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: CH4 - 91.97%, C2H6 - 7.12%, C3H8 - 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.
Los resultados obtenidos muestran que la reducción máxima de NOx sucede cuando se aplica la combinación de métodos de disminución.
ABSTRACT
I Inn tthhiiss wwoorrkk tthheerree wwaass ddeevveellooppeedd aa mmeetthhooddoollooggyy ttoo ddeetteerrmmiinnee nniittrrooggeenn ooxxiiddeess eemmiissssiioonnss ( (NNOOxx))iinnsstteeaammggeenneerraattoorrsstthhaattbbuurrnnbbootthhffuueellooiillaannddnnaattuurraallggaass.. T Thheepprrooppoosseeddmmeetthhooddoollooggyyiissbbaasseeddoonnffoouurrmmaaiinnppaarraammeetteerrssrreellaatteeddttooccoommbbuussttiioonnpprroocceessss i inn tthhee ffuurrnnaaccee aaccttiivvee bbuurrnniinngg zzoonnee ((AABBZZ)).. SSuucchh ppaarraammeetteerrss aarree tthhee ffoolllloowwiinngg oonneess:: aaiirr e exxcceessss ccooeeffffiicciieenntt iinn AABBZZ,, aavveerraaggee tteemmppeerraattuurree iinn AABBZZ,, rreefflleecctteedd hheeaatt iinn AABBZZ aanndd tthhee r reessiiddeenncceettiimmeeooffccoommbbuussttiioonnpprroodduuccttssiinnAABBZZ.. A Ass aa ttooooll ttoo aappppllyy tthhiiss mmeetthhooddoollooggyy,, tthheerree wwaass aa ssppeecciiaallllyyddeessiiggnneedd ssooffttwwaarree wwhhiicchh wwaass n naammeedd ““NNOOXX AADD””.. IItt ccaann ccaallccuullaattee tthhee ffoouurr ppaarraammeetteerrss aabboovvee aass wweellll aass tthhee NNOOxx c coonncceennttrraattiioonn ffoorr ddiiffffeerreenntt ooppeerraattiioonnaall mmeetthhooddss ttoo ggeett aa mmaaxxiimmiizzeedd rreedduuccttiioonn.. TThhiiss s sooffttwwaarreeddeeppeennddssoonntthheerreessuullttssoofftthhee““CCOOMMBBUUSSTT””ssooffttwwaarree((aaiirrvvoolluummeessaannddccoommbbuussttiioonn p prroodduuccttssaasswweellllaasseenntthhaallppiieessffoorrbbootthhffuueellss)).. T Thhee mmeetthhooddoollooggyy wwaass aapppplliieedd iinn aa 335500--ttoonn//hh ((8800MMWW)) sstteeaamm ggeenneerraattoorr mmaannuuffaaccttuurreedd bbyy C Coommbbuussttiioonn EEnnggiinneeeerriinngg,, wwhhiicchh iiss eeqquuiippppeedd wwiitthh ttaannggeennttiiaall bbuurrnneerrss aanndd iiss ccuurrrreennttllyy w woorrkkiinnggiinntthheetthheerrmmooeelleeccttrriiccppllaanntt IInngg..JJoorrggeeLLuuqquueellooccaatteeddiinntthheeSSttaatteeooffMMeexxiiccoo.. TThhee f fuueellooiilluusseeddhhaassaammaassssppeerrcceennttaaggeeccoommppoossiittiioonnooffCC==8844..99%%,,SS==33..88%%,,NN==00..44%%,,HH==1100..88%%,, O O==00..00%% aanndd WW==00..00%%.. TThhee nnaattuurraall ggaass hhaass aa vvoolluummee ppeerrcceennttaaggee ccoommppoossiittiioonn ooff CCHH4 4== 9 911..9977%%,,CC2H2H6 6==77..1122%%aannddCC33HH8 8==00..9911%%.. D DiiffffeerreennttmmeetthhooddssooffNNOOxxddeeccrreeaasseewweerreerreesseeaarrcchheeddbbyyuussiinngg““NNOOXXAADD””ssooffttwwaarree::ggaasseess r reecciirrccuullaattiioonn,,eennttrraanncceeppllaacceeooffggaasseess,,wwaatteerriinnjjeeccttiioonniinntthheeAABBZZ,,ccoommbbuussttiioonnaattttwwoossttaaggeess a annddccoommbbiinnaattiioonnssooffmmeetthhooddss.. T ThheeddeetteerrmmiinniinnggoofftthheeffoouurrmmaaiinnppaarraammeetteerrssaannddtthheeNNOOxxccoonncceennttrraattiioonntthhaattccoorrrreessppoonnddeedd t too eeaacchh ddiimmiinniisshhiinngg mmeetthhoodd wweerree mmaaddee uunnddeerr tthhee ffoolllloowwiinngg llooaaddss:: 4455%%,, 6677%%,,8877%% aanndd 1 10000%%.. TThhee rreecciirrccuullaattiioonn aanndd wwaatteerr iinnjjeeccttiioonn ppeerrcceennttaaggeess wweerree:: 00%%,, 55%%,,1100%% aanndd 1155%%.. T Thhee““NNOOXXAADD””ssooffttwwaarreeddiissppllaayyssggrraapphhiiccsstthhaattsshhoowwtthheeNNOOxxffoorrmmaattiioonnbbeehhaavviioorrffoorreeaacchh d diimmiinniisshhiinnggmmeetthhoodd..TThheerreessuullttsssshhoowwsstthheemmaaxxiimmiizzeeddNNOOxxrreedduuccttiioonnwwhheennccoommbbiinnaattiioonnss o offmmeetthhooddssiissaapppplliieedd..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
DR. ROBERTO LIMAS BALLESTEROS
DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL
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:
Por su disposición y amabilidad que me brindó siempre
para tramitar las licencias ante el COTEPABE.
