INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIDAD CULHUACAN
ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx EN EL GENERADOR DE
VAPOR DE 350 MW QUEMANDO COMBUSTÓLEO
T
E
S
I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
DE INGENIERIA EN SISTEMAS ENERGETICOS
PRESENTA
ING. JUAN ANTONIO JIMENEZ GARCÍA
DIRECTORES DE TESIS
DR.
GEORGIY POLUPAN DR. GUILLERMO JARQUIN LÓPEZCONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO
ÍNDICE GENERAL
DESCRIPCIÓN PAG RELACIÓN DE FIGURAS I RELACIÓN DE TABLAS IV NOMENCLATURA VIII RESUMEN IX ABSTRACT X INTRODUCCIÓN XIVCAPITULO I
FUNDAMENTOS GENERALES1.1.1 Tipos de generación de energía eléctrica 1
1.1.2 Generación eléctrica en el país 2
1.1.3 Principales centrales generadoras de electricidad en el país 3
1.2 CONTRIBUCIÓN DEL SECTOR ENERGÉTICO A LA
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
1.2.1 Emisión anual de NOx de centrales generadoras del País 8
1.3 COMBUSTÓLEO 10
1.4 NORMA APLICADAS A LA EMISIÓN DE CONTAMINANTES
EN MÉXICO 11
1.5 GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW INSTALADO EN LA
CENTRAL TERMOELECTRICA “VILLA DE REYES” 13
1.5.1 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW 14
1.5.2 Diagrama simplificado del “hogar” del generador de vapor
de 350 MW 15
1.5.3 Características del generador de vapor 16
1.5.4 Datos comportamiento establecidos del generador de vapor 19
1.5.5 Particularidades de la construcción del generador de vapor
de 350 MW 22
CAPITULO II
METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA
CONCENTRACIÓN DE NOX EN PRODUCTOS DE LA
COMBUSTIÓN
2.1
METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGARDEL GENERADOR DE VAPOR QUE QUEMA COMBUSTÓLEO
23
2.1.1 Parámetro M 23
2.1.2 Número de Boltzman 24
2.1.3 Número de Buger efectivo 29
2.2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO DE LA EMISIÓN DE
ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN EL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR
2.2.1 Cálculo de la formación de óxidos de nitrógeno en la salida del
hogar del generador de vapor que quema combustóleo 32 2.2.2 Parámetros principales de la zona de combustión activa en la
formación de NOX
32 2.2.2.1
Temperatura promedio de la zona de combustión activa 32 2.2.2.2
Densidad de flujo de calor reflejado en la zona de combustión Activa 32 2.2.2.3
Coeficiente de exceso de aire en la zona de combustión activa. 33 2.2.2.4
Tiempo de residencia de los productos de la combustión en la zona de
combustión activa. 33
CAPITULO III
CÁLCULO TÉRMICO Y FORMACIÓN DE NOX EN EL
HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR
3.1 CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL GENERADOR DE
VAPOR 35
3.1.1 Parámetros geométricos del hogar del generador de vapor 35
3.1.2 Áreas de las superficies radiantes 36
3.1.3 Cálculo del parámetro M 37
3.1.4 Cálculo del número de Boltzman 38
3.1.5 CÁLCULO del número de Buger 41
3.1.6 CÁLCULO del número de Buger efectivo 43
3.1.7 CÁLCULO de la temperatura de los gases en salida del hogar 43
3.1.8 Segunda iteración de cálculos 43
3.1.9 Tercera iteración de cálculos 44
3.1.10
Resultados del cálculo térmico del hogar de generador de vapor a
cargas térmicas parciales 46
3.2 CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE ÓXIDOS DE
NITRÓGENO (NOX)
3.2.1 Parámetros principales de la zona de combustión activa en la formación de NOX
49 3.2.1.2 CÁLCULO de la densidad de flujo de calor reflejado 49 3.2.1.3 CÁLCULO del exceso de aire en la Zona de Combustión Activa 50 3.2.1.4 CÁLCULO del tiempo de residencia de los productos de la
Combustión 50
3.2.2 CÁLCULO de la concentración de NOX 51
3.2.3 Resultados del cálculo de la concertación de NOX para cargas
parciales para el sistema de recirculación actual
51
CAPITULO IV
CÁLCULO DE FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL
GENERADOR DE VAPOR CON EL SISTEMA DE INYECCIÓN DE GASES DE RECIRCULACIÓN PROPUESTO
4.1 CONCENTRACIÓN DE NOX CON EL SISTEMA DE
RECIRCULACIÓN PROPUESTO 52
CONTENIDO
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO
4.1.2 CÁLCULO de la concentración de NOX del sistema de
recirculación propuesto para carga 100% 53
4.1.2.1
Temperatura promedio de la Zona de Combustión Activa 53 4.1.2.2
CÁLCULO de la densidad de flujo de calor reflejado 54 4.1.2.3
Coeficiente de Exceso de aire en la Zona de Combustión Activa 54 4.1.2.4
CÁLCULO del tiempo de residencia de los productos de la
Combustión 55
4.1.3 CÁLCULO concentración de Nox 55
4.1.4 Resultados del cálculo de concentración de NOX en productos de
la Combustión para cargas parciales para el sistema de recirculación propuesto
55
CAPITULO V
ANÁLISIS DE FORMACIÓN DE NOX DEL GENERADOR DE
VAPOR DE 350 MW EN CONDICIONES ACTUALES Y CON UNA MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE GASES DE RECIRCULACIÓN
5.1 TEMPERATURA DE LOS PRODUCTOS DE LA
COMBUSTIÓN A LA SALIDA DEL HOGAR 56
5.2 ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx DEL GENERADOR
DE VAPOR CON EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN ACTUAL
56
5.3 ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx DEL GENERADOR
DE VAPOR CON EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN PROPUESTO
59
5.4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA FORMACIÓN DE NOx
DEL GENERADOR DE VAPOR ENTRE EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN ACTUAL Y PROPUESTO
62
CONCLUSIONES 66
RECOMENDACIONES 67
REFERENCIAS 68
APENDICES A
PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN A DIFERENTES EXCESOS DE AIRE
APENDICE B
PROGRAMA DEL CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE NOx DEL GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW
APENDICE C
Figura 1.1 Capacidad efectiva instalada de Generación de electricidad en el país. 2
Figura 1.2 Generación de energía eléctrica por fuente del combustible. 2
Figura 1.3 Generación de energía eléctrica por fuente del combustible. 3
Figura 1.4 Arreglo general de una Planta Termoeléctrica. 13
Figura 1.5 Central Termoeléctrica Villa de Reyes. 13
Figura 1.6 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW. 14
Figura 1.7 Hogar del generador de vapor de 350 MW. 15
CAPITULO 2. METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE NOX EN PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN.
Figura 2.1 Factor de forma para pantallas de paredes de tubos de agua 29
CAPITULO 3 CÁLCULO TÉRMICO Y FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL
GENERADOR DE VAPOR.
Figura 3.1 Hogar del generador de vapor de 350 MW. (Cotas en mm.). 36
Figura 3.2 Temperatura de los gases de combustión a la salida del hogar del generador de
Vapor de 350 MW. 48
Figura 3.3 Principales temperaturas en el generador de Vapor de 350 MW 49
CAPITULO 4 CÁLCULO DE FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR. PARA EL SISTEMA DE INYECCIÓN DE GASES DE RECIRCULACIÓN PROPUESTO
Figura 4.1 Diagrama del ducto de inyección de gases de recirculación del sistema
propuesto. 53
CAPITULO 5 ANÁLISIS DE FORMACIÓN DE NOX DEL GENERADOR DE VAPOR DE
350 MW. EN CONDICIONES ACTUALES
Y CON UNA MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE GASES DE RECIRCULACIÓN.
