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Hojas de datos EPA: Óxidos de Nitrógeno (NOx), ¿Por Qué y Cómo Se Controlan? (Parte 2)

Óxidos de Nitrógeno (NOx), ¿Por Qué y Cómo Se Controlan?

– Parte 2 –

 
Combustión Interna: métodos de prevención de la contaminación

 
Quemadores de bajo NOx (QBN)
Combinando el uso de QNB con una relación aire/combustible cuidadosamente controlada e inyección de agua/vapor puede generar emisiones tan bajas como 10 ppm de las turbinas de gas.

Inyección de vapor o agua
Para reducir la temperatura de combustión, se puede mezclar vapor o agua con el flujo de aire. Esto disminuye la temperatura de combustión por debajo de 1,400ºF para limitar la generación de NOx a alrededor de 40 ppm. Esto puede causar que aumente la concentración de CO e hidrocarburos sin quemar emitidos por una turbina. Sin embargo, éstos pueden ser quemados ya sea por un lecho de catalizador, dispositivo de poscombustión, u otra etapa de combustión. Este combustible y calor que de otra manera serían desperdiciados también pueden ser recuperados en calderas de cogeneración.

Combustión catalítica
Se usa un catalizador para reaccionar el combustible con el aire a una temperatura menor de la normal, a la cual no ocurre la generación de cantidades significantes de NOx. Se han reportado emisiones por debajo de 1 ppm. Sin embargo, si esta combustión es para una turbina, la eficiencia de la turbina puede depender del logro de una temperatura más alta. Cuando se encuentra presente un catalizador, Ud. sólo necesita asegurar que los NOx no se formarán a la temperatura de combustión que resulte.Esta tecnología tiene un costo de capital, operación y mantenimiento porque existe una inversión inicial sustancial y un costo de reemplazo para el catalizador. La necesidad de reemplazo y, por lo tanto, los costos de reemplazo generalmente son guiados por las impurezas en el combustible. Sin embargo, la combustión catalítica probablemente genera el nivel más bajo de NOx térmicos.

Relación de aire – combustible y tipo de encendido
Para los motores de combustión interna, el retraso de la inyección o encendido por chispa, o una relación aire-combustible que se aleja de las condiciones estequiométricas reducirán la temperatura maxima. Una temperatura pico más baja limitará la cantidad de la formación de NOx. Esta técnica puede lograr una eficiencia de control de hasta el 50 por ciento.
Cuando un catalizador de tres secciones es utilizado para motores con encendido de chispa, el gas de escape no debe contener más del 0.5 por ciento de oxígeno. Esta técnica puede lograr una efectividad de hasta un 98 por ciento.
El uso del encendido por plasma (una corriente alterna o sistema AC) en vez de un sistema de encendido por una chispa de corriente directa (DC) también puede permitir un mayor alejamiento fuel lean (magro en combustible) de la relación estequiométrica. Se ha reportado que las emisiones de NOx provenientes de motores de combustión interna que usan el encendido por plasma pueden ser reducidas por hasta un 97 por ciento. El retraso de la inyección de combustible en un motor con encendido por compresión (diesel) puede reducir las emisiones de NOx. La cantidad de esta reducción dependerá del motor, el sistema de válvulas, y el combustible. Un retraso excesivo del tiempo puede causar una inestabilidad de combustión o mal encendido. Sin embargo, se encontrarán algunas afirmaciones de alta efectividad con un retraso ostentablemente excesivo.

Carga pre – estratificada (CPE)
La CPE se refiere a un motor equipado con una cámara de precombustión que recibe una mezcla lo suficientemente rica en aire/combustible para encender con confiabilidad. Esta cámara de precombustión dispara un chorro de llama dentro de la cámara principal de combustión (cilindro). La cámara principal de combustión tiene una mezcla magra en combustible que necesita una llama de precombustión para encenderla con confiabilidad. La llama inyectada también produce un vórtice en la cámara principal de combustión que actúa como combustión de carga estratificada. Esto enciende la mezcla magra del cilindro principal con funcionamiento seguro. LA CPE puede lograr emisiones de NOx de 2 gramos por caballo de fuerza-hora (g/hphr) o 140 ppm.

