Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada
ESTUDIO DE LA FORMACION DE NOx EN
GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN
COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DOCTOR EN CIENCIAS EN INGENIERÍA
MECÁNICA OPCIÓN ENERGETICA
P R E S E N T A
M. en C. GUILLERMO JARQUIN LÓPEZ
D I R E C T O R D E T E S I S
DR. GEORGIY POLUPAN
RESUMEN
En este trabajo se propone una metodología para la determinación de óxidos de nitrógeno
(NOx) en generadores de vapor que queman combustoleo y gas natural.
La metodología se basa en cuatro parámetros principales del proceso de combustión en la
zona de combustión activa (ZCA) del horno. Estos parámetros son los siguientes:
coeficiente de exceso de aire en ZCA, temperatura promedio de la ZCA, flujo de calor
reflejado en la ZCA y el tiempo de residencia de los gases en la ZCA.
Como herramienta de aplicación de esta metodología se propone un software denominado
“NOX AD” el cual calcula los cuatro parámetros y la concentración de NOx para diferentes
métodos operacionales a fin de obtener una reducción máxima. Este software depende de
los resultados del software “COMBUST” (volúmenes de aire y de los productos de la
combustión y entalpías para ambos combustibles).
El ejemplo de aplicación se desarrolla para un generador de vapor de 350 ton/h de vapor
(80MW) de la marca Combustión Engineering, el cual está equipado con quemadores
tangenciales y actualmente opera en la planta termoeléctrica Ing. Jorge Luque en el Estado
de México. El combustoleo estudiado tiene una composición en porcentaje másico de:
C=84.9 %, S=3.8%, N=0.4%, H=10.8%, O=0.0% y W=0.0% y el gas natural tiene una
composición en porcentaje en volumen de: CH
4- 91.97%, C
2H
6- 7.12%, C
3H
8- 0.91% .
Los métodos disminución de NOx investigados con el software “NOX AD” son los
siguientes: recirculación de los gases, lugar de entrada de gases recirculados, inyección de
agua, combustión a dos etapas y combinación de métodos.
La determinación de los cuatro parámetros principales y la concentración de NOx
correspondientes a cada método de disminución se realizaron a las siguientes cargas: 45%,
67%, 87% y 100%. Los porcentajes de recirculación e inyección de agua fueron: 0%, 5%,
10% y 15%. El software “NOX AD” presenta gráficas que muestran el comportamiento de
la formación de NOx para cada método de disminución.
ABSTRACT
I
I
n
n
t
t
h
h
i
i
s
s
w
w
o
o
r
r
k
k
t
t
h
h
e
e
r
r
e
e
w
w
a
a
s
s
d
d
e
e
v
v
e
e
l
l
o
o
p
p
e
e
d
d
a
a
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
o
o
l
l
o
o
g
g
y
y
t
t
o
o
d
d
e
e
t
t
e
e
r
r
m
m
i
i
n
n
e
e
n
n
i
i
t
t
r
r
o
o
g
g
e
e
n
n
o
o
x
x
i
i
d
d
e
e
s
s
e
e
m
m
i
i
s
s
s
s
i
i
o
o
n
n
s
s
(
(
N
N
O
O
x
x
)
)
i
i
n
n
s
s
t
t
e
e
a
a
m
m
g
g
e
e
n
n
e
e
r
r
a
a
t
t
o
o
r
r
s
s
t
t
h
h
a
a
t
t
b
b
u
u
r
r
n
n
b
b
o
o
t
t
h
h
f
f
u
u
e
e
l
l
o
o
i
i
l
l
a
a
n
n
d
d
n
n
a
a
t
t
u
u
r
r
a
a
l
l
g
g
a
a
s
s
.
.
T
T
h
h
e
e
p
p
r
r
o
o
p
p
o
o
s
s
e
e
d
d
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
o
o
l
l
o
o
g
g
y
y
i
i
s
s
b
b
a
a
s
s
e
e
d
d
o
o
n
n
f
f
o
o
u
u
r
r
m
m
a
a
i
i
n
n
p
p
a
a
r
r
a
a
m
m
e
e
t
t
e
e
r
r
s
s
r
r
e
e
l
l
a
a
t
t
e
e
d
d
t
t
o
o
c
c
o
o
m
m
b
b
u
u
s
s
t
t
i
i
o
o
n
n
p
p
r
r
o
o
c
c
e
e
s
s
s
s
i
i
n
n
t
t
h
h
e
e
f
f
u
u
r
r
n
n
a
a
c
c
e
e
a
a
c
c
t
t
i
i
v
v
e
e
b
b
u
u
r
r
n
n
i
i
n
n
g
g
z
z
o
o
n
n
e
e
(
(
A
A
B
B
Z
Z
)
)
.