Figura 5.1 Temperatura promedio en la ZCA a cargas parciales. 57
Figura 5.2 Densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA a cargas parciales. 57
Figura 5.3 Coeficiente de Exceso de aire a cargas parciales 58
Figura 5.4 Tiempo de residencia de los productos de la combustión a cargas. 58
Figura 5.5 Concentración de NOx a cargas parciales 58
Figura 5.6 Temperatura promedio en la ZCA a cargas parciales. 59
Figura 5.7 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales 59
Figura 5.8 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales . 61
Figura 5.9 Coeficiente de Exceso de aire a cargas parciales . 61
Figura 5.10 Concentración de NOx a cargas parciales. 62
Figura 5.11 Temperatura Promedio en la ZCA a cargas parciales con el sistema de
recirculación actual y propuesto. 63
Figura 5.12 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales con el sistema de recirculación
propuesto y actual. 63
Figura 5.13 Coeficiente de exceso de aire a cargas parciales con el sistema de recirculación
propuesto y actual. 64
Figura 5.14 Tiempo de residencia de los gases de combustión en la zona de combustión
activa con el sistema de recirculación propuesto y actual. 64
Figura 5.15 Concentración de NOx a cargas parciales con el sistema de recirculación actual
RELACIÓN DE TABLAS
CAPITULO 1 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN MÉXICO
Tabla 1.1 Principales centrales generadoras de Energía Eléctrica en el país. 4 Tabla 1.2 Principales centrales Termoeléctricas. 6 Tabla 1.3 Emisión de contaminantes del sector Energéticos de tres cada País 7 Tabla 1.4 Emisión de NOx de las principales centrales Termoeléctricas del País. 8 Tabla 1.5 Principales contaminantes emitidos por el uso de Combustóleo. 10 Tabla 1.6 Límites máximos permisibles de emisión para calderas con capacidad
mayor a 110 000 MJ/h 11
CAPITULO II Metodología del cálculo de la temperatura del hogar en el generador de vapor de 350 MW y Cálculo de la formación de NOx
Tabla 2.1 Grado de Combustión 30
Capitulo III Cálculo térmico y formación de NOx en el hogar del generador de vapor de 350 mw. En condiciones actuales de operación.
Tabla 3.1 Parámetros para el cálculo de la temperatura de los productos de la
combustión a la salida del hogar a cargas parciales. 48
Tabla 3.2 Concentración de NOX en productos de la combustión para cargas parciales
con el Sistema de recirculación actual 54
CAPITULO IV Cálculo térmico y formación de NOx en el hogar del generador de vapor de 350 MW. con el sistema propuesto de recirculación de gases.
Tabla 4.1 Concentración de NOX en productos de la combustión para cargas parciales
NOMENCLATURA
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI
a Largo de la zona de combustión activa m
pared
A Área de una pared del hogar del generador de vapor m2
paredes
A Área de las paredes del hogar 2
m
pf
A Área de la pared frontal de hogar del generador de
vapor m
2
l p
A. Área de la pared lateral de hogar del generador de vapor m
2 pp
A Área de la pared posterior de hogar del generador de
vapor m
2
quem
A Área ocupada por los quemadores m2
rad
A Área de superficie radiada m2
b Ancho del generador de vapor; Ancho de la ZCA m
1, 2, 3, 4
B B B B Gasto de combustible por cada nivel de quemadores kg s
calc
B Gasto de combustible kg s
Bo Número de Boltzman -
Bu Número de Buger -
u
B~ Número de Buger efectivo -
C Porcentaje de Carbono presente en la mezcla de
combustóleo %
x
combustoleo NO
C Concentración de óxidos de nitrógeno de productos de
la combustión a la salida de la ZCA ppm
,
R g ZCA
C Altura de la zona de combustión activa con gases de
recirculación m
comb
c Calor específico del combustible kJ/kg
ET Eficiencia térmica del generador de Vapor %
vl
G Caudales de vapor primario kg/s
vII
G Caudales de vapor secundario kg/s
purga
G Caudales de vapor de purga kg/s
H Porcentaje de Hidrogeno presente en la mezcla de
combustóleo %
vl
h Entalpías de vapor sobrecalentado kJ/kg
aa
h Entalpías agua de alimentación kJ/kg
cal aire
h . Entalpía del aire caliente kJ/kg
extr gas
h .
Entalpía de los gases en la zona de extracción de gases
de recirculación kJ/kg
h′ Entalpía de agua en el domo kJ/kg
vII
h′ Entalpías del vapor secundario en salida del
recalentador regenerativo kJ/kg
"
hogar
h Entalpía de los productos de la combustión a la salida
del hogar kJ/kg
vII
h ′′ Entalpías del vapor secundario en entrada del
NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO V
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI
k Coeficiente de adsorción del medio del hogar 1/m·MPa
gas
k Coeficiente de disminución de los rayos en el hogar por
gases triatómicos 1/m·MPa
hollín
k Coeficiente de disminución de los rayos por las
partículas de hollín 1/m·MPa
L Largo del generador de vapor m
hogar
L Altura total del hogar m
quemador
l Altura promedio de los quemadores sobre el nivel del
fondo del hogar m
1,, 2,, ,3, 4
l l l l Altura de cada nivel de quemadores m
M Parámetro M -
0
M 0
M =04 para combustión del combustóleo para quemadores instalados en las paredes o en esquinas de los hogares
- n Exponente para el calculo de la temperatura en
ecuación 235 -
1, 2, 3, 4
n n n n Nivel o altura de los quemadores m O Porcentaje de Oxigeno presente en la mezcla de
combustóleo %
P Presión en la cámara de combustión MPa
PCI Poder calorífico inferior del combustóleo kJ/kg
aire
Q Calor físico con aire caliente kJ/kg
ext aire
Q . Calor del aire calentado por una fuente externa kJ/kg
comb
Q Calor de entrada con el combustóleo caliente kJ/kg disp
Q Calor disponible en la cámara de la combustión kJ/kg
gv
Q Calor útil que absorbe el generador de vapor kJ/kg
rec
Q Calor físico de los gases de recirculación kJ/kg
hogar
Q Calor útil en el hogar del generador de vapor kJ/kg
refl ZCA
q Densidad de flujo de calor reflejado en la Zona de
Combustión Activa MW/m
2s
ZCA
q Calor reflejado en la zona de combustión activa kJ/m2s
q3 Perdidas de calor con combustión incompleta química kJ/kg
q4 Perdidas de calor con combustión incompleta mecánica kJ/kg
5
q Pérdida de calor por el enfriamiento externo del
generador de vapor kJ/kg
R Porcentaje de los gases de recirculación -
r Fracción de gases de recirculación -
rgas Volumen relativo ocupada por los gases triatómicos en
los productos de la combustión -
O H
r 2 Volumen relativo ocupado por vapor de agua en los
productos de la combustión -
v
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI
S Porcentaje de Azufre presente en la mezcla de
combustóleo %
S Espesor de la capa de los gases que iluminan m
comb
t Temperatura del combustóleo ºC
a
T Temperatura adiabática K
'
ad
T Temperatura adiabática de la combustión incompleta
del combustible K
''
hogar
T Temperatura de los productos de la combustión a la
salida del hogar K
ZCA
T Temperatura promedio en la zona de combustión activa K
0
aire
V Volumen del aire estequiométrico para la combustión
de 1 Kg de combustóleo m
3
0
gas
V Volumen del los productos de la combustión
estequiométrica m
3
0 2
N
V Volumen del nitrógeno en productos de la combustión
estequiométrica m
3/kg
( )
Vc promedio Calor específico promedio de los productos de lacombustión kJ kg
gas
V Volumen de los productos de la combustión de 1 kg de combustóleo en condiciones de referencia (P=01 MPa,
T=273 K) m
3/k
2
RO
V Volumen de los gases RO2 (suma de volúmenes de
gases CO2 y SO2) m
3/kg
hogar
V Volumen del hogar del generador de vapor m3
,
R g gas
V Volumen de los productos de la combustión con
volumen de gases de recirculación m
3
ZCA
V Volumen de los productos de la combustión en la Zona
de combustión Activa m
3
quemad
x Posición relativa del núcleo de la llama -
ZCA Zona de Combustión Activa -
ALFABETO GRIEGO
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI
.
prec aire
α
Exceso de aire en el precalentador de aire -gasrec
α Exceso de aire en los gases de recirculación -
hogar
α
Exceso de aire en el hogar del generador de vapor -ZCA
α
Exceso de aire en la Zona de Combustión Activa -NOMENCLATURA
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO VII
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI
ζ Coeficiente de ensuciamiento -
"
hogar
θ
Temperatura relativa de los gases en salida del hogar - ξ Coeficiente de llenado con flujo ascendente deproductos de la combustión -
pared
A
Σ Suma de las superficies de las paredes del hogar m2
1 n i i
ψ
=∑
Coeficientes de eficiencia térmica de las paredes del hogar -ZCA
τ
Tiempo de residencia de los gases en la ZCA s χ Factor de forma de la pared de tubos de agua - φ Coeficiente de conservación de calor en el hogar -ψ
Coeficiente de eficiencia térmica de las paredes detubos de agua -
pf
ψ
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared frontal detubos de agua -
l p.