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
2.3.2
Constantes de equilibrio
15
2.3.3
Reducción en el número de ecuaciones
17
2.3.4
Valores iniciales de las fracciones molares
χ4,
χ6,
χ8y
χ1119
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
4.4.2
Datos de entrada del software NOX AD para gas natural y
combustoleo
57
4.4.3
Operación a cargas parciales
58
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 DISCUSION65
5.2
RECIRCULACION DE LOS GASES65
5.3
DIFERENTES LUGARES DE INTRODUCCION DE LOS GASESDE RECIRCULACIÓN
68
5.4
INYECCIÓN DE AGUA EN EL HORNO DEL GENERADOR DEVAPOR
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 DELGENERADOR DE VAPOR
75
5.7
COMBINACIÓN DE MÉTODOS DE DISMINUCIÓN DE NOx78
5.8
COMPARACION DE RESULTADOS DE FORMACION DE NOx80
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
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 m2 j i j i f A χ ∂ ∂ = ,
Coeficientes de la matriz jacobiana
-a Profundidad del horno m
B Consumo de combustible m /3 s ó s kg /
b Ancho del horno m
C
Concentración de óxidos de nitrógeno ppm c
C Capacidad calorífica MJ m30C
/ 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 /kgó
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
Símbolo Descripción Unidades S.I.
PCI Poder calorífico inferior del combustible kJ/ m3ó
kg kJ /
comb
Q Calor sensible del combustible inyectado en la ZCA MJ/ m3
aire
Q Calor introducido a la ZCA por aire caliente 3 / m
MJ
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/kg−K
u
R Constante universal de los gases KJ/kmol−K
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
-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
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
ψ Coeficiente de absortividad térmica de las superficies en la ZCA
-ξ Factor de llenado de la ZCA por los productos de la
combustión.
-ε Relación de la cantidad de oxígeno por cantidad de
combustible
kmol kmol / η Eficiencia térmica
ϑ Coeficiente estequiometrico
-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: CH4 - 91.97%, C2H6 - 7.12%, C3H8 - 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.
Los resultados obtenidos muestran que la reducción máxima de NOx sucede cuando se aplica la combinación de métodos de disminución.
ABSTRACT
I Inn tthhiiss wwoorrkk tthheerree wwaass ddeevveellooppeedd aa mmeetthhooddoollooggyy ttoo ddeetteerrmmiinnee nniittrrooggeenn ooxxiiddeess eemmiissssiioonnss ( (NNOOxx))iinnsstteeaammggeenneerraattoorrsstthhaattbbuurrnnbbootthhffuueellooiillaannddnnaattuurraallggaass.. T Thheepprrooppoosseeddmmeetthhooddoollooggyyiissbbaasseeddoonnffoouurrmmaaiinnppaarraammeetteerrssrreellaatteeddttooccoommbbuussttiioonnpprroocceessss i inn tthhee ffuurrnnaaccee aaccttiivvee bbuurrnniinngg zzoonnee ((AABBZZ)).. SSuucchh ppaarraammeetteerrss aarree tthhee ffoolllloowwiinngg oonneess:: aaiirr e exxcceessss ccooeeffffiicciieenntt iinn AABBZZ,, aavveerraaggee tteemmppeerraattuurree iinn AABBZZ,, rreefflleecctteedd hheeaatt iinn AABBZZ aanndd tthhee r reessiiddeenncceettiimmeeooffccoommbbuussttiioonnpprroodduuccttssiinnAABBZZ.. A Ass aa ttooooll ttoo aappppllyy tthhiiss mmeetthhooddoollooggyy,, tthheerree wwaass aa ssppeecciiaallllyyddeessiiggnneedd ssooffttwwaarree wwhhiicchh wwaass n naammeedd ““NNOOXX AADD””.. IItt ccaann ccaallccuullaattee tthhee ffoouurr ppaarraammeetteerrss aabboovvee aass wweellll aass tthhee NNOOxx c coonncceennttrraattiioonn ffoorr ddiiffffeerreenntt ooppeerraattiioonnaall mmeetthhooddss ttoo ggeett aa mmaaxxiimmiizzeedd rreedduuccttiioonn.. TThhiiss s sooffttwwaarreeddeeppeennddssoonntthheerreessuullttssoofftthhee““CCOOMMBBUUSSTT””ssooffttwwaarree((aaiirrvvoolluummeessaannddccoommbbuussttiioonn p prroodduuccttssaasswweellllaasseenntthhaallppiieessffoorrbbootthhffuueellss)).. T Thhee mmeetthhooddoollooggyy wwaass aapppplliieedd iinn aa 335500--ttoonn//hh ((8800MMWW)) sstteeaamm ggeenneerraattoorr mmaannuuffaaccttuurreedd bbyy C Coommbbuussttiioonn EEnnggiinneeeerriinngg,, wwhhiicchh iiss eeqquuiippppeedd wwiitthh