.
S
S
u
u
c
c
h
h
p
p
a
a
r
r
a
a
m
m
e
e
t
t
e
e
r
r
s
s
a
a
r
r
e
e
t
t
h
h
e
e
f
f
o
o
l
l
l
l
o
o
w
w
i
i
n
n
g
g
o
o
n
n
e
e
s
s
:
:
a
a
i
i
r
r
e
e
x
x
c
c
e
e
s
s
s
s
c
c
o
o
e
e
f
f
f
f
i
i
c
c
i
i
e
e
n
n
t
t
i
i
n
n
A
A
B
B
Z
Z
,
,
a
a
v
v
e
e
r
r
a
a
g
g
e
e
t
t
e
e
m
m
p
p
e
e
r
r
a
a
t
t
u
u
r
r
e
e
i
i
n
n
A
A
B
B
Z
Z
,
,
r
r
e
e
f
f
l
l
e
e
c
c
t
t
e
e
d
d
h
h
e
e
a
a
t
t
i
i
n
n
A
A
B
B
Z
Z
a
a
n
n
d
d
t
t
h
h
e
e
r
r
e
e
s
s
i
i
d
d
e
e
n
n
c
c
e
e
t
t
i
i
m
m
e
e
o
o
f
f
c
c
o
o
m
m
b
b
u
u
s
s
t
t
i
i
o
o
n
n
p
p
r
r
o
o
d
d
u
u
c
c
t
t
s
s
i
i
n
n
A
A
B
B
Z
Z
.
.
A
A
s
s
a
a
t
t
o
o
o
o
l
l
t
t
o
o
a
a
p
p
p
p
l
l
y
y
t
t
h
h
i
i
s
s
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
o
o
l
l
o
o
g
g
y
y
,
,
t
t
h
h
e
e
r
r
e
e
w
w
a
a
s
s
a
a
s
s
p
p
e
e
c
c
i
i
a
a
l
l
l
l
y
y
d
d
e
e
s
s
i
i
g
g
n
n
e
e
d
d
s
s
o
o
f
f
t
t
w
w
a
a
r
r
e
e
w
w
h
h
i
i
c
c
h
h
w
w
a
a
s
s
n
n
a
a
m
m
e
e
d
d
“
“
N
N
O
O
X
X
A
A
D
D
”
”
.
.
I
I
t
t
c
c
a
a
n
n
c
c
a
a
l
l
c
c
u
u
l
l
a
a
t
t
e
e
t
t
h
h
e
e
f
f
o
o
u
u
r
r
p
p
a
a
r
r
a
a
m
m
e
e
t
t
e
e
r
r
s
s
a
a
b
b
o
o
v
v
e
e
a
a
s
s
w
w
e
e
l
l
l
l
a
a
s
s
t
t
h
h
e
e
N
N
O
O
x
x
c
c
o
o
n
n
c
c
e
e
n
n
t
t
r
r
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
f
f
o
o
r
r
d
d
i
i
f
f
f
f
e
e
r
r
e
e
n
n
t
t
o
o
p
p
e
e
r
r
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
a
a
l
l
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
s
s
t
t
o
o
g
g
e
e
t
t
a
a
m
m
a
a
x
x
i
i
m
m
i
i
z
z
e
e
d
d
r
r
e
e
d
d
u
u
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
.
.
T
T
h
h
i
i
s
s
s
s
o
o
f
f
t
t
w
w
a
a
r
r
e
e
d
d
e
e
p
p
e
e
n
n
d
d
s
s
o
o
n
n
t
t
h
h
e
e
r
r
e
e
s
s
u
u
l
l
t
t
s
s
o
o
f
f
t
t
h
h
e
e
“
“
C
C
O
O
M
M
B
B
U
U
S
S
T
T
”
”
s
s
o
o
f
f
t
t
w
w
a
a
r
r
e
e
(
(
a
a
i
i
r
r
v
v
o
o
l
l
u
u
m
m
e
e
s
s
a
a
n
n
d
d
c
c
o
o
m
m
b
b
u
u
s
s
t
t
i
i
o
o
n
n
p
p
r
r
o
o
d
d
u
u
c
c
t
t
s
s
a
a
s
s
w
w
e
e
l
l
l
l
a
a
s
s
e
e
n
n
t
t
h
h
a
a
l
l
p
p
i
i
e
e
s
s
f
f
o
o
r
r
b
b
o
o
t
t
h
h
f
f
u
u
e
e
l
l
s
s
)
)
.
.