ψ
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared lateral detubos de agua -
pp
ψ
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared posteriorde tubos de agua -
promedio
ψ
Valor promedio del coeficiente de eficiencia térmica de las paredes del hogarZCA
ψ
Eficiencia térmica promedio en la zona de combustiónRESUMEN
En esta tesis se presenta el análisis de la formación de óxidos de Nitrógeno
(
NOx)
en el generador de vapor de 350 MW instalado en la planta termoeléctrica “Villa de Reyes” en ciertas condiciones de operación: combustión de combustóleo, carga térmica MRC (Máximo Régimen de Carga), 100%, 75%, 50% y 25% y con dos sistemas de recirculación de los gases al hogar (actual y propuesto).Se propuso un nuevo sistema de inyección de los gases de recirculación al hogar del generador de vapor que consiste en modificar los ductos de inyección de gases de recirculación; actualmente instalados en la parte baja del hogar del generador de vapor, para suministrar los gases de recirculación en el ducto de aire caliente. Con esto se obtuvieron cambios en los parámetros principales en la zona de combustión activa (ZCA) que influyen a la formación de óxidos de nitrógeno.
Para este análisis se desarrollo el procedimiento del cálculo de la temperatura de los productos de la combustión a la salida del hogar, el procedimiento del cálculo de los parámetros principales en la ZCA y de la concentración de óxidos de nitrógeno formados en el proceso de la combustión de combustóleo. En base de los procedimientos del cálculo se desarrollo un programa computacional en Excel.
El programa computacional desarrollado permite analizar la dependencia de los cuatro parámetros fundamentales para la formación de NOx en la ZCA del generador de vapor de 350 MW; temperatura en la ZCA (TZCA), densidad de flujo de calor reflejado (qZCArefl ),
exceso de aire en la ZCA (
α
ZCA) y tiempo de residencia de los productos de lacombustión en ZCA (
τ
ZCA). A las condiciones actuales de operación y con lamodificación del sistema de inyección de gases de recirculación propuesto.
Se demostró que con el sistema propuesto de inyección de gases de recirculación se disminuye en 25 % la formación de NOx para 100 % de carga y en un 62 % para el 50 % de carga del generador de vapor bajo las mismas condiciones de operación.
ABSTRACT
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO
IX
ABSTRACT
In this thesis shows up the analysis of the nitrogen oxides (NOx) formation in the steam generator of 350 MW installed in the thermoelectric plant "Villa of Reyes" under certain operation conditions: fuel oil burning, thermal load MRL (Maximum Regime of Load), 100 %, 75 %, 50 % and 25 % with two systems of recirculation gases to the furnace (current and proposed).
It was proposed a new system of injection for recirculation gases to the furnace in the steam generator that consists on modifying the ducts of injection of recirculation gases; at the currently installed in the low part of the furnace in the steam generator, to inject the recirculation gases in the duct of hot air. With this, were obtained changes in the main parameters in the active burning zone (ABZ) that influence to the formation of nitrogen oxides.
For this analysis it was developed the calculation procedure of the combustion temperature at the exit of the furnace, the procedure of the calculation of the main parameters in ABZ and the concentration of nitrogen oxides formed in the process of the fuel oil combustion. In base of calculation procedures it was developed a computer program in Excel.
The developed program allows to analyze the dependence of the four fundamental parameters for the formation of NOx in ABZ in the power boiler of 350 MW; temperature in the ABZ (TZCA), density of reflected heat flow (qZCArefl ), air excess in the
ZCA (
α
ZCA) and time of residence of the combustion products in the ABZ (τ
ZCA). To the current conditions of operation and with the modification of the injection system of recirculation gases proposed.It was demonstrated that with the proposed system of recirculation gases injection it is diminished in 25 % the formation of NOx for 100 % thermal load and until 62 % for 50 % of thermal load of the steam generator under the same operation conditions.
INTRODUCCIÓN
La producción mundial de electricidad implica la combustión de gran cantidad de hidrocarburos. Esto contribuye a la emisión de grandes volúmenes de contaminantes a la atmósfera como bióxido de carbono (CO ), óxidos de azufre (2 SO ), óxidos de 2 nitrógeno (NO ) y partículas sólidas suspendidas. Contaminación que determina la x calidad del aire e impactan en la salud de la población. La contaminación del aire por NOx ha sido causa de numerosos problemas de salud incluyendo asma y cáncer [1]
La generación de energía eléctrica en nuestro país proviene en un 68.8% de centrales termoeléctricas. [2, 3] y más de la mitad de estas queman combustóleo. La combustión de combustóleo genera grandes cantidades de contaminantes antes mencionados. El estudio de las emisiones contaminantes de los generadores de vapor que queman combustóleo toma gran importancia ya que el sector de producción de electricidad del país es responsable del 55% de las emisiones deSO , 27 % de 2 NO , y 30 % de x CO 2 [3,4].
En la planta termoeléctrica “Villa de Reyes” se encuentran instalados dos generados de vapor de 350 MW tipo Mitsubishi Heavy Industries [5] que queman combustóleo. En el año 2002 la planta “Villa de Reyes” produjo 2 925 900 MWh de energía eléctrica y contaminó 2 882 toneladas de NOx [5].
El generador de vapor de 350 MW de la planta “Villa de Reyes” tiene un sistema de recirculación de los gases en fondo del hogar para controlar la temperatura de vapor recalentado. El análisis de la literatura [6] indica que éste lugar de inyección de los gases de recirculación no influye a la disminución de óxidos de nitrógeno en la ZCA.
El objetivo de este trabajo es determinar la formación de óxidos de Nitrógeno
(
NOx)
enel generador de vapor de 350 MW con sistema de recirculación actual y desarrollar en base de estudios de procesos térmicos en ZCA un nuevo sistema de recirculación de los gases para disminuir la formación de NO en proceso de la combustión. x
El capitulo I contiene información referente a la producción de energía eléctrica mexicana, las principales centrales de generación de electricidad del país, información a cerca de la contribución del sector eléctrico a la contaminación atmosférica y se presentan los datos técnicos de operación y construcción del generador de vapor de 350 MW tipo Mitsubishi Heavy Industries instalado en la planta termoeléctrica “Villa de Reyes”.
INTRODUCCIÓN
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO XI En el capitulo II se presentan dos metodologías de calculo; cálculo térmico del hogar del generador de vapor y calculo de la concentración de NO en los productos de la x combustión. Los cuales son la base del programa computacional presentado en el apéndice B.
En el capitulo III se presentan los cálculos térmicos del hogar del generador de vapor de 350 MW a diferentes regimenes de operación: Máximo Régimen de Carga (MRC), 100 %, 75 %, 50 % y 25 % con su sistema de recirculación de los gases actual. En este capitulo también se presentan los cálculos de concentraciones de NOx en productos de la combustión para los cinco regímenes de operación.
En el capitulo IV se presenta los cálculos de la concentración de los óxidos de nitrógeno en los productos de la combustión con el sistema de recirculación propuesto para los cinco regímenes de operación.
En el capitulo V se presenta el análisis y discusión de los resultados obtenidos en el cálculo térmico y de las emisiones de NOx en el generador de vapor quemando combustóleo con sistemas de recirculación actual y propuesto para los cinco regímenes de operación.
Finalmente se presenta en las conclusiones que con el sistema propuesto de inyección de gases de recirculación se disminuye en 25 % la formación de NOx para 100 % de carga.
