• No se han encontrado resultados

ESTUDIO DE LA FORMACION DE NOX EN GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Share "ESTUDIO DE LA FORMACION DE NOX EN GENERADORES DE VAPOR QUE QUEMAN COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL"

Copied!
171
0
0

Texto completo

(1)

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

(2)
(3)
(4)

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

2

H

6

- 7.12%, C

3

H

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.

(5)

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

22

H

H

66

=

=

7

7

.

.

1

1

2

2

%

%

a

a

n

n

d

d

C

C

33

H

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

(6)

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

(7)

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.

(8)

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:

(9)

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

X

Y

SO

X

EN 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

(10)

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

X

EN

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

(11)

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”

(12)

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

(13)

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

(14)

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

(15)

NOMENCLATURA

Símbolo

Descripción

Unidades

S.I.

A

Área

m2

j i j i

f A

χ

∂ = ,

Coeficientes de la matriz jacobiana

-a

Profundidad del horno

m

B

Consumo de combustible

m3/s

ó

s kg/

b

Ancho del horno

m

C

Concentración de óxidos de nitrógeno

ppm c

C

Capacidad calorífica

MJ

/

m

30

C

p

c

Calor especifico a presión constante

KJ/Kg

d

Diámetro de tubos

m

e

Energía especifica

KJ/Kg

L

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/kg

ó

3

/m kJ i

h

Entalpía por mol de los productos

i KJ/Kg

j

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/kmol

m

Número de átomos de hidrógeno del combustible

-•

m

Flujo másico

Kg/s

n

Factor empírico que depende del lugar donde se

ingresan los gases de recirculación

-NO

Óxidos de nitrógeno

ppm

P

Presión total

Pa

i

(16)

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/m3

aire

Q

Calor introducido a la ZCA por aire caliente

MJ/m3 rec

Q

Calor introducido a la ZCA por gases de recirculación

MJ/m3

h

Q

Calor introducido a la ZCA por agua inyectada o vapor

MJ/m3

q

Flujo de calor

/ 2

m MW r

Fracción de gases de recirculación

-R

Constante específica de los gases

KJ/kgK

u

R

Constante universal de los gases

KJ/kmolK

1

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

K

j i j i T

χ

χ

∂ ∂ = ,

Derivadas de las fracciones molares con respecto a las

cuatro incógnitas

u

Energía interna

kJ/kg

v

Volumen especifico

m3 m3 m3 kg

0

v

Volumen teórico del aire

m3 m3 m3 kg

1

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

(17)

-Símbolo

Descripción

Unidades

S.I.

10

χ

Fracción molar de bióxido de carbono

(CO2)

-11

χ

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

ad

Adiabática

comb

Combustoleo

combust

Combustible

esteq

Estequiomètrica

nat

gas.

Gas natural

gs

Gases secos

gh

Gases húmedos

i

Superficie en la ZCA

NOx

Óxidos de Nitrógeno

. .f

p

Pared frontal

. .p

p

Pared posterior

. .l

p

Paredes laterales

prod

Productos

quem

Quemador

r

Formación de Reactantes

rap

Rápidos

react

Reactivos

g

rec,

Gases de recirculaciòn y agua

T

Total

term

Térmicos

ZCA

En la zona de combustión activa

GZCA

Distancia geométrica de la ZCA

(18)

Símbolo

Descripción

Unidades

S.I.

Superíndices

0

Teórico

refl

Reflejado

Promedio

'

Combustión incompleta

Cantidad molar

LETRAS GRIEGAS

Φ

Relación de equivalencia de combustible-aire

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

ψ

Coeficiente de absortividad térmica de las superficies

en la ZCA

Factor de llenado de la ZCA por los productos de la

combustión.

Relación de la cantidad de oxígeno por cantidad de

combustible

kmol

kmol

/

η

Eficiencia térmica

ϑ

Coeficiente estequiometrico

(19)

-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

2

H

6

- 7.12%, C

3

H

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.

Figure

Figura 3.1. Dimensiones de la ZCA para diferentes casos de combustión
Figura 4.4. Interfaz “Datos de entrada para Gas Natural”
Figura 4.13. Flujos de calor en el horno de un generador de vapor.
Tabla 5.1 Resultados de formación de NOx al variar la cantidad de gases de recirculación en el horno para gas natural y combustoleo
+7

Referencias

Documento similar

You may wish to take a note of your Organisation ID, which, in addition to the organisation name, can be used to search for an organisation you will need to affiliate with when you

Where possible, the EU IG and more specifically the data fields and associated business rules present in Chapter 2 –Data elements for the electronic submission of information

The 'On-boarding of users to Substance, Product, Organisation and Referentials (SPOR) data services' document must be considered the reference guidance, as this document includes the

In medicinal products containing more than one manufactured item (e.g., contraceptive having different strengths and fixed dose combination as part of the same medicinal

Products Management Services (PMS) - Implementation of International Organization for Standardization (ISO) standards for the identification of medicinal products (IDMP) in

Products Management Services (PMS) - Implementation of International Organization for Standardization (ISO) standards for the identification of medicinal products (IDMP) in

This section provides guidance with examples on encoding medicinal product packaging information, together with the relationship between Pack Size, Package Item (container)

Package Item (Container) Type : Vial (100000073563) Quantity Operator: equal to (100000000049) Package Item (Container) Quantity : 1 Material : Glass type I (200000003204)