T
T
h
h
e
e
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
o
o
l
l
o
o
g
g
y
y
w
w
a
a
s
s
a
a
p
p
p
p
l
l
i
i
e
e
d
d
i
i
n
n
a
a
3
3
5
5
0
0
-
-
t
t
o
o
n
n
/
/
h
h
(
(
8
8
0
0
M
M
W
W
)
)
s
s
t
t
e
e
a
a
m
m
g
g
e
e
n
n
e
e
r
r
a
a
t
t
o
o
r
r
m
m
a
a
n
n
u
u
f
f
a
a
c
c
t
t
u
u
r
r
e
e
d
d
b
b
y
y
C
C
o
o
m
m
b
b
u
u
s
s
t
t
i
i
o
o
n
n
E
E
n
n
g
g
i
i
n
n
e
e
e
e
r
r
i
i
n
n
g
g
,
,
w
w
h
h
i
i
c
c
h
h
i
i
s
s
e
e
q
q
u
u
i
i
p
p
p
p
e
e
d
d
w
w
i
i
t
t
h
h
t
t
a
a
n
n
g
g
e
e
n
n
t
t
i
i
a
a
l
l
b
b
u
u
r
r
n
n
e
e
r
r
s
s
a
a
n
n
d
d
i
i
s
s
c
c
u
u
r
r
r
r
e
e
n
n
t
t
l
l
y
y
w
w
o
o
r
r
k
k
i
i
n
n
g
g
i
i
n
n
t
t
h
h
e
e
t
t
h
h
e
e
r
r
m
m
o
o
e
e
l
l
e
e
c
c
t
t
r
r
i
i
c
c
p
p
l
l
a
a
n
n
t
t
I
I
n
n
g
g
.
.
J
J
o
o
r
r
g
g
e
e
L
L
u
u
q
q
u
u
e
e
l
l
o
o
c
c
a
a
t
t
e
e
d
d
i
i
n
n
t
t
h
h
e
e
S
S
t
t
a
a
t
t
e
e
o
o
f
f
M
M
e
e
x
x
i
i
c
c
o
o
.
.
T
T
h
h
e
e
f
f
u
u
e
e
l
l
o
o
i
i
l
l
u
u
s
s
e
e
d
d
h
h
a
a
s
s
a
a
m
m
a
a
s
s
s
s
p
p
e
e
r
r
c
c
e
e
n
n
t
t
a
a
g
g
e
e
c
c
o
o
m
m
p
p
o
o
s
s
i
i
t
t
i
i
o
o
n
n
o
o
f
f
C
C
=
=
8
8
4
4
.
.
9
9
%
%
,
,
S
S
=
=
3
3
.
.
8
8
%
%
,
,
N
N
=
=
0
0
.
.
4
4
%
%
,
,
H
H
=
=
1
1
0
0
.
.
8
8
%
%
,
,
O
O
=
=
0
0
.
.
0
0
%
%
a
a
n
n
d
d
W
W
=
=
0
0
.
.
0
0
%
%
.
.
T
T
h
h
e
e
n
n
a
a
t
t
u
u
r
r
a
a
l
l
g
g
a
a
s
s
h
h
a
a
s
s
a
a
v
v
o
o
l
l
u
u
m
m
e
e
p
p
e
e
r
r
c
c
e
e
n
n
t
t
a
a
g
g
e
e
c
c
o
o
m
m
p
p
o
o
s
s
i
i
t
t
i
i
o
o
n
n
o
o
f
f
C
C
H
H
4 4=
=
9
9
1
1
.
.
9
9
7
7
%
%
,
,
C
C
22H
H
66=
=
7
7
.
.
1
1
2
2
%
%
a
a
n
n
d
d
C
C
33H
H
88=
=
0
0
.
.
9
9
1
1
%
%
.
.
D
D
i
i
f
f
f
f
e
e
r
r
e
e
n
n
t
t
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
s
s
o
o
f
f
N
N
O
O
x
x
d
d
e
e
c
c
r
r
e
e
a
a
s
s
e
e
w
w
e
e
r
r
e
e
r
r
e
e
s
s
e
e
a
a
r
r
c
c
h
h
e
e
d
d
b
b
y
y
u
u
s
s
i
i
n
n
g
g
“
“
N
N
O
O
X
X
A
A
D
D
”
”
s
s
o
o
f
f
t
t
w
w
a
a
r
r
e
e
:
:
g
g
a
a
s
s
e
e
s
s
r
r
e
e
c
c
i
i
r
r
c
c
u
u
l
l
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
,
,
e
e
n
n
t
t
r
r
a
a
n
n
c
c
e
e
p
p
l
l
a
a
c
c
e
e
o
o
f
f
g
g
a
a
s
s
e
e
s
s
,
,
w
w
a
a
t
t
e
e
r
r
i
i
n
n
j
j
e
e
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
i
i
n
n
t
t
h
h
e
e
A
A
B
B
Z
Z
,
,
c
c
o
o
m
m
b
b
u
u
s
s
t
t
i
i
o
o
n
n
a
a
t
t
t
t
w
w
o
o
s
s
t
t
a
a
g
g
e
e
s
s
a
a
n
n
d
d
c
c
o
o
m
m
b
b
i
i
n
n
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
s
s
o
o
f
f
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
s
s
.