CAPITULO I
FUNDAMENTOS GENERALES.
En este capitulo se presenta información de la producción de energía eléctrica mexicana, las principales centrales generadora de electricidad del país, datos sobre su contribución a la contaminación atmosférica y se presentan los datos técnicos de operación y construcción del generador de vapor de 350 MW de la planta termoeléctrica “Villa de Reyes”.
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 1
1.1. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN MÉXICO. 1.1.1 Tipos de generación de energía eléctrica.
TERMOELÉCTRICA. Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación industrial en la que la energía química del combustible se transforma en energía calorífica para producir vapor, éste se conduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en energía mecánica, la que se transmite al generador, para producir energía eléctrica.
Una clasificación de las centrales termoeléctricas según el combustible primario para la producción de vapor, es [7]:
• Vapor (combustóleo, gas natural y diesel)
• Carboeléctrica (carbón)
• Dual (combustóleo y carbón)
• Geotermoeléctrica ( vapor extraído del subsuelo)
• Nucleoeléctrica (Uranio enriquecido)
NUCLEAR. La energía nuclear en la generación de electricidad, ha tenido gran aplicación en países desarrollados que pueden obtener el material radiactivo para cubrir la demanda de sus centrales. En nuestro país casi no tiene aplicación esta forma de generación de electricidad.
La única central nucleoeléctrica del país “Laguna Verde” consta de 2 unidades, cada una con capacidad de 682.44 MW, equipadas con reactores del tipo Agua Hirviente. El sistema nuclear de suministro de vapor fue adquirido a General Electric y el Turbogenerador a Mitsubishi Heavy Industries. Ambas Unidades representan el 2.74% de la capacidad instalada de la Comisión Federal de Electricidad (CFE)(incluye productores independientes de energía); con una contribución a la generación del 4.61%. [8,9].
HIDROELÉCTRICAS. Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua como fuente primaria para generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde existe una diferencia de altura entre la central eléctrica y el suministro de agua. De esta forma, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética que es utilizada para impulsar el rodete de la turbina y hacerla girar para producir energía mecánica. Acoplado a la flecha de la turbina se encuentra el generador que finalmente convierte la energía mecánica en eléctrica.
EÓLICA Este tipo de central convierte la energía del viento en energía eléctrica, mediante una aeroturbina que hace girar un generador. La energía eólica está basada en aprovechar un flujo dinámico de duración cambiante y con desplazamiento horizontal.
1.1.2. Generación eléctrica en el país.
Según la CFE al cierre del mes de junio de 2007, la CFE contó con una capacidad efectiva instalada para generar energía eléctrica de 49,834.29 Megawatts (MW), de los cuales: 11,456.90 MW son de productores independientes (termoeléctricas); 11,044.98 MW son de hidroeléctricas; 22,322.56 MW corresponden a las termoeléctricas de CFE; 2,600.00 MW a carboeléctricas; 959.50 MW a geotermoeléctricas; 1,364.88 MW a la nucleoeléctrica, y 85.48 MW a la eoloeléctrica. [7,10].
Fig. 1.1. Capacidad efectiva instalada de Generación de eléctrica en el país. [9].
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 3
En las figuras anteriores podemos notar que la producción de energía electricidad mexicana se realiza en termoeléctricas en 46.12 %, el 22.16% proviene de hidroeléctricas y las demás fuentes de producción eléctrica suma el 31%, estos datos sin considerar a los productores independientes de energía. Con ellos en México el 66.8% de la energía eléctrica provienen de centrales termoeléctricas [3].
Cabe denotar que la fuente primaria de energía para la generación de electricidad del país son los hidrocarburos con una aportación de casi el 43.51%, seguida de la energía hidráulica con 10.81 % [9].
1.1.3. Principales centrales generadoras de electricidad en el país.
En la siguiente figura se indican las principales centrales generadoras del país que destacan por su tamaño, tecnología o importancia regional. Su nombre y su capacidad se presentan en la tabla 1.1.
Tabla.1.1 Principales centrales generadoras de Energía Eléctrica en el país [7].
NOMBRE DE LA CENTRAL MUNICIPIO ESTADO TECNOLOGÍA COMBUSTIBLE NUMERO DE UNIDADES CAPACIDAD EFECTIVA MW GENERACIÓN BRUTA GWh FACTOR DE PLANTA % 1 Angostura (Belisario Domínguez) V. Carranza Chiapas HID 5 900 1,358 17.5 2 Chicoasén(Manuel Moreno Torres) Chicoasén Chiapas HID 8 2,400 3169 22.6 3 Malpaso Tecpatán Chiapas HID 6 1,080 2,349 24.8 4 Peñitas Ostuacán Chiapas HID 4 420 1243 33.7 5 Temazcal San Miguel Oaxaca HID 6 354 1,321 42.5 6 Caracol (Carlos Ramirez Ulloa) Apaxtla Guerrero HID 3 600 1,348 25.6 7 Infiernillo La Union Guerrero HID 6 1,000 3,469 39.5 8 Villita (José Maria Morelos) Lázaro C. Michoacán HID 4 280 1,423 57.8 9 Necaza (LyFC) J. Galindo Puebla HID 10 107 348 37.0
10 El Novillo ( Plutarco Elias Calles) Soyota Sonora HID 3 135 174 14.7 11 Comedero (Raúl J. Marsal) Cosalá Sinaloa HID 2 100 136 15.5 12 Bacurato Sinaloa de L. Sinaloa HID 2 92 131 16.2 13 Aguamilpa Solidaridad Tepic Nayarit HID 3 960 2,445 29.0
14 Huites (Luis Donaldo Colosio) Choix Sinalo HID 2 422 610 16.4 15 Agua Prieta ( Valentín Gómez Farías) Zapopan Jalisco HID 2 240 249 11.8 16 Zimapán (Fernando Hiriart Balderrama) Zimapán Hidalgo HID 2 292 1,687 65.8 17 Tula (Francisco Pérez Ríoz) Tula Hidalgo TC/CC COM Y GAS 11 1,989 11,090 63.5 18 Valle de Mexico Acolman México TC Y CC GAS 7 999 3,774 43.0 19 Jorge Luque (LYFC) Tultitlán México TC/TG GAS 8 362 581 18.3 20 Manzanillo (Manuel Alvarez Moreno) Manzanillo Colima TC COMB 4 1,200 5,355 50.8 20 Manzanillo II Manzanillo Colima TC COMB 2 700 4,069 66.2 21 Salamanca Salamanca Guanajuato TC COM Y GAS 4 866 3,183 41.8 22 Villa de Reyes
Villa de
Reyes San Luis P. TC COM 2 700 3,579 58.2 23 Altamira Altamira Tamaulipas TC COM Y GAS 4 800 3,955 56.3 24 Tuxpan Tuxpan Veracruz TC/TG COMB Y GAS 7 2,263 14,327 72.1 25 Monterrey S.N. Garzas Nuevo Leon TC COMB Y GAS 6 465 287 7.0 26 Rio Bravo (Emilio Portes Gill) Rio Bravo Tamaulipas TC/TG COMB Y GAS 4 520 1,101 24.1 27 Francisco Villa Delicias Chihuahua TC COMB Y GAS 5 399 1,677 47.9 28 Samalayuca Cd. Juarez Chihuahua TC COMB Y GAS 2 316 1,300 46.8 29 Lerdo (Guadalupe Victoria) Lerdo Durango TC COM 2 320 2,335 83.1 30 Puerto Libertad Pitiquito Sonora TC COM 4 632 3,081 55.5 31 Guaymas II (Carlos Rodríguez R.) Guaymas Sonora TC COM 4 484 2,044 48.1 32 Mazatla II (José Acevez Pozos) Mazatlán Sinaloa TC COM 3 616 3,280 60.6 33 Presidente Juarez Rosalito
