United States Office of Air Quality EPA 456/F-00-002
Environmental Protection Agency Planning and Standards v Noviembrede 1999
Air Research Triangle Park, NC 27711
EPA
BOLETIN TECNICO
OXIDOS DE
NITROGENO (NOx),
iPOR QUE Y COMO
SE CONTROLAN?
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ECHNOLOGY
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vEPA-456-F-00-002
Noviembre de 1999
Oxidos de Nitrogeno (NOX),
Que y Como Se Controlan?
Preparado por
Clean Air Technology Center (MD-12),
Information Transfer and Program Integration Division,
Office of Air Quality Planning and Standards,
U.S. Environmental Protection Agency,
Research Triangle Park, North Carolina 2711
U.S. Environmental Protection Agency
Region 5, Library (PL-12J)
77 West Jackson Boulevard, 12th Floor
Chicago, IL 60604-3590
-------
ACLARACION
Este reporte ha sido revisado por la Information Transfer and Program Integration
Division (Division de Transferencia de Information e Integration de Programas) de la Office of
Air Quality Planning and Standards (OAQPS) (Oficina de Planeacion y Normas de Calidad del
Aire), de la Environmental Protection Agency (U.S. - EPA) (Agenda de Protection Ambiental en
EE.UU.), y aprobado para su publication. La aprobacion no significa que el contenido de este
reporte refleja los puntos de vista y politicas de la U.S. EPA.. La mencion de nombres de marca o
productos comercialeses es sin proposito de patrocinio o recomendacion para su uso. Copias de
este reporte estan disponibles a travez del National Technical Information Service (Servicio
Nacional de Information Tecnica) del U.S. Department of Commerce (Departamento del
Comercio en EE.UU.), 5255 Port Royal Road, Springfield, Virginia 22161, numero de telefono
(800) 553-6847.
11
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PROLOGO
El Clean Air Technology Center - CATC (Centre de Tecnologia de Aire Limpio),
sirve como un recurso en todas las areas de las tecnologias emergentes y existentes de prevencion
y control de la contaminacion, y porporciona acceso publico a los datos e informacion sobre su
-uso, efectividad y costo. Ademas, el CATC porporcionara soporte tecnico, incluyendo acceso a la
base de conocimientos de la EPA, a agencias gubernamentales y otros, segun sea la disponibilidad
de recursos, en relation la operacion, mantenimiento ya la viabilidad tecnica y economica,
-operation de estas tecnologias.
Acceso Publico y Transferencia de Informacion
INTERNET/ World Wide Web Home Page (Pagina Principal en la Red Mundial)
http: /www. epa. go v/tnn/catc
Comunicaciones
Linea Informacion: CA TC: (919) 541 -0800 (Ingles)
Linea Informacion: CATC/CICA (en EE. UU.):(919) 541-1800 (Espanol)
FAX: (919)541-0242
Correo eletronico: catcmail@epamail.epa.gov
Recursos de Datos
• RACT/BACT/LAER (RBLC)
Interrogue, vea y baje a un disco datos datos que usted seleccione sobre
- Aplicaciones Tecnologia Especificas para la Fuente
- Requisites Reguladores de Contaminacion del Aire
• PRODUCTOS DEL CATC
- Baje a un disco reportes tecnicos, informacion de costos y elementos de programacion
Programas y Centres Relacionados
• U.S. -Mexico Border Information Center on Air Pollution (CICA ) - Centro de
Informacion sobre Contaminacion de Aire para la Frontera entre EE.UU y.Mexico.
• SBAP - Small Bussines Assistance Program, Programa de Asistencia a Negocios
Pequenos
• International Technology Transfer Center for Global Greenhouse Gases, Centro
Internacional de Transferencia de Tecnologia para los Gases de Invernadero Globales
in
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RECONOCIMIENTOS
Este boletin tecnico foe posible a traves de los esfoerzos diligentes y persistentes de
Lyndon Cox, Empleado Ambiental con Antigiiedad con el Centre de Tecnologia de Aire Limpio
(CATC). Lyndon realize un trabajo exceptional identificando las fuentes de informacion,
recolectando los datos relatives y componiendo este boletin. El CATC tambien aprecia los
comentarios utiles y oportunos y la cooperation de los siguientes colegas resenantes:
Jim Eddinger, Combustion Group (Grupo de Combustion), Emission Standards Division
(Division de Normas de Emision), Air Quality Strategies and Standards Division (Oficina de
Estrategias y Normas de Calidad del Aire), Office of Air and Radiation (Oficina de Aire y
Radiacion), U.S. EPA (Agencia de Proteccion Ambiental en EE.UU.).
Doug Grano, Ozone Policy and Strategies Group (Grupo de Politica y Estrategias del Ozono),
Air Quality Strategies and Standards Division (Oficina de Estrategias y Normas de Calidad del
Aire), Office of Air and Radiation, (Oficina de Aire y Radiacion), U.S. EPA (Agencia de
Proteccion Ambiental en EE.UU.).
William Vatavuk, Innovative Strategies and Economics Group (Grupo de Estrategias y
Economias Innovativas), Air Quality Strategies and Standards Division (Oficina de Estrategias y
Normas de Calidad del Aire), Office of Air and Radiation, (Oficina de Aire y Radiacion), U.S.
EPA (Agencia de Proteccion Ambiental en EE.UU.).
Ravi Strivastava, Air Pollution Technology Branch (Seccion de Tecnologia de Contaminacion del
Aire), Air Pollution Prevention and Control Division (Division de Prevention y Control de la
Contaminacion del Aire), National Risk Management Research Laboratory (Laboratorio
Nacional de Investigaciones sobre la Gestion de Riesgos), Office of Research and Development
(Oficina de Investigacion y Desarrollo), U.S. EPA (Agencia de Proteccion Ambiental en EE.UU.).
Ademas, el CATC agradece a los individuos, companias e instituciones que suministraron
la informacion sobre la tecnologia de reduction de los oxidos de nitrogeno utilizada en la
preparation de este boletin. Los contribuyentes se incluyen an en la seccion de REFERENCIAS
de este boletin.
IV
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TABLA DE CONTENIDO
TEMA Pagina
<;,POR QUE DEBEMOS CONTROLAR LOS NOX? 1
ES UN OXIDO DE NITROGENO? 2
DONDE PROVIENEN LOS NOX? 4
<,COMO AFECTAN LOS NOX EL MEDIO AMBIENTE? 5
^EXISTEN OTROS ASUNTOS RELACIONADOS CON LOS NOX? 7
^.CUALES PRINCIPIOS DE REDUCCION Y CONTROL SON APLICABLES? 9
^CUALES TECNOLOGIAS DE REDUCCION SON DISPONIBLES? 13
COMBUSTION EXTERNA 13
COMBUSTION EXTERNA: METODOS DE PREVENCION DE LA
CONTAMINACION 13
MENOS EXCESO DE AIRE (MEA) 13
QUEMADORES FUERA DE SERVICIO (QFS) 13
AIRE DE SOBREFUEGO (ASF) 18
QUEMADORES DE BAJO NOX (QBN) 18
RECIRCULACION DEL GAS DE CHIMENEA (RGC) 18
INYECCION DE AGUA O VAPOR 18
REDUCCION DE PRECALENTAMIENTO DEL AIRE (RPA) 18
RE-QUEMADO DE COMBUSTIBLE (RC) 18
OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION 19
ESCALONIFICACION DEL AIRE 19
ESCALONIFICACION DEL COMBUSTIBLE 19
OXIGENO EN VEZ DE AIRE PARA LA COMBUSTION 20
INYECCION DE OXIDANTE 20
COMBUSTION CATALITICA 20
COMBUSTIBLES ULTRA BAJOS EN NITROGENO 20
PLASMA NO TERMICO 21
COMBUSTION EXTERNA:
TECNOLOGIA ANADIDA DE CONTROL 21
REDUCCION CATALITICA SELECTIVA (RCS) 21
REDUCCION NO CATALITICA SELECTIVA. (RNCS) 21
SORCION - AMBAS ADSORCION COMO ABSORCION 21
PLANTEAMIENTOS DE TECNOLOGIA COMBINADA 22
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TABLA DE CONTENIDO
TEMA Pagina
COMBUSTION INTERNA 22
COMBUSTION INTERNA: METODOS DE PREVENCION DE LA
CONTAMINACION 23
QUEMADORES DE BAJO NOX (QBN) 23
INYECCION DE VAPOR O AGUA 23
COMBUSTION CATALITICA 23
RELACION DE AIRE-COMBUSTIBLE Y TIPO DE ENCENDIDO 24
CARGA PRE-ESTRATIFICADA (CPE) 24
QUEMAPOBRE 24
COMBUSTION INTERNA: TECNOLOGIA ANADIDA DE CONTROL 25
REDUCCION CATALITICA SELECTIVA (RCS) 25
REDUCCION CATALITICA NO SELECTIVA (RCNS) 25
REACTORES DE PLASMA NO TERMICOS 25
^AFECTA EL TIPO DE COMBUSTIBLE Y DE COMBUSTION LA MITIGACION7....25
COMBUSTIBLES SOLIDOS 26
COMBUSTIBLES LIQUIDOS 27
COMBUSTIBLES SEMI-SOLIDOS 27
COMBUSTIBLE GASEOSO 27
SISTEMAS DE COMBUSTION 27
CALDERAS DE FONDO SECO - ENCENDIDAS EN LA PARED,
FOR EL FRENTE O EL LADO OPUESTO 28
CALDERAS DE FONDO SECO - ENCENDIDAS
TANGENCIALMENTE 29
CALDERAS DE FONDO HUMEDO CON LLAVE DE ESCORIA 30
LECHO FLUIDIZADO 31
FOGONEROS CON PARRILLAS CORREDIZAS 32
FOGONEROS CON PARRILLAS SEPARADORAS 32
TURBINAS DE GAS 33
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA 35
^,CUANTO CUESTA LA REDUCCION Y CONTROL DE NOX? 36
«;SON SUFICIENTES ESTOS METODOS? 39
CONCLUSIONES 45
REFERENCIAS 47
VI
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FIGURAS
1. Mapa de los NOX 6
2. Mapa del Ozono 7
TABLAS
1. Oxidos de Nitrogeno (NOX) 2
2. Metodos de Control de NOX 10
3. Tecnologias Para Limitar los NOX de Combustion Externa 14
4. Tecnologias Para Limitar los NOX de Combustion Interna 23
5. Sistemas Comunes de Combustion 28
6. Tecnologias de NOX Utilizadas en Calderas de Fondo
Seco Encendidas en la Pared, el Frente o el Lado Opuesto 29
7. Tecnologias de NOX Utilizadas en Calderas de
Fondo Seco Encendidas Tangencialmente 30
8. Tecnologias de NOX Utilizadas en Calderas de Fondo Humedo
Llave de Escoria 31
9. Tecnologias de NOX Utilizadas en las Unidades de Combustion
con Lecho Fluidizado 32
10. Tecnologias de NOX Utilizadas en Fogoneros con
Parrillas Corredizasas 33
11. Tecnologias de NOX Utilizadas en Fogoneros con
Parrillas Separadoras 34
12. Tecnologias de NOX Utilizadas en Turbinas de Gas 35
13. Tecnologias de NOX Utilizadas en Motores
Estacionarios de Combustion Interna 36
14. Costos de los Controles de NOX en 1993 37
15. Costos de los Controles de NOX en 1997 38
16. Costos Unitarios para las Tecnologias de Control de NOX para
Fuentes Estacionarias que No Son Termoelectricas 40
vn
-------
Oxidos de Nitrogeno (NOX),
Que y Como Se Controlan?
"Cuando tratamos de observar solo una cosa en la Naturaleza,
nos damos cuenta que estd conectada a todo lo demds. "
John Muir
Los oxidos de nitrogeno (NOX) son una familia muy interesante e importante de compuestos
quimicos que contaminan el aire. Este boletin explica por que los NOX son importantes
contaminantes del aire y como los NOX se forman y reaccionan en la atmosfera. Este boletin
tambien discute los principles en que estan basadas todas las tecnologias de control y prevention
de la contaminacion por NOX; las tecnologias de control de NOX disponibles para varias fuentes de
combustion; y el rendimiento y costo de las tecnologias de control de NOX.
iPOR QUE DEBEMOS CONTROLAR LOS NOX?
Los NOX representan a una familia de siete compuestos. En realidad, la EPA regula solo el
bioxido de nitrogeno (NO2) como un suplente para esta familia de compuestos porque es la forma
mas predominante de NOX en la atmosfera que es generada por actividades antropogenicas
(humanas). El NO2 no es solo un contaminante importante del aire por si solo, sino que tambien
reacciona en la atmosfera para formar ozono (O3) y lluvia acida. Es importante notar que el ozono
que deseamos minimizar es el ozono troposferico; esto es, el ozono en el aire ambiental que
respiramos. No estamos hablando acerca del ozono en la atmosfera superior que no podemos
respirar. El ozono estratosferico nos protege y protege a la troposfera de la radiation ionizadora
proveniente del sol.
La EPA ha establecido las National Ambient Air Quality Standards - NAAQS (Normas
Nacionales de Calidad del Aire Ambiental), para el NO2 y el ozono troposferico. Las NAAQS
defmen los niveles de calidad del aire que son necesarios, con un margen razonable de seguridad,
para proteger la salud publica (norma primaria) y el bienestar publico (norma secundaria) de
cualquier efecto adverse conocido o anticipado de la contaminacion. La norma primaria y
secundaria para el NO2 es de 0.053 partes por millon (ppm) (100 microgramos por metro cubico)
de concentration anual aritmetica promedio.
El ozono troposferico ha sido y sigue siendo un problema significative de contaminacion del aire
. en los Estados Unidos y es el principal constituyente del smog (la niebla visible que es el resultado
_de polucion aerea contiene oxidantes fotoquimicos). Grandes porciones del pais no cumplen con
t las normas NAAQS para el ozono y por lo tanto exponen a grandes segmentos de la poblacion a
niveles poco saludables de ozono en el aire. El NO2 reacciona en la presencia del aire y la luz
ultravioleta (UV) bajo la luz del sol para formar ozono y oxido nitrico (NO). A su vez, el NO
reacciona con radicales libres en la atmosfera, que tambien son creados por la action de la luz UV
sobre compuestos organicos volatiles (COV). A su vez, los radicales libres reciclan NO a NO2.
De esta manera, cada molecula de NO puede producir ozono un multiple de veces.40 Esto
continuara hasta que los COV sean reducidos a compuestos de cadenas cortas de carbon que
1
-------
dejan de ser fotoreactivos (una reaccion causada por la luz), Una molecula de COV puede por lo
general realizar esto unas 5 veces.
Ademas del interes por las NAAQS para el NO2 y el ozono, los NOX y los oxidos de azufre (SOX)
en la atmosfera son capturados por la humedad para formar lluvia acida. La lluvia acida, junto
con la deposition seca y de nubes, afecta severamente ciertos ecosistemas y afecta directamente a
algunos sectores de nuestra economia. Todos estos factores indican una necesidad obvia de
reducir las emisiones de NOX. Sin embargo, para realizarlo con exito, debemos entender la
generation y el control de la "familia NOX" de contaminantes del aire.
ES UN OXIDO DE NITROGENO?
El nitrogeno molecular diatomico (N2) es un gas relativamente incite que compone alrededor del
80% del aire que respiramos. Sin embargo, el elemento quimico nitrogeno (N), en forma
monoatomica, puede ser reactivo y poseer niveles de ionizacion (llamados estados de Valencia)
desde mas uno a mas cinco. Por esto el nitrogeno puede formar varios oxidos diferentes. Usando
el modelo Niels Bohr del atomo, el estado de Valencia se relaciona al numero de electrones que
estan deficientes (Valencia positiva) o en exceso (Valencia negativa) en el ion en comparacion con
la molecula neutral. La familia de compuestos NOX y sus propiedades se enumeran en la Tabla 1 .
Tabla 1. Oxidos de Nitrogeno (NOX)
Formula
N2O
NO
N202
NA
NO2
N204
NA
Nombre
oxido nitroso
oxido nitrico
bioxido de dinitrogeno
trioxido de dinitrogeno
bioxido de nitrogeno
tetroxido de dinitrogeno
pentoxido de dinitrogeno
Valencia del
Nitrogeno
1
2
3
4
5
Propiedades
gas incoloro
soluble en agua
gas incoloro
ligeramente soluble en agua
solido negro, soluble en agua,
se descompone en agua
gas cafe rojizo, muy soluble
en agua, se decompone en agua
solido bianco, muy soluble en
agua, se decompone en agua
Los iones oxigeno se encuentran siempre con una Valencia de menos 2. Dependiendo del numero
de iones de oxigeno (siempre balanceados por el estado de Valencia del nitrogeno), los NOX
pueden reaccionar ya sea para agotar o para incrementar las concentraciones de ozono. El ion
nitrogeno en estos oxidos en realidad efectua una danza en la que tiene (en ocasiones diversas)
varios numeros de iones de oxigeno como companeros. El nitrogeno cambia su numero de
companeros cuando cambia su nivel de energia de ionizacion, Esto sucede siempre que el NOX:
-------
(1) es golpeado con un foton de radiation ionizadora (UV o luz de longitud de onda corta); (2) es
golpeado con suficientes fotones como para transferir juntos la energia suficiente para cambiar su
nivel de ionizacion; (3) es catalizado; (4) es estimulado suficientemente por energia termal
infraroja (IR); (5) reacciona con un radical quimicamente oxidante o reductor (un fragmento
ionicado de una molecula); o (6) reacciona con un ion quimicamente oxidante o reductor (un
atomo con una carga electrica desbalanceada).
