracinde NOX frente a la relacin de oxgeno para varios tipos de quemadores de turbulencia de primera

Figura 18. Quemador DS de Deutsche Babcock Borsig


51

generacin con el quemador DS, donde se ve claramente el potencial de este ltimo para reducirla formacin de NOX. Se muestra tambin, la reduccin de emisiones de NOX en varias calderasde diferente potencia, que emplean diferentes carbones, tras la instalacin de quemadores DS. Lainstalacin de quemadores DS en calderas en funcionamiento, no requiere de costes operativosadicionales.

Entre otros diseos de LNBs de nueva generacin, encontramos los quemadores de la serieVortex/Split Flame (VS/SF) desarrollados por Foster Wheeler, y el modelo RoBTAS (RoundBurner Tilted Air Supply) de Alstom.

Para el caso de grandes instalaciones con turbinas de gas, se ha desarrollado un nuevo tipode quemadores llamados quemadores de bajo NOX secos (DLN). Esta tecnologa se estextendiendo tambin a pequeas instalaciones (turbinas de gas con capacidades inferiores inclusoa 20 MWe), y a turbinas de gas que operan en plataformas marinas.

La caracterstica bsica de los DLN es que la mezcla de aire y combustible y lacombustin tienen lugar en dos etapas separadas. Mezclado el aire y el combustible antes de lacombustin, se logran temperaturas de llama ms bajas y homogneas, que conducen a unareduccin de las emisiones de NOX. Actualmente, los DLN representan una tecnologa biendesarrollada, especialmente para turbinas de gas natural. En cambio, se necesitan realizar algunasmejoras para su aplicacin en turbinas de gas que utilicen fueloil, ya que en estas, no solo se debede realizar una mezcla previa del combustible y el aire, sino que tambin hay que evaporar elcombustible lquido. Como el tamao de la partcula tiene gran importancia en la evaporacin,las investigaciones actuales van encaminadas hacia mejoras de la eficiencia de los atomizadores.

Los quemadores de bajo NOX secos son muy fiables y efectivos. Actualmente, gran partede las turbinas de gas de uso industrial estn equipadas con DLN. El coste de implantacin de estatecnologa asciende a unos 2 millones de euros para una turbina de gas de 140 MWt. Debido asu elevada eficiencia, estos quemadores tienen bajos costes de operacin, especialmente debidoa que no experimentan grandes prdidas energa por inquemados de combustible.

Monitorizacin y control de la combustin

En las instalaciones de combustin de generacin elctrica, el grado de control ymonitorizacin del proceso de combustin es sorprendentemente reducido. Las calderas segobiernan a travs de un pequeo nmero de variables globales, como el exceso de oxgeno enlos humos de combustin, la velocidad de alimentadores a molinos y las propiedades del vaporproducido. En la prctica no se suele realizar ninguna medida directa ni actuacin de controlsobre las condiciones reinantes en el hogar, si se excluyen algunas medidas de pirometra yobservaciones visuales de llama. De forma complementaria, la operacin de las calderas se basaen procedimientos relativamente estandarizados y sobre todo en la experiencia del personalresponsable.

La aplicacin de medidas primarias para la mejora de emisiones de NOX, pasa por ajustesde la combustin, que como se ha visto genera gran nmero de inconvenientes en la operacin,como inquemados, ensuciamineto, corrosin, formacin de CO y disminucin del rendimiento


52

Figura 19. Emisiones de NoX de varias calderas en las que se realiz la conversin a quemadores DS

de la caldera, debidos a la variacin de las condiciones del hogar y a la mayor sensibilidad de lasvariables de control de estas medidas primarias. Para evitar estos inconvenientes es necesario unmayor seguimiento y control de los parmetros de combustin, que solo con los medios con losque tradicionalmente se cuenta es prcticamente imposible realizar.