Quema pobre
Los motores accionados por gas natural que operan con una relación aire/combustible pobre en combustible son capaces de lograr emisiones bajas en NOx. Estos pueden lograr menos de 1.0 gramo por caballo de fuerza-hora de acuerdo al despacho RACT-BACT-LAER Clearinghouse(RBLC) (http://www.epa.gov/ttn/catc, después seleccione RBLC).
 
Combustión interna: Tecnología añadida de control
 

Reducción catalítica selectiva (RCS)
Tal como con las calderas, la RCS puede ser utilizada para obtener hasta un 90 por ciento de NOx. Cuando se usa con un QBN o inyección de vapor/agua, los NOx pueden reducirse a 5-10 ppm. Con motores de encendido por compresión, los catalizadores de zeolita logran una DRE del 90 por ciento o mayor, mientras que los catalizadores con metales de base pueden lograr una DRE del 80 al 90 por ciento.

Reducción catalítica no selectiva (RCNS)
La RCNS es la misma técnica utilizada en aplicaciones automovilísticas como un convertidor catalítico de tres secciones. No requiere la inyección de un agente reductor porque utiliza a los hidrocarburos sin quemar como un agente reductor. El catalizador requiere que el escape tenga no más del 0.5 por ciento de oxígeno. Esta técnica utiliza una mezcla rica en combustible que, combinada con la presión reversa proveniente del flujo de escape a través del catalizador, aumenta el consumo de combustible brake-specific (específico de freno) del motor. Sin embargo, se puede lograr un control del 90 al 98 por ciento de NOx.

Reactores de plasma no térmicos
Este planteamiento utiliza un plasma no térmico para ionizar amoníaco, urea, hexano, metano u otros agentes reductores inyectados dentro del gas de chimenea. Combinados con el efecto de la temperatura, el plasma no térmico ioniza el agente reductor que reacciona con los óxidos de nitrógeno logrando una DRE del 94 por ciento. Esto disminuye la cantidad de sustancias químicas reductoras que “se cuela» sin reaccionar.
El uso del plasma no térmico fue desarrollado para ionizar contaminantes y actúa como un catalizador para controlar NOx en el escape de diesel.

¿Afecta el tipo de combustible y de combustión la mitigación?
Si, lo hacen. De nuevo aquí, encontramos un espectro de tipos, casi suficientes para que cada turbina de gas, motor de combustión interna, caldera, u horno parezcan únicos. El tipo de combustible puede variar con la vena de la mina de la que se obtuvo el carbón, el pozo en el campo petrolero de donde provino el petróleo crudo, la refinería para combustibles basados en petróleo, o el proveedor de gas natural. Por tanto la concentración de impurezas variará entre las fuentes, refinerías, y proveedores. Aún el «gas natural» (propano, butano, y monóxido de carbono) puede causar que varíe la composición del «gas natural». El tipo de sistema de combustión (quemador de bajo NOx, aire de sobrefuego, encendido tangencial, encendido de pared, etc.) también algunas veces limitará las opciones a veces. Cada tipo de caldera, cada tipo de combustible, cada sistema de combustión, y cada construcción deuna caldera impone restricciones sobre lo que es posible. No es posible tratar cada combinación
de sistema de combustión y combustible en detalle en este boletín técnico; sin embargo, trataremos de mostrar el cuadro pintado mientras pintamos con brochazos anchos. La selección de combustible y sistema de combustión a menudo depende de: (1) qué puede o no puede ajustarse; (2) si los ductos son adecuados para la sorción; (3) qué efecto tendrá sobre el mantenimiento de la caldera; (4) el perfil de la temperatura en el flujo; (5) cómo se puede modificar el sistema de combustión; (6) qué tipos de quemadores pueden ser utilizados; y (7) qué puede ser ya sea añadido o modificado. La lista no se termina aquí, sino que continúa. Consideremos algunos combustibles tomando en cuenta estas limitaciones.