.
T
T
h
h
e
e
d
d
e
e
t
t
e
e
r
r
m
m
i
i
n
n
i
i
n
n
g
g
o
o
f
f
t
t
h
h
e
e
f
f
o
o
u
u
r
r
m
m
a
a
i
i
n
n
p
p
a
a
r
r
a
a
m
m
e
e
t
t
e
e
r
r
s
s
a
a
n
n
d
d
t
t
h
h
e
e
N
N
O
O
x
x
c
c
o
o
n
n
c
c
e
e
n
n
t
t
r
r
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
t
t
h
h
a
a
t
t
c
c
o
o
r
r
r
r
e
e
s
s
p
p
o
o
n
n
d
d
e
e
d
d
t
t
o
o
e
e
a
a
c
c
h
h
d
d
i
i
m
m
i
i
n
n
i
i
s
s
h
h
i
i
n
n
g
g
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
w
w
e
e
r
r
e
e
m
m
a
a
d
d
e
e
u
u
n
n
d
d
e
e
r
r
t
t
h
h
e
e
f
f
o
o
l
l
l
l
o
o
w
w
i
i
n
n
g
g
l
l
o
o
a
a
d
d
s
s
:
:
4
4
5
5
%
%
,
,
6
6
7
7
%
%
,
,
8
8
7
7
%
%
a
a
n
n
d
d
1
1
0
0
0
0
%
%
.
.
T
T
h
h
e
e
r
r
e
e
c
c
i
i
r
r
c
c
u
u
l
l
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
a
a
n
n
d
d
w
w
a
a
t
t
e
e
r
r
i
i
n
n
j
j
e
e
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
p
p
e
e
r
r
c
c
e
e
n
n
t
t
a
a
g
g
e
e
s
s
w
w
e
e
r
r
e
e
:
:
0
0
%
%
,
,
5
5
%
%
,
,
1
1
0
0
%
%
a
a
n
n
d
d
1
1
5
5
%
%
.
.
T
T
h
h
e
e
“
“
N
N
O
O
X
X
A
A
D
D
”
”
s
s
o
o
f
f
t
t
w
w
a
a
r
r
e
e
d
d
i
i
s
s
p
p
l
l
a
a
y
y
s
s
g
g
r
r
a
a
p
p
h
h
i
i
c
c
s
s
t
t
h
h
a
a
t
t
s
s
h
h
o
o
w
w
t
t
h
h
e
e
N
N
O
O
x
x
f
f
o
o
r
r
m
m
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
b
b
e
e
h
h
a
a
v
v
i
i
o
o
r
r
f
f
o
o
r
r
e
e
a
a
c
c
h
h
d
d
i
i
m
m
i
i
n
n
i
i
s
s
h
h
i
i
n
n
g
g
m
m
e
e
t
t
h
h
o
o
d
d
.
.
T
T
h
h
e
e
r
r
e
e
s
s
u
u
l
l
t
t
s
s
s
s
h
h
o
o
w
w
s
s
t
t
h
h
e
e
m
m
a
a
x
x
i
i
m
m
i
i
z
z
e
e
d
d
N
N
O
O
x
x
r
r
e
e
d
d
u
u
c
c
t
t
i
i
o
o
n
n
w
w
h
h
e
e
n
n
c
c
o
o
m
m
b
b
i
i
n
n
a
a
t
t
i
i
o
o
n
n
s
s
o
AGRADECIMIENTOS
A la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación de la ESIME- IPN –
ZACATENCO por la formación Profesional que me brindó.
Al Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP)
de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación por brindarme la
oportunidad de estudiar el doctorado.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por brindarme
apoyo económico durante la realización de mis estudios.
A los directores de la ESIME CULHUACAN Dr. Miguel Toledo Velázquez e
Ing. Fermín Valencia Figueroa por proponerme para realizar los estudios de
Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecánica en la SEPI-ESIMEZ –IPN.
Al Comité de Prestaciones a Becarios (COTEPABE), mi más sincero
agradecimiento por la autorización de las licencias para realizar mis estudios
de doctorado.
A mi director de tesis doctoral
Mi más sincero agradecimiento al Dr. Georgiy Polupan no sólo por su asesoría
en este trabajo de investigación, sino también por haberme enseñado el
camino de la investigación. Agradezco también su paciencia y apoyo durante
la realización de este trabajo. Por su calidad humana y por su amistad. Muchas
Gracias.
