APLICACIÓN DEL TRATAMIENTO DE AGUA A LA REDUCCIÓN DE EMISIONES DE NOX EN CENTRALES TERMOELÉCTRICAS

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APLICACIÓN DEL TRATAMIENTO DE AGUA A LA REDUCCIÓNDE EMISIONES DE NOX EN CENTRALES TERMOELÉCTRICAS

Ing. Ricardo E. Pauer (*) (1996)

El caso

Una importante empresa petrolera local (CAPSA) que explota desde 1991 el yacimientoAgua del Cajón, en Neuquén, decidió mejorar sus beneficios aprovechando los excedentesde gas que normalmente serían quemados en antorchas. Para ello se propuso construiruna central termoeléctrica equipada con turbinas alimentadas con gas. De esta manera,el gas que se quemaría en antorchas sería utilizado para generar electricidad medianteturbogrupos de combustión interna.Estos turbogrupos se utilizaban comúnmente para satisfacer consumos de pico pues seadaptan a arranques rápidos, tienen costos de inversión relativamente bajos, requierenpoca atención, etc. Sin embargo, su eficiencia no era comparable a la de una turbina avapor con calderas de alta presión. En los últimos años estas turbinas fueronperfeccionadas de modo que su eficiencia a aumentado sensiblemente. De todos modos,como la alternativa era quemar el gas en antorchas, al ser el combustible prácticamentegratis la ecuación económica cierra perfectamente.Para la construcción y operación de la central se formó una empresa (CAPEX) en sociedadcon Westinghouse, la que suministró los turbogeneradores y efectúa el manejo de laplanta. Esta central, denominada Agua del Cajón como el yacimiento, disponía de cincoturbogrupos de 50 MWe y un sexto de 125 MWe. La capacidad total de generación era de375 MWe (similar a Atucha I).La central está ubicada en una zona desértica, cercana a las ciudades de Plottier ySenillosa, a aprox. 50 Km de la ciudad de Neuquén.La central se construyó en un plazo menor a dos años y comenzó a funcionar a fines de1993. Desde entonces entrega la energía generada al sistema interconectado y la vende adistintos consumidores.

La necesidad de reducir las emisiones de Nox y la tecnologia para lograrlo

Luego de iniciada la operación se decide disminuir las emisiones de óxidos de nitrógeno(Nox) a la atmósfera de modo de cumplimentar normativas internacionales relacionadascon estas emisiones. Es de hacer notar que se plantea una ligera reducción en la emisiónde Nox en una zona desierta! Existen instalaciones similares en zonas densamentepobladas donde esta reducción en la emisión de NOx ni siquiera se ha planteado como unaposibilidad. La razón por la cual se quiere cumplir con una normativa internacional masexigente que las regulaciones locales (es posible que en cualquier momento se adopte enel país una normativa similar) es que este cumplimiento se traduciría finalmente en elacceso a créditos internacionales de baja tasa, vedados a quienes no cumplan con estasnormas ambientales.

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Es de destacar que la mayoría de las grandes empresas que han efectuado inversionesimportantes en el tratamiento de sus efluentes, lo han hecho fundamentalmente por losbeneficios derivados de cumplir con normativas internacionales, principalmente el accesoa créditos a tasas preferenciales.Al iniciarse la operación de la central ya se decidió la implementación de una reducción enlas emisiones de Nox para cumplir con las normativas mencionadas. La tecnología autilizar para lograr este propósito debía ser la de Westinghouse, proveedora de losturbogrupos. Esta tecnología consiste en la inyección de una pequeña cantidad de aguadesmineralizada junto con el combustible en la cámara de combustión, de modo de bajaralgo la temperatura resultante de los gases. Esta reducción de la temperatura es laresponsable de modificar el equilibrio permitiendo disminuir las concentraciones de Nox

en el escape de las turbinas. La inyección de agua produce una disminución de latemperatura de los gases pero sin una disminución sensible de la potencia generada.La cantidad de agua a inyectar es de aprox. 0,2 m3/h.MWe, por lo que el requerimientofinal de agua, factores de seguridad incluidos, resulta de 100 m3/h.Ahora bien, como el agua se inyecta en la cámara de combustión, y los gases formadosatraviesan la turbina, la calidad de esta agua está determinada por este hecho. Losparámetros mas importantes que definen la calidad requerida para esta agua son:

