1. Ciencia

Desarrollo de equipos de baja emisión de NOx par a
combustión de gas natural y fuel oi l
Ballester J ., Dopazo C ., Hernández M ., Vidal P .
Laboratorio de lnv. en Tecnologías de la Combustión (LITEC), CSIC/DG A
Martín-Delgado J . A., Martínez V .
Proyce S. A.
López M ., Mateo, L.
Térmicas del Besós, S . A .
,Resume n
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son una de las principales fuentes de contaminación en cualquie r
sistema de combustión . En los últimos años han podido observarse a nivel mundial importante s
'esfuerzos dirigidos al control de este contaminante . Con este fin se han desarrollado diversas
tecnologías que se basan tanto en modificaciones en el propio proceso de combustión, como en e l
tratamiento posterior de los humos. Entre las distintas opciones, los quemadores de bajo NOx so n
una de las que presenta mayores ventajas . La presente comunicación describe el desarrollo de uno
de estos equipos a través de un proyecto de colaboración entre una compañía de generación d e
energía, un fabricante de quemadores y un laboratorio de investigación. Mediante ensayos sobre un
combustor experimental y una caldera de 20 MW, se ha obtenido un prototipo de quemador para ga s
natural y fuel oil con excelentes prestaciones, tanto en lo relativo a emisiones de NOx como a l
rendimiento de la combustión.
1 . introducció n
•
La inhalación de ambos gases ,
especialmente el NO2, es altament e
Dentro de la denominación "óxidos d e
perjudicial para la salud humana, inclus o
nitrógeno" o NOx se incluyen dos gase s
en muy bajas concentraciones .
diferentes : monóxido de nitrógeno (NO) y
dióxido de nitrógeno (NO2) . Ambos constituye n
Una parte de la formación de esto s
contaminantes gaseosos que causan diverso s
compuestos (el 33% del total, según [1]) s e
e importantes efectos sobre el medi o
produce por causas naturales (tormentas ,
ambiente, [1], [2] :
transformación de materia viva, . . .) . El resto s e
genera a partir de actividades humanas .
•
•
•
Reaccionan con el ozono en l a
estratosfera, siendo responsables d e
La utilización de combustibles fósiles e s
casi el 50 % de la destrucción observad a
responsable de alrededor del 42 % de l a
de la capa de ozono .
cantidad total de NOx, [1] . En esta categoría s e
Formación de ozono en las capas baja s
incluyen tanto los medios de transporte, com o
de la atmósfera, que contribuye a l a
los distintos tipos de fuentes estacionarias . A
creación de niebla fotoquímica y efect o
estas últimas y, en especial, a las grande s
invernadero .
plantas generadoras de energía se dedica est e
Causantes de lluvia ácida.
estudio .
1
El significativo impacto ambiental de lo s
El primer mecanismo es la principal fuente d e
procesos de combustión a través de l a
NOx en llamas de combustibles que n o
formación de NOx ha motivado en los último s
contienen nitrógeno (p . ej., gas natural) . El fue l
años la aparición de legislaciones cada ve z
oil pesado o el carbón presentan contenido s
más restrictivas sobre este problema . Desde
apreciables de compuestos nitrogenados, qu e
inicios de los años 80 se vienen dedicand o
son responsables entre el 50 y el 90 % de l
importantes esfuerzos, sobre todo en paíse s
NOx total generado en estos sistemas . L a
como Alemania, Estados Unidos o Japón, par a
contribución del NOx súbito es pequeña en l a
adaptar a los nuevos condicionantes tanto las
mayoría de los casos y no suele tenerse e n
' plantas existentes como las de nuev a
cuenta.
construcción . Como respuesta a esta s
necesidades, se han desarrollado diversa s
Los métodos de control de NOx puede n
tecnologías que permiten el control de NOx e n
agruparse en dos categorías : modificacione s
sistemas de combustión . Una revisión sobr e
en el proceso de combustión (o medida s
estos métodos puede encontrarse en la s
primarias) y tratamiento posterior de lo s
referencias [3] a [6] .
humos . En la Tabla 1 se resumen la s
principales técnicas, junto con las posibilidade s
de reducción de las emisiones y el cost e
2. Tecnologías de reducción de NO x
asociado a la implantación de cada una sobr e
instalaciones existentes, [7] .
2.1 Conceptos generales
Las modificaciones de la combustión se basan ,
La formación de óxidos de nitrógeno en llamas
fundamentalmente, en reducir la s
puede tener lugar a través de tres mecanismo s
temperaturas máximas de los gases o e n
diferentes :
limitar la disponibilidad de oxígeno en cierta s
regiones de la llama. De acuerdo a esto s
1 NOx térmico : Se genera a partir de l a
principios, existen diversos métodos qu e
reacción del nitrógeno y oxígen o
permiten reducir la emisión de NOx . E l
contenidos en el aire, en las condicione s
principal inconveniente es que, en mucho s
de alta temperatura de la llama .
casos, estas medidas pueden conducir a
2 NOx del combustible : Procede de l a
mayores emisiones de inquemados, por lo qu e
oxidación de los compuesto s
este aspecto debe tenerse también en cuenta.
nitrogenados presentes en e l
combustible .
