EPA-452/F-03-063
Hoja de Datos- Tecnologia de Control
de la Contaminacion del Aire
Nombre de la Tecnologia: Reduccion Catalitica Selectiva (Selective Catalytic Reduction, SCR).
Tipo de Tecnologia: Dispositive de Control - Reduccion Quimica por medio de un agente reductory un
catalizador.
Contaminantes Aplicables: Oxidos de Nitrogeno (NOx)
Limites de Emision Alcanzables/Reduccion: La SCR es capaz de eficiencias de reduccion de NOx en el
rango de 70% al 90% (ICAC, 2000). Reducciones mayores son factibles, pero generalmente no son
efectivas en costo.
Tipo de Fuente Aplicable: Punto.
Aplicaciones Industrials Tipicas: Unidades estacionarias de combustion de combustible fosil, tales como
calderas generadoras de electricidad, calderas industriales, calentadores de proceso, turbinas de gas y
motores reciprocantes de combustion interna. Ademas, la SCR ha sido tambien aplicada a plantas de acido
nftrico. (ICAC, 1997)
Caracteristicas de la Emision:
a. Tamaho de la Unidad de Combustion: En los Estados Unidos, la SCR ha sido aplicada a
calderas generadoras de electricidad que queman carbon y gas natural de tamano que varia de
250 a 8,000 MMBtu/hr (25 a 800 MW)(EPA, 2002). La SCR puede ser efectiva en costo para
calderas industriales grandes y calentadores de proceso que operan con factores de capacidad
altos o moderados (>100 MMBtu/hr 6 >1 OMW para unidades que queman carbon y >50 MMBtu/
hr 6 >5MW para unidades que queman gas). La SCR es una tecnologia ampliamente usada en
turbinas grandes de gas.
b. Temperatura: La reaccion de reduccion de NOx es efectiva solamente dentro de un rango de
temperatura dado. El rango optimo de temperatura depende del tipo de catalizador utilizado y la
composicion del gas de combustion. Las temperaturas optimas varian desde 480°F a SOOT
(250°C a 427°C) (ICAC, 1997). Los sistemas de SCR tipicos toleran fluctuaciones en la
temperatura de ± 200°F (± 90°C) (EPA, 2002).
c. Carga de Contaminantes: La SCR puede alcanzar eficiencias de reduccion altas (>70%) en
concentraciones de NOx tan bajas como 20 partes por millon (ppm). Niveles mas altos de NOx
resultan en un incremento en el rendimiento, sin embargo, a concentraciones porencima de 150
ppm, la razon de reduccion no incrementa significativamente (Environex, 2000). Los niveles altos
de azufre y materia particulada (PM) en la corriente del gas residual aumentan el costo el costo
de la SCR.
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d. Otras Consideraciones:
El escabullimiento de amoniaco se refiere a las emisiones de amoniaco no reaccionado debido
a la reaccion incompleta del NOxy el reactive. Los escabullimientosde amoniaco puden causar:
1) formacion de sulfatos de amonio, los cuales pueden tapar 6 corroer a los componentes del
sistema corriente abajo, y 2) la absorbcion del amoniaco en la ceniza flotante, la cual puede puede
afectar la disposition o la reutilizacion de la ceniza. En los Estados Unidos, los niveles permitidos
de escabullimiento de amoniaco son de 2 a 10 ppm. El escabullimiento de amoniaco a estos
niveles no resulta en la formacion de pluma de contaminante ni en peligros para la salud. La
optimization del proceso despues de la instalacion puede disminuir los niveles de escabullimiento
de amoniaco.
Las emisiones de gas de combustion con altos niveles de materia particulada (MP) pueden
requerirunsopladorde hollm. Los sopladores de hollmson instaladosen el reactor del SCR para
reducir la deposition de la materia particulada en el catalizador. Tambien reduce el ensuciamiento
del equipo corriente abajo a causa de los sulfatos de amoniaco.
La presion del gas residual disminuye significativamente mientras fluye a traves del catalizador.
La aplicacion de la SCR generalmente requiere la instalacion de un ventilador de tiro inducido
nuevo 6 uno mejorado para recobrar la presion.
Requisites del Pre-tratamiento de las Emisiones: El gas de combustion puede requerir calentamiento
para subir la temperatura al rango optimo para la reaccion de reduccion. El azufre y la MP pueden ser
removidos del gas de combustion para reducir la desactivacion del catalizador y el ensuciamiento del equipo
corriente abajo.
Informacion de Costos:
Los costos de capital son significativamente mas altos que otros tipos de controles de NOx debido al gran
volumen de catalizador que se require. El costo del catalizador es de aproximadamente 10,000 $/m3 (283
$/ft3).
. Una caldera de gas natural de 350 MMBtu/hr (135MW/hr) operando al 85% de capacidad, requiere
aproximadamente 17 m3 (600 ft3) de catalizador. Para una caldera de carbon del mismo tamano, el
catalizador requerido esta por el orden de 42 m3 (1,500 ft3). (NESCAUM 2000).