• Sodio 0,5 ppm• SiO2 0,02 ppm• Conductividad 0,5 μ S/Cm

Desarrollo del proyecto

A fines de 1994, ya decidida la implementación del sistema, se solicitó un estudio deconsultoría para determinar el proceso mas adecuado para obtener agua de la calidadrequerida a partir de agua cruda de pozos semisurgentes, con una salinidad aprox. de 300ppm. Para la selección del proceso se debían considerar tanto los aspectos técnicos comolos económicos (costos de inversión y costos de operación).La calidad requerida obligaba a pensar en al menos dos etapas de desmineralización: unaetapa inicial que podía ser efectuada tanto por intercambio iónico como por ósmosisinversa, y una etapa final o de pulido que debía realizarse mediante equipos deintercambio iónico de lechos mixtos.Se efectuaron anteproyectos con ambas alternativas, se determinaron costos operativos yde inversión, etc. El resultado final fue que la diferencia en el valor presente para ambasalternativas (se consideró el costo de inversión mas el costo operativo de cinco añostraído a valor presente con una cierta tasa de interés) era mínima, menor incluso almargen de incertidumbre de las estimaciones involucradas.Por las razones expuestas y siguiendo las instrucciones del cliente se redactó un pliegode licitación donde debían cotizarse ambas alternativas. El suministro debía ser completo,incluyendo el diseño, suministro de todos los equipos y materiales necesarios, las obrasciviles requeridas, el montaje, la puesta en marcha, la capacitación del personal, etc. Elagua cruda debía tomarse de tres pozos semisurgentes ubicados a unos cinco kilómetros

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del lugar donde se ubicaría la planta. Por otra parte, los efluentes que se produjerandebían ser descargados en un canal localizado también a cinco kilómetros de la planta,pero en otra dirección. Por estas razones el suministro debía incluir también estos dosacueductos con sus respectivos sistemas de control.Cuando se licita la obra, a comienzos de 1995, una empresa vinculada al sector petroleroy al cliente nos pide el apoyo técnico para cotizar la obra. El resultado final es que se ganala obra y se firma el contrato a fin de Mayo. El plazo de obra era muy comprometido peropudo cumplirse. La planta fue puesta en marcha en Noviembre de 1995. La opciónseleccionada por el cliente fue la que utilizaba ósmosis inversa para la primera etapa dedesmineralización.

Descripción de la instalación

El proceso se inicia con el bombeo del agua cruda. Para ello se instalaron tres bombascentrífugas sumergibles en pozos semisurgentes. Como esta zona está lejos de la plantapero junto a una línea de alimentación eléctrica, se instaló un tablero local para elaccionamiento de estas bombas. Un pequeño PLC efectúa el comando de las bombas ysupervisa la operación de las mismas. Para ello se dispone de sensores de nivel en lospozos, de fallas de aislación y alta temperatura en las bombas, de temperatura ambiente ydel agua bombeada, y de presión en la descarga. Todas estas señales locales sonconducidas a este PLC el cual está conectado mediante un módem y una línea telefónicacon el PLC principal de control de la instalación. El agua, con un caudal medio de 125m3/h, es conducida mediante un acueducto de 10” de cinco kilómetros de longitudhasta la planta. Allí ingresa en un tanque de 50 m3. En el ingreso del agua al tanque sedosifica hipoclorito de sodio con el objeto de oxidar cualquier traza de hierro presente, asícomo destruir cualquier posible desarrollo biológico. El volumen del tanque permite untiempo de residencia para que actúe el hipoclorito. Este tanque cuenta con medicióncontinua de nivel con indicación, registro y alarmas en el sistema de control.De este tanque el agua es tomada por un conjunto de cuatro bombas de agua cruda de 73m3/h que la impulsan hacia los filtros de arena-antracita. De estas bombas normalmenteoperan dos, la tercera es para cuando debe contralavarse algún filtro y la cuarta es dereserva.Los filtros son tres, de dos metros de diámetro. Están provistos de un manto doble dearena y antracita, y tienen por objeto retener los sólidos en suspensión arrastrados por elagua, así como el hierro que pudiera ser oxidado por el cloro. Disponer de una adecuadaetapa de filtración es fundamental cuando se trabaja con ósmosis inversa. Sin embargo laexperiencia muestra que el agua de los pozos es lo suficientemente limpia (este dato nose conocía al momento de desarrollar el proyecto) como para que los filtros se laven unavez por semana, y como una rutina ya que la pérdida de carga en operación no llega asuperar los 0,2 bar.Los filtros están equipados con válvulas automáticas comandadas por el PLC de modo queel proceso de lavado de los mismos se desarrolla en forma totalmente automática. Sedispone también de mediciones de caudal, tanto de operación como de contralavado, y de

