ndice Pag. INTRODUCCIN . 2

TCNICAS DE POSTCOMBUSTIN . . 2 REDUCCIN SELECTIVA NO CATALTICA (SNCR . 2 VENTAJAS Y DEVENTAJAS . 3

REDUCCIN SELECTIVA CATALTICA (SCR . 5CONSIDERACIONE S .. ..

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BIBLIOGRAFIA .

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REDUCCION, CONTROL Y ELIMINACION DE LOS NOx 1.INTRODUCCION El trmino general de los xidos de nitrgeno engloba desde un punto de vista formal los siguientes compuestos: NO, NO2, N2O2, N2O4, N2O, N2O3, N2O5 y NO3, siendo ste ltimo inestable. Sin embargo, generalmente dicho trmino se aplica solo al NO y al NO2 por su presencia mayoritaria y facilidad de transformacin mutua en presencia de O2 del aire. Las plantas trmicas de produccin de energa contribuyen con un cuarto de las emisiones globales; el NO es un gas incoloro, mientras que el NO2 es un gas de color pardo, que crea una pluma visible sobre la chimenea.

2.TCNICAS DE POSTCOMBUSTIN.- Muchas zonas requieren emisiones de NOx menores de las que econmicamente es posible obtener modificando slo la propia combustin; para alcanzar reducciones superiores, se aplican tcnicas aguas abajo de la zona de combustin como la: Reduccin Selectiva No Cataltica (SNCR) Reduccin Selectiva Cataltica (SCR) En cada una de estas tecnologas, el NOx se reduce a N2 y H2 a travs de una serie de reacciones con un agente qumico que se inyecta en el flujo de humos. Los agentes qumicos que se utilizan en las aplicaciones comerciales, son: El amoniaco y la urea para los sistemas (SNCR) El amoniaco para los sistemas (SCR) a) Tcnica de la reduccin selectiva no cataltica (SNCR).- Se dispone de dos procesos bsicos de reduccin selectiva no cataltica: El primero utiliza un agente reductor (reactivo) a base de nitrgeno, como el amoniaco, que ha desarrollado EXXON y que est patentado con el nombre Termal De-NO2 1El segundo utiliza una tecnologa basada en la urea, que se ha desarrollado con el patrocinio de EPRI (Electric Power Research Institute)

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Fig. 1 Reduccin de NOx con urea y con amonaco

Fig. 2.- Sistema SCR para reduccin de NOx basado en la urea

Las reacciones qumicas correspondientes a ambos procesos son de la forma:Amonaco: 4 NO + 4 NH3 + O2 Urea : 2 NO + ( NH )2 CO +2 1 2

4 N2 + 6 H2O 2 N2 + 2 H 2 O + CO2

O2

El sistema (SNCR) se compone de un equipo para: El almacenamiento y manipulacin del amoniaco o la urea. La mezcla del agente reactivo con el fluido de transporte (aire comprimido, vapor o agua) La inyeccin El equipo principal del sistema (SNCR) es el de inyeccin, integrado por una serie de toberas ubicadas en las paredes del hogar a distintas cotas, para alcanzar la temperatura de operacin hacen en los humos. calderas La mayora queman de las residuos aplicaciones sobre ordinarias de estas tecnologas se que

slidos o bio-masa, en las que la zona de 3

temperaturas idneas se ubica en la parte alta del hogar, Fig 3.

Fig.3- Aplicacin del sistema (SNCR) a una caldera que quema residuos slidos urbanos

Fig 4.- Esquemas de niveles de inyeccin de urea y de amonaco

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Fig 5.- Efecto del tiempo de residencia en la reduccin de los NOx

Fig 6.- Emisiones de NOx y de CO respecto al coeficiente de equivalencia combustible/oxgen o para tres temperaturas, (inversa del coeficiente molar estequiomtrico aire/combustible.)