Baja
California TC/CC/TG COMB Y GAS 11 1,326 3,724 32.0 34 Lerma (Campeche) Campeche Campeche TC COM 4 150 784 59.5 35 Mérida II Mérida Yucatán TC COMB Y GAS 3 198 953 54.8 36 Topolobampo II (Juan de Dios Bátiz) Ahome Sinaloa TC COM 3 360 1,951 61.7 37 Valladolid (Felipe Carrillo Puerto) Valladolid Yucatán TC/CC COMB Y GAS 5 295 1,524 58.8 38 Rios Escondido ( José López Portillo)
Rios
Escondido Coahuila CAR K 4 1,200 8,999 85.4 39 Carbon II Nava Coahuila CAR K 4 1,400 8,884 72.2
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 5 Tabla.1.1 Continuación
NOMBRE DE LA CENTRAL MUNICIPIO ESTADO TECNOLOGÍA COMBUSTIBLE NUMERO DE UNIDADES CAPACIDAD EFECTIVA MW GENERACIÓN BRUTA GWh FACTOR DE PLANTA % 42 San Carlos (Agustin Olachea A.) San Carlos
Baja California
Sur
CI COM Y DIE 3 104 515 56.3 43 Petacalco (Plutarco Elías Calles) La Unión Guerrero Dual COM Y K 6 2,100 7,915 42.9 44 Samalayuca II Cd. Juárez Chihuahua CC GAS 6 522 3,853 84.1 45 Huinalá I y II Pesqueria Nuevo Leon CC/TG GAS 8 968 3,451 40.6 46 Campeche (PIE) Palizada Campeche CC GAS 1 252 1,772 79.9 47 Dos Bocas Medellín Veracruz CC GAS 6 452 3,086 77.7 48 El sAUZ P. Escobedo Queretaro CC GAS 7 597 3,139 59.9 49 Gómez Palacio Gómez Palacio Durango CC GAS 3 200 757 43.1 50 Poza Rica Tihuatlán Veracruz TC COM 3 117 441 42.9
51 Punta Prieta La Paz Baja California
Sur
TC COM 3 113 623 63.0
52 Azufres Cd. Hidalgo Michuacán GEO 14 190 1,336 80.3 53 Mazatepec Tlatlauquitepec Puebla HID 4 220 577 29.8 54 Cupatitzio Uruapan Michuacán HID 2 72 431 67.7 55 El fuerte (27 Septiembre) El fuerte Sinaloa HID 3 59 113 21.6
56 Nachi-Cocom Mérida Yucatán TC/TG COM Y DIE 3 79 234 33.7 57 Cóbano G. Zamora Michoacán HID 2 52 250 54.7 58 Humeros Chignautla Puebla GEO 8 40 295 84.0 59 Humaya Bediraguato Sinaloa HID 2 90 141 17.8 60 Lerma (Tepuxtepec) Contepec Michuacan HID 3 67 329 55.9
61 Santa Rosa (Manuel m. Diéguez) Amaatitlán Jalisco HID 2 61 291 54.2 62 Patia (LYFC) Zihuateutla Puebla HID 3 39 145 42.2 63 Merida III (PIE) Mérida Yucatán CC GAS 1 484 3,469 81.6 64 Hermosillo (PIE) Hermosillo Sonora CC GAS 1 250 1,253 57.1
65
Tres Visrgenes Comondú
Baja California
Sur
GEO 2 10 30 33.7
66 La Amistad Acuña Coahuila HID 2 66 3 0.5 67 El Encino (Chihuahua II) Chihuahua Chihuahua CC GAS 4 554 2,327 47.8 68 Tuxpan II (PIE) Tuxpan Veracruz CC GAS 1 495 3,596 82.7 69 Tuxpan III y IV (PIE) Tuxpan Veracruz CC GAS 1 983 7,029 81.4 70 Saltillo (PIE) Ramos Arizpe Coahuila CC GAS 1 248 1,298 59.7
71 Colimilla Tonalá Jalisco HID 4 51 58 12.8 72 Rio Bravo II (PIE) Valle Hermoso Tamaulipas CC GAS 1 495 3,098 71.3
73 Rio Bravo III (PIE) Valle Hermoso Tamaulipas CC GAS 1 495 2440 74.7 74 Monterrey III (PIE) S.N. GARZA Nuevo Leon CC GAS 1 449 2,892 73.3 75 Altamira II (PIE) Altamira Tamaulipas CC GAS 1 495 3,155 72.6
79 OTROS 294 2,437 3,505 16.4
TOTAL 607 46,552 208,634 81.2
PIE: Productores Independientes de Energía, HID: hidroeléctrica, TC: Termoeléctrica convencional, CC: Ciclo Combinado, TG: Turbo gas, CAR: Carboeléctrica, DUAL: Dual, NUC: Nucleoeléctrica, CI: Combustión Interna, COM: Combustóleo, GAS: Gas, K: Carbón, UO2: Uranio, DIE: Diesel.
Como podemos apreciar en la tabla anterior existen diferentes tecnologías para la generación de electricidad y específicamente en el presente trabajo nos enfocaremos a las centrales termoeléctricas.
Donde las centrales termoeléctricas de mayor importancia en el país son:
El presente trabajo se centra en el estudio de centrales termoeléctricas convencionales dado que en nuestro país aproximadamente el 66.8 % de la electricidad se genera en este tipo de centrales [3, 9] Cabe mencionar que la mayoría de estas instalaciones consumen combustóleo, que es un combustible que produce importantes emisiones de bióxido de azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOX) y partículas suspendidas.
Tabla.1.2 Principales centrales Termoeléctricas [3].
NOMBRE UBICACIÓN COMBUSTIBLE
CAPACIDAD EFECTIVA INSTALADA (MW)
P. Elías Calles Petacalco, Guerrero Carbón 2,100 A López Mateos Tuxpan, Veracruz Combustóleo 2,100 E Pérez Ríos Tula, Hidalgo Combustóleo 1,500
Carbón II Nava, Coahuila Carbón 1,400
J. López Portillo (Rios Escondido)
Nava, Coahuila Carbón 1,200
Manzanillo I Manzanillo, Colima Combustóleo 1,200 Valle de México Acolman, México Gas Natural 999.3 Salamanca Salamanca
Guanajuato
Combustóleo 800
Altamira Altamira Tamaulipas Combustóleo 800
Manzanillo II Manzanillo Colima Combustóleo 700 Villa de Reyes San Luís Potosí Combustóleo 700
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 7
1.2. CONTRIBUCIÓN DEL SECTOR ENERGÉTICO A LA CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
La contaminación atmosférica proviene de diferentes fuetes de emisión debido a las diferentes actividades económicas que el hombre desarrolla, el uso del automóvil, la industria química, refinerías de petróleo y fabricas, son ejemplo de ello. Es de nuestro interés particular conocer la contribución de la industria energética a la generación de contaminantes peligrosos como son el Bióxido de Azufre (SO ), Óxidos de Nitrógeno 2
(NO ), Mercurio (Mg), Bióxido de Carbono (x CO ). 2
La contribución de la industria eléctrica a la totalidad de las emisiones atmosféricas de los países Canadá, México y Estados Unidos es [11,12]:
Como podemos apreciar el sector energético de México y Estados Unidos poseen una mayor aportación en su contaminación comparado con el sector energético de Canadá. El sector energético de Estados Unidos contamina mas que el sector energético Mexicano esto a que relativamente el sector energético Mexicano es mas joven que el de Estados Unidos y por ende su tecnología en las plantas de generación eléctrica contamina menos, en contra parte a las plantas de Estados Unidos que en promedio tiene mas años de operación que las planta Mexicanas.
La industria Energética de México contribuye a la aportación del 55% de Bióxido de Azufre (SO ), 27% de Óxidos de Nitrógeno (2 NO ), 30% de Bióxido de Carbono (x CO ) y 2
el 3% de Mercurio (Hg) [11] de las emisiones contaminantes totales del país a la atmósfera. Sin embargo la mayor parte de SO y 2 NO provenientes del sector energético son x
producidas en plantas termoeléctricas que utilizan combustóleo y diesel como materia prima en 79% y 35%, respectivamente [13,14].
Tabla.1.3 Emisión de contaminantes del sector Energéticos de tres Países [11].