ttaannggeennttiiaall bbuurrnneerrss aanndd iiss ccuurrrreennttllyy w woorrkkiinnggiinntthheetthheerrmmooeelleeccttrriiccppllaanntt IInngg..JJoorrggeeLLuuqquueellooccaatteeddiinntthheeSSttaatteeooffMMeexxiiccoo.. TThhee f fuueellooiilluusseeddhhaassaammaassssppeerrcceennttaaggeeccoommppoossiittiioonnooffCC==8844..99%%,,SS==33..88%%,,NN==00..44%%,,HH==1100..88%%,, O O==00..00%% aanndd WW==00..00%%.. TThhee nnaattuurraall ggaass hhaass aa vvoolluummee ppeerrcceennttaaggee ccoommppoossiittiioonn ooff CCHH4 4== 9 911..9977%%,,CC2H2H6 6==77..1122%%aannddCC33HH8 8==00..9911%%.. D DiiffffeerreennttmmeetthhooddssooffNNOOxxddeeccrreeaasseewweerreerreesseeaarrcchheeddbbyyuussiinngg““NNOOXXAADD””ssooffttwwaarree::ggaasseess r reecciirrccuullaattiioonn,,eennttrraanncceeppllaacceeooffggaasseess,,wwaatteerriinnjjeeccttiioonniinntthheeAABBZZ,,ccoommbbuussttiioonnaattttwwoossttaaggeess a annddccoommbbiinnaattiioonnssooffmmeetthhooddss.. T ThheeddeetteerrmmiinniinnggoofftthheeffoouurrmmaaiinnppaarraammeetteerrssaannddtthheeNNOOxxccoonncceennttrraattiioonntthhaattccoorrrreessppoonnddeedd t too eeaacchh ddiimmiinniisshhiinngg mmeetthhoodd wweerree mmaaddee uunnddeerr tthhee ffoolllloowwiinngg llooaaddss:: 4455%%,, 6677%%,,8877%% aanndd 1 10000%%.. TThhee rreecciirrccuullaattiioonn aanndd wwaatteerr iinnjjeeccttiioonn ppeerrcceennttaaggeess wweerree:: 00%%,, 55%%,,1100%% aanndd 1155%%.. T Thhee““NNOOXXAADD””ssooffttwwaarreeddiissppllaayyssggrraapphhiiccsstthhaattsshhoowwtthheeNNOOxxffoorrmmaattiioonnbbeehhaavviioorrffoorreeaacchh d diimmiinniisshhiinnggmmeetthhoodd..TThheerreessuullttsssshhoowwsstthheemmaaxxiimmiizzeeddNNOOxxrreedduuccttiioonnwwhheennccoommbbiinnaattiioonnss o offmmeetthhooddssiissaapppplliieedd..INTRODUCCION
La aplicación de los métodos de disminución de óxidos de nitrógeno (NOx) para cumplir con la normatividad vigente es un tema de actualidad nacional e internacional. En México las principales compañías que tienen en explotación los generadores de vapor son: Petróleos Mexicanos (PEMEX), Luz y fuerza del Centro (LyFC) y Comisión Federal de Electricidad (CFE).
Las investigaciones sobre la formación de NOx en México son realizados por: La Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el Instituto de Investigaciones Eléctricas de Morelos, el grupo de Combustión de Veracruz, el Instituto Mexicano del Petróleo de México D.F. principalmente.
La formación de óxidos de nitrógeno en los generadores de vapor ocurre debido a la oxidación de nitrógeno contenido en el aire y/o en el combustible sometido a altas temperaturas. Los óxidos de nitrógeno (NOx) formados en los hornos de generadores de
vapor, representan la suma de monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (NO2).
De acuerdo a J. Warnatz, 2001 [10] existen tres mecanismos de formación de NOx y son los siguientes: térmicos (NOterm), rápidos (NOrapidos) y de combustible (NOcombustible). En
conjunto se les ha designado como NOx. La contaminación del aire por NOx ha sido causa de numerosos problemas de salud incluyendo asma y cáncer de acuerdo a Yunus A. Cengel, 2002 [19].
Los NOx se generan en el campo de altas temperaturas llamada zona de combustión activa (ZCA), superiores a 1800 K, Sigal, 1983 [42]. Roslyakov, 1993 a 1997 [37, 36, 39] señala que la formación de NOx en los generadores de vapor está determinada principalmente por cuatro parámetros: el coeficiente de exceso de aire (αZCA), la temperatura promedio en la
ZCA (TZCA), flujo de calor reflejado en la ZCA (qZCArefl ) y el tiempo de residencia de los gases en la ZCA (τZCA). El fundamento de los métodos de disminución es influir sobre los
parámetros que determinan la formación de NOx. El comportamiento de estos parámetros sobre la formación de NOx se muestra en las figuras 1, 2 y 3.
Figura 1. Comportamiento del exceso de aire en la ZCA contra la formación de NO. a) 1-NOrap,
Figura 2. Comportamiento de la formación de NOx contra el flujo de calor en la ZCA. Zona 1 - τZCA<0.4 seg; zona 2 - τZCA=0.4–0.8 seg; τZCA>0.8 seg.