En los ltimos aos han ido apareciendo un gran nmero de equipos de medicin encontinuo de las concentraciones de inquemados en cenizas volantes, caudal de carbn pulverizadoalimentado y su distribucin granulomtrica y seguimiento individualizado de la operacin decada quemador. La finalidad de estas mediciones es poder controlar las condiciones y caudalesde aire de la combustin, utilizando estos sistemas de monitorizacin que envian seales a unacomputadora, la cual en base al "software" instalado, genera una respuesta adecuada, que permiteregular las condiciones de operacin de forma uniforme, estable y segura.

La tecnologa ofrece adems la posibilidad de identificar regulaciones de caldera ptimas,que aportan flexibilidad de empleo de combustibles, adaptacin a cargas variables, y reduccinde consumos especficos que se traduce en menores emisiones de CO2.

No obstante tambin es preciso reconocer que las posibilidades prcticas de regulacinde los parmetros de combustin es ciertamente limitada. En la medida en que los controles dequemadores individuales se puedan dotar de las capacidades y automatizaciones necesarias, elsoporte proporcionado por equipos de monitorizacin avanzados y la aplicacin de modelos decombustin prcticos, se traducir en sistemas de control y regulacin en bucle cerrado, endetrimento de sistemas en bucle abierto.

El potencial prctico que estos sistemas ofrecen como alternativa, y sobretodo, como


53

complemento a otras medidas primarias de reduccin de NOX y de mejora de rendimientosmediante modificaciones de diseo y de "hardware" de combustin, es enormemente atractivodesde el punto de vista de relacin coste/beneficio. El ndice de desnitrificacin logrado puedeelevarse hasta en un 10-20 % sobre el de otras medidas primarias. Los costes de inversinasociados a la instalacin de estas tecnologas son bajos, situndose entre 0,3-0,7 millones deeuros.


54

Resumen de las medidas primarias para la reduccin de emisiones de NOXMadida primaria Eliminacin,

%Aplicabilidad Limitaciones Comentarios

-Combustin con bajo excesode aire

10-44 -Todos loscombustibles

-Combustinincompleta

-La reduccin depende mucho dela situacin previa a la toma demedidas

-Inyeccinescalonada deaire

BOOS 10-65-Paracombustiontangencial,max:-Carbn, 40-Fuel-oil, 45-Gas, 65

-Restringidoa gas

-Combustinincompleta:-Alto CO-Carbonoinquemado

-Dificultades para mantener lapotencia, al utilizar menosquemadores

BBF -Todos loscombustibles.-Para mejoras

OFA -Todos loscombustibles

-La instalacin de OFA obliga amodificaciones en paredes paracrear entrada de aire.-Reduccin 10-40 en calderas defuegos en pared

-Recirculacin de humos

20-50-< 20 paracarbn-30-50 paragas conOFA

-Todos loscombustibles

Inestabilidadde llama

-Prdidas de eficiencia excepto conrecirculaciones muy bajas-Se puede combinar con lainyeccin escalonada de aire

-Reduccin delprecalentamiento de aire

20-30 -No recomen-dado para ho-gar de ceni-cero hmedo

-La reduccin depende de latemperatura inicial del aire y de laalcanzada despus

-Combustin escalonada(reburning)

50-60(puedereducirse el70-80 en lazona decombustinprimaria)

- Todos loscombustibles

- Ventajas como compatibilidadcon otras medidas, instalacinsimple, uso de combustibleestndar como reductor, pequeacantidad de energa adicional.- La combustin aguas abajo de lazona primaria tambin produceNOX- Utilizando gas natural, se reducenadems SO2 y CO2

-Quemadoresde bajo NOX

Coninyeccinescalonadade aire

25-35 - Todos loscombustibles

- Inestabilidadde llama- Combustinincompleta

- Se pueden utilizar junto a otrasmedidas primarias, como OFA orecirculacin de humos.- Junto con OFA se puede alcanzaruna reduccin de 35-70.- Los de la 1 generacin requierenmucho espacio. Dimetro de llamade 30 a 50 % mayor.- No parece que tengan influenciasobre otras emisiones.