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pérdida de carga. Todas estas variables son ingresadas al PLC donde son indicadas,registradas, se generan alarmas, etc.A continuación, y formando parte del pretratamiento para la ósmosis inversa, se dosificaácido sulfúrico, bisulfito de sodio y un antiescalante para sílice. Para estas inyecciones sedispone de bombas dosificadoras y tanques de preparación de soluciones para los dosúltimos reactivos. Para el ácido se dispone de un tanque de 12 m3 de capacidad ya queeste reactivo se utiliza también para la regeneración de las unidades de lechos mixtos.El bisulfito (agente reductor) tiene por objeto eliminar el cloro residual que no es toleradopor las membranas poliamídicas de ósmosis. El ácido se agrega para evitar precipitacionesde carbonatos en las membranas, garantizando un índice de Languelier nulo oligeramente negativo en el rechazo. El antiescalante impide la precipitación de la sílice yaque con la recuperación con que se trabaja (80 %) y la cantidad de sílice en el agua atratar (40 ppm), se supera el límite de solubilidad en el rechazo.La dosificación de ácido es controlada por un peachímetro y un lazo de control. Las otrasdos dosificaciones son controladas por el PLC que las establece en función de la cantidadde unidades de ósmosis en servicio.Los equipos de ósmosis inversa se diseñaron en forma de cuatro unidades de 25 m3/h decapacidad de producción cada una. Esto se hizo así para tener mayor flexibilidad en laoperación. Debe considerarse que los equipos de ósmosis inversa no tienen posibilidadsimple de modificar el caudal de operación. O están en marcha y producen el caudal dediseño, o están parados.Cada unidad está equipada con cuatro tubos de presión que alojan 24 membranaspoliamídicas, de alto rechazo de sales, de 8”. El arreglo utilizado es 2:1:1. Los tubos depresión son de acero inoxidable, tipo 316. La bomba de alta presión es centrífugamultietapa, de 31 m3/h a 20 bar, de 40 HP, marca Tonkaflo, construida también en AISI316. Las cañerías principales de alta presión son de acero inoxidable y las de agua tratadade PVC Schedule 80. Cada unidad dispone además de una válvula automática a la entradade la bomba de alta presión y de una restricción en la salida del rechazo para provocar lapérdida de carga necesaria para garantizar la presión de operación.El sistema de ósmosis se resolvió mediante dos skid de aprox. 7 m de largo por 2 m deancho y 2,3 m de altura. En cada skid se montaron los elementos correspondientes a dosunidades, y como elementos comunes a ambas unidades los filtros a cartucho de 5 μ,caudalímetros para la alimentación, permeado y rechazo, mediciones de temperatura, pHy conductividad, etc. Cada skid dispone de su propio tablero eléctrico para comando de lasbombas y de un PLC con la lógica de operación, arranque y parada de cada unidad. En unode los skids se montó la bomba centrífuga para el CIP. El tanque correspondiente semontó separadamente.Todos estos elementos se encuentran dentro de un galpón donde también se colocó elCCM de toda la planta. Este galpón es necesario no solo como comodidad para losoperadores, sino sobre todo para evitar el problema del congelamiento en invierno cuandoalguna de las unidades está parada.Los PLCs individuales de los skids están conectados con el PLC principal que comandatoda la instalación, de modo de permitir el control de la planta desde un punto único.Por razones impositivas se prefirió armar los equipos de ósmosis en EE.UU, desde dondefueron provistos por Osmonics (Los componentes principales de un equipo de ósmosisinversa son de importación y pagaban un 30 % de recargo, mientras que si el equipo venía

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armado entraba en la categoría de “planta de tratamiento” y no tenía recargos. Hoy estasituación es diferente ya que los recargos sobre los componentes se redujeron a valoresde alrededor del 20 %, y los correspondientes a la planta completa se establecieron enaprox. el 17 %).El agua tratada por los equipos de ósmosis inversa, con una salinidad de alrededor de 8ppm y un caudal de hasta 100 m3/h, es conducida a una torre descarbonatadora. En estatorre, de 1,7 m de diámetro, el agua cae a través de un relleno de 3 m de altura de anillostipo “Pall-rings”de 1 _ ”, y es recogida en una cisterna de hormigón revestida. Se disponede dos ventiladores de 3000 Nm3/h (uno de reserva) que fuerzan el aire a través de losanillos hacia arriba, en contracorriente con el agua. De esta manera se elimina el CO2