Figura 3. Comportamiento de la formación de NOx contra el tiempo de residencia de los gases en la
ZCA. 1- qZCA=0.7-0.76 MW/m2; 2- qZCA=0.88-0.99 MW/m2; 3- qZCA=1.31-1.45 MW/m2;
4- qZCA=1.9-2.4 MW/m2
La revisión de literatura menciona que la temperatura en la zona de combustión influye de manera exponencial sobre la formación de NOx, Muzio L. J., 1997 [30]. Las
investigaciones teóricas y experimentales de Roslyakov, 1991 [41] y Vasilev, 1986 [43] han mostrado que el aumento de la temperatura en dicha zona causa un aumento exponencial de la concentración de NOx. Para alcanzar la concentración de equilibrio de
NOx, en un rango de temperaturas de 1800 a 1900 K en generadores de vapor de acuerdo a Chgun Bey, 1992 [20] oscila entre 4 a 20 segundos. En los hornos de los generadores de vapor, el tiempo de residencia de los gases en la ZCA es menor de acuerdo a Roslyakov, 2000 [37]. El incremento en el tiempo de residencia de los productos de la combustión en la ZCA es directamente proporcional a la formación de NOx de acuerdo a Roslyakov y Egorova, 1996, ver figura 1 [40].
Para la presente investigación se ha elegido un generador de vapor de 80 MW de la marca Combustion Engineering, con una capacidad de 350 t/h. Este generador de vapor es de la compañía de Luz y Fuerza del Centro de México. El combustible usado puede ser gas natural y/o combustoleo. El combustible se introduce a los quemadores tangenciales localizados en las esquinas del horno en tres niveles para ambos combustibles. De acuerdo a Macías Guzmán, 2004 [48] la planta termoeléctrica “Jorge Luque”, solamente quema gas natural a partir de 1997. Sin embargo, se realiza el cálculo de la concentración de NOx al quemar combustoleo para analizar posibilidades de aplicación.
El generador de vapor está equipado con un sistema de recirculación de gases, que los extrae después del precalentador de aire y son inyectados en conducto de aire caliente antes de llegar a los quemadores. Este generador de vapor normalmente opera con 10 % de gases de recirculación de acuerdo a los datos de la planta termoeléctrica [12]. El aire antes de introducirse en los quemadores es calentado en un precalentador de aire regenerativo, donde el exceso de aire tiene un valor de 16% debido a las filtraciones de aire.
En este trabajo doctoral se propone una metodología basada en los cuatro parámetros propuesto por Roslyakov, 1997 [39]. La diferencia radica en reemplazar la ecuación de la temperatura promedio de Roslyakov (depende de temperatura adiabática de combustión incompleta y coeficiente de absortividad de paredes del horno) por la ecuación de Lipov, 1991 [1] ya que considera dos variables adicionales a las variables de Roslyakov (cantidad de gases de recirculación “r” y lugar de introducción de gases “n”). Lo cual permite analizar mayor cantidad de posibilidades de métodos de disminución de NOx en generadores de vapor. El objetivo de la metodología es encontrar una máxima reducción de la formación de NOx cuando se queman combustoleo y/o gas natural bajo las condiciones reales de operación del generador de vapor de 80 MW. Como resultado se ha desarrollado software el software “NOx AD”, el cual depende en sus datos de entrada del software “COMBUST” (parámetros de combustión).
En forma general la tesis cuenta con cinco capítulos, el contenido de cada uno de ellos se describe a continuación:
El capítulo uno se presenta una breve descripción de los métodos de control de la formación de NOx en generadores de vapor. Se describen los métodos de control de NOx durante la combustión, los cuales son estudiados en la tesis, y son los siguientes: recirculación de los gases, inyección de agua en el horno, bajo exceso de aire, combustión a dos etapas y la combinación de métodos. Para concluir el capitulo se trata la normatividad de emisiones contaminantes y limites permisibles de norma vigente en cuanto a NOx y SOx para el generador de vapor de 80 MW.
En el capítulo dos se realiza un estudio de la formación de NOx y SOx en equilibrio químico. Las ecuaciones de la metodología desarrollado por C. Olikara Y G. Borman 2000 [35] se ha modificado para estudiar la formación de NOx en equilibrio con un aire mas real. A esta metodología se modifica por segunda vez, para estudiar la formación de SOx. Como resultado se presenta el software “FLAME AD“ en Visual Basic 6.0, que sirve para determinar la formación de SOx y NOx en equilibrio químico. Este capitulo es un estudio adicional al estudio de la formación de NOx con polinomios experimentales que se
describirá en los capítulos siguientes. En el apéndice B se presentan las interfaces principales del software y su codificación.
En el capítulo tres se presenta la metodología para el cálculo de NOx basada en polinomios experimentales. Se presentan las etapas de la metodología y se describe en que consiste cada una de ellas. Es importante mencionar que el apéndice A (parámetros de combustión) es parte de la metodología ya que los resultados de los parámetros de combustión son datos de entrada para la metodología de cálculo de NOx. En el apéndice C se presenta la tabla de grado de quemado (combustoleo, gas natural) y la grafica de factor de forma de las paredes del horno ya que son parte de la metodología. Asimismo, se presenta una lista de variables que intervienen en la formación de NOx para el ejemplo de aplicación y algunas geometrías de generadores de vapor.
En el capitulo cuatro se presenta el desarrollo del software “NOx AD” y el ejemplo de aplicación. Se describen las cinco interfaces principales del software. Se presenta el diagrama de flujo del cálculo numérico de la formación de NOx. Se describe el generador de vapor elegido para realizar el ejemplo de aplicación. Se muestra un ejemplo de los datos de entrada (combustoleo y gas natural) para el caso sin aplicación de métodos de disminución. Se presentan los resultados obtenidos para el ejemplo de aplicación sin ningún método de disminución. En la parte ultima, se agrega un estudio de eficiencia térmica y un estudio económico de los métodos de disminución. En el apéndice D se proporciona la codificación del software “NOX AD”.