CONTAMINANTE CANADÁ MÉXICO ESTADOS
UNIDOS
Bióxido de azufre (SO ) 2 20% 55% 69%
Oxido de Nitrógeno(NO ) x 11% 27% 22%
Mercurio (Hg) 25% 3% 40%
1.2.1. Emisión anual de NOx de las principales centrales generadoras del país.
En la siguiente tabla se muestra las emisiones contaminantes de NOx de las principales centrales generadoras de electricidad del país [12].
Tabla 1.4. Emisión de NOx de las principales centrales Termoeléctricas del País [12]. Generación de Electricidad MWh Emisión de , x NO ton Emisión de NOx en / kg MWh Combustible Primario.
1 C.T. José López Portillo
(RíoEscondido) 7,515,560 45,932 6.11 Carbón
2 C.T. Carbón II 8,636,350 40,099 4.64 Carbón
3 C.T. Plutarco Elías Calles (Petacalco) 13,879,470 30,931 2.23 Carbón 4 C.T. PDTE. A. López Mateos
(Tuxpan) 15,030,690
15,899 1.06
Combustóleo 5 C.T. Francisco Pérez Ríos (Tula) 9,734,170 10,949 1.12 Combustóleo
6 C.T. Altamira 4,655,850 6,899 1.48 Combustóleo
7 C.T. Gral. Manuel Álvarez
(Manzanillo I) 6,449,140
6,146 0.95
Combustóleo
8 C.T. Salamanca 4,841,380 5,393 1.11 Combustóleo
9 C.T. Manzanillo II 5,034,400 4,555 0.90 Combustóleo
10 C.C.C. Benito Juárez (Samalayuca II) 3,901,950 4,140 1.06 Gas Natural 11 C.C.C. FCO. Pérez Ríos (Tula) 3,260,940 4,088 1.25 Gas Natural 12 C.T. José Acevez Pozos (Mazatlan II) 3,284,120 4,056 1.23 Combustóleo
13 C.C.C. Dos Bocas 2,428,890 3,712 1.53 Gas Natural
14 C.TG. Portes Gil (Río Bravo) 1,031,400 3,437 3.33 Gas Natural
15 C.T. Monterrey 2,538,090 3,429 1.35 Combustóleo
16 C.T. Puerto Libertad 3,349,740 3,289 0.98 Combustóleo
17 C.C.C. Chihuahua II (El Encino) 2,949,700 3,264 1.11 Gas Natural
18 C.T. Valle de México 3,894,120 3,096 0.80 Gas Natural
19 C.C.C. Huinala 2,331,460 3,009 1.29 Gas Natural
20 C.T. Carlos Rodríguez Rivero
(Guaymas II) 2,259,290 2,958
1.06
Carbón
21 C.T. Villa De Reyes (San Luís
Potosí) 2,925,990 2,882 0.98 Combustóleo
22 C.T. Francisco Villa (Delicias) 1,919,730 2,871 1.50 Combustóleo 23 C.T. Juan De Díos Batis P.
(Topolobampo) 1,996,550 2,775
1.39 Combustóleo 24 C.T. Presidente Juárez (Tijuana) 1,488,840 2,392 1.61 Combustóleo 25 C.C.C. Presidente Juárez (Rosarito) 2,077,250 2,242 1.08 Gas Natural
26 C.TG. El Sauz 1,495,570 2,221 1.49 Gas Natural
27 C.C.C. Felipe Carrilo P. (Valladolid) 1,517,600 2,025 1.33 Gas Natural
28 C.C.C. El Sauz 1,370,540 1,955 1.43 Gas Natural
29 C.T. Guadalupe Victoria (Lerdo) 1,980,460 1,892 0.96 Combustóleo 30 C.T. Benito Juárez (Samalayuca I) 1,232,800 1,814 1.47 Combustóleo
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 9 Tabla.1.4 Continuación. Generacion de Electricidad , MWh Emisión de NOx Emisión de x NO en / kg MWh Combustible Primario.
31 C.C.C. Gómez Palacio 1,045,260 1,668 1.60 Natural gas
32 C.T. Emilio Portes Gil (Río Bravo) 1,745,990 1,634 0.94 Oil
33 C.C.C. Huinala II 1,333,060 1,418 1.06 Natural gas
34 C.TG. Presidente Juárez (Tijuana) 648,420 1,222 1.88 Natural gas
35 C.T. Mérida II 1,099,710 1,151 1.05 Oil
36 C.CI. Puerto San Carlos 470,680 1,148 2.44 Oil
37 C.T. Poza Rica 654,040 1,124 1.72 Oil
38 C.T. Campeche II (Lerma) 812,720 1,005 1.24 Oil
39 C.CI. Guerrero Negro 36,390 903 24.80 Diesel
40 C.TG. Hermosillo 507,150 875 1.73 Natural gas
41 C.T. Jorge Luque (LFC) 497,160 847 1.70 Natural gas
42 C.T. Punta Prieta II 621,830 833 1.34 Oil
43 C.T. Felipe Carrilo P. (Valladolid) 414,970 709 1.71 Oil
44 C.CI. Santa Rosalía 26,220 667 25.42 Diesel
45 C.TG. Chihuahua II (El Encino) 329,140 582 1.77 Natural gas
46 C.TG. Cancún 77,770 508 6.54 Diesel
47 C.TG. Huinala 259,700 427 1.64 Natural gas
48 C.T. Guaymas I 186,750 403 2.16 Oil
49 C.CI. Villa Constitución 17,170 386 22.51 Diesel
50 Pueblo Nuevo (Movil) 12,050 355 29.49 Diesel
51 C.T. Nachi-Cocom 249,470 332 1.33 Oil
52
C.TG. Jorge Luque (Lechería)
(LFC) 145,390
326 2.24 Natural gas
53 C.TG. Las Cruces 46,400 309 6.66 Diesel
54 C.T. La Laguna 179,590 303 1.69 Natural gas
55 C.TG. Nonalco (LFC) 131,470 281 2.13 Natural gas
56 C.TG. Ciudad Constitución 33,690 267 7.91 Diesel
57 C.TG. Valle de México (LFC) 104,780 242 2.31 Natural gas
58 C.T. San Jerónimo 222,010 219 0.99 Natural gas
59 Nuevo Nogales (Movil) 7,730 219 28.28 Diesel
60 C.TG. Monclava n/a 217 n/a Natural gas
61 C.TG. Los Cabos 30,900 209 209 Diesel
62 C.TG. Caborca Industrial 26,140 171 171 Diesel
63 C.TG. La Laguna 62,260 159 159 Natural gas
64 C.TG. Nizuc 27,630 156 156 Diesel
65 C.TG. El Verde 29,110 114 114 Natural gas
66 C.TG. Culiacan 17,550 98 98 Diesel
67 C.TG. Parque 15,580 96 96 Diesel
68 C.TG. Tecnológico 13,400 89 89 Diesel
69 C.TG. Ciudad Obregón 10,780 83 83 Diesel
70 C.TG. Punta Prieta I (La Paz) 9,870 79 79 Diesel
71 C.TG. Cipres 10,120 70 70 Diesel
72 C.TG. Chávez 25,250 65 65 Natural gas
73 C.TG. Arroyo De Coyote 6,540 63 63 Diesel
74 C.TG. Xul-Ha 8,770 63 63 Diesel
1.3 COMBUSTÓLEO
El uso del combustóleo, el cual es un producto de los residuos de la refinación, es indispensable para la generación eléctrica. Casi el 68 por ciento de la producción de electricidad en México se realiza en centrales termoeléctricas que usan hidrocarburos para su funcionamiento; entre las termoeléctricas, las que utilizan combustóleo aportan el 58 por ciento de la generación total. [3]
En particular, la composición del combustóleo utilizado depende de dos factores: la naturaleza del crudo y el proceso de refinería del cual proviene. Así, durante la operación de destilación, la composición química no se altera y la calidad del combustóleo o aceite residual es principalmente determinada por la calidad del petróleo crudo y puede ser expresada por medio de diversos factores (densidad, peso molecular medio, relación carbono/hidrógeno, contenido de metales, entre otros).