Al Comité Doctoral ya que gracias a sus comentarios se logro obtener un
trabajo de calidad.
DR. MIGUEL TOLEDO VELAZQUEZ
DR. FLORENCIO SÁNCHEZ SILVA
DR. GEORGIY POLUPAN
DR. PEDRO QUINTO DIEZ
Al
Dr. FLORENCIO SANCHEZ SILVA
,
por su disposición y por sus
comentarios para mejorar la realización de este trabajo.
Al
Dr. PEDRO QUINTO DIEZ
, por sus valiosas observaciones y por su
exigencia para la culminación del presente trabajo de investigación.
Al
Dr. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL
, por sus atenciones, sus
comentarios y su apoyo durante el desarrollo del trabajo de investigación.
Al
Dr. ROBERTO LIMAS BALLESTEROS
, por su disposición para
señalar sus observaciones y comentarios durante la realización de la
investigación.
Un reconocimiento especial al
Dr. MIGUEL TOLEDO VELÁZQUEZ
por
su confianza y su gran apoyo para la realización y culminación de mis
estudios de doctorado.
Al
M. EN C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA
, por sus comentarios
y las facilidades brindadas para el desarrollo de este trabajo.
Al
M. EN C. JOSE HERNANDEZ RODRIGUEZ
, por su amistad y
comentarios para realizar este trabajo.
A todos mis maestros de la Sección de Estudios de Postgrado e Investigación
por su contribución en mi formación profesional. Por inculcarnos amor hacia
el trabajo y gran sentido de responsabilidad.
A todos mis compañeros de maestría y doctorado por el buen compañerismo
que compartimos durante mi estancia en el LABINTHAP.
A los integrantes de la comunidad de la Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Culhuacan que me apoyaron para la
terminación de esta tesis doctoral.
DEDICATORIAS
A MIS PADRES:
ENRIQUE JARQUIN FRANCO
ELISEA LOPEZ PEREZ
Por inculcarme la disciplina y la responsabilidad en el
trabajo. Además, por ser mis guías en la vida.
A MIS HERMANOS:
RAFAELA, SERVANDO
ELENA, ROSELIA
SALUSTIA, ALICIA
ABEL Y OSVELIA
Que gracias a su afecto y cariño que me han brindado, he
logrado una meta más de mi vida.
A LA C. MAGDALENA REYES GARCIA:
Por apoyarme como responsable ante la ESIMEIPN
-CULHUACAN durante la realización de mis estudios.
AL LIC. JOSE RAUL PEÑA SANDOVAL:
INDICE GENERAL
DESCRIPCION
PAG
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
I
NOMENCLATURA
IV
RESUMEN
VIII
ABSTRACT
IX
INTRODUCCION
X
CAPITULO I
MARCO TEORICO DEL ESTUDIO DE LA
FORMACION DE NOX EN GENERADORES DE
VAPOR
1.1
GENERALIDADES
2
1.2
CLASIFICACION DE LOS METODOS DE CONTROL
DE LA FORMACION DE NOx
2
1.2.1
Control antes de la combustión
2
1.2.2
Control durante la combustión
3
1.2.3
Control durante la postcombustion
3
1.3
METODOS DE CONTROL DE NOx ANALIZADOS EN
LA TESIS
3
1.3.1
Recirculación de los gases
3
1.3.2
Inyección de agua en el horno
4
1.3.3
Bajo exceso de aire
5
1.3.4
Combustión a dos etapas
6
1.3.5
Combinación de métodos de disminución
7
1.4
NORMATIVIDAD DE EMISIONES CONTAMINANTES
7
1.5
APORTACIONES
9
CAPITULO II
ESTUDIO NUMERICO DE LA FORMACION DE NO
XY
SO
XEN EQUILIBRIO QUIMICO
2.1
INTRODUCCION
11
2.2
METODOLOGIA
DE
CALCULO DE NOx PROPUESTO
POR C. OLIKARA Y G. BORMAN
11
2.3