La SCR es una tecnologia patentada y los disenos en unidades grandes de combustion son especificos al
sitio donde se aplican. La reconversion de la SCR en una unidad existente puede aumentar los costos mas
de un 30% (EPA, 2002). El aumento en costos es debido primordialmente a las modificaciones a los ductos,
al costo del acero estructural y a la construction del reactor. Pueden requerirse la reubicacion de equipo y/o
la demolition de estructuras a gran escala, para proporcionarsuficiente espacio para el reactor.
Los costos de operation y mantenimiento (O&M) se rigen por el uso del reactive, la reposition del catalizador
y el incremento en el uso de electricidad. Las aplicaciones de la SCR en unidades grandes (>100 MMBtu/hr
6 10MW/hr) generalmente requieren de 20,000 a 100,000 galones de reactive por semana (EPA, 2002).
La vida operativa del catalizador esta en el orden de 25,000 horas para unidades de carbon y 40,000 horas
para unidades de combustoleo y de gas (EPA, 2002). El plan de manejo del catalizador debe ser
desarrollado de manera tal, que solo una fraction del inventario del catalizador, en vez del volumen entero,
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sea reemplazado a la vez. Asi se distribuyen los costos de reposition y de disposition del catalizador mas
uniformemente a lo largo de la vida del sistema.
Los costos de operation y de mantenimiento (O&M) y los costos portonelada de contaminante removido son
afectados en gran manera por el factor de capacidad y si la SCR se utiliza estacionalmente o todo el ano.
Tabla 1a: Resumen de Information de Costos en $/MMBtu/hr (Dolares de 1999)
Tipo de Unidad
Caldera Industrial - Carbon
Caldera Industrial
Combustoleo, Gas, Madera c
Turbina de Gas Grande
Turbina de Gas Pequena
Costo de Capital
($/MMBtu)
10,000-15,000
4,000-6,000
5,000-7,500
17,000-35,000
Costo de O&M
($/MMBtu)
300
450
3,500
1,500
Costo Anual
($/MMBtu)
1,600
700
8,500
3,000
Costo porTonelada
de Contaminante
Removido
($/ton)
2,000-5,000
1,000-3,000
3,000-6,000
2,000-10,000
Tabla 1a: Resumen de Information de Costos en $/MW (Dolares de 1999)
Tipo de Unidad
Caldera Industrial - Carbon
Caldera Industrial
Combustoleo, Gas, Madera c
Turbina de Gas Grande
Turbina de Gas Pequena
Costo de Capital
($/MW)
1,000-1,500
400 - 600
500 - 750
1,700-3,500
Costo de O&M
($/MW)
30
45
350
150
Costo Anual
($/MW)
160
70
850
300
Costo porTonelada
de Contaminante
Removido
($/ton)
2,000-5,000
1,000-3,000
3,000-6,000
2,000-10,000
(ICAC, 1997; NESCAUM, 2000; EPA, 2002)
Assumiendo un factor de capacidad del 85% y control anual de NOx
c La SCR instalada en una caldera activada por madera asume un precipitador electrostatico en el "lado
caliente" para la remocion de PM
Los costos anuales y de O&M estan basados en una caldera de SSOMMBtu, y los costos de O&M y anuales
para turbinas de gas estan basados en turbinas de 75 MW y 5 MW.
Teoria de la Operacion:
El proceso de la SCR reduce quimicamente la molecula de NOx a nitrogeno molecular y vapor de agua. Un
reactive a base de nitrogeno tal como el amoniaco o la urea se inyecta en los ductos, corriente abajo de la
unidad de combustion. Los gases de combustion se mezclan con el reactive y entran a un modulo reactor
que contiene un catalizador. Los gases de chimenea calientes y el reactive se difunden a traves del
catalizador. El reactive reacciona selectivamente con el NOx dentro de un rango de temperatura especifico
y en presencia del catalizador y oxigeno.
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Reduce/on Catalitica Selectiva (SCR)
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La temperatura, la cantidad del agente redactor, el diseno de la rejilla de inyeccion del amoniaco y la
actividad del catalizadorson los factores prinicipales que determinan la eficiencia de remocion real. El uso
del catalizador resulta en dos ventajas principales del proceso de la SCR sobre la SNCR : eficiencia de
control de NOx mas alta y reacciones dentro de un rango mas amplio y mas bajo. Los beneficios se
acompanan por un incremento significative en los costos de capital y de operacion.
El catalizador esta compuesto de metales activos o ceramicas con una estructura altamente porosa. Las
configuraciones de los catalizadores son generalmente de disenos de panal y de placa de metal plisada
(monolito). La composicion del catalizador, el tipo y las propiedades fisicas afectan el funcionamiento, la
confiabilidad, la cantidad de catalizador requerido y el costo. El proveedordel sistema de SCR y el proveedor
del catalizador generalmente garantizan la vida del catalizador. Los disenos mas nuevos de catalizadores
aumentan la actividad del catalizador, el area de superficie por unidad de volumen y el rango de temperatura
para la reaccion de reduccion.