formado.La cantidad de equipos de ósmosis inversa en operación es determinada por el PLC enfunción de la demanda de agua tratada y del nivel de agua en el tanque de reserva. Puedenfuncionar de uno a cuatro equipos. Esta lógica también rota los equipos enfuncionamiento cuando no operan los cuatro, y evita que alguno de ellos esté muchotiempo parado (para evitar eventuales precipitaciones de sílice).El agua descarbonatada cae en una cisterna de hormigón revestido de 10 m3 decapacidad. Desde allí la toman tres bombas de 65 m3/h (una es de reserva) y la impulsan através de las unidades de intercambio iónico de lechos mixtos. En la cisterna de aguadescarbonatada se cuenta con contactos de nivel para enclavamiento de las bombas pormuy bajo valor, y transmisión continua y regulación de nivel mediante una válvula decontrol ubicada a la salida de los lechos mixtos. De esta manera el nivel de la cisterna semantiene constante con independencia del caudal de aporte.Las unidades de lechos mixtos son dos, diseñadas cada una para el caudal máximo de100 m3/h y una carrera de tres días entre regeneraciones. Tienen dos metros de diámetroy cuatro de altura. Están construidos en acero al carbono ebonitado interiormente.El manto de resinas apoya sobre un falso fondo plano provisto de strainers. Se utilizó latecnología Ambersep, que implica la utilización de una capa de resina inerte que debido asus características de densidad y granulometría, luego del contralavado queda localizadaentre los mantos de resina catiónica y aniónica. Dentro de esta capa queda ubicado elcolector intefacial por donde salen los efluentes de la regeneración. Esto permitegarantizar una mayor eficiencia de la regeneración y una mejor calidad del agua tratada. Elcolector intefacial está construido en acero inoxidable con strainers.Dado que el principal elemento a retener es la sílice, se utilizan 2100 lt de resinacatiónica fuerte Amberjet 1200, 3800 lt de resina aniónica fuerte Amberjet 4200 y 700 ltde resina inerte Ambersep 359.En la salida de los lechos mixtos se dispone de una trampa de resinas. A continuaciónestá la válvula de control (comandada por el nivel en la cisterna de agua descarbonatada) yluego el tanque de agua tratada de 300 m3 de capacidad.Cada lecho mixto dispone también de instrumentos medidores de pH y conductividad, y unsilicómetro común.Las cañerías se construyeron totalmente en acero inoxidable AISI-316, y las válvulas sonmariposa o saunders ebonitadas, provistas de actuadores neumáticos.El tanque de agua tratada, construido en acero al carbono revestido interiormente conepoxi, es tipo API, de 7,65 m de diámetro y 7,5 m de altura. Está equipado con un filtro deCO2 en el respiradero y medición de nivel continua.