Conrecirculacinde humos

> 20 - Todos loscombustibles

- Inestabilidadde llama

Concombustinescalonada

50-60 - Todos loscombustibles

- Inestabilidadde llama- Combustinincompleta

- Con diferentes medidas conjuntas, los ndices de reduccin no son aditivos.- No todas las medidas primarias se pueden aplicar a instalaciones existentes.- En las instalaciones nuevas se aplican las medidas como parte del diseo


55

2.2.2. Medidas secundarias para la reduccin de emisiones de NOX

Las medidas secundarias consisten en plantas de tratamiento de los gases de combustinpara la reduccin de los xidos de nitrgeno que contienen. Pueden imp1ementarseindependientemente o junto con medidas primarias de reduccin de NOX. La mayora de estastcnicas se basan en la inyeccin de amoniaco, urea u otros compuestos, que reaccionan con elNOX de los gases de combustin para descomponerlo en nitrgeno molecu1ar y agua.

Estas medidas post-combustin se pueden dividir en:

- Reduccin selectiva no cataltica (SNCR): reduccin mediante la inyeccin de urea o unproducto amoniacal (NH2, NH3) en la cadena de tratamiento de humos. Las reduccionesalcanzadas son de 30-50 %

- Reduccin cataltica selectiva (SCR): el principio es similar al anterior pero aqu se utilizaun catalizador, normalmente carbono activado, xidos de titanio y zeolitas. Lasreducciones alcanzadas son del 80-95 %.

2.2.2.1. Reduccin cataltica selectiva (SCR)

El proceso de reduccin cataltica selectiva (SCR), es una tcnica ampliamente aplicadapara la reduccin de emisiones de xidos de nitrgeno de los gases de combustin procedentesde grandes instalaciones a lo largo de Europa y en pases de todo el mundo, como Japn y USA.

Para su desarrollo e implantacin en el mbito industrial, han sido las empresas japonesaslas que han dedicado mayor atencin y esfuerzo. As, por ejemplo, la Mitsubishi Heavy IndustriesLtd. aplic por primera vez en 1977 la tecnologa SCR para el tratamiento de efluentesindustriales de grandes instalaciones de combustin.

A principios de los aos 80, operaban en Japn ms de 200 instalaciones comerciales, yen 1995 existan instalaciones comerciales con una capacidad total de ms de 60000 MWe. Apartir de 1985 la tecnologa SCR fue introducida en Europa y ms especficamente en Alemaniay Austria.

En la actualidad, los sistemas SCR estn operando satisfactoriamente en muchos paseseuropeos como Dinamarca, Francia, Austria, Alemania, Italia, Luxemburgo, Holanda, Suecia ySuiza. Este proceso tecnolgico representa alrededor de un 90-95 % del total del control de losNOX en Europa y Japn.

El proceso SCR es un proceso cataltico basado en la reduccin selectiva de los xidosde nitrgeno con amoniaco o urea en presencia de un catalizador. El agente reductor se inyectaen la corriente de humos aguas arriba del catalizador. La conversin del NOX se realiza sobre lasuperficie del catalizador a temperaturas normalmente comprendidas entre 320-420 /C, siguiendouna de las siguientes reacciones (algunos fabricantes sin embargo proporcionan cata1izadoresdiseados para operar a temperaturas comprendidas en un intervalo ms amplio de 300- 450 /C).En las instalaciones de produccin de energa de ciclo combinado, ms respetuosas con el medio


56

ambiente que las centrales trmicas convencionales, se debe operar a baja temperatura (180-350/C), sistemas SCR de baja temperatura.