La actividad del catalizadores una medida de la razon de la reaccion de reduccion de NOx. La actividad del
catalizadores una funcion de muchas variables incluyendo la composicion del catalizadorysu estructura,
las razones de difusion, las razones de transferencia de masa, la temperatura del gas y la composicion del
gas. La desactivacion del catalizador es causada por:
envenenamiento de los sitios activos por constituyentes del gas de combustion,
sinterizacion termica de los sitios activos debido a las altas temperaturas dentro del reactor,
taponamiento/cegado/ensuciamiento de los sitios activos por sales de amoniaco y azufre y
materia particulada, y
erosion debida a altas velocidades de gas.
A medida que la actividad del catalizador disminuye, la remocion del NOxdisminuye y el escabullimiento de
amoniaco aumenta. Cuando el escabullimiento de amoniaco alcanza el nivel maximo del diseno o el
permitido por la ley, debe instalarse un nuevo catalizador. Son varias las diferentes localidades corriente
abajo de la unidad de combustion donde puede instalarse el sistema de la SCR. La mayoria de las
aplicaciones de carbon situan el reactor corriente abajo del economizadory corriente arriba del calentador
de aire y de los dispositivos de control de particulado (lado caliente). El gas de combustion en esta localidad
esta usualmente dentro del rango de temperatura optima para reacciones de reduccion de NOx que utilizan
catalizadores de oxidos de metal. La SCRtambien puede seraplicada despues del equipo de remocion de
azufre y MP (lado frio), sin embargo, puede requerirse el recalentamiento del gas de combustion, lo cual
incrementa significativamente los costos de operacion.
LA SCR es efectiva en costo en unidades que queman gas. Se requiere menos catalizador, ya que la
corriente del gas residual tiene niveles mas bajos de NOx, azufre y MP. Las turbinas de gas de ciclo
combinado usan frequentemente la tecnologia de SCR para la reduccion de NOx. Un diseno tipico de SCR
de ciclo combinado coloca la camara del reactor despues del supercalentador dentro de una cavidad del
sistema de recuperacion de calor del generador de vapor. La temperatura del gas de combustion en esta
area esta dentro del rango operative de catalizadores de base de metal.
La SCR puede ser utilizada separadamente 6 en combination con otras tecnologias de control de
combustion de NOx tales como quemadores de bajo NOxy requemado de gas natural. La SCR puede ser
disenada para proveer reducciones de NOxdurante todo el ano o solo durante la temporada de ozono.
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Ventajas:
Reducciones mas altas de NOxen comparacion a los quemadores de bajo NOxy la
Reduccion Selectiva No Catalitica (Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)
Es aplicable a fuentes con bajas concentraciones de NOx
Las reacciones ocurren dentro de un rango de temperatura mas bajo y mas amplio que en la
SNCR
No requiere modificaciones a la unidad de combustion
Desventajas:
Costos de capitales y de operacion significativamente mas altos que los quemadores de bajo
NOx y la SNCR
La reconversion de la SCR en calderas industriales es dificil y costosa
Se requieren grandes cantidades de reactor y catalizador
Puede requerir limpieza del equipo corriente abajo.
Resulta en amoniaco en la corriente del gas residual, lo cual puede impactar la visibilidad de
la pluma y la reventa o dispocion de la ceniza.
Referencias:
EPA, 1998. U.S. Environmental Protection Agency, Innovative Strategies and Economics Group, "Ozone
Transport Rulemaking Non-Electricity Generating Unit Cost Analysis", Prepared by Pechan-Avanti Group,
Research Triangle Park, NC. 1998.
EPA, 1999. US Environmental Protection Agency, Clean Air Technology Center. "Technical Bulletin:
Nitrogen Oxides (NOx), Why and How They Are Controlled". Research Triangle Park, NC. 1998.
EPA, 2002. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air Quality Planning and Standards. EPA Air
Pollution Control Cost Manual Section 4 Chapter 2. EPA 452/B-02-001. 2002.
http://www.epa.qov/ttn/catc/dir1/cs4-2ch2.pdf
Gaikwad, 2000. Gaikwad, Kurtides, and DePriest. "Optimizing SCR Reactor Design for Future Operating
Flexibility". Presented at the Institute of Clean Air Companies Forum 2000. Washington D.C.
ICAC, 1997. Institute of Clean Air Companies, Inc. "White Paper: Selective Catalytic Reduction (SCR)
Control of NOx Emissions". Washington, D.C. 1997.
ICAC, 2000. Institute of Clean Air Companies. "Optimizing SCR Reactor Design for Future Operating
Flexibility". Washington, D.C. 2000.
NESCAUM, 2002. Northeast States for Coordinated Air Use Management. "Status Reports on NOx
Controls for Gas Turbines, Cement Kilns, Industrial Boilers, and Internal Combustion Engines:
Technologies & Cost Effectiveness". Boston, MA. 2002.
OTAG 1998. OTAG Emissions Inventory Workgroup. "OTAG Technical Supporting Document: Chapter
5". Raleigh, North Carolina, US Environmental Protection Agency. 1998.
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