En el capítulo cinco se realiza el análisis y discusión de los resultados de la formación de NOx para un generador de vapor que quema combustoleo y/o gas natural. Básicamente se determinan los cuatro parámetros principales que intervienen en la formación de NOx y la concentración de NOx para cada método de disminución. Los resultados se comparan con los datos de la planta termoeléctrica y con resultados experimentales reportados por otros investigadores.
En las conclusiones se presenta los porcentajes de reducción de NOx al aplicar los métodos de disminución individualmente y realizando la combinación de métodos. Se señala el método que menos formación de NOx tiene.
CAPITULO I
MARCO TEORICO DEL ESTUDIO DE
LA FORMACION DE NOX EN
GENERADORES DE VAPOR
1.1. GENERALIDADES
Los óxidos de nitrógeno son considerados como un problema ambiental debido a que en la atmósfera producirán la formación de ozono y lluvia acida. Tanto el ozono como la lluvia acida pueden dañar elementos de fabricas, reducen la visibilidad, dañan los edificios, etc. y ocasionan problemas de salud en la población.
La formación de los óxidos de nitrógeno durante la reacción de combustión depende de tres factores principalmente: el contenido de nitrógeno del combustible, el nitrógeno del aire requerido para la combustión y alta temperatura de combustión.
Los principales óxidos de nitrógeno formados en los generadores de vapor son: el monóxido de nitrógeno (NO) y el bióxido de nitrógeno (NO2). La mayoría de los óxidos de
nitrógeno formados durante la combustión son en forma de monóxido de nitrógeno y representa alrededor del 95% del total, y el 5% restante corresponde al bióxido de nitrógeno. Una vez emitido a la atmósfera el monóxido de nitrógeno reacciona y forma bióxido de nitrógeno. Esto provoca que el bióxido de nitrógeno reaccione con otros contaminantes en forma de ozono.
Existen diferencias en cuanto a la formación de NOx que dependen del combustible utilizado en la combustión. Por ejemplo, el combustoleo contiene una cierta cantidad de nitrógeno en su composición, el cual puede convertirse en NOx, mientras que el gas natural contiene cantidades de nitrógeno insignificantes. Por otro lado, en la formación de NOx existen mecanismos de reacción que pueden transformar el nitrógeno del aire y del combustible en NOx, ante la presencia de compuestos oxidantes sometidos a altas temperaturas. La clasificación de los mecanismos de formación de NOx es la siguiente: NOx térmico. Es el que se forma por la reacción entre el nitrógeno y el oxigeno del aire de combustión, a altas temperaturas. Los NOx térmicos producen la mayoría de los óxidos de nitrógeno que se forman durante la combustión de gases.
NOx combustible. Es el que se forma por la reacción entre el nitrógeno contenido en el combustible y el oxigeno del aire de combustión.
NOx rápido. Son los óxidos de nitrógeno formados en el frente de flama.
1.2. CLASIFICACION DE LOS METODOS DE CONTROL DE LA FORMACION DE NOx
Existen tres formas de control de los NOx:
1.2.1. Control antes de la combustión. Consiste en utilizar combustibles limpios, combustibles con bajo contenido de nitrógeno y quemadores de bajo NOx principalmente. El uso de los quemadores de bajo NOx es una de las medidas de gran perspectiva, la cual
disminuye las emisiones de los óxidos de nitrógeno. Lo anterior se basa en la disminución de la temperatura máxima, lo que se alcanza debido a la construcción del quemador. El uso de los quemadores de bajo NOx disminuye la emisión de los óxidos de nitrógeno en 30 a 60 % de acuerdo a León, 1998 [46].
1.2.2. Control durante la combustión. Consiste en incidir en el proceso de combustión para prevenir la formación de NOx en los generadores de vapor. En esta tesis solo se estudian los métodos de control durante la combustión y son los siguientes:
- Recirculación de los gases - Inyección de agua en el horno -Bajo exceso de aire
-Combustión a dos etapas -Combinación de métodos
Estos métodos son más económicos comparados con los métodos de postcombustion. 1.2.3. Control durante la postcombustion.
Se aplican dos métodos de control: Reducción selectiva no catalítica y reducción selectiva catalítica de acuerdo a Jost O.Wendt, 2001 [23].
1.3. METODOS DE CONTROL DE NOx ANALIZADOS EN LA TESIS
Se estudian solamente los métodos de control durante la combustión. A continuación se describen cada uno de ellos.
1.3.1. Recirculación de los gases
Uno de los métodos de control para disminuir la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) en los generadores de vapor, es la aplicación de recirculación de los gases de la combustión. La introducción de gases de recirculación adentro del horno ocasiona un decremento de la temperatura de la flama. Una de las características importantes en la aplicación de este método, es que el coeficiente de exceso de aire en los gases de recirculación αrec, es mayor que en el horno, debido a las filtraciones de aire en el precalentador de aire. Por lo consiguiente, cuando se aplica la recirculación de gases en los generadores de vapor, los excesos de aire se incrementan en la zona de combustión activa (ZCA).
Actualmente, los generadores de vapor que queman gas natural y combustóleo usan recirculación de los gases como una medida de control de las emisiones de NOx. El efecto sobre la disminución de la formación de los óxidos de nitrógeno en el momento de introducción de los gases depende de: el lugar de donde se extraen los gases para su recirculación; el lugar de introducción de los mismos en el horno y la cantidad de gases de recirculación, r (%).