1. Con amoniaco como agente reductor:6 NO + 4 NH3 5 N2 + 6 H2O6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H2O

2. Con urea como agente reductor:4 NO + 2 (NH2)2CO + 2 H2O + O2 4 N2 + 6 H2O + 2 CO26 NO2 + 4 (NH2)2CO + 4 H2O 7 N2 + 12 H2O + 4 CO2

Cuando se usa amoniaco como agente reductor, este generalmente se almacena endisolucin acuosa o en estado licuado (hidrxido amnico concentrado) a una presin cercana a1 MPa (10 bar) a 20 /C. Para pequeas aplicaciones (< 50 MWt), se usa urea en forma degrnulos de cristales blancos, los cuales se disuelven en agua antes de ser inyectados.

El nmero de instalaciones que utilizan amoniaco licuado es superior al nmero de las queutilizan otros agentes, ya que el precio del kilogramo de amoniaco es menor, lo que redunda enunos costes de operacin ms bajos. Por el contrario, sus propiedades, hacen que el manejo delamoniaco licuado sea ms complicado que el de una solucin acuosa de amoniaco, relativamentems inerte que puede almacenarse y transportarse en condiciones atmosfricas, aunque requierenequipamiento y energa extra. Solo un 5 % de las unidades utilizan actualmente disolucionesacuosas de amoniaco. El uso de amoniaco licuado es preferible en las cercanas de fuentes deagua potable, ros y zonas residenciales. Los costes de inversin para el almacenamiento delamoniaco licuado tambin son inferiores, incluyendo las medidas de seguridad.

Debido al elevado riesgo para la salud humana que comporta el transporte, manejo yalmacenamiento del amoniaco, estas operaciones deben de realizarse de forma muy cuidadosa,para impedir fugas. Se pueden instalar sistemas de monitorizacin para la deteccin de pequeasconcentraciones de amoniaco alrededor del rea de manejo y almacenamiento. El amoniacopresurizado est regulado por la Directiva 96/82/EC: Sevesso II, sobre accidentes graves en losque intervengan sustancias peligrosas, y por las correspondientes normas nacionales.

Los problemas de rotura por corrosin de los recipientes hacen que se requiera unseguimiento de la integridad del tanque y controles de calidad para detectar trazas de oxgeno ehidrgeno en el amoniaco lquido, debido a la explosividad de la mezcla aire/amoniaco.

Para usar el amoniaco licuado, antes de inyectarlo debe de ser evaporado. Esto se realizaen un evaporador con vapor, agua caliente, o en plantas pequeas, elctricamente. El amoniacoevaporado se mezcla posteriormente con aire en un mezclador especial. La mezcla de aire yamoniaco debe de ser la correcta, ya que esta es explosiva para concentraciones de amoniaco de15- 7 %. La inyeccin se realiza a travs de un sistema de lanzas que permite un mezcladohomogneo del amoniaco con los humos de combustin. Se puede instalar un mezclador estticoen los conductos de humos para mejorar la mezcla. Con el fin de obtener una alta eficiencia dereduccin del NOX y para minimizar la prdida de NH3 no reaccionado, es particularmenteimportante conseguir una relacin NH3/NOX homognea en la corriente de humos.


57

Si fijamos la mxima prdida de NH3 no reaccionado, el grado de remocin de NOXdepender del catalizador utilizado: con altas relaciones de NH3/NOX se puede obtener unaelevada eficiencia de desnitrificacin, pero a su vez, aumentar considerablemente la cantidad deamoniaco desaprovechado en la corriente de gases. Esta prdida de amoniaco no reaccionadodebe ser tan baja como sea posible, para impedir que este NH3 reaccione en presencia de agua conel SO3 de los humos durante el enfriamiento de los gases, lo cual puede producir ensuciamientoy corrosin de las superficies de calentamiento aguas abajo del equipo de SCR, por el bisulfatode amonio formado.