Cuando cualquiera de estos oxidos se disuelve en agua y se descompone, forma acido nitrico
-(HNO3) o acido nitroso (HNO2). El acido nitrico forma sales de nitrato cuando es neutralizado.
,E1 acido nitroso forma sales de nitrito. De esta manera, los NOX y sus derivados existen y
reaccionan ya sea como gases en el aire, como acidos en gotitas de agua, o como sales. Estos
gases, gases acidos y sales contribuyen en conjunto a los efectos de contamination que ban sido
observados y atribuidos a la lluvia acida.
El oxido nitroso (N2O), el NO, y el NO2 son los oxidos de nitrogeno mas abundantes en el aire.
El N2O (tambien conocido como gas hilarante) es producido abundantemente por ruentes
biogenicas tales como las plantas y levaduras. Es solo levemente reactive, y es un analgesico (o
sea, a diferencia de un anestesico aun siente usted dolor, pero se siente tan bien que no le
molesta). El N2O es una sustancia agotadora de nitrogeno que reacciona con el O3 tanto en la
troposfera (o sea, por debajo de los 10,000 pies sobre el nivel del mar) como en la estratosfera
(50,000 - 150,000 pies). El N2O tiene un largo periodo de vida, estimado entre 100 y 150 anos.
La oxidation del N2O por el O3 puede ocurrir a cualquier temperatura y genera a la vez oxigeno
molecular (O2) y NO o dos moleculas de NO unidas como su dimero, el bioxido de dinitrogeno
(N2O2). Despues el NO o N2O2 se oxida rapidamente (en alrededor de dos horas) a NO2. El NO2
a su vez crea una molecula de ozono a partir de una molecula de oxigeno (O2) cuando es
golpeado por un foton de energia ionizadora proveniente de la luz solar. El N2O es tambien un
"Gas de Invernadero" que, como el bioxido de carbono (CO2), absorbe la radiation infraroja de
longitud de onda larga para retener el calor que irradia la Tierra, y de esa manera contribuye al
calentamiento global.
Las emisiones de NOX provenientes de la combustion son principalmente en la forma de NO. De
acuerdo a las ecuaciones Zeldovich, el NO es generado hasta el limite del oxigeno disponible
(alrededor de 200,000 ppm) en el aire a temperaturas por encima de 1300°C (2370°F). A
temperaturas menores de 760°C (1,400°F), el NO es generado a concentraciones mucho mas
bajas o no se genera en absolute. El NO de combustion es generado en funcion de la relacion aire
a combustible y es mas pronunciado cuando la mezcla esta del lado magro en combustible de la
relacion estequiometrica50 (la relacion de las sustancias quimicas que entran en reaction). Las
ecuaciones Zeldovich son:
N2 + O - NO + N
N + O2 - NO + O
N + OH - NO + H
A exception del NO proveniente del suelo, los relampagos, y los incendios naturales, el NO es
-------
antropogenico (o sea, generado por la actividad humana) en su mayor parte. Se cree que las
fuentes biogenicas son responsables de menos del 10% de las emisiones totales de NO. El NO
produce la misma interruption en la absorcion del oxigeno por la sangre que el monoxide de
carbono (CO). Sin embargo, puesto que el NO es solo ligeramente soluble en agua, no presenta
amenaza real alguna excepto a infantes e individuos muy sensibles.
El NO2 se encuentra presente en la atmosfera y en la lluvia acida. Produce acido nitrico (HNO3)
al disolverse en agua. Cuando el NO2 reacciona con un foton para hacer que el O2 se vuelva O3,
el NO2 se transforma en NO. Este NO es a su vez oxidado en cuestion de horas a NO2 por medio
de radicales provenientes de la fotoreaccion de COV. Por lo tanto, nuestra concentracion actual
de ozono es el producto de la contamination tanto de NOX como de COV.
El trioxido de dinitrogeno (N203) y el tetroxido de dinitrogeno (N2O4) existen en concentraciones
muy bajas en el gas de chimenea. Sin embargo, existen en concentraciones tan bajas en la
atmosfera que tanto su presencia como su efecto son ignorados con frecuencia. El N2O4 es un par
de moleculas de NO2 unidas (otro dimero) y reacciona como el NO2; asi, la presencia de N2O4
puede ser enmascarada por el mas abundante NO2.
El pentoxido de dinitrogeno (N2O5) es la forma mas altamente ionizada de oxido de nitrogeno. Es
generado en el aire en una concentracion muy baja, a menos que sea emitido por algun proceso
(tal como una instalacion productora de acido nitrico) que este disenada especificamente para
generarlo. El N2O5 es altamente reactivo, y forma acido nitrico (HNO3) cuando se descompone
en el agua.
Algunos expertos creen que el NO2 es un buen suplente para los N0x porque el NO se convierte
rapidamente en NO2, y el N2O tiene un periodo de vida tan largo porque no es tan altamente
reactivo. Otros creen que debido a su participation en la formation del ozono, tanto el NO como
el NO2 deben ser considerados NOX. Aun otros creen que todos los oxidos de nitrogeno
(incluyendo el N2O) necesitan ser reglamentados. El NO y el NO2 son ciertamente las formas mas
abundantes de NOX y provienen en su mayor parte (pero no exclusivamente) de fuentes
antropogenicas. El N2O es biogenico en su mayor parte, y como tal no esta sujeto a regulation.
Para propositos ambientales, el uso de la concentracion de NO2 como un suplente de la
concentracion de NOX ha parecido ser suficiente, debido a que es el precursor para el ozono.
^DE DONDE PROVIENEN LOS NOX?
Los automoviles y otras fuentes moviles contribuyen alrededor de la mitad de los NOX que son
emitidos. Las calderas de las plantas termoelectricas producen alrededor del 40% de las
emisiones de NOX provenientes de fuentes estacionarias.34 Ademas, tambien se anaden emisiones
sustanciales provenientes de fuentes antropogenicas tales como las calderas industriales,
incineradores, turbinas de gas, motores estacionarios de diesel y de encendido por chispa, fabricas
de hierro y acero, manufactura de cemento, manufactura de vidrio, refinerias de petroleo, y
manufactura de acido nitrico. Las fuentes naturales o biogenicas de oxidos de nitrogeno incluyen
los relampagos, incendios forestales, incendios de pastos, arboles, arbustos, pastos, y levaduras.1
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Estas ftientes diversas producen diferentes cantidades de cada oxido. Las fuentes antropogenicas
se pueden mostrar aproximadamente como:
Fuentes Moviles
50%
Plantas
Termoelectricas
20%
Todas las Demas
30%
'Esto muestra una representation grafica de las emisiones de nuestras dos mayores fuentes de
NOX. Si pudieramos reducir las emisiones de NOX provenientes de solo estas dos categorias
principales, podrfamos vivir con el resto. Sin embargo, no espere usted que cualquiera de estas
categorias se vuelvan cero en un future cercano. No podemos esperar que el automovil, camion,
autobus, y avion desaparezcan. El automovil con cero emisiones todavia esta sobre la mesa de
diseno y no en la linea de production. Ademas, los habitos sociales tendran que cambiar antes de
que el consume de electricidad pueda ser reducido.
En toda combustion hay tres oportunidades para la formation de NOX. Estos NOX son:
1. NOX Termales - La concentration de "NOX termales" es controlada por las concentraciones
molares de nitrogeno y oxigeno y la temperatura de combustion. La combustion a temperaturas
bien por debajo de 1,300°C (2,370°F) forma concentraciones mucho mas bajas de NOX termales.
2. NOX Combustibles- Los combustibles que contienen nitrogeno (como el carbon) crean "NOX
combustibles" que resultan de la oxidacion del nitrogeno ya ionizado contenido en el combustible.
3. NOX Inmediatos - Los NOX inmediatos son formados a partir del nitrogeno molecular en el aire
combinandose con combustible en condiciones ricas en combustible que existen, hasta cierto
punto, en toda combustion. Este nitrogeno a su vez se oxida junto con el combustible y se
convierte en NOX durante la combustion, de la misma manera que los NOX combustibles. La
abundancia de NOX inmediatos es disputada por los diversos escritores de articulos y reportes -
probablemente porque cada uno de ellos esta considerando combustibles que contienen
intrinsecamente cantidades muy grandes o muy pequenas de nitrogeno, o considerando
quemadores intencionados para tener o no tener regiones ricas en combustible en la llama.
iCOMO AFECTAN LOS NOX EL MEDIO AMBIENTE?
* Debido a que los NOX son transparentes a la mayoria de las longitudes de onda de la luz (aunque
el NO2 tiene un color cafe y el escaso N2O3 es negro), permiten que la vasta mayoria de los
fotones atraviesen y, por tanto, tienen un periodo de vida de por lo menos varios dias. Debido a
que el NO2 es reciclado a partir del NO por medio de la fotoreaccion de COV para producir mas
ozono, el N02 parece poseer un periodo de vida aun mas largo y es capaz de viajar distancias
considerables antes de crear ozono. Los sistemas meteorologicos generalmente viajan sobre la
superficie de la tierra y permiten que los efectos atmosfericos se muevan viento abajo por varios
cientos de millas. Esto fue asentado en reportes de la EPA hace mas de veinte anos. Estos
-------
reportes encontraron que cada ciudad principal en la costa occidental de los Estados Unidos
cuenta con una pluma de ozono que se extiende mas de cien millas mar adentro antes de que las
concentraciones disminuyan a 100 partes por mil millon (ppb). Otro reporte cita el mismo
fenomeno para la ciudad de St. Louis. Por lo tanto, este problema no existia unicamente en la
costa occidental. Puesto que el ozono en el aire limpio tiene un periodo de vida de solo unas
pocas horas, este fenomeno es una medida del efecto y la persistencia de tanto los COV como los
NOX.
Las diferencias en las predicciones de las distancias entre la emision de NOX y la generation de
ozono pueden relacionarse con las diferencias en las velocidades (del viento) de transporte de la
pluma tanto como otros factores meteorologicos y de calidad del aire. Es importante notar que,
bajo las condiciones adecuadas, las plumas de las termoelectricas pueden recorrer distancias
relativamente largas durante la noche con poca perdida de COV, NO y NO2. Estos contaminantes
pueden de este modo estar disponibles y participar en reacciones fotoquimicas en ubicaciones
distantes al dia siguiente.41 La figura 1 muestra un mapa de la concentration de NOX dibujado
por el Center for Air Pollution Impact and Trend Analysis - CAPITA (Centro de Impacto y
Analisis de Tendencias de la Contamination del Aire), en la Universidad de Washington en St.
Louis y reportado al Ozone Transport Assessment Group - OTAG (Grupo de Evaluation del
Transporte de Ozono), un grupo nacional de trabajo que trato el problema del ozono al nivel del
suelo (smog) y el transporte a largo plazo de la contaminacion del aire a traves de la parte
occidental de los Estados Unidos.
NOx Total Emissions & Airmass History
Tons/grid
90000
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
07/14/1995 06:00
Figura 1 Mapa de los NOx
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El OTAG fue producto de una asociacion entre la EPA, el Environmental Council of the States -
ECOS (Consejo Ambiental de los Estados), y varies grupos ambientales y de la industria con el
objetivo de producir una evaluation a conciencia y un consenso para reducir el ozono al nivel del
suelo y los contaminantes que lo causan. La version animada de la figura 1 muestra la trayectoria
de emisiones de NOX desplazandose con el clima durante un periodo de 8 dias.
La figura 2 es un mapa de la concentration de ozono que muestra la misma trayectoria durante el
periodo de 8 dias. La version animada muestra las concentraciones de NOX y ozono a la vez,
moviendose con el clima a lo largo de varies cientos de millas.5
ozone Concentrations & Alrmass History
Figura 2 Mapa del Ozono
El ozono es el constituyente principal del smog. Entre 1970 y 1990, nosotros en los Estados
Unidos hemos intentado controlar el ozono principalmente por medio del control de las emisiones
de COV, Sin embargo, hemos obtenido resultados mixtos, puesto que aunque algunas zonas
disminuyeron sus emisiones de COV y lograron sus objetivos de ozono, otras no los lograron.
Ahora parece ser que las comunidades que fracasaron en el logro de sus objetivos de ozono
pudieran no ser completamente culpables, ya que parecen afectadas por las emisiones de NOX y
COV en el aire que les llega. Para alcanzar las NAAQS del ozono, la EPA debe ahora reglamentar
las emisiones de NOX regionalmente.
<.EXISTEN OTROS ASUNTOS RELACIONADOS CON LOS NO,?
Si. Los problemas de enriquecimiento de nutrientes (eutroficacion) ocurren en cuerpos de agua
cuando la disponibilidad ya sea de los nitratos o de los fosfatos se vuelve demasiado grande.
Como resultado, la relation de nitrogeno a fosforo, silicio, y hierro y otros nutrientes es alterada.
Esta alteration puede inducir cambios en el fitoplancton, producir brotes algaceos toxicos o
nocivos de color cafe o rojos (llamados "marea roja"), o estimular otro crecimiento vegetal. Los
brotes algaceos y el crecimiento vegetal producen una sombra y causan la muerte de otras plantas
-------
en el agua, lo que agota el contenido de oxigeno en el agua (hipoxia) cuando las plantas mueren,
se hunden y se descomponen. Tal eutroficacion puede volver inhabitables a los estratos de agua
del fondo tanto para los animales marines (tales como los peces y los mariscos) como para las
plantas acuaticas. Puede proseguir virtualmente hasta la profundidad completa del agua. Se
estima que entre el 12% y el 44% de la carga de nitrogeno de los cuerpos de agua de la costa
provienen del aire.40 Los lagos interiores tambien son afectados de esta manera.
Otra dimension del problema es que la combustion a alta temperatura puede convertir el azufre en
el combustible en SO2 y SO3. Mientras el SO2 es toxico y forma acido sulfuroso al ser disuelto en
agua, el SO3 es toxico e higroscopico (absorbente de agua) a la vez y forma acido sulfurico
combinandose con la humedad en la atmosfera. El SO2 y el SO3 forman sulfitos y sulfatos cuando
sus acidos son neutralizados. Ambos acidos pueden formar particulas solidas reaccionando con el
amoniaco en el aire. El SO2 y el SO3 tambien contribuyen a los cambios de pH (acidez) en el
agua, los que pueden afectar adversamente tanto a la vida terrestre como a la acuatica. For eso,
tanto los NOX como los SOX provenientes de la combustion pueden aniquilar plantas y animales.
CAPITA ha demostrado que existen cantidades aproximadamente iguales por peso de
sulfato/sulfito, nitrato y particulas organicas componiendo el 90% de la Materia Particulada
menor de 2.5 micras de diametro aerodinamico (MP-2.5). Esto fue confirmado por
investigadores de la Universidad BrighamYoung. El Estudio de Seis Ciudades, publicado en New
England Journal of Medicine en 1990, ha demostrado que la enfermedad y muerte prematura se
correlacionan cercanamente con la cantidad de MP-2.5 en el aire. Por lo tanto, existe informacion
epidemiologica denunciando a los oxidos de nitrogeno, oxidos de azufre, y/o compuestos
organicos como aerosoles de MP-2.5. Actualmente no existe evidencia que examine por
separado los efectos en la salud de cada una de estas sustancias. La MP-2.5 generalmente aparece
como smog, humo, nublado bianco, neblina o niebla que no se aclara cuando el aire se tibia. El
smog cafe toma su color del bioxido de nitrogeno.
Debido a que el acido nitrico, acido sulfuroso y acido sulfurico reaccionan con el amoniaco del
aire para formar cristales solidos que son mucho menores de 2.5 micras y pueden ser sitios de
formation de nucleos para el crecimiento de las particulas, necesitamos preocuparnos por cada
uno de estos contaminantes. Algunas investigaciones indican que aun las particulas insolubles
mucho menores de 2.5 micras de tamano pueden exhibir efectos toxicos severos.38 Las particulas
mas pequenas que han demostrado toxicidad tienen un diametro de alrededor del 3% al 5% de la
longitud de onda de cualquier color de la luz visible. Por lo tanto, estas particulas son demasiado
pequenas aun como para dispersar la luz y ni siquiera pueden ser detectadas opticamente.
La deposicion acida ocurre a partir de los compuestos acidos o acidificantes suspendidos en el
aire, principalmente sulfatos (SO4~2) y nitratos (NO3"'), que pueden ser transportados a traves de
grandes distancias antes de regresar a la Tierra. Esto ocurre a traves de la lluvia o nieve
(deposicion en humedo), niebla o agua de niebla (deposicion nebulosa), o transferencia de gases o
particulas (deposicion en seco). Mientras la severidad del dano depende de la sensibilidad del
receptor, la deposicion acida y los NOX "representan una amenaza a los recursos naturales,
ecosistemas, visibilidad, materiales, y salud publica." (section 401(a)(l) del Clean Air Act - Acta
de Aire Limpio).40
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<,CUALES PRINCIPIOS DE REDUCCION Y CONTROL SON APLICABLES?