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Del tanque de agua tratada aspiran tres bombas de 50 m3/h (una es de reserva) queimpulsan el agua hacia los turbogrupos. Esta línea dispone de un filtro a cartuchos de 10μ, un lazo de control de presión y mediciones de caudal y pérdida de carga en el filtro.Otras dos bombas de 25 m3/h (una de reserva) se utilizan para impulsar el agua dedilución para la regeneración de los lechos mixtos. Sendos lazos de control permitenajustar los caudales correspondientes para la soda y el ácido. Se dispone de alarmas yenclavamientos por bajo caudal de dilución que impiden en envío de reactivosconcentrados a las resinas.Se utiliza ácido sulfúrico al 98 % y soda cáustica al 50 %. Estos reactivos se almacenanen sendos tanques de acero al carbono de 12 m3 de capacidad. Están equipados confiltros de silicagel y cal sodada respectivamente, disponen de medición continua de nivel yestán aislados térmicamente. Una estación de carga permite que sean cargadosfácilmente y en forma segura desde los camiones que transportan los reactivos.Los reactivos concentrados son impulsados por bombas dosificadoras a diafragma. Paracada reactivo se dispone de dos bombas, siendo una de reserva. Antes de las bombas sehan colocado separadores de sedimentos.Las cañerías de los reactivos concentrados son de acero al carbono y están aisladastérmicamente. Las líneas de soda están además calefaccionadas (tracing) mediantecintas eléctricas autorregulables.Para el ácido sulfúrico se utilizó un sistema de doble bloqueo y purga para asegurar laimposibilidad de que llegue agua a la zona de ácido concentrado. Todas estas válvulas yaccesorios se construyeron en acero teflonado, material capaz de resistir el ácidosulfúrico en todas sus concentraciones.Dos soplantes, uno de reserva, de 550 m3/h de capacidad, proveen el aire para la mezclade las resinas luego de la regeneración.Todo el proceso de regeneración se realiza en forma automática, controlado por el PLC.A los efectos de economizar agua tratada, y teniendo en cuenta que el agua dealimentación a los lechos mixtos ya está desmineralizada por los equipos de ósmosisinversa, el agua de contralavado, vaciado parcial y enjuague final se recircula.Los efluentes de la regeneración se envían a una pileta de neutralización de 45 m3 decapacidad construida en hormigón revestido con epoxi. En esta pileta los efluentes soncolectados y mezclados mediante dos bombas de recirculación (una es de reserva) de 15m3/h y eductomezcladores. Normalmente no se requiere el agregado de reactivos paraneutralizar ya que el diseño prevee efluentes autoneutralizantes. Sin embargo, lossistemas de regeneración pueden agregar ácido o soda si fuera necesario. Un peachímetrocontrola esta variable en la pileta y permite la descarga, o mediante el PLC controla laejecución de una rutina de neutralización. Estas mismas bombas de recirculaciónpermiten descargar los efluentes hacia un canal existente a través de una acueductoconstruido en plástico, de unos cinco kilómetros de longitud. Como este acueducto esmuy largo y los caudales variables entre 6 y 40 m3/h, según la cantidad de equipos deósmosis inversa en operación y/o si se están descargando efluentes de la neutralización,la presión en la entrada del acueducto también es variable. Por ello se instaló un lazo decontrol de presión que asegura una contrapresión fija en el rechazo de los equipos deósmosis inversa. De este acueducto se han tomado conexiones para riego local.El conjunto de la planta es controlada por el PLC principal, que dispone de una PC con unsoftware tipo SCADA como interface con el operador. A través de las distintas pantallas se

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puede visualizar todo el proceso, dar las órdenes que sean necesarias, visualizar lasdistintas variables, registrarlas, graficarlas, obtener informes de alarmas y eventos, etc.

Algunas experiencias operativas

La planta se puso en marcha en Noviembre/95 y desde entonces ha estado en operaciónininterrumpidamente. El rendimiento inicial de los equipos estuvo de acuerdo al diseño,pero cerca del primer año de operación comenzó a notarse una reducción en la carrera delos lechos mixtos, la cual se fue incrementando con el tiempo. Al estudiarse el problemase verificó que la salinidad de salida de los equipos de ósmosis inversa se habíaincrementado notoriamente, lo que provocaba la menor duración de la carrera de loslechos mixtos. Se recomendó disminuir la carrera de los lechos mixtos y aumentar losniveles de regeneración. También se sugirió enviar algunas membranas al proveedor delas mismas a los efectos de estudiarlas y emitir un veredicto sobre las causas delincremento del pasaje de sal.Como el problema continuó en aumento, y a veces costaba que los lechos mixtos entraranen servicio luego de una regeneración (el problema principal lo constituía la sílice), sedecidió agregar un sistema de calefacción para el agua de dilución de soda. De estamanera se lograría una regeneración mas efectiva de la resina aniónica. Es de destacarque la salida de los equipos de ósmosis inversa tenía inicialmente una conductividadmenor a 20 μS/cm y una fuga de sílice menor a 2 ppm. Estos valores, con los que sediseñaron los lechos mixtos, se fueron elevando hasta valores de 70 μS/cm y 12 ppm desílice. El comportamiento mostrado por los lechos mixtos era totalmente lógico.De las investigaciones efectuadas pudo averiguarse que en muchas ocasiones se habíatrabajado sin la inyección de antiescalante para sílice. Es de destacar que la disminucióno supresión de estas dosificaciones en los equipos de ósmosis inversa tienecaracterísticas insidiosas. En efecto, las consecuencias de este error operativo se veránrecién seis meses o un año mas tarde. El usuario puede pensar que está haciendo unahorro al suprimir la dosificación, pero finalmente la membrana que debió durar al menostres o cuatro años deberá ser reemplazada antes de los dos años, con un costo implícitomuy superior al ahorro efectuado.

(*) El Ing. Ricardo E. Pauer es Ingeniero Químico, de la U.N.L. Especializado en el tratamiento de aguas yefluentes. Forma parte de Consultora de Aguas y Devre Internacional SA.