3
NOx
súbito :
Existen diversas estrategias que permite n
Aparece com o
mejorar los resultados sin necesidad d e
consecuencia de la reacción de l
cambios significativos en las instalacione s
nitrógeno del aire con radicales d e
existentes . Entre ellas pueden citarse la
hidrocarburos .
2
Técnica de control
Reducción NOx, %
Coste, $/kW
Diversas medidas primarias
10-30
0-1 0
Overfire air
20-30
5-1 5
Recirculación de gases
20-50
4-1 2
Quemadores de bajo-NOx
20-40
6-1 2
Reburninq
40-50
30-5 0
SNCR
20-60
25-5 0
SCR
60-90
90-180
Tabla 1 - Posibilidades de distintas ténicas de control de NOx .
Los costes se refieren a la aplicación sobre instalaciones existentes .
reducción del exceso de aire, la operación co n
La técnica de reburning consiste en l a
algunos quemadores fuera de servici o
inyección de un combustible secundario en l a
(BOOS), o la redistribución del flujo d e
parte final del hogar con objeto de crear un a
combustible entre distintos quemadores . N o
zona reductora donde se consume una part e
obstante, las posibilidades de reducción d e
del NOx formado inicialmente . Una de la s
NOx por estos medios son limitadas .
comunicaciones incluidas en este Congres o
(Ref [8]) trata con más detalle este aspecto .
La inyección de una fracción del aire total po r
encima del área de quemadores (overfire air) ,
Otro grupo de técnicas se basa en l a
permite realizar la mayor parte de l a
eliminación de los óxidos de nitrógeno emitidos
combustión con bajo exceso o, incluso, defect o
en los humos de salida . Los dos principale s
de aire . De esta forma puede obtenerse un a
métodos son la Reducción Catalítica Selectiv a
reducción en las emisiones de hasta el 30 % .
(SCR) y la Reducción No Catalítica Selectiva
(SNCR) . Las posibilidades de reducción d e
La recirculación al hogar de una parte de lo s
NOx por estos medios son superiores a las
gases de salida también permite rebajar l a
medidas primarias, pero con la desventaja d e
concentración de oxígeno y las temperatura s
un coste mucho más elevado .
máximas . Este método tiene como desventaj a
la energía requerida para el ventilador d e
recirculación (hasta el 1% según [4]) .
2.2 Quemadores de bajo NO x
El uso de quemadores de bajo NOx es una de
Los denominados quemadores de bajo NOx
las alternativas que mayores posibilidades
son equipos que hacen compatible una baj a
presentan en relación a su coste . Sobre este
emisión de este contaminante con bueno s
tema se tratará más adelante .
3
resultados de rendimiento y comportamient o
Aunque las reglas generales de diseño puede n
de la llama.
parecer sencillas, la principal dificultad estrib a
La práctica totalidad de los grandes fabricantes
en alcanzar simultáneamente un bue n
de quemadores han desarrollado sus propio s
comportamiento de la combustión . Los do s
equipos . Como consecuencia, pued e
efectos apuntados resultan, en principio ,
encontrarse una amplia variedad de diseños
negativos para la eficiencia del proceso . De
que cumplen estas condiciones . No obstante,
hecho, el diseño de quemadores se ha basado
en la mayoría de los casos están basados e n
tradicionalmente en la obtención de alta s
unas pocas ideas generales :
temperaturas y mezcla intensa con objeto d e
maximizar el rendimiento .
• Reducción de la temperatura máxima e n
las zonas oxidantes de la llama, co n
Como ya se ha apuntado, esta técnica permit e
objeto de minimizar, sobre todo, l a
formación de NOx térmico . Este efecto
obtener importantes reducciones en la emisió n
es especialmente relevante en llamas d e
coste relativamente bajo, si se compara co n
gas natural, donde este es el principa l
mecanismo de formación de NOx .
otras alternativas . Otra de las ventajas es que ,
de NOx (rebasando, incluso, el 50%) a u n
aparte de la propia sustitución de lo s
quemadores, no requiere importante s
• Estricto control del nivel de oxígeno e n
modificaciones sobre las calderas existentes .
las regiones de combustión más intensa .
Unicamente, la relativa sofisticación de esto s
Por este medio se limita la formación d e
N O x a partir del combustible ,
equipos puede obligar a incorporar nuevo s
favoreciendo las reacciones d e
correcto funcionamiento del quemador .
sistemas de maniobra y control para e l
reducción a nitrógeno molecular . Esta
técnica es especialmente efectiva e n
3. Quemador TENO X
sistemas que utilizan combustibles co n
alto contenido en nitrógeno (p .ej., fuel oil
El desarrollo de este equipo es el resultado d e
o carbón) .