Existen varias maneras de introducir los gases de recirculación al horno: en el conducto de combustible (gas natural), en canales separados y en el conducto de aire caliente. Actualmente, la recirculación de gases en el conducto de aire caliente es la más difundida. Los gases de escape se extraen después del precalentador de aire regenerativo (generalmente 130 a 160 0C ) para su recirculación reportado por Eremev, 2001 [5].
El aumento de la cantidad de gases de recirculación conduce a la disminución de las emisiones de NOx, sin embargo, la disminución sustancial de la formación de los óxidos de nitrógeno tiene lugar para cantidades de r ≤22% de acuerdo a Eremev 2001 y Kotler [5, 29] respectivamente. La efectividad de la recirculación de gases depende del estado del generador de vapor. Los factores negativos a la recirculación son: las filtraciones grandes de aire frío al horno y la falta de uniformidad de distribución del combustible y del aire en los quemadores.
El empleo de la recirculación de los gases en un generador de vapor de 420 ton/h, la cual quema gas natural, disminuyo las emisiones de los óxidos de nitrógeno de 300 a 125 mg/m3 reportado por Maslenikov, 1990 [34]. Investigaciones realizadas por otros investigadores reportan que, el uso de la recirculación en plantas termoeléctricas, como una medida de preservación de la naturaleza oscila entre 40 a 70% para la quema del gas natural combustoleo de acuerdo a Sigal, 1983y Maslenikov, 1990 [42, 34].
1.3.2. Inyección de agua en el horno
La introducción de agua en la zona de combustión activa de los generadores de vapor es un método de control de la formación de óxidos de nitrógeno durante la combustión del gas natural y combustóleo. La introducción de agua dentro del horno, decrementa la formación de los óxidos de nitrógeno térmicos reportado por Kadota, 2002 [24]. Por lo consiguiente, la inyección de agua es un método de control de las emisiones de NOx para la quema de gas natural y combustóleo en los generadores de vapor. El efecto que produce la introducción de agua en el horno, es la disminución de la temperatura en la ZCA. Con el propósito de lograr un mayor efecto de la inyección de agua en la formación de NOx, es necesario introducirlo con atomizadores en el núcleo de la flama.
Es evidente que la disminución de las emisiones de NOx, al transmitir el agua a la zona de combustión activa, será mayor debido al calor latente de vaporización, que al introducir la misma cantidad de vapor. Al mismo tiempo es necesario garantizar la evaporación general de las gotas de agua directamente en la zona de altas temperaturas. Con este objetivo, para introducir agua, se usan los pulverizadores de atomización, las cuales garantizan el diámetro de las gotas de agua entre 120 a 280 micras Kormilicin, 1999 [26]. Se recomienda introducir la mayor parte del agua en el centro del horno, lo que favorece al aumento del efecto. Con un consumo de agua g = 5...10 % del consumo de combustible, la temperatura en el núcleo de la flama desciende en 10 a 20 K introduciendo vapor en el horno y de 20 a 50 K introduciendo el agua. Esto conduce a una disminución de las emisiones de óxidos de nitrógeno entre 8 a 15% y entre 15 a 25% respectivamente, reportado por Lukomavichus, 1996 [31].
La inyección de agua al mismo tiempo de disminuir la generación de los NOx, debido a la disociación de los vapores a altas temperaturas, favorece la disminución de la combustión química incompleta de combustible como resultado de las reacciones en cadena de la oxidación del CO y H2 por el hidróxilo OH, la cual pasa activamente. Lo anterior permite
disminuir la magnitud del exceso de aire en el horno y de ésta manera aumentar adicionalmente la efectividad de disminución de los óxidos de nitrógeno.
La principal ventaja de este método son los bajos costos de reconstrucción y de operación de los generadores de vapor. La inyección de agua se puede usar como una medida de control adicional a los siguientes métodos de disminución de NOx: recirculación de los gases, combustión a dos etapas y combustión con bajo exceso de aire. Realizando estas combinaciones se consiguen dos beneficios: primero, disminución adicional de los óxidos de nitrógeno y segundo disminución de la combustión química incompleta.
1.3.3. Bajo exceso de aire
La disminución del exceso de aire en el horno de acuerdo con Roslyakov, 1993 [37 ] es uno de los métodos de control de NOx más extendidas y sencillos para realizar, con el fin de disminuir las emisiones de los óxidos de nitrógeno. Al disminuir el contenido del oxígeno en la flama, como resultado disminuye la formación de los NOx térmicos y de combustible, por eso la medida dada se puede aplicar en el proceso de combustión de diferentes tipos de combustibles orgánicos.
La combustión del combustible con los excesos de aire pequeños se puede usar ampliamente en los generadores de vapor, las cuales trabajan con los coeficientes de exceso de aire elevados en los quemadores, o sea, cercanos al exceso de aire maximo αmax y para eso no se necesitan algunas inversiones complementarias en las instalaciones.
Sin embargo, la disminución de los excesos de aire es posible solamente mientras esto no conduce hacia el crecimiento intensivo de los productos de combustión incompleta. La consecuencia de disminución α menor al valor crítico αcritico es el crecimiento brusco de combustión incompleta química y crecimiento del contenido del monóxido de carbono (CO), H2 y hollín.