La tecnologia de reduccion y control de NOX es un asunto relativamente complejo. Trataremos de
proporcionar una estructura al espectro de las tecnologias de prevencion de la contaminaci6n y de
control de los NOX presentando primeramente los principios que son utilizados. Despues
describiremos las tecnologias y estrategias mas importantes para la prevencion de la
contaminacion y el control de las emisiones.
For favor notese que la reduccion y control de los NOX provenientes de la manufacture de
acido nitrico y de los bafios de curtido difieren de la reduccion y el control en las fuentes
de combustion. Todas las fuentes de combustion tienen NOX en un gran flujo del gas de
chimenea, mientras que las plantas manufactureras de acido nitrico y los bafios de curtido
tratan de contener los NOX. Los absorbedores en humedo pueden controlar las emisiones
de NOX provenientes de plantas acidas y del curtido, y pueden utilizar ya sea los alcalies en
agua, el agua sola, o el peroxido de hidrogeno como el liquido que captura a los NOX.3 El
absorbedor en humedo opera por medio de liquido fluyendo hacia abajo por gravedad a
traves de un medio de empaque, opuesto por un flujo de gas hacia arriba. Los
absorbedores operan por medio del intercambio de sustancias entre gas y liquido. Esto
requiere que la altura del absorbedor, el tipo de empaque, el flujo liquido, las propiedades
vdel liquido, las propiedades del gas, y el flujo de gas deban causar colectivamente que un
absorbedor tenga la eficiencia de control deseada. El capitulo 9 del OAQPS Control Cost
Manual (Manual de Costo del Control de la OAQPS), proporciona una guia sobre la
aplicacion, medidas, y costo de estos absorbedores (llamados absorbedores de gas).
Ademas, la Tabla 16 en este boletin presenta alguna information sobre las fuentes de NOX
que no provienen de la combustion. Aparte de eso, las fuentes de NOX que no provienen
de la combustion no son tratadas en este boletin.
Para las fuentes de combustion, este boletin define los principios de reduccion y control de
emisiones y establece la Destruction and Removal Efficiency - DRE (Eficiencia de
Destruction y Remocion), que cada tecnologia es capaz de alcanzar. La efectividad de las
medidas de prevencion de la contaminacion en reducir el NO y NO2 tambien es expresada
en funcion de la DRE relativa; esto es, la cantidad de NOX que es reducida por utilizar una
tecnologia de prevencion en comparacion con la generation de NOX al no utilizar esa
tecnologia. Enseguida se discuten los tipos especificos de calderas y sistemas de
combustion y tecnologias de NOX aplicables para cada sistema. Finalmente, el costo de
estas tecnologias es considerado.
•Muchos sistemas de combustion nuevos incorporan metodos de prevencion de NOX dentro
•de su diseno y generan mucho menos NOX que los sistemas mas antiguos. Como
-resultado, considerar la DRE (aun una DRE relativa) para los NOX puede resultar
inapropiado. La comparacion de las emisiones estimadas o reales de un sistema nuevo y
bien disenado con los NOX emitidos por un sistema similar, bien controlado y operado
pero mas antiguo puede ser la mejor manera de evaluar que tan efectivamente minimiza
los NOX un sistema de combustion nuevo.
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La Tabla 2 enumera los principios o metodos utilizados para reducir los NOX. Existen
basicamente seis principios, siendo el septimo una combinacion intencional de algun
subgrupo de los seis.
Tabla 2. Metodos de Control de NO,
6,7
Principio o Metodo
de Reduction o de
Control de Emisiones
Tecnologias Exitosas
Metodo de Prevention de
la Contamination (P2) o
Tecnologia de Adicion (A)
1. Reducir la
temperatura
maxima.
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requemado del Gas Natural
Quemadores de Bajo NOX (QBN)
Optimization de la Combustion
Quemadores Fuera de Servicio (QFS)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor
Aire de Sobrefuego (ASF)
Escalonificacion del Aire
Reduccion del Precalentamiento del Aire
Combustion Catalitica
P2
P2
P2
P2
P2
P2
P2
P2
P2
P2
P2
2.Reducir el tiempo
de residencia a la
temperatura
Inyectar Aire
Inyectar Combustible
Inyectar Vapor
maxima.
P2
P2
P2
3. Reduccion
Quimica de los NOX
Requemado de Combustible (RC)
Quemadores de Bajo NOX (QBN)
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
P2
P2
A
A
4. Oxidation de los
NOX con Absorcion
Subsecuente
Reactor de Plasma No Termico
Inyectar Oxidante
A
A
5. Remocion de
Nitrogeno
Oxigeno en Vez de Aire
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
P2
P2
6. Utilizando un
Sorbente
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
A
A
7. Combinaciones de
estos Metodos
Todos los Productos Comerciales
P2yA
10
-------
Metodo 1. Reduciendo Temperatura — Reduciendo temperatura significa evitar la relacion
estequiometrica (la relacion exacta de las sustancias quimicas que entran en reaction).
Esencialmente, esta tecnica diluye calorias con un exceso de combustible, aire, gas de chimenea, o
vapor. Los controles de combustion utilizan diversas formas de esta tecnica y son diferentes para
los combustibles con contenido alto y bajo de nitrogeno. El control de los NOX de la combustion
de combustibles con alto contenido de nitrogeno (por ejemplo, el carbon) puede ser entendido por
la relacion estequiometrica neta. El control de los NOX de la combustion de combustibles bajos en
.nitrogeno (tales como la gasolina y el aceite) pueden ser visto como relaciones magras contra
ricas de aire a combustible. De cualquier manera, esta tecnica evita la relacion estequiometrica
ideal porque esta es la relacion que produce las temperaturas mas alias que generan las
concentraciones mas altas de NOX termales.
La temperatura de combustion puede ser reducida: (1) utilizando mezclas ricas en combustible
para limitar la cantidad de oxigeno disponible; (2) utilizando mezclas pobres en combustible para
limitar la temperatura diluyendo el suministro de energia; (3) utilizando gas de chimenea enfriado
y agotado en oxigeno dentro del aire de combustion para diluir energia; (4) inyectando gas de
chimenea enfriado con combustible anadido; o (5) inyectando agua o vapor. Los quemadores
bajos en NOX estan basados parcialmente en este principio.8'9'10 La tecnica basica es reducir la
temperatura de los productos de combustion con un exceso de combustible, aire, gas de
chimenea, o vapor. Este metodo evita que la vasta mayoria del nitrogeno sea ionizada (esto es,
que obtenga una Valencia que no sea cero).
Metodo 2. Reduciendo el Tiempo de Residencia -- La reduction del tiempo de residencia a
temperaturas de combustion altas puede ser hecho por el tiempo de encendido o inyeccion,
tambien puede ser hecho por restriction de la llama a una region corta en la cual la combustion de
aire llega a ser gas de chimenea. Esto es seguido inmediatamente por inyeccion de combustible,
vapor, mas aire de combustion o re-circulation de gas de chimenea. Este tiempo corto de
residencia a temperatura maxima mantiene la vasta mayoria de nitrogeno de llegar a ser ionizada.
Esto no representa ninguna relacion al tiempo total de residencia en una caldera.
Metodo 3. Reduction Quimica de los NOX - Esta tecnica proporciona una sustancia que reduce
quimicamente (esto es, una inversion de la oxidation) para remover el oxigeno de los oxidos de
nitrogeno. Los ejemplos incluyen la Reduction Catalitica Selectiva (RCS) que utiliza amoniaco,
la Reduction No Catalitica Selectiva (RNCS) que utiliza amoniaco o urea, y el Requemado del
Combustible (RC). El plasma no termico, una tecnologia emergente, al ser utilizada con un
agente reductor, reduce quimicamente el NOX. Todas estas tecnologias atentan reducir
quimicamente el nivel de Valencia del nitrogeno a cero despues de que la Valencia ha llegado a ser
mas alta.11 Algunos quemadores de bajo NOX tambien estan parcialmente basados en este
-principio.
Metodo 4. Oxidation de los NOX -- Esta tecnica levanta intencionalmente la Valencia del ion
nitrogeno para permitir que el agua lo absorba (esto es, basado en la mayor solubilidad de los NOX
a valencias mas altas). Esto se logra por medio de un catalizador, inyectando peroxide de
hidrogeno, creando ozono dentro del flujo del aire, o inyectando ozono dentro del flujo del aire.
El plasma no termico, al utilizarse sin un agente reductor, puede ser utilizado para oxidar NC\.
11
-------
Una lavadora de gas debe ser anadida al proceso para absorber las emisiones de N2O5 a la
atmosfera. Cualquier acido nitrico resultante puede ser neutralizado por el liquido de la lavadora
de gas y despues ser ve'ndido (por lo general como sal de calcio o amoniaco), o recolectado como
acido nitrico para su venta a clientes.12'49
Metodo 5. Remocion del nitrogeno de la combustion -- Esto se logra eliminando al nitrogeno
como reactivo, ya sea por medio del: (1) usando oxigeno en vez de aire en el proceso de
combustion; o (2) usando combustible con un contenido ultra bajo de nitrogeno para formar
menos NOX combustibles. La elimination del nitrogeno utilizando oxigeno tiende a producir una
llama mas intensa que debe ser posteriormente y adecuadamente diluida. Aunque el metodo 2
puede disminuir la temperatura rapidamente para evitar la formation de NOX excesivos, no puede
eliminar oxidos de nitrogeno totalmente si el aire es el medio de extincion. El gas caliente de
chimenea calienta el aire que se utiliza para extinguirlo y este calentamiento genera algunos NOX
termicos. Este metodo tambien incluye la reduccion del exceso de aire neto usado en el proceso
de combustion porque el aire contiene un 80 por ciento de nitrogeno. El uso de combustibles de
contenido ultra bajo de nitrogeno con el oxigeno puede casi eliminar combustible e incitar los
NOX.13
Metodo 6. Sorcion, tanto adsorcion como absorcion — El tratamiento del gas de chimenea por
la inyeccion de sorbentes (tales como el amoniaco, cal en polvo, oxido de alumim'o, o carbon)
puede remover el NOX y otros contaminantes (principalmente el azufre). Se han realizado
esfuerzos exitosos al fabricar productos de sorcion en un articulos comerciales. Este tipo de
tratamiento ha sido aplicado en la camara de combustion, la chimenea, y la casa de bolsas. El uso
del carbon como un absorbente no ha conducido a un producto comercial, pero a veces se utiliza
para limitar las emisiones de NOX a pesar de esto. A menudo se le refiere al metodo de sorcion
como uso de sorbente en seco, pero las suspensiones tambien han sido utilizadas. Este metodo
usa la adsorcion o la absorcion seguida por flltracion y/o precipitacion electrostatica para remover
el sorbente.
Metodo 7. Combinaciones de estos metodos — Muchos de estos metodos pueden ser
combinados para lograr una concentration mas baja de NOX de la que se puede lograr por
cualquier metodo por si solo. Por ejemplo, un quemador de ciclon rico en combustible (Metodo
1) puede ser seguido por un requemado de combustible (Metodo 3) y aire de sobrefuego (Metodo
1). Esto ha producido una reduccion de NOX tan grande como del 70 por ciento.55 Otras
tecnologias de control con la finalidad de reducir principalmente las concentraciones de azufre
tambien afectan fuertemente la concentracion de oxido de nitrogeno. Por ejemplo, la tecnologia
SOX-NOX-ROX-BOX (SNRB) utiliza un sorbente de cal en el gas de chimenea proveniente de la
caldera para absorber el azufre. Esto es seguido por una inyeccion de amoniaco y RCS usando
fibras de catalizador en las bolsas de filtro en las casas de bolsas. El azufre es recuperado del
sorbente y regenerado por un proceso Claus. Esto ha demostrado la remocion de hasta el 90 por
ciento de los NOX junto con el 80 por ciento de los SOx.39'42 EBARA del Japon reporto que un
reactor de rayo de electrones con amoniaco anadido removio el 80 por ciento del SO2 y el 60 por
ciento de los NOX de una termoelectrica en China.54 FLS Milo and Sons reporto durante el mismo
simposio que el 95 por ciento del SO2 y del 70 al 90 por ciento de los NOX fueron removidos en
12
-------
varias demostraciones de su tecnologia SNAP, que esta basada en un absorbedor de oxido de
aluminio con regeneracion Claus.5
<,CUALES TECNOLOGIAS DE REDUCCION SON DISPONIBLES?
En este reporte las tecnologias de reduccion de NOX existentes se dividen en dos categorias,
aplicaciones para combustion externa (por ejemplo, calderas, hornos y calentones de proceso) y
aplicaciones para combustion interna (por ejemplo, motores y turbinas estacionarias de
combustion interna). Estas categorias estan subdivididas todavia en tecnologias para la
prevencion de la contaminacion (que reducen la generacion de NOX) y tecnologias de control de
adicion (que reducen las emisiones de NOX).
COMBUSTION EXTERNA
Las tecnologias aplicables a la combustion externa se muestran en la Tabla 3 (basada en la Tabla 2
en Select the Right NOX Control Technology de Stephen Wood, Chemical Engineering Progress,
enero de 1994).
COMBUSTION EXTERNA; METODOS DE LA PREVENCION DE LA
CONTAMINACION
MENOS EXCESO DE AIRE (MEA)
Excesivo flujo de aire para la combustion ha sido correlacionado con la cantidad de NOX
generado. Limitando el exceso neto del flujo de aire a un nivel menor de 2% puede limitar
fuertemente el contenido de NOX del gas de chimenea. Aunque existen zonas ricas y pobres en la
region combustible, el exceso neto de aire total es limitado cuando se usa este planteamiento.4"'
QUEMADORES FUERA DE SERVICIO (QFS)
El equipo con quemadores multiples puede tener parte de un conjunto de quemadores con
algunos "quemadores fuera de servicio" (que no suministran combustible, sino aire o gas de
chimenea). Esto permite que los quemadores a su alrededor suministren combustible y aire al aire
o gas de chimenea fluyendo desde los QFS. El resultado es la combustion por etapas con una
temperatura siempre menor que cuando todos los quemadores estan en servicio. Por tanto, el
NOX termal es mas bajo. El grado al cual la generacion de NOX es reducida depende de la relation
espacial de los QFS a los demas quemadores.44
13
-------
Tabla 3. Tecnologias Para Limitar los NO, de Combustion Externa
T£cnica
Menos Exceso de Aire
(MEA)
No Estequiome'trico:
a. Quemadores Fuera
de Servicio (QFS)
b. Aire de Sobrefuego
(ASF)
Quemador de bajo NOX
(QBN)
Re-circulacion del Gas
de Chimenea (RGC)
Inyecci6n de
Agua/Vapor
Reduccion en el
precalentamiento del
aire
Descripci6n
Reduce la
disponibilidad del
oxfgeno
Combustion
escalonificada
Combusti6n interna
escenificada
<30% del gas de
chimenea re-circulado
con aire, disminuyendo
la temperatura
Reduce la temperatura
de la flama
Aire no precalentado,
reduce la temperatura
de la llama
Ventajas
Modification facil
Bajo costo
Sin costo capital
para QFS
Costo de operaci6n
bajo
Compatible con RGC
Alto potencial de
reducci6n de NOX para
combustibles bajos en
nitr6geno
Costo de capital
moderado
Reducci6n de NOX
similar a RGC
Alto potencial de
reduccion de NC\
Desventajas
Baja reducci6n de NOX
a. Mayor flujo de aire
para el CO
b. Alto costo de capital
Costo capital
moderadamente alto
Costo capital y costo de
operaci6n moderada-
mente altos
Afecta la transferencia
de calor y las
presiones del sistema
Penalidad en la
eficiencia
Potencia mas alta del
abanico
PeYdida significante en
eficiencia (1% por
40 °F)
Impactos
CO alto
Longitud de la llama
Estabilidad de la llama
Longitud de la llama
Capacidad del extractor
Presi6n de colector
Longitud de la llama
Capacidad del extractor
Estabilidad de turndown
Capacidad del extractor
Presi6n del horno
Cafda en la presi6n del
quemador
Estabilidad de turndown
Estabilidad de la llama
Penalidad en la
eficiencia
Capacidad del
extractor
Penalidad en la
eficiencia
Aplicabilidad
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
Quemadores multiples
para QFS
Todos los
combustibles
Todos los
Combustibles
Combustibles bajos en
nitr6geno
Todos los
combustibles
Combustibles bajos en
nitr6geno
Todos los
combustibles como
Combustibles bajos en
nitr6geno
14
-------
Tabla 3. Tecnologias Para Limitar los NOX de Combustion Externa
T6cnica
Reducci6n Catalitica
Selectiva (RCS)
(tecnologia de adicion)
Reducci6n No
Catali'tica Selectiva
(RNCS)
(tecnologia de adicion)
a. urea ;
b. amoniaco
Re-quemado de
Combustible
Optimizaci6n de la
Combusti6n
Combusti6n Catalitica
Description
Catalizador localizado
en el flujo del aire,
promueve la reacci6n
entre el amoniaco y el
NOX
Inyectar reactive para
reaccionar con NOX
Inyectar combustible
para reaccionar con
NOX
Cambiar la eficiencia
de la combustion
primaria
El catalizador causa
combusti6n a
temperatura mis baja
Ventajas
Alta remocion de NOX
a. Bajo costo de capital
Remoci6n moderada de
NOX
Sustancia quimica no
t6xica
b. Bajo costo de
operaci6n
Remocion moderada de
NOX
Costo moderado
Remoci6n moderada de
NOX
Costo minimo
Los NOX mas bajos
posibles
Desventajas
Costo de capital muy
alto
Alto costo de operaci6n
Ubicaci6n del
catalizador
Aumento en la cafda de
presi6n
Puede requerir
enjuague con agua
a. Dependiente de la
temperatura
Menor reducci6n de
NOX a cargas mas bajas
b. Costo de capital
moderadamente alto
Almacenaje, manejo,
sistema de inyecci6n
del amoniaco
Extiende el tiempo de
residencia
Extiende el tiempo de
residencia
Costo de capital muy
alto
Alto costo de operacidn
Ubicaci6n del
catalizador
Impactos
Requisites de
espacio
Deslizamiento
del amoniaco
Residues
t6xicos
Desecho
a. Geometria
del homo
Perfil de la
temperatura
b. Geometria
del horno
Perfil de la
temperatura
Perfil de la
temperatura del
horno
Perfil de la
temperatura del
horno
Requisites de
espacio
Desecho
Aplicabilidad
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
(s61ido
pulverizado)
Gas
Combustibles
Hquidos <•
Gas
Combustibles
liquidos
15
-------
Tabla 3. Tecnologias Para Limitar los NO, de Combustion Externa
T6cnica
Plasma No TeYmico
Inyectar Oxidante
Oxigeno en vez de Aire
Combustible ultrabajo
en nitr6geno
Use sorbentes en
(tecnologia de adici6n):
a. Combustion
b. Ducto a la Casa de
Bolsas
c. Ducto al Precipitador
Electrosta'tico
Escalonificaci6n del
Aire
Descripci6n
El agente reductor es
oxidado o se crea
oxidante en el flujo
Oxidante quimico
inyectado en el flujo
Utilizar oxigeno para
oxidar combustible
Utilizar combustible
bajo en nitrdgeno
Utilizar una sustancia
qui'mica para absrober
NOX o un adsorbente
para atraparlo.