METODOLOGIA DE CALCULO DE NOx PROPUESTO
EN ESTE TRABAJO
12
2.3.1
Balances de conservación de átomos
13
2.3.5
Derivadas
parciales
de las fracciones molares
21
2.3.6
Entalpía y energía interna
22
2.3.7
Primera ley de la termodinámica
23
2.3.8
Solución numérica de la primera ley de la termodinámica
24
2.4 MODIFICACION DE LA METODOLOGIA DE
CALCULO DE NOx DE C. OLIKARA Y G. BORMAN
PARA ESTUDIAR SOx
25
2.13
SOFTWARE “FLAME AD”
25
CAPITULO III
METODOLOGIA PARA EL CALCULO DE NO
XEN
GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN
COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL
3.1
INTRODUCCION
A LA METODOLOGIA
27
3.2
CONSIDERACIONES
PARA EL CALCULO DE LA
CONCENTRACION DE NOX
27
3.3
ETAPAS DE LA METODOLOGIA
28
3.3.1 Obtención de datos
29
3.3.2
Coeficiente
de
absortividad
promedio de la ZCA
30
3.3.3 Flujos de calor
34
3.3.4 Capacidades caloríficas de los flujos
36
3.3.5 Temperatura promedio de los gases en la ZCA
37
3.3.6 Flujo de calor reflejado en la ZCA
38
3.3.7 Tiempo de residencia de los gases en la ZCA
38
3.3.8 Coeficiente de exceso de aire en la ZCA
39
3.3.9 Concentración de óxidos de nitrógeno NOx
39
CAPITULO IV
DESARROLLO DEL SOFTWARE “NOX AD” Y
EJEMPLO DE APLICACIÓN
4.1
DESCRIPCION DEL SOFTWARE NOX AD
41
4.1.1 Interfaz “Nox Ad”
41
4.1.2 Interfaz “Nox Ad Gas Natural”
43
4.1.3 Interfaz “Datos de entrada para Gas Natural”
44
4.1.4 Interfaz “Resultados”
47
4.1.5 Interfaz “Grafica de Nox para Gas Natural”
48
4.2
FUNCIONAMIENTO
DEL
SOFTWARE
48
4.3
DIAGRAMA DE FLUJO DEL SOFTWARE
49
4.4
EJEMPLO DE APLICACIÓN
51
4.4.1 Características del generador de vapor estudiado
51
4.4.4 Resultados de concentración de NOx sin métodos de
disminución
58
4.5
CALCULO DE LA EFICIENCIA TERMICA PARA
METODOS DE DISMINUCION DE NOx
59
4.5.1 Perdidas por los gases de escape, vapor para la atomización
del combustible y de agua adicional
59
4.6
DISMINUCION
DE
EFICIENCIA TERMICA
62
4.6.1 Recirculación de los gases
62
4.6.2 Inyección de agua en el horno
62
4.6.3 Combustión a dos etapas
62
4.7
CALCULO
ECONOMICO
PARA LA RECIRCULACION
DE GASES
63
CAPITULO V
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
5.1
RESULTADOS Y DISCUSION
65
5.2
RECIRCULACION DE LOS GASES
65
5.3
DIFERENTES LUGARES DE INTRODUCCION DE LOS GASES
DE RECIRCULACIÓN
68
5.4
INYECCIÓN DE AGUA EN EL HORNO DEL GENERADOR DE
VAPOR
70
5.5
COMBINACIÓN DE MÉTODOS: GASES DE RECIRCULACIÓN,
INYECCIÓN DE AGUA Y BAJO EXCESO DE AIRE
73
5.6
DOS ETAPAS DE COMBUSTIÓN EN EL HORNO DEL
GENERADOR DE VAPOR
75
5.7
COMBINACIÓN DE MÉTODOS DE DISMINUCIÓN DE NOx
78
5.8
COMPARACION DE RESULTADOS DE FORMACION DE NOx
80
CONCLUSIONES
82
RECOMENDACIONES
84
REFERENCIAS
85
APENDICE A
PARAMETROS DE COMBUSTION: COMBUSTOLEO Y GAS
NATURAL
90
APENDICE B
NOx Y SOx EN EQUILIBRIO QUIMICO Y CODIFICACION
“FLAME AD”
96
APENDICE C
VARIABLES QUE INTERVIENEN EN LA FORMACION DE
NOX, GRADO DE QUEMADO DE LOS COMBUSTIBLES,
FACTOR DE FORMA Y GEOMETRIAS DE HORNOS
111
APENDICE D
MANUAL DE USUARIO Y CODIFICACION DEL SOFTWARE
“NOX_AD”
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
FIGURAS
FIGURA
DESCRIPCION
PAG.