Antes de aplicar el método de bajo coeficiente de exceso de aire se debe hacer una revisión de los instrumentos de control y asegurar la uniformidad de distribución de combustible y del aire entre los quemadores. Estas medidas permitirán optimizar el proceso de combustión y disminuir la formación de CO.
Mediciones experimentales realizadas por Glebo, 1994 [22] en diferentes generadores de vapor confirmaron, que la disminución de los excesos de aire conduce hacia disminución de la formación de NOx. La medida dada permite disminuir las emisiones de los óxidos de nitrógeno a la atmósfera entre un 15 a 30 %, lo cual depende de las particularidades del generador de vapor y del proceso de combustión de combustible.
Diferente efectividad de disminución de las emisiones en diferentes generadores de vapor se puede explicar por las siguientes causas: primero, disminución de los excesos de aire influye de manera diferente en los procesos de formación de los óxidos de nitrógeno térmicos y de combustible, las partes de los últimos en la emisión total de NOx se determinan por la temperatura del proceso del horno y por el contenido del nitrógeno en el combustible. Como el gasto del aire y de los gases de escape disminuye, el gasto de energía eléctrica para el ventilador forzado también disminuye.
1.3.4. Combustión a dos etapas
Una de los métodos de control de la formación de NOx durante la combustión es la combustión a dos etapas. Se llama combustión a dos etapas, al método no tradicional de quemado de combustibles, en donde el combustible junto con la cantidad insuficiente de aire
(
α <1)
es transmitido a través de los quemadores principales, hacia la cámara de combustión, y la parte restante del aire (necesaria para la combustión completa) es transmitida a lo largo de la flama por medio de los quemadores, canales o por los quemadores de los niveles superiores. El principio básico de realización de la combustión a dos etapas consiste en la división del espacio de los dos procesos básicos dentro del horno (etapas), los cuales influyen en la formación de los óxidos de nitrógeno en la flama: ignición y quemado de la mayor parte del combustible en un medio con carencia de oxígeno y la introducción de la parte restante del aire que se mezclan con los productos de la combustión de la primera etapa.La disminución del exceso de aire en la parte inicial de la flama causa la disminución de la formación de los óxidos de nitrógeno térmicos y de combustible debido a la cantidad insuficiente de oxígeno libre. En la segunda etapa, la disminución de la formación de NOx sucede como consecuencia de la disminución de la temperatura de la flama. Como consecuencia, el método de combustión a dos etapas, a diferencia de la recirculación de los gases, disminuye no solamente la formación los óxidos de nitrógeno térmico, sino también de combustible.
Cuando la organización de los quemadores es de niveles múltiples, para la inyección de aire se puede usar todos o varios quemadores del nivel superior, los cuales se desconectan completamente del combustible.
La efectividad del método de combustión a dos etapas sustancialmente depende del estado técnico de los generadores de vapor. Al disminuir las filtraciones de aire frío al horno del generador de vapor crece la disminución de la emisión de los NOx. Como consecuencia, si se decide emplear el método de combustión a dos etapas, es necesario anteriormente hermetizar el horno con el fin de bajar el exceso de aire de operación, y revisar la uniformidad de distribución del combustible y del aire entre los quemadores.
Se puede lograr una disminución adicional de la emisión de NOx usando al mismo tiempo la combustión a dos etapas del gas y combustóleo, con la recirculación de gases. En este caso la más efectiva es la inyección de los gases de recirculación a la segunda etapa de combustión, junto con el aire restante con el objetivo de evitar la emisión de NO térmico.
La realización del método de combustión a dos etapas en los generadores de vapor, en la mayoría de los casos se acompaña con la prolongación del proceso de combustión del combustible y con el aumento de la temperatura de los productos de combustión en la salida del horno de 20...60 0C reportado por Roslyakov, 1996 [36].
La revisión de literatura referente a la explotación industrial de la combustión a dos etapas en diferentes generadores de vapor, reporta que la disminución de las emisiones de los NOx en los hornos puede alcanzar entre 60 a 75% en los generadores de vapor que queman gas natural y combustóleo de acuerdo a Roslyakov, 1996 [36].
1.3.5. Combinación de métodos de disminución
Para lograr una máxima reducción de la formación de NOx se emplean combinación de métodos de disminución. Las combinaciones de los métodos estudiados en este trabajo son: Combustión a dos etapas y recirculación de los gases, bajo exceso de aire - inyección de agua y gases de recirculación.
1.4. NORMATIVIDAD DE EMISIONES CONTAMINANTES
En el problema de emisión de gases contaminantes, por las condiciones económicas del país, no es posible resolverlo con la sustitución integra de los generadores de vapor por otros nuevos con adelantos tecnológicos y aditamentos que el mercado ofrece; por esta razón se deben ir buscando alternativas que mejoren su funcionamiento de equipos actualmente en operación y disminuyan la emisión de contaminantes al medio ambiente. Una acción importante en el sector energético para disminuir emisiones contaminantes es la implementación de una política de mejoramiento y sustitución de combustibles fósiles. Entre estos lineamientos esta la de reducir el consumo de combustoleo y promocionar el consumo de gas natural Rosas Flores, 1998 [49]. En 1997 la planta termoeléctrica Jorge Luque sustituyo totalmente el combustoleo por gas natural, lo que elimino las emisiones de SOx por parte de esta planta de acuerdo a Macias Guzman, 2004 [48]. En tanto, la formación de NOx cuando se quema gas natural es un problema a resolver.