Admitir aire en etapas
separadas
Ventajas
Costo moderado
Facil ubicaci6n
Alta remoci6n de NOX
Costo moderado
Costo moderado a alto
Combustion intensa
Elimina los NOX
combustibles
Sin costo capital
Puede controlar otros
contaminantes asi
como el NOX
Costo de operaci6n
moderado
Reduce la temperatura
de combusti6n pico
Desventajas
Posibilidad de viciado
Posibilidad de emision
de ozono
Remocibn de cicido
m'trico
Eliminaci6n de NOX
inmediatos
Alteracibn del horno
Aumento leve en el
costo de operaci6n
Costo de manejo del
sorbente
Espacio para
almacenamiento y
manejo del sorbente
Extiende la combustion
a un tiempo de
residencia mds largo a
temperatura mas baja
Impactos
Utiliza energia
ele'ctrica
Tecnologia de
adicidn
Equipo para
manejar
oxfgeno
Cambio
minimo
Tecnologfa de
adicitin
Afiade ductos y
reguladores
para controlar
el aire
Modificacion
de! horno
Aplicabilidad
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
ultrabajos en
NOX
Todos los
combustibles
Todos los
combustibles
f
16
-------
* ,f ' X
Tabla 3. Tecnologias Para Limitar los NO, de Combustion Externa
Tecnica
Escalonificaci6n del
Combustible
Descripci6n
Admitir combustible en
etapas separadas
Ventajas
Reduce la temperatura
de combusti6n pico
Desventajas
Extiende la combustion
a un tiempo de
residencia mas largo a
temperatura mas baja
Impactos
Aflade
inyectores de
combustible en
otras
ubicaciones
Modificacidn
del hormo
Aplicabilidad
Todos los
combustibles
17
-------
AIRE DE SOBREFUEGO (ASF)
\
Cuando la combustion primaria utiliza una mezcla rica en combustible, el uso del ASF completa la
combustion. Debido a que la mezcla esta siempre fuera de la relacion estequiometrica cuando esta
ocurriendo la combustion, la temperatura es mantenida baja. Despues de todas las otras etapas de
combustion, el resto del combustible se oxida en el aire de sobrefuego. Esto por lo general no es
una cantidad enormemente excesiva de aire.
QUEMADORES DE BAJO NO, (QBN)
Un QBN proporciona una llama estable que tiene varias zonas diferentes. Por ejemplo, la primera
zona puede ser combustion primaria. La segunda zona puede ser Re-quemado de Combustible
(RC) con combustible anadido para reducir los NOX quimicamente. El QNB ha producido hasta el
80 por ciento de £)./?£.17'18'32'33 Esta puede ser una de las tecnologias con alta DRE menos
costosas para la prevencion de la contamination. Los QNB ban tenido problemas con disenos
que tenian la llama adjunta a los quemadores, resultando en una necesidad de mantenimiento.
Creeemos que estos problemas de diseno ya deben ser cosa del pasado.
RECIRCULACION DEL GAS DE CHIMENEA (RGC)
La recirculacion del gas enfriado de chimenea reduce la temperatura diluyendo el contenido de
oxigeno del aire de combustion y causando que el calor sea diluido en una masa mayor de gas. El
calor en el gas de chimenea puede ser recuperado mediante un intercambiador de calor. Esta
reduction de temperatura disminuye la concentration de NOX que se genera. Si la temperatura de
combustion se mantiene por debajo de 1400°F, la formacion de NOX termales sera insigm'ficante.50
INYECCION DE AGUA O VAPOR
La inyeccion de agua o vapor causa que la estequiometria de la mezcla sea cambiada y agregue
vapor para reducir las calorias generadas por la combustion. Ambas acciones causan que la
temperatura de combustion sea mas baja. Si la temperatura se reduce lo suficiente, los NOX
termales no se formaran en una concentracion tan grande.
REDUCCION DEL PRECALENTAMIENTO DEL AIRE (RPA)
El aire es generalmente precalentado para enfriar los gases de chimenea, reducir las perdidas de
calor, y ganar eficiencia. Sin embargo, esto puede elevar la temperatura del aire de combustion a
un nivel en el que los NOX se forman con mayor facilidad. Al reducir el precalentamiento del aire,
la temperatura de combustion disminuye y la formacion de NOX es suprimida. Esto puede
disminuir la eficiencia, pero puede limitar la generation de NOX.
RE-QUEMADO DE COMBUSTIBLE (RC)
La re-circulacion del gas de chimenea enfriado con combustible anadido (este puede ser gas
natural, carbon pulverizado, o aun aceite atomizado) causa dilution de calorias, similar a la RGC,
18
-------
y la combustion primaria puede ser disminuida. Ademas, cuando se anade una etapa de
combustion secundaria, la presencia de combustible anadido reduce quimicamente los NOX recien
generados a nitrogeno molecular. El combustible anadido se consume solo parcialmente al reducir
los NOX y la quema se completa en una etapa posterior utilizando ya sea toberas de aire de _
combustion o de aire de sobrefuego. Se ha demostrado que esta tecnica es efectiva con tiempos
de residencia de 0.2 segundos a 1.2 segundos y ha logrado hasta el 76 por ciento de DRE.17
OPTIMIZACION DE LA COMBUSTION
v La optimization de la combustion se refiere al control active de la combustion. En una caldera
que utiliza gas natural, por medio de la disminucion de la eficiencia de combustion el 100 al 99
por ciento, la generation de NOX desciende a un nivel mucho mas aceptable.14-15 Para las calderas
que utilizan carbon, se ha experimentado una reduction en NOX del 20 al 60 por ciento. Estas
medidas activas de control de combustion buscan encontrar una eficiencia optima de combustion
y controlar la combustion (y por tanto las emisiones) a esa eficiencia. Otro planteamiento utiliza
un programa de red neural para encontrar el punto optimo de control.16 Aun otro planteamiento
es el uso de software (programas) para optimizar suministros para el output (rendimiento)
defmido.52'53
*Un vendedor disminuye la cantidad de aire que es pre-mezclado con combustible de la relacion
estequiometrica (la relacion que produce la llama mas caliente) para alargar la llama en el
quemador y reducir la velocidad de liberation del calor por unidad de volumen. Esto puede
funcionar donde los tubos de la caldera se encuentran bastante alejados del quemador. El
monoxido de carbono, el combustible sin quemar. y el combustible parcialmente quemado que
resultan pueden a continuation ser oxidados en el aire de sobrefuego a una temperatura mas baja.
La combustion debe ser optimizada para las condiciones que se presenten. Se ha reportado una
DRE del 50 por ciento.14
ESCALONIFICACION DEL AIRE
El aire de combustion se divide en dos corrientes. La primara corriente es mezclada con
combustible en una relacion que produce una 11am :• reductora. La segunda corriente es inyectada
corriente abajo de la llama y vuelve la relacion net, ligeramente excesiva en comparacion a la
relacion estequiometrica. Se ha reportado una DR. del 99 por ciento.51
ESCALONIFICACION DEL COMBUSTIBLE
Esta es la escalonificacion de la combustion utiliza to combustible en vez de aire. El combustible
se divide en dos corrientes. La primera corriente a icnta a la combustion primaria que opera en
una relacion reductora de combustible a aire. La st mda corriente es inyectada corriente abajo
de la combustion primaria, causando que la relacio ieta de combustible a aire sea solo
ligeramente oxidante. El combustible en exceso er combustion primaria diluye el calor para
reducir la temperatura. La segunda corriente oxida combustible mientras reduce el NOX a N2.
Se ha reportado que esto logra una DRE del 50 por nto.51
19
-------
OXIGENO EN VEZ DE AIRE PARA LA COMBUSTION
v
Un ejemplo de esto es un quemador de ciclon donde la llama es baja e intensa. El aire,
combustible, o vapor en exceso, inyectado justo despues de la camara de combustion por el
metodo 2 es suficiente para apagar rapidamente el gas de combustion por debajo de la
temperatura de formacion de los NOX. La combustion enseguida puede ser completada en aire de
sobrefuego. El oxigeno ahora puede ser separado del aire a un costo lo suficientemente bajo para
hacerlo economico.13 Esta tecnica ha reducido los NOX hasta en un 20 por ciento23 en quemadores
que utilizan combustible convencional. Esta tecnica tambien es utilizable con quemadores de bajo
NOX para prevenir que se formen los NOX inmediatos.
INYECCION DE OXIDANTE
La oxidacion de nitrogeno a sus estados de Valencia mas altos vuelve a los NOX solubles en agua.
Cuando se lleva a cabo esto, un absorbedor de gas puede ser efectivo. Los oxidantes que han sido
inyectados dentro del flujo de aire son el ozono, el oxigeno ionizado, o el peroxido de hidrogeno.
El plasma no termico genera iones de oxigeno dentro del flujo de aire para lograr esto. Otros
oxidantes necesitan ser inyectados y mezclados en el flujo. El acido nitrico puede ser absorbido
por agua, peroxido de hidrogeno, o un fluido alcalino. El calcio o el amoniaco disuelto en el agua
puede producir un fluido alcalino que reaccionara con los acidos nitrico y sulfurico para producir
una sal de nitrato o sulfato que puede ser recuperado. De manera alternativa, el uso de agua o
peroxido de hidrogeno para absorber a los NOX puede proporcionar acido nitrico para el mercado
comercial.
COMBUSTION CATALITICA
El uso de un catalizador para causar que la combustion ocurra por debajo de las temperaturas de
formacion de NO puede proporcionar un medio adecuado para limitar la temperatura. Esta
tecnica no es utilizada a menudo porque es muy sensitiva a la carga. Sin embargo, donde es
utilizada, la combustion catalitica puede lograr una concentration de NOX menor de 1 ppm en el
gas de chimenea.
COMBUSTIBLES ULTRA BAJOS EN NITROGENO
Estos combustibles pueden evitar los NOX que resultan del nitrogeno contenido en los
combustibles convencionales. El resultado puede ser una reduction de hasta el 70 por ciento en
las emisiones de NOX.43 Ahora existen aceites combustibles liquidos ultra bajos en nitrogeno.
Estos aceites contienen de 15 a 20 veces menos nitrogeno que el aceite combustible estandar no.
2. Este aceite ya esta disponible comercialmente y a precios competitivos. El aceite ultra bajo en
nitrogeno es utilizado mas frecuentemente en el Sur de California donde la contamination del aire
es un problema en particular. El gas natural puede ser considerado un combustible bajo en
nitrogeno. El coque (el material carbonizado del carbon) tambien puede ser un combustible
ultrabajo en nitrogeno porque el nitrogeno en la fraction volatil del carbon es removida durante la
production de coque.
20
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PLASMA NO TERMICO
v
Utilizando metano y hexano como agentes reductores, se ha demostrado que el plasma ho termico
remueve NOX en pruebas de laboratorio con un ducto reactor de solo 2 pies de largo. Los agentes
reductores fueron ionizados por un voltaje transiente que creo un plasma no termico. Los agentes
reductores reaccionaron con NOX y lograron una DRE del 94%. Existen indicaciones de que se
puede lograr una DRE aim mayor. Un vendedor comercial exitoso utiliza amoniaco como agente
reductor para reaccionar con los NOX en un plasma generado por un rayo de electrones. Tal
-reactor tan corto puede llenar los requisites de espacio de virtualmente cualquier planta. El
•reactor de plasma no termico tambien puede ser utilizado sin agente reductor para generar ozono
y usar ese ozono para aumentar la Valencia del nitrogeno para absorcion subsecuente como acido
nitrico.
COMBUSTION EXTERNA: TECNOLOGIA ANADIDA DE CONTROL
Los controles anadidos se aplican a un amplio rango de fuentes y combustibles. Esto difiere de
las tecnicas de prevencion de la contaminacion enumeradas anteriormente en que las tecnicas de
prevencion deben ser adaptadas a las circunstancias de su uso.
REDUCCION CATALITICA SELECTIVA (RCS)
La RCS utiliza un catalizador para inyectar amoniaco para reducir los NOX quimicamente. Puede
lograr una DRE de hasta un 94 por ciento34 y es una de las tecnicas de reduccion de NOX mas
efectivas. Sin embargo, esta tecnologfa tiene un costo inicial alto. Ademas, los catalizadores
tienen una vida finita en el gas de la chimenea y algo de amoniaco "se cuela" sin ser reaccionado.
Historicamente la RCS ha utilizado catalizadores de metales preciosos, pero ahora puede usar
catalizadores de metal base y zeolita. Los catalizadores de metal base y zeolita operan a
temperaturas mucho mas diferentes que los catalizadores de metales preciosos."
REDUCCION NO CATALITICA SELECTIVA (RNCS)
En la RSNC el amoniaco y la urea son inyectados dentro de una caldera o en ductos en una region
donde la temperatura esta entre 900°C y 1100°C. Esta tecnologia esta basada en la ionizacion
del amoniaco y la urea por medio de la temperatura en vez de usar un catalizador o plasma no
termico. Esta "ventana" de temperatura - que varia depende del autor - es importante debido a
que fuera de la ventana ya sea mas amoniaco se cuela o se genera mas NOX que lo que se esta
reduciendo quimicamente. Esta ventana de temperatura es diferente para la urea y el amoniaco.
La reduccion de los NOX por RSNC puede tener una DRE de hasta el 70 por ciento.23-35-43
21
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SORCION - AMBAS ADSORCION COMO ABSORCION
v
Varios metodos son utilizados para inyectar y remover adsorbente o absorbente. Un metodo
rocia piedra caliza seca en polvo dentro del gas de chimenea. La piedra caliza reacciona
enseguida con el acido sulfurico y el acido nitrico. Tambien existe un planteamiento con un
secador por atomizacion que rocia una suspension de cal en polvo y amoniaco acuoso dentro del
gas de chimenea. La piedra caliza reacciona preferencialmente con los NOX. La inyeccion en
ducto de sorbentes en seco es otro ejemplo de esta tecnica y puede reducir los contaminantes en
tres etapas: (1) en la camara de combustion, (2) en el ducto del gas de chimenea que conduce a la
casa de bolsas, y (3) en el ducto del gas de chimenea que conduce al precipitador electrostatico.
Los productos secundarios formados por sorcion son el yeso (sulfato de calcio) que se vende para
la manufactura de carton para pared, y el nitrato de amoniaco que se puede vender para producir
un explosivo o un fertilizante. Se reporta que la sorcion puede lograr hasta un 60 por ciento de
DRE23'31 Otra version utilizacarbon inyectado dentro del flujo de aire para concluir la captura
de NOX. El carbon es capturado en la casa de bolsas o el precipitador electrostatico justo como
otros sorbentes. Existen muchos absorbentes y adsorbentes disponibles.