2.1
Cámara de combustión: reactivos y productos
13
2.2
Volumen de control para flujo estacionario
23
3.1
Dimensiones de la ZCA para diferentes casos de
combustión
31
4.1
Estructura general del software
42
4.2
Interfaz “Nox Ad”
43
4.3
Interfaz “Nox Ad Gas Natural”
44
4.4
Interfaz “Datos de entrada para Gas Natural”
45
4.5
Interfaz “Resultados”
47
4.6
Interfaz “Grafica de Nox para Gas Natural”
48
4.7
Diagrama de flujo general del cálculo de la
concentración de NOx
50
4.8
Generador de vapor de 350 ton/h
52
4.9
Vista lateral del generador de vapor de 350 ton/h
53
4.10
Arreglo de quemadores tangenciales en el generador de
vapor de 350 ton/h
54
4.11
Zona de combustion activa a) Gas natural;
b) Combustoleo
55
4.12
Detalle de quemadores utilizados por el generador de
vapor (cotas en mm)
56
4.13
Flujos de calor en el horno de un generador de vapor
59
5.1
Formación de NOx dependiendo de la carga a
diferentes porcentajes de recirculación para gas natural
67
5.2
Formación de NOx dependiendo de la carga a
diferentes porcentajes de recirculación para
combustoleo
67
5.3
Formación de NOx dependiendo del lugar de
introducción de los gases de recirculación para gas
natural
69
5.4
Formación de NOx dependiendo del lugar de
introducción de los gases de recirculación para
combustoleo
70
5.5
Formación de NOx dependiendo de la carga a
diferentes porcentajes de agua inyectada en el horno
para gas natural
FIGURA
DESCRIPCION
PAG.
5.6
Formación de NOx dependiendo de la carga a
diferentes porcentajes de agua inyectada en el horno
para combustoleo
72
5.7
Formación de NOx sin métodos de disminución y con
la combinación: recirculación de gases, inyección de
agua y bajo exceso de aire para gas natural
74
5.8
Formación de NOx sin métodos de disminución y con
la combinación: recirculación de gases, inyección de
agua y bajo exceso de aire para combustoleo
74
5.9
Formación de NOx dependiendo de la carga y dos
etapas de combustión para gas natural
77
5.10
Formación de NOx dependiendo de la carga y dos
etapas de combustión para combustoleo
77
5.11
Combinación de métodos de disminución de NOx:
Convencional, con inyección de agua y bajo exceso de
aire y con dos etapas de combustión para gas natural
79
5.12
Combinación de métodos de disminución de NOx:
Convencional, con inyección de agua y bajo exceso de
aire y con dos etapas de combustión para combustoleo 79
5.13
Comportamiento de la formación de NOx en
dependencia de la capacidad del generador de vapor
80
A.1
Interfaz principal Combust
92
A.2
Interfaz entrada de datos combustoleo
92
A.3
Interfaz volúmenes de los productos de combustión
93
A.4
Interfaz Entalpías para combustoleo alfa=1.16
93
B.1
Interfaz
“FLAME
AD”
96
B.2
Interfaz “CONTROLES FLAME AD”
97
B.3
Interfaz “MENU DE PROCESOS”
98
B.4
Interfaz
“ENTRADA DE DATOS G”
98
B.5
Interfaz
“TEMPERATURA ADIABATICA G”
99
B.6
Interfaz “GRAFICA DE TEMPERATURA
ADIABATICA”
99
B.7
Interfaz “GRAFICA DE NOx Y SOx”
100
C.1
Distribución de los tubos en el horno (curva 4 para el
caso de estudio).
114
TABLAS
TABLA
DESCRIPCION
PAG.
1.1
Limites máximos permisibles de emisiones
contaminantes
8
2.1
Resultados de las propiedades termodinámicas y
concentración de NOx en equilibrio de los productos de
la combustión para gas natural.
24
4.1
Características del generador de vapor
51
4.2
Datos de entrada del software “NOx AD”
57
4.3
Consumo de combustible a cargas parciales
58
4.4
Resultados de concentración de NOx sin ningún
método de disminución
58
5.1
Resultados de formación de NOx al variar la cantidad
de gases de recirculación en el horno para gas natural y
combustoleo
66
5.2
Resultados de concentración de NOx al variar el lugar
de introducción de los gases de escape
68
5.3
Resultados de formación de NOx dependiendo de la
carga y del porcentaje de agua inyectada en el horno
para gas natural y combustoleo
71
5.4
Formación de NOx con y sin combinación de métodos
de disminución
73
5.5
Resultados de combustión a dos etapas para gas natural
y combustoleo
76
5.6
Resultados de la combinación de métodos de
disminución de NOx
78
5.7
Formación y reducción de NOx en generadores de
vapor con combustibles mexicanos.
81
5.8
Mediciones experimentales de formación de NOx para
gas natural en el generador de vapor de 350 ton/h y
resultados obtenidos mediante el software “NOx AD”
81
A.1
Composición másica del combustoleo
90
A.2
Composición volumétrica del gas natural
94
C.1
Variables que intervienen en la formación de NOx en
generadores de vapor: caso Generador de vapor de 350
ton/h quemando gas natural a una carga de 100%
111
C.2
Grado de quemado para gas natural y combustoleo en
función del coeficiente de exceso de aire
113
C.3
Principales características de diseño de los generadores
NOMENCLATURA
Símbolo
Descripción
Unidades
S.I.