Cuando el amoniaco o la urea se inyectan, es importante controlar el exceso de reactivo que no ha reaccionado, ya que cuando la temperatura de los humos disminuye, el exceso dede NH3 puede reaccionar con otros productos formados en la combustin, principalment e trixid o de azufre SO3,dando lugar a sales amnicas, como el sulfato y el bisulfato amnico, que son los

principales productos amnicos formados. El sulfato amnico se encuentra seco y en partcula s finas, de 1 a 3 micras de dimetro, lo que contribuye a la forma cin de un penacho visible El bisulfato amnico es un compuesto muy cido y viscoso que, cuando se deposita en los equipos ubicados aguas abajo, contribuye a configura r ensuciamientos, atascos y corrosiones

Fig 7.- Diagram a de flujo para un sistema (SNCR) que utiliz a NH3

Los niveles de reduccin de NOx que se pueden alcanzar llegan al 70% en condiciones muy controladas.Ventajas: Los costos de capital y de operacin estn entre los ms bajos entre los mtodos de reduccin de NOx La reconversin de la (SNCR) es relativamente simple y requiere poco tiempo de paro en unidades grandes y medianas Es efectivo en costo para uso estacional o aplicaciones de carga variable Se puede aplicar con controles de combustin para proporcionar mayores reducciones de NO Acepta flujos de gases residuales

Desventajas: La corriente de gas debe estar dentro de un campo de temperatura especfico No es aplicable a fuentes con bajas concentraciones de NOx como las turbinas de gas Menores reducciones de NOx que con la Reduccin Selectiva Cataltica (SCR) Puede requerir limpieza del equipo aguas abajo

En USA, el sistema SNCR se ha aplicado a calderas y otras unidades de combustin variando su tamao entre 50 a 6000 MMBtu/h = (5 a 600MW/h) (EPA, 2002). Hasta hace poco era difcil obtener altos niveles de reduccin de NOx en unidades mayores de 3000 MMBtu (300 MW) debido a las limitaciones en el mezclado. Las mejoras en la inyeccin SNCR y los sistemas de control han proporcionado han proporcionado altas reducciones de NOx mayores del 60%) en calderas generadoras de electricidad de ms de 6.000 MMBtu/h (600MW).

Fig 8.- Tecnologa hbrid a

SNCR/SCR

b) Tcnic a de la reducci n selectiv a cataltic a (SCR) Consideracione s de diseo.- .- Los sistemas de reduccin selectiva cataltica (SCR) reducen el NOx contenido en los humos, por va cataltica , dando lugar a N2 y H2O, mediante la utilizaci n de amo- niaco como agente reductor . Esta tecnologa constituy e el mtodo ms eficiente de reduci r las emisiones de NOx cuando se requiere n altas eficiencias (70 90%). Las reacciones de reduccin del NOx tienen lu- gar cuando los humos atraviesan la cmara cataltica; antes de que stos entren en el catalizador , se inyecta el amoniaco y se mezcla con el flujo de humos, Fig 9.

La tcnica de reduccin selectiva cataltica (SCR) se utiliza cuando se requieren altas eficiencias de eliminacin de NOx en calderas industriales y energticas, que quemen madera, gas, aceite o carbn. Los sistemas (SCR) (650C) eliminan el NOx de los gases de combustin mediante su reaccin con el

amoniaco inyectado (lquido o gaseoso); el NH3 se absorbe por la superfici e del catalizado r a base de xidos metlicos, como por ejemplo, (V2O5 WO3 sobre TiO2) y reacciona con los NOx en presencia de O2, formando H2O y N2, de acuerdo con las reacciones: 4 NO + 4 NH3 + O2 2 NO2 + 4 NH 3 + O2 catalizador NO + NO2 + 2 NH3 6 NO2 + 8 NH3 catalizador catalizador catalizador 4N +

2

3N2 2 N2

6 H 2O + 6H2O + 3 H2O

7 N 2 + 12 H 2O

Al igual que en los sistemas (SNCR), las reacciones de los sistemas de reduccin selectiva cataltica (SCR) tienen lugar dentro de un campo ptimo de temperaturas. 232- 449 ,estando las optimas entre 357 - 449

Fig 9.- Mecanismo de la tcnica de reduccin cataltic a selectiva (SCR)