Combustibles sólidos
Al quemar un combustible sólido (tal como el carbón), el control de la combustión se logra primero logrando que el quemador principal gasifique la fracción volátil de un combustible. La fracción volátil es acarreada fuera del material carbonizado por el flujo de aire, oxidada en el flujo de aire, y se vuelve gas de chimenea. El material carbonizado necesita más aire de combustión para quemar y proporcionar todavía más calor, parte del cual se utiliza para volatilizar combustible adicional. Para controlar la temperatura de combustión, usted tradicionalmente limitaría el aire de combustión a través de la fracción de material carbonizado. La fracción volátil es oxidada en aire de sobrefuego o en una etapa secundaria de quemador y su
aire debe ser controlado por separado. El balance del aire de combustión entre estas etapas debe ser corregida por la composición de combustible utilizado, la carga de la caldera, y las cargas transitorias. Debido a que todos estos parámetros variarán continuamente, se recomiendan previsiones para hacer ajustes de balanceo dinámicamente.
El carbón pulverizado puede ser quemado de manera similar al aceite. La llama es generalmente bien definida y, dependiendo del tamaño de las partículas, el char (residuo de combustible cuando todos los productos volátiles han sido quemados) puede permanecer en suspensión en el gas de chimenea a lo largo de la quema. La fracción volátil se quema en el aire aún al estar quemándose el material carbonizado. Si las partículas son demasiado gruesas, el material carbonizado sigue quemándose en su trayectoria después de abandonar la llama, pero deja de quemarse a cierto punto. El tecnicismo para esto es «carbón sin quemar (CSQ)”, «carbón en la ceniza (CEC)”, o «pérdida de encendido (PDE)”. Estos términos se refieren al carbón en el material carbonizado que no se quema a lo largo de la trayectoria. El CSQ es minimizado moliendo las partículas y clasificándolas de manera que las mayores sean regresadas al molino de rodillo o triturador. Las partículas se volverán cenizas sueltas si son lo suficientemente pequeñas. Un CSQ en un rango del 0.5 al 5 por ciento se considera aceptable. Por lo tanto, el tamaño de las partículas en el momento de encendido es importante. Las preocupaciones principales son por controlar la estequiometría y la temperatura de combustión para minimizar el carbón sin quemar en la ceniza.
La biomasa es otro combustible sólido, pero la quema del material carbonizado de la biomasa es de menor preocupación que con el carbón. La biomasa no puede ser pulverizada en partículas más pequeñas, pero puede quemarse en cenizas en un tiempo corto. Tal como con la quema detodo material carbonizado, la ceniza y la ceniza suelta son problemas, pero pueden ser tratadas con una llave de escoria o depósito de cenizas, casa de bolsas, y/o precipitador electrostático.

Combustibles líquidos
Los combustibles líquidos se queman como la fracción volátil del combustible sólido siempre que las gotitas sean suficientemente pequeñas. Los combustibles líquidos generalmente tienen un contenido menor de nitrógeno que los combustibles sólidos. La combustión de líquidos y gases puede ser controlada mucho más fácilmente que el material carbonizado del combustible sólido porque la combustión es menos dependiente de la historia de los últimos minutos transcurridos de demanda. La combustión también es completada esencialmente sin ceniza residual. La relación combustible-aire puede ser usada para controlar la temperatura de combustión y puede ser ajustada para minimizar la generación de NOx. La llama puede ser bien definida y la combustión es esencialmente completada dentro de la llama. Por lo tanto, la quema de aceite o líquido del gas es diferente de la quema de carbón debido a que generalmente hay: menos nitrógeno en el combustible, una falta de material carbonizado, una quema completa dentro de la llama y una falta de cenizas.

Combustibles semi – sólidos
Los combustibles semisólidos son residuos de las refinerías. No se queman en limpio como los destilados y seguido ni siquiera son líquidos a temperatura ambiental. Muchas impurezas típicamente presentes en el petróleo crudo están concentradas en el combustible residual semisólido. Estos combustibles pueden contener más nitrógeno que carbón, pero por lo general contienen menos azufre. Por lo tanto, los combustibles semisólidos se encuentran en medio del carbón y el aceite. A menudo tienen algo menos de impurezas que el carbón (aunque pueden tener más impurezas), pero sí producen cenizas.

Combustible gaseoso
El gas natural es desulfurizado antes de ser enviado por una tubería. Por lo tanto, el gas natural casi no contiene azufre, esencialmente no contiene impurezas, y no tiene cenizas. Lo único que varía es el contenido de calor por metro cúbico. Este desacuerdo es causado por la suplementación del gas natural con propano, gas de petróleo líquido (butano), monóxido de carbono, u otros combustibles gaseosos. Como resultado, la relación aire a combustible debe ser controlable para compensar por los cambios en la relación estequiométrica.