NH3(g) + SO3(g) + H2O(g) NH4HSO4(l)

Los primeros catalizadores SCR se utilizaban en forma de pastillas o esferas y seempleaban en aplicaciones limpias o de bajo contenido en partculas. Actualmente, loscatalizadores comerciales se utilizan en forma de monolitos cermicos con estructura de canalesparalelos o metlicos con estructura laminar, debido a las grandes ventajas que presentan estossistemas de flujo paralelo con respecto a los catalizadores convencionales, como son, la mayorsuperficie externa cataltica que presentan al contacto con los gases, la uniformidad del flujo degases a travs de las placas, la baja dispersin axial, y finalmente, que minimizan la prdida decarga permitiendo el tratamiento de elevados volmenes de gas.

El catalizador utilizado puede tener diferentes geometras, como panales (monolito) oplacas (laminar). Tambin se pueden usar geometras de pellets en un lecho (especialmente paracarbono activado y zeolitas).

Los materiales probados para la fabricacin de los catalizadores son fundamentalmentecuatro. Los materiales sobre los que se cuenta con mayor experiencia en GIC, son los xidosmetlicos de base dixido de titanio, las zeolitas y el carbono activado. Una planta instalada enuna GIC que utiliza zeolitas como catalizador, ha estado en operacin durante ms de 10 aos,aunque se ha tenido que reconstruir a causa de las prdidas de material catalizador

Los cuatro tipos de materiales usados como catalizadores en sistemas SCR son:

- xidos de metales pesados: son los ms utilizados con las geometras de panal y placas.Consiste en un material activado cuya base es el TiO2, al que se le aaden otroscomponentes activos como vanadio, tungsteno, molibdeno, cobre y cromo. En la mayorade los casos, el V2O5 se usa con pequeas cantidades de WO3, aadido para ampliar elestrecho margen de temperaturas de aplicacin de estos componentes, y tambin seaaden pequeas cantidades de SiO2 para estabilizar la estructura. Este tipo decatalizadores trabaja a temperaturas entre 300-450 C.

- Zeolitas: como las mordienitas, son slidos porosos y cristalinos de alumino-silicatosnaturales o sintticos. No se les aade ningn otro componente activo. Trabajan atemperaturas elevadas comprendidas entre 350-600 C. Sin embargo tienden adesactivarse debido a la de-aluminacin de su estructura cristalina a altas temperaturasy en presencia de vapor de agua.

- xidos de hierro: consisten en partculas de xido de hierro envueltas por una fina capacristalina de fosfato de hierro. Las temperaturas de operacin se sitan entre 380-430 /C.


58

- Carbono activado: consiste en antracita, hulla o lignito pulverizados, mezclados conelementos inertes y sinterizados para formar pellets. Debido a la inestabilidad del carbonoactivado a altas temperaturas, normalmente operan a bajas temperaturas, 100 -220 /C. Acausa de esta limitacin, solo se emplean, en centrales elctricas al final de los conductosde humos.

Tambin se han utilizado metales preciosos como el platino. Los catalizadores a partir demetales preciosos soportados sobre materiales de elevada superficie especfica, desarrollados porla industria automovilstica en los aos 70, son ms efectivos o activos que los metales detransicin, pero menos selectivos, debido a que presentan mayor tendencia a oxidar el amonacoy el SO2. Los rangos de temperatura a los que operan estos metales preciosos son 175-290 /C.Una tecnologa recientemente relacionada con el proceso SCR consiste en un sistema catalticode doble funcin para reducir los NOX con amonaco y oxidar el CO. Se utilizan combinacionesde sistemas clsicos SCR junto con sistemas basados en metales preciosos por su elevadaactividad y habilidad para oxidar el CO.

En los ltimos aos una vez reconocido el posible impacto medioambiental a largo plazode las emisiones de N2O, como compuesto que contribuye al efecto invernadero, se handesarrollado diferentes catalizadores con suficiente actividad y estabilidad para su aplicacin. Loscatalizadores con mayor potencial comercial para la descomposicin cataltica de N2O sonPd/Al2O3, zeolitas intercaladas con diferentes metales y NiO-CoO-ZrO2. Adems en los procesosclsicos SCR puede formarse como subproducto no deseado N2O, por lo que es fundamentalobtener catalizadores altamente selectivos hacia la formacin de nitrgeno y agua evitando asla formacin de xido nitroso.