Fig 10. - Reduccin cataltic a selectiva (SCR). (Instalaci n nueva). Eficienci a 70 a 90% Integr a un control multipoluci n con un sistema de oxidacin de mercurio a travs del catalizador Carbn: entre 575 a 840F (302 a 449C) Campo de temperaturas Gas natural : entre 450 a 800F (232 a 427C) Temperaturas de eficiencia ptima: 700 a 750F (371 a 399C) Combustibles: carbn, gas natural , fuel, madera, MSW, biomasa y otros

Fig 11. - Instalaci n antigua reformada (La modernizacin en azul)

Fig 12. - Caldera energtica nueva con (SCR)

La temperatura mnima vara y

El combustible Las especificacione de humos s depende de: El agente catalizador El contenido de SO 2 que tengan los humos, que la incrementan

Conforme aumenta el contenido de S en los humos, el campo de temperaturas para poder eliminar la formacin menor. Por encima de la temperatura mxima del citado campo, hay un determinado nmero de agentes catalizadores que tienden a ser menos efectivos, siendo la frmula qumica del agente catalizador el punto clave para las caractersticas funcionales de un sistema (SCR). Aunque la frmula de un catalizador suele ser secreta, el material catalizador normalmente se sita en uno de los grupos siguientes:Catalizadore s de metales ordinario s y aleaciones. - La mayor parte de los catalizadore s estn constituido s por aleaciones de metales ordinarios ; se componen de xido de Ti con pequeas cantidades de Va, Mo, y W, o combinaciones de otros productos qumicos activos. Los catalizadore s de metales ordinarios son selectivos y operan en el margen de temperaturas especificado. Su mayor inconvenient e estrib a en su potencial de oxidar el SO2 a SO3, grado de oxidacin que depende de la formulaci n qumica del catalizador . Las cantidades de SO3 formadas pueden reaccionar con el NH3 arrastrad o por el flujo de humos, dando lugar a sales de sulfato amnico; este problema se puede minimiza r con un diseo del sistema y una formulaci n del catalizado r adecuados. Catalizadore s de zeolita. - Son relativamente nuevos en el control de las emisiones de NOx; son materiale s a base de silicatos de Al, cuya funcin es muy parecida a la de los catalizadore s de metales ordinarios . Una ventaja de las zeolitas radica en su ms elevada temperatura de operacin, 970F (521C). Los catalizadores de zeolitas puede oxidar el SO2 a SO3 y de ah la necesidad de una cuidadosa coordinacin con los componentes de los humos y con las temperatura s de operacin. Catalizadore s de metales preciosos.- Se fabrican a parti r de platin o y rodio. Al mismo tiempo que actan en la reduccin de NOx tambin pueden actuar como catalizadore s oxidantes, convirtiendo CO en CO2, bajo unas adecuadas condiciones de temperatura . No obstante, la oxidacin paralel a del SO2 a SO3 y el coste elevado de los catalizadore s de metales preciosos, los hacen poco atractivo s para la reduccin del NOx.La primitiv a tecnologa de los sistemas (SCR) utilizab a catalizadore s granulado s (en forma de ndulos), que se amontonaba n configurand o un lecho. Este materia l era efectivo para la reduccin de NOx, pero su manipulaci n no era fcil y frecuentemente introduc a en el propio sistema una significativ a cada de presin, por lo que la tecnologa de fabricacin de catalizadore s evolucion hacia bloques uniforme s y mayores de materia l catalizador ; los sistemas ms modernos de (SCR) utiliza n catalizadore s bloque fabricados con una configuraci n de placas paralelas o alveolar (enFig 13. - Catalizado r configurado por placas en forma alveolar

de sales de sulfato amnico en el lecho del catalizador es

forma de panal), Fig 13 La configuraci n tiene sus propias ventajas, como:

Cuando en el reactor de (SCR) se tratan flujos de humos cargados con partcula s en

suspensin el catalizado r de placas presenta menor cada de presin y es meno susceptible de sufri r s atoramientos y erosiones

global

El catalizado r alveolar requiere menor volumen de reactor, para un rea dada de superficie

El catalizado r va alojado en un reactor estratgicament e ubicado en el sistema, Fig 14, que le expone a las temperatura s de reaccin para el sistema (SCR).