PLANTEAMIENTOS DE TECNOLOGIA COMBINADA
Con muy poca frecuencia se utiliza un metodo o principio por solo. La seleccion depende del tipo
de sistema de combustion, tipo de caldera u otro dispositive de conversion de energia, y el tipo de
combustible usado. Las tecnologias se reduciran por la consideracion de la turndown (relacion de
reduccion), la estabilidad de combustion, la disponibilidad o acceso a los quemadores, los
controles del suministro de aire, las impurezas del combustible, y el costo entre otros factores.
Hay muchos ejemplos y he aqui algunos de ellos. La reduccion catalitica selectiva de NOX a N2
puede ser seguida por oxidacion selectiva del bioxido de azufre a trioxido de azufre. Despues se
forma acido sulfurico seguido por la absorcion de acido sulfurico del gas de chimenea.30
Los QBN pueden ser utilizados en conjuncion con la RCS o la RSNC para lograr una mayor DRE
en total que cualquiera de estas podrian lograr por si solas. La inyeccion de agua/vapor puede ser
usada con la RCS para lograr una DRE mayor de la que la RCS puede lograr por si sola. La
requema de combustible y la RCS pueden ser usadas juntas asi como por separado, para obtener
la reduccion maxima de NOX.57
COMBUSTION INTERNA
Ahora nos dirigimos hacia la combustion interna, que generalmente ocurre a presiones elevadas.
Una vez mas, dividimos las tecnologias entre las tecnicas para la prevencion de la contaminacion y
las tecnologias de adicion. Esto se muestra en la Tabla 4.
Estas tecnicas pueden ser usadas en combinacion. Las tecnicas para la prevencion de la
contaminacion no tienen que ser usadas por separado. Las tecnicas de adicion pueden ser usadas
en secuencia despues de una tecnica de prevencion de la contaminacion cuando no imponen
demandas conflictivas sobre el proceso.
22
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Tabla 4. Tecnologias Para Limitar los NO, de Combustion Interna
Prevention de Contamination
Quemadores de Bajo NOX
Inyeccion de Vapor/Agua
Combustion Catalitica
Relation Aire-Combustible y Tipo de Encendido
Carga Pre-Estratificada
Quemado Magro
Control de Adicion
Reduction Catalitica Selectiva (RCS)
Reduction No Catalitica
Reduction Catalitica No
Selectiva (RNCS)
Selectiva (RCNS)
Plasma No Termico
46
COMBUSTION INTERNA: METODOS DE PREVENCION DE LA
CONTAMINACION
QUEMADORES DE BAJO NOX (QBN)
Combinando el uso de QNB con una relation aire/combustible cuidadosamente controlada e
inyeccion de agua/vapor puede generar emisiones tan bajas como 10 ppm de las turbinas de gas.
INYECCION DE VAPOR O AGUA
Para reducir la temperatura de combustion, se puede mezclar vapor o agua con el flujo de aire.
Esto disminuye la temperatura de combustion por debajo de 1,400°F para limitar la generation de
NOX a alrededor de 40 ppm.46 Esto puede causar que aumente la concentration de CO e
hidrocarburos sin quemar emitidos por una turbina. Sin embargo, estos pueden ser quemados ya
sea por un lecho de catalizador, dispositive de poscombustion, u otra etapa de combustion. Este
combustible y calor que de otra manera serian desperdiciados tambien pueden ser recuperados en
calderas de cogeneracion.
COMBUSTION CATALITICA
r Se usa un catalizador para reaccionar el combustible con el aire a una temperatura menor de la
normal, a la cual no ocurre la generation de cantidades significantes de NOX. Se han reportado
emisiones por debajo de 1 ppm.46 Sin embargo, si esta combustion es para una turbina, la
eficiencia de la turbina puede depender del logro de una temperatura mas alta. Cuando se
encuentra presente un catalizador, Ud. solo necesita asegurar que los NOX no se formaran a la
temperatura de combustion que resulte.
Esta tecnologia tiene un costo de capital, operation y mantenimiento porque existe una inversion
23
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inicial sustancial y un costo de reemplazo para el catalizador. La necesidad de reemplazo y, por lo
tanto, los costos de reemplazo generalmente son guiados por las impurezas envel combustible. Sin
embargo, la combustion catalitica probablemente genera el nivel mas bajo de NOX termicos.
RELACION DE AIRE-COMBUSTIBLE Y TIPO DE ENCENDIDO
Para los motores de combustion interna, el retraso de la inyeccion o encendido por chispa, o una
relacion aire-combustible que se aleja de las condiciones estequiometricas reduciran la
temperatura maxima. Una temperatura pico mas baja limitara la cantidad de la formation de NOX.
Esta tecnica puede lograr una eficiencia de control de hasta el 50 por ciento.19'48
Cuando un catalizador de tres secciones es utilizado para motores con encendido de chispa, el gas
de escape no debe contener mas del 0.5 por ciento de oxigeno. Esta tecnica puede lograr una
efectividad de hasta un 98 por ciento.
El uso del encendido por plasma (una corriente alterna o sistema AC) en vez de un sistema de
encendido por una chispa de corriente directa (DC) tambien puede permitir un mayor alejamiento
fuel lean (magro en combustible) de la relacion estequiometrica. Se ha reportado que las
emisiones de NOX provenientes de motores de combustion interna que usan el encendido por
plasma pueden ser reducidas por hasta un 97 por ciento.20'21'45
El retraso de la inyeccion de combustible en un motor con encendido por compresion (diesel)
puede reducir las emisiones de NOX. La cantidad de esta reduction dependera del motor, el
sistema de valvulas, y el combustible. Un retraso excesivo del tiempo puede causar una
inestabilidad de combustion o mal encendido.48 Sin embargo, se encontraran algunas afirmaciones
de alta efectividad con un retraso ostentablemente excesivo.
CARGA PRE-ESTRATIFICADA (CPE)
La CPE se refiere a un motor equipado con una camara de precombustion que recibe una mezcla
lo suficientemente rica en aire/combustible para encender con confiabilidad. Esta camara de
precombustion dispara un chorro de llama dentro de la camara principal de combustion (cilindro).
La camara principal de combustion tiene una mezcla magra en combustible que necesita una llama
de precombustion para encenderla con confiabilidad. La llama inyectada tambien produce un
vortice en la camara principal de combustion que actiia como combustion de carga estratificada.
Esto enciende la mezcla magra del cilindro principal con funcionamiento seguro. LA CPE puede
lograr emisiones de NOX de 2 gramos por caballo de fuerza-hora (g/hp-hr) o 140 ppm.48
QUEMA POBRE
Los motores accionados por gas natural que operan con una relacion aire/combustible pobre en
combustible son capaces de lograr emisiones bajas en NOX. Estos pueden lograr menos de 1.0
gramo por caballo de fuerza-hora de acuerdo al despacho RACT-BACT-LAER Clearinghouse
(RBLC) (http://www.epa.gov/ttn/catc, despues seleccione RBLC).
24
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COMBUSTION INTERNA: TECNOLOGIA ANADIDA DE CONTROL
REDUCCION CATALITICA SELECTIVA (RCS)
Tal como con las calderas, la RCS puede ser utilizada para obtener hasta un 90 por ciento de
NOX. Cuando se usa con un QBN o inyeccion de vapor/agua, los NOX pueden reducirse a 5-10
ppm.46 Con motores de encendido por compresion, los catalizadores de zeolita logran una DRE
del 90 por ciento o mayor, mientras que los catalizadores con metales de base pueden lograr una
.DRE del 80 al 90 por ciento.48
REDUCCION CATALITICA NO SELECTIVA (RCNS)
La RCNS es la misma tecnica utilizada en aplicaciones automovilisticas como un convertidor
catalitico de tres secciones. No requiere la inyeccion de un agente reductor porque utiliza a los
hidrocarburos sin quemar como un agente reductor. El catalizador requiere que el escape tenga
no mas del 0.5 por ciento de oxigeno. Esta tecnica utiliza una mezcla rica en combustible que,
combinada con la presion reversa proveniente del flujo de escape a traves del catalizador, aumenta
el consumo de combustible brake-specific (especifico de freno) del motor. Sin embargo, se puede
lograr un control del 90 al 98 por ciento de NOX.48
REACTORES DE PLASMA NO TERMICOS
Este planteamiento utiliza un plasma no termico para ionizar amoniaco, urea, hexano, metano u
otros agentes reductores inyectados dentro del gas de chimenea. Combinados con el efecto de la
temperatura, el plasma no termico ioniza el agente reductor que reacciona con los oxidos de
nitrogeno logrando una DRE del 94 por ciento. Esto disminuye la cantidad de sustancias
quimicas reductoras que "se cuela" sin reaccionar.20'44 El uso del plasma no termico fue
desarrollado para ionizar contaminantes y actua como un catalizador para controlar NOX en el
escape de diesel.36
^AFECTA EL TIPO DE COMBUSTIBLE Y DE COMBUSTION LA MITIGACION?
Si, lo hacen. De nuevo aqui, encontramos un espectro de tipos, casi suficientes para que cada
turbina de gas, motor de combustion interna, caldera, u horno parezcan unicos. El tipo de
combustible puede variar con la vena de la mina de la que se obtuvo el carbon, el pozo en el
campo petrolero de donde provino el petroleo crudo, la refmeria para combustibles basados en
petroleo, o el proveedor de gas natural. Por tanto la concentracion de impurezas variara entre las
fuentes, refinerias, y proveedores. Aun el "gas natural" (propano, butano, y monoxide de
carbono) puede causar que varie la composition del "gas natural".
El tipo de sistema de combustion (quemador de bajo NOX, aire de sobrefuego, encendido
tangencial, encendido de pared, etc.) tambien algunas veces limitara las opciones a veces. Cada
tipo de caldera, cada tipo de combustible, cada sistema de combustion, y cada construction de
una caldera impone restricciones sobre lo que es posible. No es posible tratar cada combination
de sistema de combustion y combustible en detalle en este boletin tecnico; sin embargo,
25
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trataremos de mostrar el cuadro pintado mientras pintamos con brochazos anchos.
v
La selection de combustible y sistema de combustion a menudo depende de: (1) que puede o no
puede ajustarse; (2) si los ductos son adecuados para la sorcion; (3) que efecto tendra sobre el
mantenimiento de la caldera; (4) el perfil de la temperatura en el flujo; (5) como se puede
modificar el sistema de combustion; (6) que tipos de quemadores pueden ser utilizados; y (7) que
puede ser ya sea anadido o modificado. La lista no se termina aqui, sino que continua.
Consideremos algunos combustibles tomando en cuenta estas limitaciones.
COMBUSTIBLES SOLIDOS
Al quemar un combustible solido (tal como el carbon), el control de la combustion se logra
primero logrando que el quemador principal gasifique la fraccion volatil de un combustible. La
fraccion volatil es acarreada fuera del material carbonizado por el flujo de aire, oxidada en el flujo
de aire, y se vuelve gas de chimenea. El material carbonizado necesita mas aire de combustion
para quemar y proporcionar todavia mas calor, parte del cual se utiliza para volatilizar
combustible adicional. Para controlar la temperatura de combustion, usted tradicionalmente
limitaria el aire de combustion a traves de la fraccion de material carbonizado. La fraccion volatil
es oxidada en aire de sobrefuego o en una etapa secundaria de quemador y su aire debe ser
controlado por separado. El balance del aire de combustion entre estas etapas debe ser corregida
por la .composition de combustible utilizado, la carga de la caldera, y las cargas transitorias.
Debido a que todos estos parametros variaran continuamente, se recomiendan previsiones para
hacer ajustes de balanceo dinamicamente.
El carbon pulverizado puede ser quemado de manera similar al aceite. La llama es generalmente
bien definida y, dependiendo del tamano de las particulas, el char (residue de combustible cuando
todos los productos volatiles han sido quemados) puede permanecer en suspension en el gas de
chimenea a lo largo de la quema. La fraccion volatil se quema en el aire aun al estar quemandose
el material carbonizado. Si las particulas son demasiado gruesas, el material carbonizado sigue
quemandose en su trayectoria despues de abandonar la llama, pero deja de quemarse a cierto
punto. El tecnicismo para esto es "carbon sin quemar (CSQ)", "carbon en la ceniza (CEC)", o
"perdida de encendido (PDE)". Estos terminos se refieren al carbon en el material carbonizado
que no se quema a lo largo de la trayectoria. El CSQ es minimizado moliendo las particulas y
clasificandolas de manera que las mayores sean regresadas al molino de rodillo o triturador. Las
particulas se volveran cenizas sueltas si son lo suficientemente pequenas. Un CSQ en un rango
del 0.5 al 5 por ciento se considera aceptable. Por lo tanto, el tamano de las particulas en el
momento de encendido es importante. Las preocupaciones principales son por controlar la
estequiometria y la temperatura de combustion para minimizar el carbon sin quemar en la ceniza.
La biomasa es otro combustible solido, pero la quema del material carbonizado de la biomasa es
de menor preocupacion que con el carbon. La biomasa no puede ser pulverizada en particulas
mas pequenas, pero puede quemarse en cenizas en un tiempo corto. Tal como con la quema de
todo material carbonizado, la ceniza y la ceniza suelta son problemas, pero pueden ser tratadas
con una Have de escoria o deposito de cenizas, casa de bolsas, y/o precipitador electrostatico.
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COMBUSTIBLES LIQUIDOS
Los combustibles liquidos se q'ueman como la fraction volatil del combustible solido siempre que
las gotitas scan suficientemente pequenas. Los combustibles liquidos generalmente tienenun
contenido menor de nitrogeno que los combustibles solidos. La combustion de liquidos y gases
puede ser controlada mucho mas facilmente que el material carbonizado del combustible solido
porque la combustion es menos dependiente de la historia de los ultimos minutos transcurridos de
demanda. La combustion tambien es completada esencialmente sin ceniza residual. La relation
combustible-aire puede ser usada para controlar la temperatura de combustion y puede ser
ajustada para minimizar la generation de NOX. La llama puede ser bien definida y la combustion
es esencialmente completada dentro de la llama. For lo tanto, la quema de aceite o liquido del gas
es diferente de la quema de carbon debido a que generalmente hay: menos nitrogeno en el
combustible, una falta de material carbonizado, una quema completa dentro de la llama y una falta
de cenizas.
COMBUSTIBLES SEMI-SOLIDOS
Los combustibles semisolidos son residues de las refinerias. No se queman en limpio como los
destilados y seguido ni siquiera son liquidos a temperatura ambiental. Muchas impurezas
tipicamente presentes en el petroleo crudo estan concentradas en el combustible residual
semisolido. Estos combustibles pueden contener mas nitrogeno que carbon, pero por lo general
contienen menos azufre.50 Por lo tanto, los combustibles semisolidos se encuentran en medio del
carbon y el aceite. A menudo tienen algo menos de impurezas que el carbon (aunque pueden
tener mas impurezas), pero si producen cenizas.
COMBUSTIBLE GASEOSO
El gas natural es desulfurizado antes de ser enviado por una tuberia. Por lo tanto, el gas natural
casi no contiene azufre, esencialmente no contiene impurezas, y no tiene cenizas. Lo unico que
varia es el contenido de calor por metro ciibico. Este desacuerdo es causado por la
suplementacion del gas natural con propano, gas de petroleo liquido (butano), monoxido de
carbono, u otros combustibles gaseosos. Como resultado, la relation aire a combustible debe ser
controlable para compensar por los cambios en la relation estequiometrica.
SISTEMAS DE COMBUSTION
Para obtener ventaja de una tecnologia de reduction de NOX especifica, un sistema de combustion
'debe ya sea poseer ciertas caracteristicas, o las modificaciones del sistema necesarias deben ser
tecnica y economicamente posibles. Por lo tanto, al identificar las tecnologias de prevention de la
'contamination y control de emisiones, debemos considerar primero el diseno del sistema de
combustion. Los tipos principales de sistemas de combustion se muestran en la Tabla 5.23
27
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Tabla 5. Sistemas Comunes de Combustion
Tipo de Unidad de Combustion
Calderas de fondo seco - encendidas por la
pared, por el frente o al opuesto
Calderas de fondo seco - encendidas
tangencialmente
Calderas de fondo humedo (Have de escoria) -
quemadores tipo ciclon
Lecho fluidizado
Fogoneros con parrilla corrediza
Fogoneros con parrilla extendedora
Turbinas de gas
Motores de combustion interna
Combustible
carbon pulverizado,
carbon pulverizado,
carbon pulverizado,
gas, o liquido
gas, o liquido
gas, o liquido
carbon
carbon triturado
carbon triturado
gas y liquido
gas y liquido
Cada tecnologia de reduccion de NOX tiene implementaciones diferentes, historias de desarrollo
diferentes, y por lo tanto, una posicion comercial diferente. La seleccion de la tecnologia debe
ocurrir despues de un estudio de ingenieria para determinar la factibilidad tecnica y economica de
cada tecnologia de NOX. Esto incluye como puede ser implernentada cada tecnologia y su costo.