Los catalizadores se construyen con diferentes dimetros en las aberturas de los canaleso con diferentes distancias entre placas. La eleccin del dimetro adecuado se realiza estudiandoel contenido en polvo de la corriente de gases, las caractersticas de las partculas, y la prdidade presin admisible en el reactor SCR. Se deben minimizar los depsitos de partculas y laprdida de presin en el catalizador. El volumen de catalizador requerido depende tanto de lascaractersticas de este, su actividad, como de las condiciones de operacin, volumen de humos,reduccin de NOX requerida, composicin y temperatura de los humos, y la presencia de venenosdel catalizador. Los elementos catalizadores se empaquetan todos juntos en un mismo mdulo,que despus formara cada uno de los niveles del reactor SCR.

Las estimaciones de la vida operativa de los catalizadores son muy importantes, ya queel remplazamiento del catalizador tiene una gran influencia sobre los costes operativos.Actualmente las estimaciones de la vida operativa del catalizador, sitan esta, entorno a 6-10 aospara instalaciones de carbn y en 8-12 aos para plantas de fuel-oil y gas. La vida operativa delos catalizadores depende de varios factores especficos de cada instalacin, como lascaractersticas del combustible, capacidad, forma de operacin de la planta, concentracin de NOXen los gases de entrada, ndice de desnitrificacin, relacin amoniaco-urea a NOX, y la prdidaadmisible de amoniaco sin reaccionar.

La vida de los catalizadores se limita por diferentes tipos de degradacin. Los factorescausantes de este deterioro y prdida de actividad de los catalizadores son fundamentalmente: el


59

De NOXCALENTADOR

DE AIRE PARTICULASCAPTACION

De SO X

PARTICULASCAPTACION

XDe NO DE AIRECALENTADOR

XDe SO

CAPTACIONPARTICULAS X

De NOCALENTADOR

DE AIRE XDe SO

ALTO CONTENIDO EN CENIZAS VOLANTES

BAJO CONTENIDO EN CENIZAS VOLANTES

FINAL DEL CIRCUITO DE HUMOS

Figura 20. Disposiciones del equipo SCR con relacin a los dems equipos

envenenamiento por compuestos de los gases de combustin, formacin de depsitos slidos enlos poros del catalizador, y por erosin de la superficie del catalizador. En los ltimos aos, sehan desarrollado configuraciones de catalizadores ms resistentes trmica y mecnicamente ycontra el envenenamiento. La regeneracin es otra nueva aplicacin comercial para extender lavida de los catalizadores.

La mejora de la vida operativa del catalizador se realiza a travs de un apropiadomantenimiento, que incluye el uso de sopladores de holln e impidiendo el contacto delcatalizador, expuesto a las cenizas, con la humedad. Deben de emplearse sistemas de bypasscuando el catalizador no est en operacin o si la temperatura en el economizador cae por debajodel mnimo lmite operativo del catalizador.

Un parmetro importante de los catalizadores es su selectividad, la cual define laextensin de la reaccin. Un descenso en la selectividad nos lleva a reacciones no deseadas comola oxidacin de SO2 a SO3, cuya importancia depende de las propiedades del catalizador y latemperatura de los gases de combustin. La cantidad de SO3 tambin depende de la concentracinoriginal de SO2 en los gases de combustin.

Hay tres configuraciones bsicas a la hora de implantar un reactor SCR, en la secuenciade los conductos de los gases de combustin. El principal factor que condiciona la eleccin deuna configuracin u otra, es que las condiciones, como temperatura de los humos, sean lasadecuadas para el catalizador usado. Las diferentes disposiciones del reactor SCR utilizadas, sepueden observar en la figura 20.


60

04 gt17 reduccion de nox en humos

Documents