Capítulo 1. Controles de NOx. 1.1 Generalidades


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1 Capítulo 1 Controles de NOx 1.1 Generalidades Los óxidos de nitrógeno (NO x ) son compuestos de nitrógeno y oxígeno que se forman en las combustiones con exceso de oxígeno y altas temperaturas. El término óxido de nitrógeno puede referirse a cualquiera de ellos: Óxido nítrico u óxido de nitrógeno (II), NO. Dióxido de nitrógeno, NO 2. Óxido nitroso o monóxido de dinitrógeno, N 2 O. Trióxido de dinitrógeno, N 2 O 3. Tetraóxido de dinitrógeno, N 2 O 4. Pentóxido de dinitrógeno, N 2 O 5. El monóxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno constituyen dos de los óxidos de nitrógeno más importantes toxicológicamente; ninguno de los dos es inflamable. El monóxido de nitrógeno es un gas a temperatura ambiente de olor dulce penetrante, fácilmente oxidable a dióxido de nitrógeno. Mientras que el dióxido de nitrógeno tiene un fuerte olor desagradable. El dióxido de nitrógeno es un líquido a temperatura ambiente, pero se transforma en un gas pardo-rojizo a temperaturas sobre los 21 C. Los óxidos de nitrógeno son degradados rápidamente en la atmósfera al reaccionar con otras sustancias comúnmente presentes en el aire. La reacción del dióxido de nitrógeno con sustancias químicas producidas por la luz solar lleva a la formación de ácido nítrico, el principal constituyente de la lluvia ácida. El dióxido de nitrógeno reacciona con la luz solar, lo cual lleva a la formación de ozono y smog en el aire que respiramos. Los óxidos de nitrógeno son liberados al aire desde el escape de vehículos motorizados (sobre todo diésel), de la combustión del carbón, petróleo o gas natural, y durante procesos tales como la soldadura por arco, galvanoplastia, grabado de metales y detonación de dinamita. También son producidos comercialmente al hacer reaccionar el ácido nítrico con metales o con celulosa. En los procesos de combustión mientras que el gas de combustión se encuentra dentro de la unidad de combustión, cerca del 95% del NOx existe en forma de óxido nítrico (NO). El resto es dióxido de nitrógeno (NO2), el cual es 3

2 inestable a altas temperaturas. Una vez que el gas de combustión es emitido a la atmósfera, la mayor parte del NOx es finalmente convertido a no2. El NOx en la atmósfera reacciona en presencia de la luz solar para formar ozono (O3), uno de los contaminantes criterios para el que se han establecido normas nacionales de la calidad del aire ambiental en base a efectos en la salud. En la Figura 1.1 se muestra el ciclo del dióxido de nitrógeno- ozono. El dióxido de nitrógeno se descompone en presencia de la luz solar para formar oxígeno atómico y monóxido de nitrógeno. El oxígeno atómico se combina con el oxígeno atmosférico para formar ozono. Para completar el ciclo, el monóxido de nitrógeno y el ozono se combinan para formar dióxido de nitrógeno y oxígeno. Figura1.1 Ciclo del dióxido de nitrógeno- ozono Los óxidos de nitrógeno juegan un papel diferenciado en el ciclo del ozono troposférico: el dióxido de nitrógeno (NO 2 ) cataliza la formación de ozono, mientras que el óxido nítrico conduce a su destrucción (NO). Los NO x poseen una gran trascendencia en la formación de la mezcla de niebla, humo y vapores e intervienen en el fenómeno de la lluvia ácida. En altas concentraciones, producen problemas respiratorios sobre la salud humana, problemas de crecimiento y clorosis en la vegetación, y son capaces de corroer tejidos y materiales diversos. La principal fuente de emisión de NO x se encuentra en el sector transporte, debido a las reacciones de combustión de los vehículos El NOx se genera de una de tres formas; NOx combustible, NOx térmico y NOx inmediato. El NOx combustible es producido por la oxidación del nitrógeno en 4

3 la fuente del combustible. La combustión de combustibles con alto contenido de nitrógeno, tales como el carbón y los aceites residuales, produce mayores cantidades de NOx que aquellos con bajo contenido de nitrógeno, tales como aceite destilado y gas natural. El NOx térmico se forma por la fijación de nitrógeno y oxígeno molecular a temperaturas mayores a 3600 F (2000 C). El NOx inmediato se forma de la oxidación de radicales de hidrocarburos cerca de la flama de la combustión. El conocimiento de los factores físicos que controlan la formación de los óxidos de nitrógeno, pueden ser usados para definir los mecanismos y/o técnicas para reducir las emisiones de NO x en sistemas de combustión. A continuación se exponen estos técnicas. 1.2 Reducción del exceso de aire. Como se sabe de acuerdo con el equilibrio químico, los óxidos de nitrógeno se forman a partir de N 2 y O 2 a altas temperaturas, es decir, en la zona de la flama, por lo que al reducir la concentración de oxígeno en esta zona disminuye la concentración de NO x. Este método es efectivo únicamente para los combustibles fósiles líquidos y sólidos debido a que el contenido de nitrógeno en los combustibles gaseosos es mínimo y la formación de los NO x se debe principalmente a la formación térmica. Se han obtenido datos de algunas plantas que utilizan combustibles líquidos y gaseosos. Como se puede observar en la Figura 1.2 a niveles bajos de oxígeno se tienen concentraciones bajas de óxidos de nitrógeno. Figura 1.2 Efecto del exceso de O 2 sobre la formación de NO x. 5

4 En años recientes se han desarrollado técnicas de operación de equipos de combustión de combustibles líquidos con bajo exceso de aire, de 2 al 5 % (0.4 a 1 % de O 2 ) cuando convencionalmente se utiliza de 10 a 20 % (2 a 4 % de O 2 ). Desafortunadamente el operar a bajo exceso de aire causa problemas de formación de humo, emisiones de monóxido de carbono y trióxido de azufre. 1.3 Recirculación del flujo gaseoso La recirculación de una porción del flujo gaseoso en la zona de combustión, reduce la concentración de los NO x térmico y control a la temperatura de la flama. Un efecto típico de la recirculación de los gases en la emisión de NO x es mostrado en la Figura 1.3. Figura 1.3 Efecto de la reducción de los NO x por recirculación de los gases. Esta técnica ha sido aplicada algunas veces por generadores de vapor donde la reducción de las emisiones de NO x se logra por la recirculación del 30% del flujo gaseoso. Este tipo de operación incrementa la eficiencia del quemador para hacer una flama radiante y más uniforme a lo largo de la cámara de combustión. 6

5 Hay mucha variación de un equipo a otro, en la cantidad de recirculación del gas necesario para el control de la temperatura del vapor y el punto en el cual es introducido dicho gas. 1.4 Combustión en etapas. En este método el quemador está diseñado para proveer aire en menor cantidad que el estequiométrico. El resto del aire es adicionado a través de puertos separados en algunas posiciones corriente abajo en el horno donde antes la flama ha perdido una apreciable cantidad de calor circundante. Por esta vía la temperatura y la concentración de oxígeno en estas zonas de combustión primaria y secundaria son bajas, teniendo como resultado una mínima emisión de los NO x (térmico y del nitrógeno fijo del combustible). En la zona de combustión primaria, el nitrógeno del combustible muchas veces es convertido en componentes amoniacales (NH x ) los cuales están disponibles para reducir un porcentaje de óxido nítrico (NO) formado en la cámara secundaria de combustión. Esta técnica de operación permite tener una reducción del 30 al 50% de las emisiones de NO x y pueden ser llevadas a cabo en calentadores industriales. 7

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