Las opciones pueden ser limitadas por la incapacidad de ajustar el flujo de aire del sistema de
combustion adecuadamente, ductos que se encuentran a la temperatura equivocada, o ductos que
son demasiado cortos para proporcionar un mezclado adecuado. Estos problemas pueden ser
resueltos, pero pueden requerir demasiadas modificaciones para hacerlos economicos.
CALDERAS DE FONDO SECO - ENCENDIDAS EN LA PARED,
POR EL FRENTE O EL LADO OPUESTO
Las calderas de fondo seco de carbon pulverizado, gas, y combustible liquido han utilizado
quemadores de bajo NOX para inyectar combustible y aire proveniente de las paredes inferiores.
Las calderas encendidas por el frente tienen quemadores sobre una pared. Las calderas
encendidas en el lado opuesto tienen quemadores sobre las paredes al frente y al fondo. Estas
calderas utilizan tipicamente metodos que reducen las temperatura maxima, reducen el tiempo de
residencia a la temperatura pico, o reducen los NOX quimicamente (metodos 1, 2 y 3). Estos
metodos son utilizados para calderas de termoelectricas en las que la eficiencia de combustion es
de toda importancia. La oxidacion de los NOX con absorcion y remocion de nitrogeno (metodos 4
y 5) representan tecnologias mas nuevas que pueden ser aplicadas en el futuro. El uso de un
sorbente (metodo 6) ya se encuentra en uso en algunas calderas. Vea la Tabla 6 para las
tecnologias de NOX utilizadas para calderas de fondo seco encendidas por la pared, por el frente o
al opuesto.
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Tabla 6: Tecnologias de NO, Utilizadas en Calderas de Fondo Seco Encehdidas en la Pared,
por el Frente o el Lado Opuesto.
Metodo de Reduccion de NOX
1 . Reducir la temperatura
maxima
2. Reducir el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requemado de Gas Natural (RON)
Quemadores de Bajo NOX (QBN)
Optimization de la Combustion
Quemadores Fuera de Servicio (QFS)
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor (IAV)
Precalentamiento Reducido del Aire
Escalonificacion del Aire de Combustion
Escalonificacion del Combustible de
Combustion
Inyectar vapor
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requema de Combustible (RC)
Quemadores de Bajo NOX (QBN)
Inyectar Oxidante
Reactor de Plama No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
Eficiencia
50-70%
50-70%
35-90%
60-80%
No Existen
Datos
60-90%
CALDERAS DE FONDO SECO - ENCENDIDAS TANGENCIALMENTE
Las calderas de fondo seco incendidas tangencialmente por carbon pulverizado, gas, o
combustible liquido utilizan propulsores a chorro desde cada esquina de un homo para inyectar
"combustible y aire de combustion en un remolino. La mezcla inyectada de combustible y aire de
'combustion forma una bola de fuego en el centre de la caldera. Esta configuration de encendido
se usa en termoelectricas medianas y calderas industrials grandes. Esta tecnica de combustion
mantiene a las temperaturas de la llama bajas (metodo 1). Ademas, la reduction quimica de NOX
(metodo 3) se usa con frecuencia. Las tecnicas de oxidacion de NOX (metodo 4) podrian ser
usadas en el futuro. Los sorbentes (metodo 6) ya son utilizados en algunas calderas. Vea la
Tabla 7 para las tecnologias utilizadas en las calderas de fondo seco incendidas tangencialmente.
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Tabla 7: Tecnologias de NOX Utilizadas en Calderas de Fondb Seco
Encendidas Tangencialmente.
Metodo de Reduccion de NOX
1 . Reducir la temperatura
maxima
2. Reducir el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requemado de Gas Natural (RGN)
Optimization de la Combustion
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor (IAV)
Precalentamiento Reducido del Aire
Escalonificacion del Aire de Combustion
Escalonificacion del Combustible de
Combustion
Inyectar Vapor
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
Eficiencia
50-70%
50-70%
35-90%
60-80%
No existen
datos
60-90%
CALDERAS DE FONDO HUMEDO CON LLAVE DE ESCORIA
Las calderas de fondo humedo con Have de escoria usan quemadores de ciclon para crear una
llama intensa. La llama es tan caliente que derrite la ceniza, que a su vez se convierte en escoria
que debe ser removida a traves de una Have de escoria. Se sabe que estas calderas tienen una
mayor generation de NOX debido a que la temperatura de combustion es tan alta. Como
resultado esta tecnica de combustion a alta temperatura no es usada ampliamente porque la
concentracion de NOX debe ser necesariamente mayor. La remocion de nitrogeno no combustible
como un reactivo del proceso de combustion (metodo 5) se aplica aqui. Reducir el tiempo de
residencia a la temperatura pico, la reduccion quimica de NOX y la oxidacion de NOX con
absorcion (metodos 2, 3 y 4) tambien se aplican a este sistema de combustion. Ademas, algunas
calderas con Haves de escoria pueden estar usando sorbentes (metodo 6). Hay reportes recientes
de que se ha usado la reduccion de la temperatura maxima (metodo 1) de manera que la ceniza
apenas se derrita. Vea la Tabla 8 para las tecnologias de NOX usadas en las calderas de fondo
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humedo con Have de escoria.
Tabla 8: Tecnologias de NOX Utilizadas en las Calderas
de Fondo Humedo, Have de escoria.
Metodo de Reduction de NOX
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
6. Removal of nitrogen
6. Usar un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requema de Gas Natural (RGN)
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor (IAV)
Precalentamiento Reducido del Aire
Escalonificacion del Aire de Combustion
Escalonificacion del Combustible de
Combustion
Inyectar vapor
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Usar Oxigeno en Vez de Aire
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Dut. tos
Eficiencia
50-70%
20-50%
35-90%
60-80%
No existen
datos
60-90%
LECHO FLUIDIZADO
La combustion en lecho fluidizado ocurre en un lecl
aire ascendente para hacer que las particulas de carb-
de la caldera puede estar ya sea sumergida en el lech
que abandonan el lecho. El lecho fluidizado es conti
tambien es una region quimicamente reductora en la -
carbon (metodo 3) que reduce la ionizacion del nitroj
(metodo 2) sobre el lecho fluidizado para completar ]
quemables. Esto permite la adicion de piedra caliza p
fluidizado. Los oxidos de azufre reaccionan enseguic
producto comerciable. El yeso debe ser separado de i
NOX puede ser limitada esencialmente a los NOX inm<
para las tecnologias de NOX utilizadas para las unidac
de carbon aplastado a traves del cual fluye
; se comporten como un fluido. La tuberia
o expuesta a los gases calientes despues de
lado por temperatura (metodo 1). El lecho
lal el oxi'geno disponible es consumido por
no. El aire en exceso es inyectado
combustion de CO y otros materiales
verizada (metodo 6) al carbon en el lecho
con la piedra caliza para formar yeso, un
ceniza. Como resultado, la generacion de
:atos y NOX combustibles. Vea la Tabla 9
de combustion en lecho fluidizado.
31
-------
Tabla 9: Tecnologias de NO, Utilizadas en las Unidades de Combustion
con Lecho Fluidizado.
Metodo de Reduction de NOX
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Usar un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requema de Gas Natural (RGN)
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (ME A)
Inyectar Vapor
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
Eficiencia
No existen
datos
No existen
datos
35-90%
60-80%
No Existen
Datos
60-90%
FOGONEROS CON PARILLAS CORREDIZAS
Los fogoneros con parrillas corredizas causan que el carbon se mueva a medida que se quema.
Asi el char de combustion se encuentra en una zona distinta mientras las sustancias volatiles son
liberadas y quemadas en otra zona. Estos fogoneros son utilizados comunmente con calderas
industrials que son mas pequenas que las termoelectricas. Reducir la temperatura maxima, la
reduccion quimica de NOX, y los sorbentes (metodos 1,3 y 6) se aplican por lo general. Quizas la
oxidacion de NOX (metodo 4) se aplique en el futuro. Vea la Tabla 10 para las tecnologias
utilizadas para los fogoneros con parrillas separadoras.
FOGONEROS CON PARRILLAS SEPARADORAS
Los fogoneros con parrillas separadoras lanzan carbon sobre la parrilla en una forma controlada.
El carbon es triturado, pero las particulas son tipicamente mas grandes que el carbon pulverizado.
Por lo tanto, la combustion de las sustancias volatiles empieza mientras el carbon se encuentra en
32
-------
Tabla 10: Tecnologias Utilizadas para los Fogoneros con Parrillas Separadoras.
Metodo de Reduccion de NOX
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requema de Gas Natural (RGN)
Optimization de la Combustion
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor
Precalentamiento Reducido del Aire
Escalonificacion del Aire de Combustion
Escalonificacion del Combustible de
Combustion
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Inyectar Oxidante
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
Eficiencia
35-50%
50-70%
55-80%
60-80%
No Existen
Datos
60-90%
vuelo y la combustion del material carbonizado ocurre sobre la parrilla. Este sistema es utilizado
con calderas algo mayores que los fogoneros con parrillas corredizas. Puede ser utilizado en
plantas generadoras de energia, pero este sistema de combustion se'usa principalmente para
calderas industriales. Tal como los fogoneros con parrillas separadoras, reduciendo la
temperatura maxima, la reduccion quimica de NOX, y los sorbentes (metodos 1 , 3 y 6) se aplican
por lo general. Quizas la oxidacion de NOX (metodo 4) se aplique en el future. Vea la Tabla 1 1
para las tecnologias de NOX utilizadas para fogoneros con parrillas separadoras.
TURBINAS DE GAS
turbinas de gas utilizan el ciclo Brayton con un quemador para elevar la temperatura del gas
despues de la compresion y antes de la expansion a traves de la turbina. Las turbinas usan
principalmente los plan teamientos que consisten en reducir la temperatura maxima y reducir el
tiempo de residencia (metodos 1 y 2) para limitar las emisiones de NOX. Debido a que la adicion
de particulas al flujo del aire introduciendose a la turbina aceleraria la erosion de las aspas de la
turbina, los sorbentes (metodo 6) solo podrian aplicarse despues de la expansion en la turbina. La
reduccion de NOX (metodo 3) ha sido utilizado para tratar los gases de escape. Muchos
33
-------
Tabla 11: Tecnologias de NOX Utilizadas en Fogoneros con Parrillas Separadoras.
Metodo de Reduccion de NO,
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Recirculacion del Gas de Chimenea (RGC)
Requema de Gas Natural (RGN)
Optimization de la Combustion
Aire de Sobrefuego (ASF)
Menos Exceso de Aire (MEA)
Inyectar Agua o Vapor
Precalentamiento Reducido del Aire
Escalonificacion del Aire de Combustion
Escalonificacion del Combustible de
Combustion
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Inyectar Oxidante
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Camaras de Combustion
Sorbente en Ductos
Eficiencia
50-65%
50-65%
35-80%
60-80%
No Existen
Datos
60-90%
operadores de turbinas aseveran que usan "practicas de combustion buenas" que reducen las
particulas que producen emisiones visibles (que ellos consideran como contaminacion), pero no
dicen nada sobre las emisiones de NOX que no son visibles.
Las unidades de co-generacion utilizan una turbina de gas y proveen combustion de aire
precalentado por una caldera. El tubo de escape de una turbina de gas es tipicamente 10-15%
oxigeno y puede ser usado para proveer vapor a otra turbina, un calentador de proceso, un
calentador ambiental o la combination de estos. Si la turbina es usada para generar electricidad,
puede restringir lo que pude hacerse. Particulas sorbentes pueden ser introducidas a un flujo
despues de dejar una turbina de gas para poder controlar los NOX. Tambien, se ban tenido
algunos exitos en la reduccion de la concentacion de NOX cuando se ha quemando combustibles
de biomasa. Vea la Tabla 12 para las tecnologias de NOX utilizadas en turbinas de gas..
34
-------
Tabla 12: Tecnologias de NO, Utilizadas en Turbinas de Gas.
Metodo de Reduccion de NOX
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3 . Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidacion de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Requemado de Gas Natural (RON)
Quemadores de Ultrabajo NOX
Inyectar Agua o Vapor
Precalentamiento Reducido del Aire
Combustion Catalitica
Escalonificacion del Aire de Combustion
Inyectar Vapor
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion No Catalitica Selectiva (RNCS)
Requemado de Combustible (RC)
Quemadores de Bajo NOX (QBN)
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en Nitrogeno
Sorbente en Ductos
Eficiencia
70-85%
70-80%
70-90%
No Existen
Datos
No Existen
Datos
60-90%
MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
Los motores de combustion interna usan una relacion de aire a combustible y sincronizacion de
encendido/inyeccion para controlar la temperatura maxima y el tiempo de residencia. Esto puede
reducir la concentration de NOX que es generada al reducir la temperatura pico (metodo 1). Los
ajustes a la sincronizacion de las valvulas puede reducir el tiempo de residencia a la temperatura
pico (metodo 2) para controlar la formation de NOX. La reduccion quimica de NOX (metodo 3) es
utilizada en los convertidores cataliticos para reducir los NOX a N2. Algunos motores
estacionarios usan el metodo 3 y la oxidacion de NOX (metodo 4) a la vez. Un reactor de plasma
no termal fue desarrollado para el tratamiento de las emisiones de diesel, pero de acuerdo a
nuestros conocimientos aun no se ha comercializado. Un sistema de ignition de plasma permite
mayor libertad en la relacion de aire a combustible y la sincronizacion del encendido de motores
"con encendido por chispa. Vea la Tabla 13 para las tecnologias de NOX utiilzadas por motores
estacionarios de combustion interna.
35
-------
Table 13: Tecnologias de NOX Actualmente Utilizadas en Motores Estacionarios de
Combustion Interna.
Metodo de Reduccion de NOX
1 . Reduciendo la temperatura
maxima
2. Reduciendo el tiempo de
residencia a la temperatura
maxima
3. Reduccion Quimica de NOX
4. Oxidation de NOX con
Absorcion Subsecuente
5. Remocion de Nitrogeno
6. Uso de un Sorbente
Tecnicas Disponibles Actualmente
Relation Aire/Combustible
Sincronizacion de la Ignicion/Tipo de
Ignition
Combustion Pre-Estratificada
Sincronizacion de la Valvula
Reduccion Catalitica Selectiva (RCS)
Reduccion Catalitica No Selectiva (RCNS)
Reactor de Plasma No Termico (RPNT)
Combustible Ultra Bajo en NOX
Sorbente en Ductos de Escape
Eficiencia
20-97%
No Existen
Datos
80-90%
80-95%
No Existen
Datos
60-90%
<,CUANTO CUESTA LA REDUCCION Y EL CONTROL DE NOX?
El costo de la reduction y el control de NOX ha ido cambiando rapidamente con reducciones
dramaticas en anos recientes. La Tabla 14 presenta el costo en 1993 tal como se encuentra en el
documento de Alternative Control Techniques Document NOX Emissions from
Industrial/Commercial/Institutional (ICI) Boilers (EPA 453/R-94-022), Tecnicas Alternativas
para Emisiones de NOX Provenientes de Calderas Industrials, Comerciales e Institucionales.
El EPA Region HI Low NOX Control Technology Study (1994), Estudio sobre la Tecnologia de
Controles de Bajo NOX de la Region III de la EPA en 1994, afirma que los quemadores de bajo
NOX tenian efectos tanto beneficiales sobre los costos de operacion como perjudiciales para los
quemadores, su expectativa de vida, y las calderas en que fueron instalados. La calidad del carbon
y algunos disenos de calderas causaron que los NOX permanecieran altos aun despues de que los
quemadores de bajo NOX fueron instalados. Los costos capitales se encuentraron en un rango de
$1.91 a $54.24 por kW. Los costos de operacion se encontraron en un rango de $-23,000 (una
ganancia) a $1,113,750 por ano. Por tanto, no se pudieron obtener presupuestos confiables del
costo respecto a la operacion de quemadores de bajo NOX. La calidad del carbon, la capacidad de
36
-------
Tabla 14. Costos de los Controles de NOX en 1993.
Dispositivo
de Control
QBN
Capital
Baja
S/MMBTU
650
QBN + RGC
RSNC
1.600
(ESTIMACION PARA 1994)
RCS
2.400
(ESTIMACION PARA 1993)
Capital
Alta
S/MMBTU
8.300
3.300
20.000
Operacidn
Baja
S/MMBTU
340
680
1.500
Operacion
Alta
S/MMBTU
1.500
1.200
5.800
Baja
S/tonelada
240
650
N/A
700
1.810
500
Alta
$/tonelada
4.300
7.630
N/A
1.300
10.900
2.800
la caldera y el disefio del quemador estuvieron entre las variables que influenciaron este costo.
Muchas plantas ni siquiera pudieron dar un presupuesto. La reduccion catalitica no selectiva
cuesta entre $700 y $1,300 por tonelada de NOX reducido. La reduccion catalitica selectiva cuesta
entre $500 y $2,800 por tonelada de NOX reducido.25 Sin embargo, el costo por tonelada de NOX
removida para todas las tecnologias parece ser cada vez menor.