Fig 14.- Reactor (SCR) de NOx , indicand o la posicin de los catalizadores

Caldera energtica sin instala r SCR

Caldera energtica anterio r con SCR Fig 15- Caldera energtica antes y despus de instala r el sistema (SCR)

El diseo del reactor incluye un sistema de sellado para impedi r el bipaso de los humos y para facilitar un soporte intern o del materia l del catalizador. La configuraci n del reactor puede ser vertica l u horizontal , dependiendo:

Del combustible utilizado Del espacio disponible De la disposicin del equipo que haya aguas arriba y aguas debajo de la unidad catalizadora

CONSIDERACIONE

S SOBR E EL AMONIAC O Y ESTEQUIOMETRA

En la Fig 16 se presenta un diagram a de suministr o y control de amoniaco, para un sistema (SCR). El amoniaco puede ser anhidr o o acuoso; en la mayora de las experiencias comerciales se ha uti lizado anhidro , pero debido a problemas de seguridad en las instalacione s de sistemas (SCR) se requiere acuoso. El amoniaco se transporta hasta la planta y se almacena en tanques; a continuaci n se aplica una determinad a cantida d a la cmara vaporiza do ra en la que se mezcla con aire o vapor en una rela- cin aproximad a de 1/ 20, y esta mezcla se introduc e en el flujo de humos a travs de un equipo de parri- llas de inyeccin.

Fig 16. - Sistema de suministr o y control de la mezcla NH3/air e de dilucin

Parrill a de inyeccin de amonac o (AIG). - A ttul o de ejemplo, una parrill a de 70 ft (21 m) estara compuesta de 12 tubos de inyeccin vertica l y 8 de inyeccin horizontal. ; el nmero total de portillas de inyeccin de la rejill a sera de 212. El suministr o de los tubos de inyeccin est equipado con un sistema de vlvula s de control de flujo manual y placas con orificio s que actan como vlvulas de varias vas. Durant e la puesta en servicio, el flujo de la mezcla amoniaco/aire se ajusta en cada cabecera para potenciar la distribuci n de amonaco en los gases de combustin. Cada parrill a (especfica para cada unidad) se disea para faciFig 17. - Parrill a de inyeccin de NH3

lita r una distribuci n permanente y uniform e de amoniaco a travs de todo el flujo de humos; su configuraci n depende del

tamao del conducto de humos y de la distanci a entre la parrill a de inyeccin y la entrad a en el lecho de materia catalizadora . A mayor distancia , menor ser el nmero de inyectores que se requiere n para lograr una adecuada mezcla. El control bsico del proceso facilit a un flujo de amoniaco con una relacin molar NH3/NOx constante.Relacin molar = d 100 NH3( a )

+

NOx(

ent )

% Eficienci a eliminaci n NO x

=

100

D e s l i z a n i e n t o N H3 ( p p m v d )

+ Entrad a NOx ( ppmvd) al sistema SCR

El producto de la concentracin proporciona una seal de flujo de NOx. El control del flujo

de NOx

a la entrad a y del flujo

de humos de la caldera, de NOx por la

de amoniaco se establece multiplicand o la seal de flujo

relacin molar NH3/NOx que se haya fijado con el punto de ajuste. La estequiometr a de la reduccin de NOx suele estar en una relacin molar NH3/ NOx= 1; de esto se deduce que, para elimina r por ejemplo un 80% de NOx se requiere una relacin molar NH3/ NOx = 0,8. Sin embargo, para tener en cuenta el arrastr e de amoniaco que no ha reaccionado (deslizamiento de NH3), la relacin molar real que se precisa es algo mayor. Con el fin de compensar el retraso en el tiempo de reaccin, durant e los cambios de carga de la caldera repentinos , existen otras relaciones, como:

Una ms rica que la estndar, para incrementos de carga Una ms pobre que la estndar, para reducciones de carga