El combustóleo producido en nuestro país está constituido por carbón (84 a 87 por ciento), hidrógeno (10 a 14 por ciento), oxígeno y nitrógeno (2.6 por ciento), azufre (2.5 a 4 por ciento) y pequeñas cantidades de vanadio, níquel y sodio. [15]. La quema de combustóleo en las centrales termoeléctricas generadoras de electricidad contribuye a la emisión de contaminantes como:
Tabla.1.4 Continuación. Generación de Electricidad , MWh Emisión de NOx Emisión de x NO en / kg MWh Combustible Primario.
76 C.TG. Universidad, Nuevo León 17,220 50 2.93 Natural gas
77 C.TG. Leona, Nuevo León 16,570 48 2.91 Natural gas
78 C.CI. Yecora, Sonora 1,890 41 21.83 Diesel
79 C.TG. Mexicali, Baja California 5,330 41 7.67 Diesel
80 C.TG. Esperanzas, Coahuila 4,590 35 7.66 Diesel
81
C.TG. Industrial (Juárez),
Chihuahua 1,980
29 14.66 Diesel
82 C.TG. Fundidora, Nuevo León 4,810 13 2.79 Natural gas.
Tabla.1.5 Principales contaminantes emitidos por el uso de Combustóleo. [11]
COMBUSTIBLE CONTAMINANTE EMITIDO.
Monóxido de carbono Plomo
Óxidos de nitrógeno
Partículas suspendidas primarias Óxidos de azufre
Benceno
Berilio y sus compuestos Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto, mercurio) y sus compuestos Dioxinas y furanos
Etilbenceno Formaldehído Combustibles pesados
(combustóleo)
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 11
1.4. NORMA APLICADAS A LA EMISIÓN DE CONTAMINANTES EN MÉXICO
En México existen límites máximos permisibles para la emisión de contaminantes provenientes de equipos de combustión industriales. Entre estos equipos, los de mayor tamaño son los que se utilizan en la generación de energía eléctrica. La Norma Oficial Mexicana NOM-085-ECOL-1994 establece estos límites máximos permisibles, de acuerdo con el tamaño de los equipos de combustión [16]. En el caso de las calderas usadas en la generación de energía eléctrica, los parámetros vigentes son los que se indican en la tabla 1.6; los requisitos para la medición de estos parámetros se encuentran en la misma norma tabla 1.7. Esta normatividad está en revisión debido a que, según las autoridades federales, los límites máximos permisibles (LMP) de emisión de SO2 establecidos en la NOM-085 [16] son entre 4 y 15 veces superiores en comparación con los valores establecidos para casos similares en Estados Unidos. Asimismo, los LMP mexicanos para partículas Suspendidas Totales (PST) son entre 2 y 10 veces superiores en comparación con la misma norma de EUA [32]. De acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente (LGEEPA) y a su Reglamento para la Prevención y el Control de la Contaminación Atmosférica [14], las fuentes fijas de jurisdicción federal, entre las que se encuentran las plantas generadoras de energía, están obligadas a cumplir con estos límites máximos permisibles y a reportar anualmente a la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat) sus emisiones contaminantes, a través de la Cédula de Operación Anual (COA).
Tabla 1.6 Límites máximos permisibles de emisión para calderas con capacidad mayor a 110 000 MJ/h[14]
Límites máximos permisibles de emisión para calderas con capacidad mayor a 110 000 MJ/h, establecidos en la NOM-085-ECOL-1994 Tipo de combustible empleado Partículas (PST) mg/m3 (kg/106 kcal) Dióxido de azufre combustible ppmV (kg/106 kcal) Óxidos de nitrógeno ppmV (kg/106 kcal) ZMCM ZC* RP ZMCM ZC* RP ZMCM ZC** RP Sólidos 60 (0.090) 250 (0.375) 350 (0.525) 550 (2.16) 1,100 (4.31) 2,200 (8.16) 110 (0.309) 110 (0.309) 375 (1.052) Líquidos 60 (0.085) 250 (0.355) 350 (0.497) 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) 110 (0.294) 110 (0.294) 375 (1.0) Gaseosos NA NA NA NA NA NA 110 (0.281) 110 (0.281) 375 (0.959) ZMCM: zona metropolitana de la Ciudad de México.
ZC: se refiere únicamente a las zonas metropolitanas de Monterrey y Guadalajara y a las ciudades de Tijuana, Baja California y Ciudad Juárez, Chihuahua.
RP: resto del país. NA: no es aplicable Fuente: NOM-085-ECOL-1994 [9].
Tabla 1.7. Requisitos de medición y análisis de gases de combustión [14]
Parámetro Frecuencia mínima
de medición
Tipo de evaluación/ Medición
Tipo de Combustible
PST Una vez cada 6
Meses Isocinética (mínimo durante 60 minutos); 2 muestras definitivas Sólido, líquido
NOx Permanente* Continua**;
quimiluminiscencia O equivalente
Sólido, líquido y gas
O2 Permanente Continua; campo
magnético o equivalente,
con registrador como mínimo o equivalente
Líquido y gas
SO2 Una vez por año Indirecta a través
de certificados de calidad de combustibles que emita el proveedor Sólido, líquido
*El monitoreo continuo de NOx será permanente en las zonas metropolitanas de la Ciudad de México, Guadalajara y Monterrey; con una duración de cuando menos 7 días una vez cada 3 meses en las zonas críticas; y con una duración de cuando menos 7 días una vez cada seis meses en el resto del país.
**Monitoreo continuo: el que se realiza con equipo automático con un mínimo de 15 lecturas en un periodo no menor a 60 minutos y no mayor a 360 minutos. El resultado del monitoreo es el promedio del periodo
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 13
1.5. GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW INSTALADO EN LA CENTRAL TERMOELECTRICA “VILLA DE REYES”
Para el presente estudio solo se considerará el combustóleo que es el empleado en la planta termoeléctrica VILLA DE REYES.
El siguiente diagrama muestra de manera general el arreglo de una planta termoeléctrica:
Figura 1.4. Arreglo general de una Planta Termoeléctrica.
La planta termoeléctrica “Villa de Reyes” se encuentra ubicada en el municipio de Villa de Reyes, San Luís Potosí, México.
1.5.1. Arreglo general del generador de vapor de 350MW
En la siguiente figura se muestra el arreglo general del generador de vapor de 350 MW. Instalado en la planta termoeléctrica Villa de Reyes, se aprecia la zona de sobrecalentadores, los ductos de agua de alimentación y de gases de recirculación, así como el hogar del generador de vapor.
VENTILADORES RECIRCULADORES DE GASES. PRECALENTADOR. DOMO DE SUMINISTRO. QUEMADORES. QUEMADORES. QUEMADORES. QUEMADORES. AIRE + 2 8 5 0 + 3 7 1 0 + 9 0 5 0 + 1 1 3 0 0 + 1 1 7 6 0 + 1 2 9 5 0 + 1 4 6 0 0 + 1 6 7 1 0 + 2 0 9 5 0 + 2 3 1 5 0 + 2 5 3 5 0 + 3 0 7 5 0 + 3 3 4 5 0 + 3 6 1 5 0 + 3 7 6 5 0 (PROF) (ANCHO) + 9 3 5 0 + 1 6 2 5 0 + 1 7 5 5 0 + 1 9 4 0 0 + 1 4 6 5 0 + 2 1 0 5 0 + 2 3 8 5 0 + 2 6 8 5 0 + 2 7 3 5 0 CAMARA T.V. + 2 8 0 5 0 [T]
1 ER S.C. 2 do. S.C. 3 er. S.C. 2 do. R.C.
1 er. R.C. 1 er. R.C. + 3 2 7 5 0 + 3 3 2 5 0 + 3 7 7 5 0 + 4 0 2 5 0 ECONOMIZADOR. VAPOR PRINCIPAL SALIDA VAPOR RECALENTADO
DESCRIPCION DEL GENERADOR.
TIPO. MITSUBISHI-CE. DE CIRCULACION FZDA.