Estos costos varian de acuerdo a la tecnica de control, tipo de combustible, grado de combustible,
tamano de caldera, motor o turbina, tipo de caldera, o turbina y otros factores. Otros costos
tambien cambiaban con el tiempo. Por lo tanto usted necesita examinar los costos de estas
tecnologias de control de NOX para una aplicacion especifica y a un tiempo particular.
Estos presupuestos de costo preliminares seran reducidos todavia mas a manera que se gane
experiencia de operacion, se agudice la competencia, y las iteraciones de diseno eliminen el alto
mantenimiento o los rasgos que acortan la vida. La confianza en esta perspectiva del future esta
basada en reportes de que algunos usuarios de quemadores de bajo NOX que ya habian observado
en 1994 que los costos de operacion podrian ser reducidos para hacer que la incorporation de
esta tecnologia redituara una ganancia neta. Los costos de la RCS y la RNCS tambien podrian
haber disminuido todavia mas alia puesto que hoy ya existe competencia por estas tecnologias.
Este analisis fue respaldado por las cantidades de costo de 1997. Estas se presentan en la Tabla
15. Esta tabla proviene de Analyzing Electric Power Generation Under the CAAA26 (El Analisis
de la Generation de Energia Electrica Bajo la Enmienda del Acta de Aire Limpio). Parece ser que
la competencia y los disenos mejorados todavia estan guiando los costos hacia abajo. La tabla fue
presentada en esa publication y se presenta aqui para su conveniencia.
37
-------
Tabla 15. Costos de los Controles de NOX en 1997.
Generation de Energia Electrica Bajo la Enmienda del Acta de Aire Limpio (CAAA) —
Presupuesto de Costos26
Tipo de Caldera
Incendiado por
Pared
Incendiado por
Pared
Incendiado Tang.
Tipo de Control
QBN sin ASF
QBN con ASF
QBN con ASF
QBN Inc.Tang. con ASFS
QBN Inc.Tang. con AASF
Quemadores de
Celda
Ciclon
Fondo Humedo
Incendiado
Vertical
Control de Combustion
No Conectado
Requemado de Carbon
Control de Combustion
Control de Combustion
RCS -Vel.Baja de NOX
RCS -Vel.Alta de NOX
RNCS -Vel.Baja de NOX
RNCS-Ciclon
RNCS -Vel.Alta de NOX
Requem. Gas Nat. -Bajo
Requem. Gas Nat. -Alto
Costo de
Capital,
$/kW
16,8
22,8
32,3
34,7
46,7
22,8
70,7
9,6
10,8
69,7
71,8
16,6
9,6
19
32,4
32,4
O&M
Fijos,
$/kW/ano
0,25
0,35
0,49
0,53
0,71
0,34
1,07
0,14
0,17
6,12
6,38
0,24
0,14
0,29
0,49
0,49
O&M
Variables,
mils/k\Vh
0,05
0,07
0
0
0,02
0,07
0,25
0,05
0,05
0,24
0,4
0,82
1,27
0,88
%de
Control
67,5
67,5
47,3
52,3
57,3
60
50
50
40
70
80
40
35
35
40
50
Notese que en la Tabla 8 se usan los siguientes acronimos:
QBN es un quemador de bajo NOX
AASF son ambos aires de sobrefuego: acoplado de cerca y por separado
ASF es aire de sobrefuego acoplado de cerca
Control de Combustion es control combinado
ASFS es el aire de sobrefuego por separado
El The Institute of Clean Air Companies (Institute de Companias de Aire Limpio) tambien
sugiere que en 1999 la RCS costara entre $50 y $80 por kW para un retrofit (agregacion de
equipo a unidades existentes), que se relaciona a entre $400 y $ 1,800 por tonelada de NOX que es
destruido.34 Su presupuesto de costo para la RNCS varia entre $5 y $15 por kW, que se relaciona
a entre $400 y $2,000 por tonelada de NOX que es destruido.35 La efectividad de costo no se
correlaciona unicamente con la capacidad de la caldera - otras variables tales como el tipo y la
38
-------
calidad del combustible, el tipo de caldera, el diseno de RNCS/RCS, etcetera entran dentro del
analisis. - v
Aunque el estudio Performance of Selective Catalytic Reduction on Coal-fired Steam Generating
Units (Funcionamiento de la Reduction Catalitica Selectiva en Unidades Generadoras de Vapor
que Utilizan Carbon) trataba de Alemania, cito un rango de costo reciente para la RCS de $52 a
$77 por kW, con unidades de retrofit tendiendo hacia costos mas bajos. Asi, los costos en
Alemania fueron muy parecidos a los costos en los Estados Unidos, excepto que los costos de
retrofit son generalmente mas altos en los Estados Unidos.
La Tabla 16, Costos de Unidades para Tecnologias de NOX para Fuentes Estacionarias No
Utilitarias, proviene del reporte Ozone Transport Rulemaking Non-Electricity Generating Unit
Cost Analysis (Analisis de Costo para Unidades No Generadoras de Electricidad, Reglamentacion
del Transporte de Ozono). El reporte rue preparado para la EPA por Pechan-Avanti Group.
Indica las eficiencias y los presupuestos de costo para varias tecnologias de NOX para el ano 2007.
Esto parece ser una estimation conservadora de la eficiencia y el costo. Las eficiencias indicadas
en la tabla tienden a ser menores que las eficiencias demostradas actualmente. Los costos se
basaron en information historica y, por lo tanto, deben ser presupuestos altos debido a que los
costos de la tecnologia de NOX parecen ir descendiendo con el tiempo. La tabla se incluyo aqui
para indicar la eficiencia relativa y el costo de las tecnologias de NOX para tipos especificos de
sistemas de combustion.
El documento Alternative Control Techniques Document—Emissions from Stationary
Reciprocating Internal Combustion Engines (Tecnicas Alternativas de Control—Emisiones
Provenientes de Motores Estacionarias de Combustion Interna), contiene algoritmos de costo
para las tecnicas de prevention de la contamination y tecnologia de control aplicadas a los
motores de combustion interna. Los costos para la elimination de NOX van desde $250 a $1,300
por tonelada para motores mayores de 1,000 caballos de fuerza. Para motores menores el costo
va de $400 a mayor de $3,500 por tonelada.
iSON SUFICIENTES ESTOS METODOS?
SI, estos metodos son suficientes para alcanzar el objetivo actual de reducir las emisiones de NOX
por 2 millones de toneladas debajo de las emisiones de 1980.47 El objetivo parece estar fijo en un
nivel que se puede lograr basandose en el estado de la tecnologia de NOX en 1996. Sin embargo,
tendremos que ver si la realization de nuestro objetivo actual proporciona el alivio requerido. Un
grupo de normas todavia mas exigente pudiera ser necesario en algiin tiempo future.
Como una nation de alta tecnologia y con una gran poblacion urbana y suburbana, dependemos
de los automoviles, autobuses, aviones, ferrocarriles, y camiones para la transportacion. Ademas
dependemos de la energia electrica para las computadoras, las luces, el aire acondicionado y el
comercio. Por lo tanto, parecemos estar atrapados en un dilema, puesto que, mientras que
dependemos de la transportacion, los vehiculos producen la mayoria de nuestros NOX. Mientras
39
-------
Tabla 16: Costos Unitarios para las Tecnologias de Control de NO, para Fuentes
Estacionarias que No Son Termoelectricas.
Tipo de Fuente/Tipo de Combustible
Calderas de ICI - Carb6n/Pared
Calderas de ICI - Carb6n/Pared
Calderas de 1C! - Carb6n/Pared
Calderas de ICI - Carb6n/CQR
Calderas de ICI - Carb6n/Fogonero
Calderas de ICI - Carb6n/Ciclon
Calderas de ICI - Carb6n/Ciclon
Calderas de ICI - Carb6n/Ciclon
Calderas de ICI - Carbbn/Ciclon
Calderas de ICI - Aceite Residual
Calderas de ICI - Aceite Residual
Calderas de ICI - Aceite Residual
Calderas de ICI - Aceite Residual
Calderas de ICI - Aceite Destilado
Calderas de ICI - Aceite Destilado
Calderas de ICI - Aceite Destilado
Calderas de ICI - Aceite Destilado
Calderas de ICI - Gas Natural
Calderas de ICI - Gas Natural
Calderas de ICI - Gas Natural
Calderas de ICI - Gas Natural
Calderas de 1C! - Gas Natural
Calderas de ICI - Lefla/Corteza/CQR
Calderas de ICI - Lefta/Corteza/CQR
Calderas de ICI - ASM/ Fogonero
Calderas de ICI - Gas de Proceso
Calderas de ICI - Gas de Proceso
Calderas de ICI - Gas de Proceso
Calderas de ICI - Gas de Proceso
Calderas de ICI - Coque
Calderas de ICI - Coque
Calderas de ICI - Coque
Calderas de ICI - GPL
Calderas de ICI - GPL
Calderas de ICI - GPL
Calderas de ICI - GPL
Calderas de ICI - Bagasse
Calderas de 1C! - Residues Liquidos
Calderas de ICI - Residues Liquidos
Calderas de ICI - Residues Liquidos
Calderas de ICI - Residues Liquidos
Motores de Combusti6n Interna - Aceite
Motores de Combusti6n Intema - Aceite
Tecnologia de Control
RNCS
QBN
RCS
RNCS - Urea
RNCS
RNCS
Requemado de Carb6n
NCR
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
OT + IA
RCS
RNCS - Urea
RNCS - Amoniaco
RNCS - Urea
QBN
QBN + RGC
OT + IA
RCS
RNCS
QBN
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
RNCS - Urea
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
IR
RCS
Porcentaje de
Reducci6n (%)
40
50
70
75
40
35
50
55
80
50
50
60
80
50
50
60
80
50
50
60
65
80
55
55
55
50
60
65
80
40
50
70
50
50
60
80
55
50
50
60
80
25
80
Temporada de Ozono
Efectividad de Costo
(S1990/tonelada)
Pequefia* Grande*
1.870
3,490
2,910
1,220
1.810
1,480
3.730
3,730
1.840
940
5.600
2,670
3.460
2.810
10.080
5.960
6.480
1.950
8.400
6.110
1.620
5,190
2.090
1.660
2.610
1.950
6,110
1.620
4.990
1.870
3.490
2.910
2.810
10.000
5.960
6.240
2.090
940
5.560
2.670
3.320
1.840
4.690
1,380
2,600
2450
910
1,350
1,110
710
710
1,560
1,020
1.950
920
1.840
4.950
3.520
1.810
3.460
1.560
2,930
1.420
760
2.770
1.430
1.210
1.830
1,560
1.420
760
2.570
1.380
2.600
2.450
4.950
3.440
1.810
3.220
1,430
.020
.910
920
,710
.160
.850
40
-------
Tipo de Fuente/Tipo de Combustible
Motores de Combusti6n Interna - Gas
Motores de Combustion Intema - Gas
Motores de Combusti6n Interna - Gas
Motores de Combusti6n Interna - Gas
Motores de Combusti6n Interna - Gas
Motores de Combusti6n Interna - Gas
Motores de CI - Gas, Diesel, GPL
Motores de CI - Gas, Diesel, GPL
Turbinas de Gas - Aceite
Turbinas de Gas - Aceite
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Gas Natural
Turbinas de Gas - Combustible para Propulsi6n
Turbinas de Gas - Combustible para Propulsion
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Destilado
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Aceite Residual
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
Calentadores de Proceso - Gas Natural
- Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Calentadores de Proceso - Gas de Proceso
Porcentaje de
Tecnologia decontrol - Reducci6n (./o)
IR
RELACION AF
AF + IR
L-E (Velocidad Mediana)
L-E (Velocidad Baja)
RCS
IR
RCS
Inyeccidn de Agua
RCS + Inyeccion de Agua
Inyeccion de Agua
Inyecci6n de Vapor
QBN
RCS + QBN
RCS +lnyeccion de Vapor
RCS + Inyecci6n de Agua
Inyeccion de Agua
RCS + Inyeccion de Agua
QBN
QBN + RCG
RNCS
QUBN
RCS
QBN + RNCS
QBN + RCS
QBN + RGC
QBN
RNCS
QUBN
QBN + RNCS
RCS
QBN + RCS
QBN
QBN + RGC
RNCS
QUBN
RCS
QBN -i- RNCS
QBN + RCS
QBN
QBN + RGC
RNCS
QUBN
RCS
QBN + RNCS
QBN + RCS
20
20
30
87
87
90
25
80
68
90
76
80
84
94
95
95
68
90
45
48
60
74
75
78
92
34
37
60
73
75
75
91
50
55
60
75
75
80
88
50
55
60
75
75
80
88
. Temporada de Ozono
vEfectividad de Costo
(S1990/tonelada)
Pequefta* Grande*
2,430
3,730
3.430
890
4,000
5.547
1.840
4,690
3,080
4,240
3,590
2.490
1,170
4,850
3.750
5,040
3,080
4.240
8,290
10,130
6,210
5.110
18.970
7,160
18,770
8.330
6,010
3.730
3,080
4,730
10,560
11,170
5.250
7,610
5.560
3,580
24,840
6,960
23.880
5,250
7,610
5,560
3,580
24,840
6.960
23.880
1,320
900
1,080
N/A
1,500
1,075
1,160
1,850
1,540
1,860
1,750
1,190
240
1,140
1,570
2,060
1,540
1.860
2,320
4.000
3,230
1,450
12.520
3,630
10,910
3,290
1,690
2,050
860
2,5)0
7.170
6,550
4,290
5.890
3.740
2,870
16.760
5,080
16,500
4,290
5,890
3.740
2,870
16.760
5080
16,500
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
QBN
45
8.290
2.320
41
-------
Tipo de Fuente/Tipo de Combustible
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Gas Propano Liquido
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Calentadores de Proceso - Otro Combustible
Manufactura de Acido Adipico
Manufactura de Acido Adipico
Manufactura de Acido Nitrico
Manufactura de Acido Nitrico
Manufactura de Acido Nitrico
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Recipiente - Manufactura de Vidrio
Manufactura de Vidrio - Piano
Manufactura de Vidrio - Piano
Manufactura de Vidrio - Piano
Manufactura de Vidrio - Piano
Manufactura de Vidrio - Piano
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Vidrio - Prensado
Manufactura de Cemento - Seco
Manufactura de Cemento - Seco
Manufactura de Cemento - Seco
Manufactura de Cemento - Seco
Manufactura de Cemento - Seco
Manufactura de Cemento - Humedo
Manufactura de Cemento - Humedo
Manufactura de Cemento - Humedo
Molinos de Hierro y Acero - Recalentado
Molinos de Hierro y Acero - Recalentado
Molinos de Hierro y Acero - Recalentado
Molinos de Hierro y Acero - Recocido
Molinos de Hierro y Acero - Recocido
Molinos de Hierro y Acero - Recocido
_ , Porcentaje de
Tecnologia de Control
Reducci6n (%)
QBN + RGC
RNCS
UQBN
RCS
QBN + RNCS
QBN + RCS
QBN + RGC
QBN
RNCS
UQBN
QBN + RNCS
RCS
QBN + RCS
Reduccion Termica
Absorcidn Extendida
Absorcion Extendida
RCS
RNCS
Empuje Ele'ctrico
Precalentado del cullet
QBN
RNCS
RCS
OXY-Encendido
Empuje Electrico
QBN
RNCS
RCS
OXI-Encendido
Empuje Electrico
Precalentado del cullet
QBN
RNCS
RCS
OXI-Encendido
Endendido de Homo Medio
QBN
RNCS - Basado en Urea
RNCS - Basado en NH,
RCS
Encendido de Homo Medio
QBN
RCS
LEA
QBN
QBN + RGC
QBN
QBN + RGC
RNCS
48
60
74
75
78
92
34
37
60
73
75
75
91
81
86
95
97
98
10
25
40
40
75
85
10
40
40
75
85
10
25
40
40
75
85
30
30
50
50
80
30
30
80
13
66
77
50
60
60
Jemporada de Ozono
Efectividad de Costo
(51990/tonelada)
Pequefta* Grande*
10,130
6,210
5,110
18,970
7,160
18,770
8.330
6,010
3,730
3,080
4.730
10,560
11.170
1.000
210
840
1,010
940
17,050
2,240
4,040
3,320
4,550
10.960
5,540
1,660
1,380
1,490
4,530
20.910
1.930
3,570
3,080
5.170
9,310
1,110
1.340
1,280
1,490
6,850
1.010
1,260
5,840
3.160
720
900
1.350
1.790
3.130
4,000
3,230
1.450
12,520
3,630
10.910
3.290
1.690
2,050
860
2.510
7.170
6.550
1.000
210
840
1.010
940
17,050
2.240
4.040
3.320
4.550
10.960
5.540
1.660
1.380
1.490
4.530
20.910
1.930
3,570
3.080
5.170
9.310
1.110
1,340
1,280
1.490
6.850
1.010
1,260
5.840
3.160
720
900
1.350
1.790
3.130
42
-------
Tipo de Fuente/Tipo de Combustible
Molinos de Hierro y Acero - Recocido
Molinos de Hierro y Acero - Recocido
. Molinos de Hierro y Acero - Recocido
Molinos de Hierro y Acero - Galvanizado
Molinos de Hierro y Acero - Galvanizado
Combustores de Residues Municipales
Incineradores de Residues Medicos
Calentones de Espacio - Aceite Destilado
Calentones de Espacio - Aceite Destilado
Calentones de Espacio - Aceite Destilado
Calentones de Espacio - Aceite Destilado
Calentadores de Espacio - Gas Natural
Calentadores de Espacio - Gas Natural
Calentadores de Espacio - Gas Natural
Calentadores de Espacio - Gas Natural
Calentadores de Espacio - Gas Natural
Reformadores Encendidos por Amoniaco. No Gas
Reformadores Encendidos por Amoniaco, No Gas
Reformadores Encendidos por Amoniaco. No Gas
Reformadores Encendidos por Amoniaco. No Gas
Reformadores Encendidos por Amoniaco. No Gas
Reformadores Encendidos por Amoniaco y Aceite
Reformadores Encendidos por Amoniaco y Aceite
Reformadores Encendidos por Amoniaco y Aceite
Reformadores Encendidos por Amoniaco y Aceite
Hornos de Cal
Hornos de Cal
Hornos de Cal
Hornos de Cal
Hornos de Ca!