A
Área
m2j i j i
f A
χ
∂∂ = ,
Coeficientes de la matriz jacobiana
-aProfundidad del horno
m
BConsumo de combustible
m3/só
s kg/
b
Ancho del horno
m
C
Concentración de óxidos de nitrógeno
ppm cC
Capacidad calorífica
MJ
/
m
30C
p
c
Calor especifico a presión constante
KJ/Kgd
Diámetro de tubos
m
e
Energía especifica
KJ/KgL
Altura
m
F
Factor de forma de paredes del horno
-i
f
Función no lineal de las fracciones molares
-g Fracción de a-gua inyectada a la ZCA
-h
Entalpía especifica de los gases de combustión
kJ/kgó
3
/m kJ i
h
Entalpía por mol de los productos
i KJ/Kgj
Numero de átomos de azufre
-p
K
Constantes de equilibrio a presiones parciales
-k
Número de átomos de nitrógeno del combustible
-kt
Coeficiente de temperatura
-l
Número de átomos de oxígeno del combustible
-M
Peso molecular de la mezcla
kg/kmolm
Número de átomos de hidrógeno del combustible
-•
m
Flujo másico
Kg/sn
Factor empírico que depende del lugar donde se
ingresan los gases de recirculación
-NO
Óxidos de nitrógeno
ppmP
Presión total
Pa
i
Símbolo
Descripción
Unidades
S.I.
PCI
Poder calorífico inferior del combustible
kJ/m3
ó
kg kJ/
comb
Q
Calor sensible del combustible inyectado en la ZCA
MJ/m3aire
Q
Calor introducido a la ZCA por aire caliente
MJ/m3 recQ
Calor introducido a la ZCA por gases de recirculación
MJ/m3h
Q
Calor introducido a la ZCA por agua inyectada o vapor
MJ/m3q
Flujo de calor
/ 2m MW r
Fracción de gases de recirculación
-RConstante específica de los gases
KJ/kg−Ku
R
Constante universal de los gases
KJ/kmol−K1
r
Constante que depende de la cantidad de átomos de
nitrógeno y oxígeno
-2
r
Constante que depende de la cantidad de argón
-3
r
Constante que depende de la cantidad de átomos de
carbono y dióxido de carbono
-4
r
Constante que depende de la cantidad de átomos de
carbono en combustible y agua
-s
Distancia entre centros de tubos
m
T
Temperatura
Kj i j i T
χ
χ
∂ ∂ = ,Derivadas de las fracciones molares con respecto a las
cuatro incógnitas
u
Energía interna
kJ/kgv
Volumen especifico
m3 m3 m3 kg0
v
Volumen teórico del aire
m3 m3 m3 kg1
χ
Fracción molar de hidrógeno monoatómico
( )H-2
χ
Fracción molar de oxígeno monoatómico
( )
O-3
χ
Fracción molar de nitrógeno monoatómico
( )N-4
χ
Fracción molar de hidrógeno
( )
H2-5
χ
Fracción molar de hidroxilo
( )
OH-6
χ
Fracción molar de monóxido de carbono
( )
CO-7
χ
Fracción molar de monóxido de nitrógeno
( )
NO-8
χ
Fracción molar de oxígeno
( )O2-9
-Símbolo
Descripción
Unidades
S.I.
10
χ
Fracción molar de bióxido de carbono
(CO2) -11χ
Fracción molar de nitrógeno
( )
N2-12
χ
Fracción molar de argón en los productos
( )
AR
-13
χ
Cantidad de combustible para formar un mol de
productos
Kmol
Subíndices
abs
Absorbido
adAdiabática
combCombustoleo
combustCombustible
esteqEstequiomètrica
nat
gas.
Gas natural
gsGases secos
ghGases húmedos
iSuperficie en la ZCA
NOxÓxidos de Nitrógeno
. .f
p
Pared frontal
. .p
p
Pared posterior
. .l
p
Paredes laterales
prodProductos
quemQuemador
r
Formación de Reactantes
rapRápidos
react
Reactivos
grec,
Gases de recirculaciòn y agua
T
Total
term
Térmicos
ZCA
En la zona de combustión activa
GZCADistancia geométrica de la ZCA
Símbolo
Descripción
Unidades
S.I.
Superíndices
0
Teórico
refl
Reflejado
Promedio
'
Combustión incompleta
∗
Cantidad molar
LETRAS GRIEGAS
Φ
Relación de equivalencia de combustible-aire
-α
Coeficiente de exceso de aire
-ZCA
α
Coeficiente de exceso de aire en la zona de combustión
activa
-rec
α
Coeficiente de exceso de aire de los gases de
recirculación
-ZCA
τ
Tiempo de residencia de los gases en la ZCA
s
β
Grado de quemado del combustible
-ZCA
ψ
Coeficiente de absortividad promedio de las
superficies de la ZCA
-i