La propuesta de este trabajo es aplicar diferentes métodos durante la combustión para la disminución de NOx en generadores de vapor. Para ello, se tiene como una referencia de comparación a la norma que regula las emisiones contaminantes en México la NOM-085. La norma oficial Mexicana se centra en las emisiones de fuentes fijas que utilizan combustibles fósiles. Establece los niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de humos, partículas suspendidas totales (PST), SO2 y NOx, y especificaciones de
operación de equipo de combustión. Para el caso de los generadores de vapor establece los niveles máximos permisibles de NOx.
La norma es de observancia obligatoria y afecta a la mayoría de los equipos de combustión industriales, así como a los de generación eléctrica que es el caso que nos ocupa. Las emisiones obtenidas mediante calculo empleando la metodología del capitulo tres se comparan los limites máximos de los gases contaminantes generados por equipos de combustión según la norma NOM- 085-ECOL-1994 [52] publicada en el diario oficial para
diversas zonas del territorio nacional como la zona metropolitana (ZM), la zona conurbada (ZC) y el resto del país (RP) que entro en vigor a partir del 1º de Enero de 1998.
La política energética actual se apoya en la norma ambiental NOM 085-ECOL-1994, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes derivados de la quema de combustibles fósiles por fuentes fijas (establecimientos industriales y generación de electricidad). Esta normatividad proporciona el marco dentro del cual se manejan las afectaciones a la atmósfera asociadas con la operación de centrales de generación termoeléctrica. De esta manera la política energética define a la NOM 085 de Enero de 1998 en adelante como eje fundamental del manejo de las emisiones a la atmósfera del sector eléctrico. En la tabla 1.1 se muestran los límites permitidos según la norma. De acuerdo a la información establecida en la normatividad se observa que para un generador de vapor de 80 MW (800 000 MJ/h) sus limites permisibles (ZMCM) de emisión de NOx para la quema de combustoleo y gas natural es de 110 ppm.
Tabla 1.1. Limites máximos permisibles de emisiones contaminantes
CAPACIDAD DEL EQUIPO DE COMBUSTION MJ/h TIPO DE COMBUSTI BLE EMPLEADO BIÓXIDO DE AZUFRE ppm V (kg/106 kcal) ÓXIDOS DE NITRÓGENO ppm V (kg/106 kcal) ZMCM ZC RP ZMCM ZC RP Hasta 5,250 Combustóleo O gasóleo 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) NA NA NA Otros líquidos 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) NA NA NA Gaseosos NA NA NA NA NA NA De 5,250 a 43,000 Líquidos 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) 190 (0.507) 190 (0.507) 375 (1.0) Gaseosos NA NA NA 190 (0.486) 190 (0.486) 375 (0.959) De 43,000 a 110,000 Líquidos 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) 110 (0.294) 110 (0.294) 375 (1.0) Gaseosos NA NA NA 110 (0.281) 110 (0.281) 375 (0.959) Mayor de 110,000 Sólidos 550 (2.16) 1100 (4.31) 2200 (8.16) 110 (0.309) 110 (0.309) 375 (1.052) Líquidos 550 (2.04) 1100 (4.08) 2200 (8.16) 110 (0.294) 110 (0.294) 375 (1.0) Gaseosos NA NA NA 110 (0.281) 110 (0.281) 375 (0.959)
SIGNIFICADO DE LAS ABREVIATURAS:
ZC Zonas Críticas ZMCM Zona Metropolitana de la Ciudad de México. NA No Aplica. RP Resto del país
Por otro lado, también se observa en la tabla 1.1, que para este mismo generador de vapor se tiene como limites permisibles (ZMCM) de emisión de SO2 un valor de 550 ppm para la
quema de combustoleo, y para el caso del gas natural no aplica la norma.
1.5. APORTACIONES
Dentro de las aportaciones de este trabajo de tesis son:
a) En la metodología de C. Olikara y G. Borman para el cálculo de NOx en equilibrio químico para la quema de hidrocarburos se ha modificado la ecuación de combustión. La modificación esta orientada en considerar una composición del aire mas real, para lo cual se han añadido los gases: CO2 y H2O. La metodología
modificada da como resultado el software denominado “Flame Ad”.
b) En los polinomios experimentales de calculo de NOx para generadores de vapor propuesto por Roslyakov, et all 1997 [39], se sustituyo la ecuación de temperatura promedio de la ZCA por la ecuación que publica Lipov, 1991 [1]. La razón de hacerlo es porque la ecuación de Lipov contiene dos variables más (cantidad de gases de recirculación “r” y lugar de introducción de los mismos “n”). Con este cambio realizado, la metodología propuesta en este trabajo permite estudiar dos métodos adicionales de disminución de NOx.
c) La tercera aportación es la conversión de la metodología modificada propuesta en un software “NOx AD” de cálculo de NOx para generadores de vapor que queman combustoleo y gas natural.
d) La cuarta aportación importante es que en este trabajo, se han establecido los datos de entrada del software denominado “NOx AD” para analizar la formación de NOx para cada uno de los métodos de disminución, así como la combinación de ellos.
En los capítulos tres, cuatro y cinco se presentara la metodología modificada, el ejemplo de aplicación y la discusión de resultados.
En el siguiente capitulo se presenta un estudio de la formación de NOx y SOx en equilibrio químico. Su principal objetivo es la determinación en equilibrio químico de las fracciones molares de los productos de la combustión y la temperatura adiabática para el combustoleo y gas natural.