CAPACIDAD. 1 1 7 1 .7 6 7 t / h
P Y T DEL
GEN. DE VAP. 1 8 2 4 0 K Pag (1 8 6 Kg/cm2 g), 5 4 1 °C
TEMP. AGUA DE ALIMENT. 2 5 7 °C FLUJO DE VAP. RECALENT. 1 03 8 .95 2 t / h T Y P DEL VAPOR RECALENTADO ENTRADA SALIDA. 4 5 4 0 Kpa (4 6 .3 Kg/cm2g) 3 45 °C 4 3 4 4 Kpa (4 4 .3 Kg/cm2g) 5 41 °C MAX. PRES. DE DISEÑO 2 0 1 0 4 Kpa (2 0 5 Kg/cm2 g) COMBUSTIBLE. COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL. SIST. DE TIRO TIRO BALANCEADO. CONTRO TEMP.
S.C. Y R.C.
S.C = DOS PASOS DE ATEMP. E INCLINACION R.C.= RECIRCULACION DE GASES PAREDES DE
AGUA 4 5 .0 D.E X 5 8 DE SEPARACION SOLDADURA P/FUSION
PAREDES ENF.
POR VAPOR 5 0 .8 D.E X 1 1 6 DE SEPARACION, CON ALETA SOLDADA.
8 0 4 0 2 5 ° 8 0 0 0 1 0 5 0 0 1 7 6 9 8 5 0 0 8 6 0 1 2 0 0 0 1 0 5 0 0
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1.5.2. Diagrama simplificado del “hogar” del generador de vapor de 350 MW
En la siguiente figura se muestra el hogar del generador de vapor de una manera simplificada con cotas principales, indicando los niveles de quemadores y la Zona de combustión activa (ZCA).
1.5.3. Características del generador de vapor
El generador de vapor de 350 MW tiene las siguientes características de operación [5].
UNIDADES UNO Y DOS
Fabricante del generador de vapor y tipo
Mitsubishi – CE circulación forzada – recalentador radiante – convectivo, tiro balanceado, tipo intemperie.
Presión de vapor
Domo de vapor 183.5 kg / cm2
Salida del sobrecalentador 174.5 kg / cm2 Entrada al recalentador 34.5 kg / cm2 Salida del recalentador 32.8 kg / cm2
Temperatura de vapor
Salida del sobrecalentador 541°C
Salida del recalentador 541°C
Entrada al recalentador 314°C
Temperatura del agua de alimentación
Entrada al economizador 238°C
Temperatura del aire
Aire del ambiente 20°C
Entrada al calentador de aire regenerativo
88°C Salida del calentador de aire
regenerativo
293°C
Temperatura de gases
Salida del hogar 1174°C
Entrada al economizador 512°C
Salida del economizador 321°C
Salida del calentador de aire regenerativo
146°C
Flujo de vapor
Salida del sobrecalentador 1191.3 t / h Entrada al recalentador 1060.0 t / h
Sistema de combustión Combustóleo con quemadores tangenciales basculantes.
Sistema de tiros Hogar balanceado
Control de temperatura del vapor
Recirculador de gases, atemperación e inclinación de quemadores
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ESPECIFICACIONES DEL COMBUSTOLEO
Carbón C 83.64 % en peso
Hidrógeno H 11.3 % en peso
Azufre 4.2 % en peso
Nitrógeno + Oxígeno N+O 0.86 % en peso
Cenizas 0.06 % en peso Vanadio Va 300 ppm Sodio Na 40 ppm Níquel 25 ppm Acero 10 ppm Potasio 5 ppm Densidad especifica a 20 / 4°C 0.987
ESPECIFICACIONES DEL DIESEL
Azufre 1.8 % en peso
Poder calorífico superior 9350 Kcal. / kg
COMPONENTES DEL GENERADOR DE VAPOR DOMO DE VAPOR (SUPERIOR)
Número de domos Uno
Diámetro del domo (interior) 1775 mm Longitud total 17.94 metros
Espesor 183 / 177 mm
Material SA 299
Numero de separadores ciclónicos 68 Presión de diseño 201 bar
DOMO DE ALIMENTACIÓN (INFERIOR)
Número de domos Uno Diámetro del domo (interior) 864 mm Longitud total 14.3 metros
Espesor 105 mm
PAREDES DE AGUA
Tipo Paredes enfriadas por agua, soldadas por fusión. Volumen del hogar 4650 metros cúbicos
Superficie de calefacción del hogar 2860 metros cuadrados Dimensiones del hogar
Ancho 13,224 mm
Fondo 11,600 mm
SOBRECALENTADOR
Tipo Paredes enfriadas por vapor, radiante – convectivo. Superficie de calefacción
Paredes enfriadas por vapor 920 m2
Primario 1000 m2 Secundario 2170 m2 Terciario 2520 m2 Total 6610 m2 Temperatura de vapor a la salida 541°C Rango para control de
temperatura
50 % MCR Método de control de
temperatura
Inclinación de quemadores, recirculación de gases y atemperación.
Presión de diseño 201 bar
RECALENTADOR
Tipo Radiante – convectivo
Superficie de calefacción Primario 7960 m2 Secundario 1520 m2 Total 9480 m2 Temperatura de vapor a la salida 541°C Rango para control de
temperatura
50 % MCR Método de control de
temperatura
Inclinación de quemadores, recirculación de gases y atemperación.
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ECONOMIZADOR
Tipo Aletado en forma de espiral (dos aletas por pulgada), de tubo continuo Superficie de calefacción
Tubos aletados 17540 m2 Tubos colgantes 250 m2
Total 17790 m2
CALENTADOR DE AIRE REGENERATIVO
Tipo Ljungstrom regenerativo
Número Dos Flecha Vertical Superficie de calefacción 58700 m2
Velocidad de giro 0.3 rpm
1.5.4. Datos comportamiento establecidos del generador de vapor
En la siguiente tabla se muestran los datos de operación establecidos para el generador de vapor de 350 MW. Instalado en la central termoeléctrica Villa de Reyes [5].
MCR= Máximo régimen continuo. ECR= Régimen continuo eficiente.
CONCEPTOS MCR 100 % ECR 75 % ECR 50 % ECR 25 % ECR 25 % ECR PRES. VARIABLE CON CAP F/S Presión kg/cm2 Salida del sobrecalentador 186.0 174.5 171.6 170.0 169.5 90.0 186.0 Del domo de vapor 196.4 183.5 176.5 172.5 170.2 91.4 196.2 Entrada al recalentado 39.5 34.5 25.4 17.4 8.0 8.0 39.5 Salida del recalentador 37.9 32.8 24.1 16.5 7.6 7.6 37.6 Entrada al economizador 199.4 186.3 178.8 174.4 172.1 93.3 199.3 Temperatura ° C. Entrada agua de alimentación al eco. 245 238 222 203 182 183 174 Salida agua de 308 306 305 304 260 262 260
alimentación del eco. Salida de vapor del sobrecalentador 541 541 541 541 497 497 541 Entrada de vapor al recalentador 330 314 289 278 232 232 330 Salida de vapor del recalentador 541 541 541 541 450 450 541 Flujo T / H Flujo de vapor sobrecalentado 1191.3 1037.9 760.88 523.58 261.79 261.79 1191.3 Flujo de vapor recalentado caliente 1060.0 932.9 693.4 482.4 241.2 241.2 1060.0 Flujo de agua de alimentación 1203.2 1048.3 742.68 516.58 272.65 258.54 1161.5 Flujo de agua de 1ª atemperación SC 0.0 0.0 15.7 9.2 0.0 0.0 0.0 Flujo de agua de 2ª atemperación SC 0.0 41.1 41.5 25.3 0.3 14.4 29.77 Flujo de atemperación recalentador 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Flujo de aire T / H Descarga de aire VTF 1314.7 1218.3 940.6 737.2 404.1 419.2 1448.2 Entrada de aire al calen. regenerativo 1314.7 1218.3 940.6 737.2 404.1 419.2 1448.2 Salida de aire del
calentador regenerativo 1227.8 1135.2 865.5 668.6 347.5 362.6 1363.4 Fugas (pérdidas en CRA) 86.9 83.1 75.1 68.6 56.6 56.7 84.8 Temperatura de aire ° C
Aire del ambiente 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 Entrada al
calentador regenerativo
86 88 91 95 103 103 93
Salida del calentador
regenerativo 301 293 284 269 222 221 258