Ubicaci n del sistema (SCR) en una unida d generador a de vapor.- Para vigila r todos los contaminante s atmosfricos, se requiere un sistema de monitorizaci n continu a de emisiones (CEM). Los datos generados por este sistema se utiliza n por el control del flujo de amoniaco, para alcanzar los niveles de emisin de NOx requeridos. Los puntos principale s a considerar, para un diseo (CEM) incluyen:

Las restricciones de espacio La ubicacin de los equipos existentes, en proyectos de modernizacin o reequipamiento Los requisitos de temperatura El combustible y el coste Las Fig 18 y 19 presentan algunas opciones sobre dnde se puede colocar el sistema (SCR) en una unidad generadora de vapor. En el caso de calderas nuevas, o cuando hay espacio disponible para una modernizacin, se prefiere la La disposicin (b) se desarroll originalment e para una modernizacin con limitaci n de espacio; sus costes disposicin (a), que facilit a el perfil ptimo de temperatura de inversin y de operacin son mucho ms altos que los similares de la disposicin (a), debido a la necesidad de contar con cambiadores de calor gas/gas y una fuente externa de calor

En la disposicin (c) se muestra la aplicacin de la tecnologa (SCR) para el caso de un sistema de ciclo

combinado do- tado con generadores de vapor recuperadores de calor (HRSG)

La reduccin selectiva cataltica (SCR) se debe tomar en consideracin cuando la tecnologa de combustin con bajo NOx facilit e una insuficient e reduccin del mismo, para cumplimenta r los correspondientes requisito s locales sobre emisin de este contaminante. La tecnologa (SCR) ha demostrado que es fiable y que es capaz de reduci r las emisiones de NOx hasta un 90% y ms en algunos casos especiales. Futuro. - Los avances registrados en los sistemas (SCR) se han centrado en desarrollos del catalizador para:

Mejorar su resistencia a la erosin Incrementar su resistencia a la desactivacin qumica Disminui r la conversin de SO2 en SO3 Lograr extender el campo ti l de temperaturas aptas para la reduccin del NO x

Los materiale s catalizadore s como zeolitas y metales preciosos son innovaciones bastante recientes. La experimentaci n de procesos de reduccin selectiva no cataltica (SNCR) ha considerado otras alternativa s como la urea, el cido cianrico , el sulfato amnico, y la utilizaci n de retenedores, como el metanol, inyectados con el reactivo del NOx.

a) Ubicacin preferida para (SCR)

b) Disposicin para modernizacin

c) Disposicin para (HRSG) de ciclo combinado Fig 18. - Algunos ejemplos de configuraci n del sistema (SCR)

Fig 19. - Disposiciones variada s de los (SCR), (ESP), (FGD)

Un caso especial de tecnologa de inyeccin es el que se refiere a las aminas orgnicas; por ejemplo, la metilamin a reacciona con el HNO2 para formar metanol y nitrgeno, que es una reaccin en fase gaseosa a baja temperatura, frente a las reacciones ordinarias a alta temperatura. Sin embargo, la concentracin en fase gaseosa de HNO2 se limita por la oxidacin del NO a NO2; esta

(SCR) bsicamente procesan una reduccin en seco del NOx mediante amoniaco o urea, mientras que otros sistemas ms avanzados, que se encuentra n en desarro llo, ofrecen una gran variedad de opciones, como:

slidos

Absorcin acuosa o seca mediante Absorcin ms oxidacin mediante un Absorcin ms reduccin mediante un

tecnologa todava se encuentra en fase de desarrollo. Existen encuentran una gran variedad el control de sistemas del NOx de y y postcombusti n para que se

lquido

lquido

en diversos estados de demostracin y de SO2. Los sistemas (SNCR)

desarrollo; muchos de ellos combinan los sistemas de control de NOx

Bibliografa : Alberta Research Council NOx and SOx Control Technologies Symposium Alberta, Canada 9 April 2008

http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_catalytic_reduction

http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/imprimir.asp? IdEntrega=612 http://www.uclm.es/profesorado/jvillasenor/esp/contatm/tema2NOx.pdf Pedro Fernndez Deztrmicas control y emission de los NOx En centrale

http://www.etseq.urv.es/assignatures/pge/apuntes/3F_ImpactoAmbien tal.pdf