Sistemas de combustión
Para obtener ventaja de una tecnología de reducción de NOx específica, un sistema de combustión debe ya sea poseer ciertas características, o las modificaciones del sistema necesarias deben ser técnica y económicamente posibles. Por lo tanto, al identificar las tecnologías de prevención de la contaminación y control de emisiones, debemos considerar primero el diseño del sistema de combustión. Los tipos principales de sistemas de combustión se muestran en la Tabla

 

Cada tecnología de reducción de NOx tiene implementaciones diferentes, historias de desarrollo diferentes, y por lo tanto, una posición comercial diferente. La selección de la tecnología debe ocurrir después de un estudio de ingeniería para determinar la factibilidad técnica y económica de
cada tecnología de NOx. Esto incluye cómo puede ser implementada cada tecnología y su costo.
Las opciones pueden ser limitadas por la incapacidad de ajustar el flujo de aire del sistema de combustión adecuadamente, ductos que se encuentran a la temperatura equivocada, o ductos que son demasiado cortos para proporcionar un mezclado adecuado. Estos problemas pueden ser resueltos, pero pueden requerir demasiadas modificaciones para hacerlos económicos.

Calderas de fondo seco – encendidas en la pared, por el frente o el lado opuesto
Las calderas de fondo seco de carbón pulverizado, gas, y combustible líquido han utilizado quemadores de bajo NOx para inyectar combustible y aire proveniente de las paredes inferiores.
Las calderas encendidas por el frente tienen quemadores sobre una pared. Las calderas encendidas en el lado opuesto tienen quemadores sobre las paredes al frente y al fondo. Estas calderas utilizan típicamente métodos que reducen las temperatura maxima, reducen el tiempo de residencia a la temperatura pico, o reducen los NOx químicamente (métodos 1, 2 y 3). Estos métodos son utilizados para calderas de termoeléctricas en las que la eficiencia de combustión es de toda importancia. La oxidación de los NOx con absorción y remoción de nitrógeno (métodos 4 y 5) representan tecnologías más nuevas que pueden ser aplicadas en el futuro. El uso de un sorbente (método 6) ya se encuentra en uso en algunas calderas. Véa la Tabla 6 para las tecnologías de NOx utilizadas para calderas de fondo seco encendidas por la pared, por el frente o al opuesto.

Calderas de fondo seco – encendidas tangencialmente
Las calderas de fondo seco incendidas tangencialmente por carbón pulverizado, gas, o combustible líquido utilizan propulsores a chorro desde cada esquina de un horno para inyectar combustible y aire de combustión en un remolino. La mezcla inyectada de combustible y aire de combustión forma una bola de fuego en el centro de la caldera. Esta configuración de encendido se usa en termoeléctricas medianas y calderas industriales grandes. Esta técnica de combustión mantiene a las temperaturas de la llama bajas (método 1). Además, la reducción química de NOx (método 3) se usa con frecuencia. Las técnicas de oxidación de NOx (método 4) podrían ser usadas en el futuro. Los sorbentes (método 6) ya son utilizados en algunas calderas. Véa la Tabla 7 para las tecnologías utilizadas en las calderas de fondo seco incendidas tangencialmente.
 

Caldera de fondo húmedo con llave escoria
Las calderas de fondo húmedo con llave de escoria usan quemadores de ciclón para crear una llama intensa. La llama es tan caliente que derrite la ceniza, que a su vez se convierte en escoria que debe ser removida a través de una llave de escoria. Se sabe que estas calderas tienen una mayor generación de NOx debido a que la temperatura de combustión es tan alta. Como resultado esta técnica de combustión a alta temperatura no es usada ampliamente porque la concentración de NOx debe ser necesariamente mayor. La remoción de nitrógeno no combustible como un reactivo del proceso de combustión (método 5) se aplica aquí. Reducir el tiempo de residencia a la temperatura pico, la reducción química de NOx y la oxidación de NOx con absorción (métodos 2, 3 y 4) también se aplican a este sistema de combustión. Además, algunas calderas con llaves de escoria pueden estar usando sorbentes (método 6). Hay reportes recientes de que se ha usado la reducción de la temperatura maxima (método 1) de manera que la ceniza apenas se derrita. Véa la Tabla 8 para las tecnologías de NOx usadas en las calderas de fondo húmedo con llave de escoria.