Incineradores Comunitarios e Industriales
Incineradores Industriales
Hornos Recuperadores de Pulpa de Sulfato
Hornos Recuperadores de Pulpa de Sulfato
Homos Recuperadores de Pulpa de Sulfato
Hornos Recuperadores de Pulpa de Sulfato
Hornos Recuperadores de Pulpa de Sulfato
Prod de Amoniaco. Desulfurizacion de Alimento
Produccion de Plasticos - Especificos, (ABS) Resina
Manufactura de Almidon; Operaciones Combinadas
Manufactura de Productos Secundarios del Coque,
Porcentaje de
Tecnologla de Control Reducci6n (%)
QBN + RNCS
RCS
QBN + RCS
QBN
QBN + RGC
RNCS
RNCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
OT + IA
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
OT + IA
RCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
RCS
Encendido de Horno Medio
QBN
RNCS - Basada en Urea
RNCS - Basada en NH,
RCS
RNCS
RNCS
QBN
RNCS
QBN + RGC
OT + IA
RCS
QBN + RGC
QBN + RGC
QBN + RGC
RNCS
80
85
90
50
60
45
45
50
50
60
80
50
50
60
65
80
50
50
60
65
80
50
50
60
80
30
30
50
50
80
45
45
50
50
60
65
80
60
55
55
60
Temporada de Ozono
Efectividad de Costo
($1990/tonelada)
Pequefta* Grande*
3,460
8,490
9,070
1.170
1,370
2.140
8.570
2,810
10.000
5.960
6.240
1.950
8.330
6.110
1.620
4.990
1.950
8.330
6.110
1.620
4.990
940
5.560
2.670
3.320
1.110
1.340
1.280
1.490
6.850
2.140
2.140
1,950
8.330
6.110
1.620
4.990
6,110
7.610
7.610
3.130
3,460
8.490
9,070
1,170
1,370
2.140
8.570
4.950
3.440
1.810
3.220
1.560
2,860
1.420
760
2.570
1.560
2.860
1.420
760
2.570
1.020
1.910
920
1.710
1.110
1.340
1.280
1.490
6.850
2,140
2.140
1.560
2.860
1.420
760
2,570
1.420
5. .890
5.890
3.130
Encendido Bajo del Homo
43
-------
Tipo de Fuente/Tipo de Combustible Tecnologia de Control „ . . „
Reducci6n (%)
Fundici6n Primaria del Cobre, Horno de Fund. Repetida QBN + RGC
Produccion de Hierro; Horno Explosive; Estufas de QBN + RGC
Calentamiento Explosive
Producci6n de Acero; Contenedores de Remojo QBN + RGC
Equipo Encendido por Combustible; Calentadores de QBN + RGC
Proceso, Gas Propano
Prod. Secund de Aluminio. Horno de Fund y Repeticion QBN
Fundiciones de Acero, Horno de Tratamiento por Calor QBN
Equipo Encendido por Combustible; Hornos. Gas Natural QBN
Concrete Asfaltico, Secador Rotatorio. Planta Conv. QBN
Manufactura de Arcilla Ceramica. Secado QBN
Lavado del Coque-Secador Termico; Lecho Fluidizado QBN
Manuf Fibra de Vidrio, Tipo Textil. Horno de Recup QBN
Arena/Grava, Secador QBN + RGC
Unidades de Cracking con Cat Fluido; Un de Cracking QBN + RGC
Recubierto Conv. de Producto, Baflo de Lavado en AcidoQBN
Produccion de Gas Natural, Compresores RCS
En Proceso, Coque Bituminoso: Horno de Cemento RNCS - Basada en Urea
En Proceso; Coque Bituminoso, Homo de Cal RNCS - Basada en Urea
En Proceso. Coque Bituminoso, Generico RNCS
Uso de Combustible en Proceso, Aceite Residual, Gen QBN
Uso de Combustible en Proceso, Gas Natural, Gen QBN
En Proceso, Gas de Proceso, Horno de Coque/ Explosion QBN + RGC
En Proceso, Gas de Proceso, Gas del Horno de Coque QBN
Operaciones de Recubrimiento de Superficies; QBN
Calentadores de Recubr. de Superficies; Gas Natural
Residues Toxicos, Guv ; Otros Incineradores; Fango RNCS
60
77
60
55
50
50
50
50
50
50
40
55
55
50
20
50
50
40
37
50
55
50
50
45
Temporada de Ozono
Efectividad de Costo
v (51990/tonelada)
Pequefia* - Grande*
1,790
900
1.790
7.610
1,350
1.350
1,350
5,250
5,250
3,490
4,040
7,610
7.610
5.250
5,547
1.280
1.280
1.420
6.010
5.250
7.610
5,250
5.250
2.140
1.790
900
1.790
5.890
1,350
1,350
1.350
4.290
4.290
2.600
4.040
5.890
5.890
4.290
1,075
1.280
1.280
1.060
1.690
4.290
5.890
4.290
4,290
2.140
NOTA *Los valores del costo por tonelada de fuentes pequeftas son utilizados para estimar los costos de control para todas las fuentes con
emisiones de NOX en 1995 por debajo de 1 tonelada diaria Si el valor de base diario de NON en la temporada de ozono es de una
tonelada o mas, se utiliza el valor del costo por tonelada de las fuentes grandes
N/A = no es aplicable La poblacibn de motores de velocidad mediana que utilizan gasolina se consideran pequefios
44
-------
consumimos energia electrica como parte de nuestra economia de mercado, ^generation de
energia electrica tambien genera por encima del 40 por ciento de nuestros NOX provenientes de
fuentes estacionarias en 1995.34
Tambien necesitamos generar menos NOX sin tomar en cuenta el nivel de ionizacion del nitrogeno.
Actualmente en 1999, no somos capaces de hacer esto. Por lo tanto, debemos hacer lo mejor que
podamos y esperar que aguantemos mientras buscamos el descubrimiento y la reduction de costo
de la "tecnologia mejor" que sea capaz de alcanzar el objetivo de sustentabilidad. El material de
referencia sugiere que la tecnologia de prevencion de la contaminacion y control de vanguardia en
1999 es capaz de alrededor de un 94 a 99 por ciento de control de NOX o 1 a 5 ppm de NOX.27-28
Como todos conocemos, la tecnologia a la vanguardia siempre cuesta mas debido a que la
ingenieria aun no ha cambiado de factibilidad a reduction de costo, y la competencia en la
tecnologia no esta completamente desarrollada. Por lo tanto, podemos esperar que la tecnologia
sea mas economica con el tiempo y tambien que mejore su capacidad. Deberiamos esperar
observar un cambio de objetivo con el tiempo a medida que avanza la tecnologia, y a medida que
el objetivo alcanzable se vuelve mas exigente y mas posible economicamente. Una vez, las
capacidades que tenemos hoy parecian mas alia de la imagination, y los costos parecian
prohibitivos. Vivimos en un tiempo interesante donde la tecnologia de prevencion, reduction, y
control de NOX se esta volviendo mas capaz y mas economica.
CONCLUSIONES
1. Los combustibles diversos requieren diferentes tecnicas de combustion, reduction y control.
Los carbones diversos poseen un contenido variable de ingredientes volatiles. El contenido de
nitrogeno del combustible es importante, como lo son el contenido de azufre, plomo, mercurio y
otros contaminantes. Se han desarrollado combustibles ultrabajos en nitrogeno y ya son
competitivos en costo. De este modo, podemos lograr algun control de NOX a partir de las
concentraciones disminuidas de nitrogeno en el combustible sin invertir en disenos modificados de
quemadores.29
2. El disefio de la caldera, el motor de combustion interna, o la turbina de gas tiene un efecto
principal en la operation. La formation de NOX tiende a aumentar con un aumento de la
capacidad de la caldera, debido a que las calderas mas grandes tienden a tener una combustion
mas intensa con mayores temperaturas de combustion y un mayor tiempo de residencia para los
gases de chimenea. Lo mismo parece ser cierto para los motores y las turbinas.
3. La escalonificacion de la combustion es implicita en varias tecnicas de prevencion de la
contaminacion. La aplicacion en conjunto (o el uso de tecnologia de control hibrida) de tecnicas
de control de NOX (primero RNCS, despues RCS en el ducto, y despues sorcion antes del
precipitador electrostatico a lo que se le refiere como "lustrar") se ha utilizado para lograr una
reduction en total de mas de 90 por ciento del NOX y 80 por ciento del SOX, aun sin usar
quemadores de bajo NOX para disminuir la generation de NOX.
45
-------
4. La combustion de gas natural y destilados de petroleo puede ser controlada de una manera casi
igual que la combustion de carbon pulverizado. Las mayores diferencias entre el carbon y el gas
natural o aceite son que el gas y el aceite: (1) generalmente son mas bajos en azufre y ceniza; (2)
por lo general son mas bajos en nitrogeno; y (3) probablemente son mas bajos en plomo y
mercurio. De este modo, el gas y el aceite no desactivan el catalizador usado en la reduction
catalitica selectiva (RCS) a la misma velocidad que lo hacen el carbon o los combustibles
semisolidos.
5. Los productos semisolidos de petroleo pueden en realidad tener niveles mas altos de azufre,
nitrogeno y otras impurezas que el carbon. No tienen tanto material carbonizado o ceniza como el
carbon, pero tienen mas que los destilados mas ligeros.
6. Debemos esperar que tendencia en declive del costo de la tecnologia de control continue a
medida que se adquiere experiencia, las tecnicas de encendido se adaptan a los combustibles, las
fallas en el diseno son corregidas, y aparecen nuevos disenos. Debemos esperar ver a los costos
volverse menores por la competencia entre los proveedores de tecnologias con exito.
7. La tecnologia de control de NOX parece capaz de mas que solo alcanzar el objetivo actual de la
EPA y esto debe proporcionar creditos de emision que pueden ser intercambiados con aquellas
firmas que decidan continuar emitiendo emisiones controladas deficientemente. La venta de estos
creditos por plantas sobrecontroladas pueden contrarrestar aun mas cualquier costo neto que se
incurra en adoptar estas tecnologias.
8. Los sistemas de control de NOX ya se encuentran disponibles. La disponibilidad de estas
tecnologias fue parte de la base del NOx SIP Call y los reglamentos del Titulo IV.
9. Ha habido una incentiva economica para hacer la combustion mas eficiente y para innovar las
maneras de controlar los oxidos de nitrogeno. Sin embargo, la cantidad de tiempo y dinero que
debe ser invertida para una prueba a toda escala de una estrategia es significante. La aceptacion
requiere que una tecnologia se pruebe y tenga exito antes de que aun se contemple una prueba a
mayor escala. Esto demora la aceptacion de tecnicas mejoradas.
10. Parece no haber ninguna tecnologia de control que sea claramente superior para todos los
sistemas de combustion, calderas, motores, o combustibles. A falta de un ganador en claro, uno
debe seleccionar combustibles y tecnologia de contr NOX ol ya sea entre aquellas ya probadas, o
de un numero creciente de ideas nuevas y prometedoras.
11. El fin de la busqueda de tecnologias de control todavia no esta a la vista, y la busqueda debe
continuar. Las investigaciones en el pasado deben de necesidad dar respuestas ambivalentes,
porque hay tantos factores conflictivos. Sin embargo, con un costo menor de $150 por tonelada
de NOX prevenida y con hasta el 80 por ciento de eficiencia de control, el quemador de bajo NOX,
donde es aplicable, parece estar entre las tecnologias menos caras de control de emisiones. La
RCS es mas cara, pero se puede obtener hasta el 94 por ciento de eficiencia de control. La RNCS
46
-------
puede ser adoptada sin el costo inicial de catalizador, aunque es algo menos efectiva. Las
tecnologias de QBN, RCS y RNCS son todas viables a lo largo de un amplio espectro de
aplicaciones.
10. La investigacion y el desarrollo tendran que continuar para buscar respuestas mas efectivas y
tratar de balancearlas contra el costo y la eficiencia. El costo se reducira a medida que la
tecnologia avance, se adquiera experiencia en la operacion, la competencia se agudize, las fallas
en diseno se corrijan, y se vuelvan disponibles mejores disenos. La confiabilidad solo se puede
adquirir con el tiempo. El costo se reducira con el tiempo y la experiencia. Ademas debemos
esperar que el nivel de efectividad de la tecnologia de prevention y control de la contamination
mejore con el tiempo.
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www. ccinet. ab. ca/casa/nitrogen. htm
2. Pollution Engineering Magazine Online
www. manufacturing, net... eng/archives/199 5/poll 0401.95/04adp3fl). htm
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47
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15. Active Control of a Natural Gas-Fired Burner
ucicl. eng. uci. edu/research/active-control/
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57. Advanced Reburning for SIP Call NOx Control, EPRI-DOE-EPA Combined Utility Air
Pollution Control Symposium: The MEGA Symposium, Atlanta, August 1999
The Following are General Background References, which were used for general information.
They were used in multiple places. The facts presented were also used to develop a consistent
picture of NOX generation and abatement technology in the face of many conflicting claims and
pieces of data. They also were used to understand and reconcile the conflicts in data from
different combustion devices.:
Performance of Selective Catalytic Reduction on Coal-fired Steam Generating Units, U.S. EPA.,
Acid Rain Division, 1997
Alternate Control Techniques Document - NOX Emissions from Iron and Steel Mills
EPA-453/R-94-065
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52
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TECHNICAL REPORT DATA
(Please read Instructions on reverse before completing)
1. REPORT NO 2.
EPA-456/F-00-002
4. TITLE AND SUBTITLE
Oxidos de Nitrogeno (NOX), i For Que y Como Controlan?
7. AUTHOR(S)
9. PERFORMING ORGANIZATION NAME AND ADDRESS
Clean Air Technology Center (MD-12)
Information Transfer and Program Integration Division
Office of Air Quality Planning and Standards
U.S. Environmental Protection Agency
Research Triangle Park, NC 27711
12 SPONSORING AGENCY NAME AND ADDRESS
U.S. Environmental Protection Agency
Office of Air Quality Planning and Standards
Research Triangle Park, NC 27711
3. RECIPIENT'S ACCESSION NO.
5 REPORT DATE
November 1999
6. PERFORMING ORGANIZATION CODE
8 PERFORMING ORGANIZATION REPORT NO
10 PROGRAM ELEMENT NO
11. CONTRACT/GRANT NO
13 TYPE OF REPORT AND PERIOD COVERED
Final
14 SPONSORING AGENCY CODE
15 SUPPLEMENTARY NOTES
For more information, call the CATC Information Line at (919) 541-0800 or access the CATC Web page
at www.epa.gov/ttn/catc
16 ABSTRACT
This is the Spanish version of EPA-456/F-99-006a. The purpose of this document is to educate people
about nitrogen oxides, how they are formed, the danger that they represent, and how emissions can be
controlled. This knowledge is needed to make an informed choice of the control technology that is to be
used.
17 KEY WORDS AND DOCUMENT ANALYSIS
a DESCRIPTORS
nitrous oxide, nitric oxide, nitrogen dioxide,
dinitrogen pentoxide, nitrous acid, nitric acid,
ozone, volatile organic compounds, VOC,
generation, pollution prevention, control
technology, control technologies, emission
control, acid rain, combustion, boilers, gas
turbines, internal combustion engines, cost of
emission controls, air pollution
18. DISTRIBUTION STATEMENT
Release Unlimited, Available from the OAQPS
TTN Web Page and NTIS
b IDENTIFIERS/OPEN ENDED TERMS
air pollution control technology,
combustion, pollution prevention,
nitrogen oxides, boilers, internal
combustion engines, diesel engines
19 SECURITY CLASS (Report)
Unclassified
20. SECURITY CLASS (Page)
Unclassified
c COSATI Field/Group
21 NO. OF PAGES
22. PRICE
EPA Form 2220-1 (Rev. 4-77) PREVIOUS EDITION IS OBSOLETE
53
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