Lecho fluidizado
La combustión en lecho fluidizado ocurre en un lecho de carbón aplastado a través del cual fluye aire ascendente para hacer que las partículas de carbón se comporten como un fluido. La tubería de la caldera puede estar ya sea sumergida en el lecho o expuesta a los gases calientes después de que abandonan el lecho. El lecho fluidizado es controlado por temperatura (método 1). El lecho también es una región químicamente reductora en la cual el oxígeno disponible es consumido por carbón (método 3) que reduce la ionización del nitrógeno. El aire en exceso es inyectado (método 2) sobre el lecho fluidizado para completar la combustión de CO y otros materiales quemables. Esto permite la adición de piedra caliza pulverizada (método 6) al carbón en el lecho fluidizado. Los óxidos de azufre reaccionan enseguida con la piedra caliza para formar yeso, un producto comerciable. El yeso debe ser separado de la ceniza. Como resultado, la generación de NOx puede ser limitada esencialmente a los NOx inmediatos y NOx combustibles. Véa la Tabla 9 para las tecnologías de NOx utilizadas para las unidades de combustión en lecho fluidizado.


Fogoneros con parrilla corredizas
Los fogoneros con parrillas corredizas causan que el carbón se mueva a medida que se quema. Así el char de combustión se encuentra en una zona distinta mientras las sustancias volátiles son liberadas y quemadas en otra zona. Estos fogoneros son utilizados comúnmente con calderas industriales que son más pequeñas que las termoeléctricas. Reducir la temperatura maxima, la reducción química de NOx, y los sorbentes (métodos 1,3 y 6) se aplican por lo general. Quizás la oxidación de NOx (método 4) se aplique en el futuro. Véa la Tabla 10 para las tecnologías utilizadas para los fogoneros con parrillas separadoras.

Fogoneros con parrillas separadoras
Los fogoneros con parrillas separadoras lanzan carbón sobre la parrilla en una forma controlada. El carbón es triturado, pero las partículas son típicamente más grandes que el carbón pulverizado. Por lo tanto, la combustión de las sustancias volátiles empieza mientras el carbón se encuentra en vuelo y la combustión del material carbonizado ocurre sobre la parrilla. Este sistema es utilizado con calderas algo mayores que los fogoneros con parrillas corredizas. Puede ser utilizado en plantas generadoras de energía, pero este sistema de combustión se usa principalmente para calderas industriales. Tal como los fogoneros con parrillas separadoras, reduciendo la temperatura maxima, la reducción química de NOx, y los sorbentes (métodos 1, 3 y 6) se aplican por lo general. Quizás la oxidación de NOx (método 4) se aplique en el futuro. Véa la Tabla 11 para las tecnologías de NOx utilizadas para fogoneros con parrillas separadoras.

Turbinas de gas
Las turbinas de gas utilizan el ciclo Brayton con un quemador para elevar la temperatura del gas después de la compresión y antes de la expansión a través de la turbina. Las turbinas usan principalmente los plan teamientos que consisten en reducir la temperatura maxima y reducir el tiempo de residencia (métodos 1 y 2) para limitar las emisiones de NOx. Debido a que la adición de partículas al flujo del aire introduciéndose a la turbina aceleraría la erosión de las aspas de la turbina, los sorbentes (método 6) sólo podrían aplicarse después de la expansión en la turbina. La reducción de NOx (método 3) ha sido utilizado para tratar los gases de escape.


Muchos operadores de turbinas aseveran que usan «prácticas de combustión buenas» que reducen las partículas que producen emisiones visibles (que ellos consideran como contaminación), pero no dicen nada sobre las emisiones de NOx que no son visibles.
Las unidades de co-generación utilizan una turbina de gas y proveen combustión de aire precalentado por una caldera. El tubo de escape de una turbina de gas es típicamente 10-15% oxigeno y puede ser usado para proveer vapor a otra turbina, un calentador de proceso, un calentador ambiental o la combinación de estos. Si la turbina es usada para generar electricidad, puede restringir lo que pude hacerse. Partículas sorbentes pueden ser introducidas a un flujo después de dejar una turbina de gas para poder controlar los NOx. También, se han tenido algunos exitos en la reducción de la concentación de NOx cuando se ha quemando combustibles de biomasa. Véa la Tabla 12 para las tecnologías de NOx utilizadas en turbinas de gas..

Motores de combustión interna
Los motores de combustión interna usan una relación de aire a combustible y sincronización de encendido/inyección para controlar la temperatura máxima y el tiempo de residencia. Esto puede reducir la concentración de NOx que es generada al reducir la temperatura pico (método 1). Los ajustes a la sincronización de las válvulas puede reducir el tiempo de residencia a la temperatura pico (método 2) para controlar la formación de NOx. La reducción química de NOx (método 3) es utilizada en los convertidores catalíticos para reducir los NOx a N2. Algunos motores estacionarios usan el método 3 y la oxidación de NOx (método 4) a la vez. Un reactor de plasma no termal fue desarrollado para el tratamiento de las emisiones de diesel, pero de acuerdo a nuestros conocimientos aún no se ha comercializado. Un sistema de ignición de plasma permite mayor libertad en la relación de aire a combustible y la sincronización del encendido de motores con encendido por chispa. Véa la Tabla 13 para las tecnologías de NOx utiilzadas por motores estacionarios de combustión interna.
 

¿Cuanto cuesta la reducción y el control de NOx?
El costo de la reducción y el control de NOx ha ido cambiando rápidamente con reducciones dramáticas en años recientes. La Tabla 14 presenta el costo en 1993 tal como se encuentra en el documento de Alternative Control Techniques Document NOx Emissions from Industrial/Commercial/Institutional (ICI) Boilers (EPA 453/R-94-022), Técnicas Alternativas para Emisiones de NOx Provenientes de Calderas Industriales, Comerciales e Institucionales. El EPA Region III Low NOx Control Technology Study (1994), Estudio sobre la Tecnología de Controles de Bajo NOx de la Región III de la EPA en 1994, afirma que los quemadores de bajo NOx tenían efectos tanto beneficiales sobre los costos de operación como perjudiciales para los quemadores, su expectativa de vida, y las calderas en que fueron instalados. La calidad del carbón y algunos diseños de calderas causaron que los NOx permanecieran altos aún después de que los quemadores de bajo NOx fueron instalados. Los costos capitales se encuentraron en un rango de $1.91 a $54.24 por kW. Los costos de operación se encontraron en un rango de $- 23,000 (una ganancia) a $1,113,750 por año. Por tanto, no se pudieron obtener presupuestos confiables del costo respecto a la operación de quemadores de bajo NOx. La calidad del carbón, la capacidad de la caldera y el diseño del quemador estuvieron entre las variables que influenciaron este costo.
Muchas plantas ni siquiera pudieron dar un presupuesto. La reducción catalítica no selectiva cuesta entre $700 y $1,300 por tonelada de NOx reducido. La reducción catalítica selectiva cuesta entre $500 y $2,800 por tonelada de NOx reducido.25 Sin embargo, el costo por tonelada de NOx
removida para todas las tecnologías parece ser cada vez menor.

Estos costos varían de acuerdo a la técnica de control, tipo de combustible, grado de combustible, tamaño de caldera, motor o turbina, tipo de caldera, o turbina y otros factores. Otros costos también cambiaban con el tiempo. Por lo tanto usted necesita examinar los costos de estas tecnologías de control de NOx para una aplicación específica y a un tiempo particular.

Estos presupuestos de costo preliminares serán reducidos todavía más a manera que se gane experiencia de operación, se agudice la competencia, y las iteraciones de diseño eliminen el alto mantenimiento o los rasgos que acortan la vida. La confianza en esta perspectiva del futuro está basada en reportes de que algunos usuarios de quemadores de bajo NOx que ya habían observado en 1994 que los costos de operación podrían ser reducidos para hacer que la incorporación de esta tecnología redituara una ganancia neta. Los costos de la RCS y la RNCS también podrían haber disminuido todavía más allá puesto que hoy ya existe competencia por estas tecnologías.

Este análisis fue respaldado por las cantidades de costo de 1997. Estas se presentan en la Tabla 15. Esta tabla proviene de Analyzing Electric Power Generation Under the CAAA 26 (El Análisis de la Generación de E

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