un proyecto de colaboración entre un a
empresa de generación de electricidad
Estos efectos se consiguen mediante u n
(Térmicas del Besós, S. A .), un fabricante d e
estricto control de las condiciones de mezcl a
quemadores (Proyce, S . A.) y un centro de
entre los flujos de combustible y aire . Por est e
investigación (LITEC) . Se trata de u n
motivo, los quemadores de bajo NOx suele n
quemador de baja emisión de NOx para l a
caracterizarse por geometrías relativament e
combustión de gas natural y fuel oil . Aunque e l
complejas, asociadas en muchos casos a
estudio ha incluido ensayos con vario s
múltiples circuitos de inyección de combustibl e
tamaños del quemador, el objetivo final ha sid o
y aire.
el desarrollo de un prototipo apto para su
4
utilización en grandes calderas de centrale s
permite variar la velocidad de salida del gas . E l
térmicas .
gas natural secundario es introducid o
mediante 16 inyectores situados en la periferi a
de la garganta de aire secundario . La fracció n
El proyecto comprende tres etapas :
de combustible que se inyecta por cad a
•
Análisis de la información disponible a
circuito puede variarse entre márgenes mu y
nivel mundial sobre las bases de diseñ o
amplios, mediante el control de las presione s
de equipos de bajo NOx .
de alimentación .
Ensayos de un modelo para 350 k W
En funcionamiento con fuel oil, la inyección s e
sobre un combustor experimental .
realiza exclusivamente a través del atomizado r
situado en la caña central .
•
Pruebas en una caldera monoquemado r
Existen, por tanto, un gran número d e
hasta 20 MW .
parámetros ajustables :
En la Figura 1 se presenta un esquema de l
modelo del quemador TENOX ensayado en e l
a)
Distribución de aire entre los do s
circuitos .
combustor experimental del LITEC .
El quemador consta de dos circuito s
b)
Grado de rotación de los aires 1 4 y 22 .
c)
Distribución de combustible entre lo s
dos circuitos (para gas natural) .
independientes de inyección de aire . El air e
primario circula por la garganta central, en e l
d)
Posición y sección de salida del inyecto r
de gas primario .
centro de la cual se encuentra un swirler d e
álabes inclinados que imprime al flujo un a
e)
Sección y orientación de los inyectore s
de gas secundario .
componente de rotación . Por un conduct o
anular exterior a este circula la corriente d e
f'
Tipo de atomizador y condiciones d e
inyección (para fuel oil) .
aire secundario . Existe una serie de álabes
orientables desde el exterior que imparten a l
aire un nivel de swirl variable . El reparto d e
Esto confiere al equipo una gran flexibilidad ,
caudal entre ambos circuitos se consigu e
que hace posible cubrir muy diverso s
mediante una válvula de distribució n
regímenes de funcionamiento . El objetivo de l
incorporada en el propio quemador .
estudio ha sido, precisamente, analizar l a
influencia de las distintas variables sobre e l
Existen también dos circuitos de alimentació n
comportamiento del quemador (emisiones ,
de gas natural . El combustible primario s e
estabilidad, . . .) . Como resultado, se ha n
inyecta a través de la caña central, que pued e
obtenido distintos rangos de trabajo qu e
posicionarse en distintos puntos con respect o
proporcionan mínimas emisiones de NOx.
a la garganta de salida . Un obturador regulable
5
parámetro . La formación de NOx en llamas de
gas natural se debe casi exclusivamente a l
3 .1 Funcionamiento con gas natura l
mecanismo térmico . En consecuencia, la s
La primera serie de ensayos se ha llevado a
emisiones son función de la temperatura d e
cabo en las instalaciones experimentales de l
llama y, por tanto, del nivel d e
LITEC . Gracias a las amplias capacidades d e
precalentamiento del aire .
control disponibles, estas pruebas ha n
permitido cubrir los rangos de interés de lo s
Uno de los parámetros que ha resultad o
distintos parámetros.
fundamental en el comportamiento de l
quemador ha sido el reparto de gas natura l
El laboratorio cuenta con una complet a
entre los dos circuitos . En la Figura 3 s e
instrumentación que permite analizar e n
representan las emisiones de NOx en funció n
detalle los diversos aspectos del proceso d e
de la fracción de gas inyectado por la cañ a
combustión . Es posible determinar, tanto e n
central, para dos temperaturas de aire
los humos de salida como en cualquier punt o
diferentes . La forma de estas curvas se h a
de la llama, variables como : composición d e
repetido en diferentes series . Para un cauda l
gases (análisis en continuo de 0 2 , CO, CO 2 ,
de gas primario en torno al 40 % del tota l
H2O, NO/NOx, N20, S02, HC, HCN, NH3) ,
aparece un máximo . Al aumentar est e
temperatura, velocidad del flujo, carga d e
porcentaje la emisión disminuye ligeramente .
partículas, . . .
En cambio, conforme se reduce el gas primario
el nivel de NOx baja drásticamente . Por est e
Una descripción del combustor experimenta l
medio pueden conseguirse niveles inferiores a
del LITEC puede encontrarse en otra de la s
27 ppm, incluso con aire precalentado a 25 0
presentaciones incluidas en este Congreso ,
°C .
[8] . Las pruebas se han realizado con un a
potencia térmica entre 300 y 350 kW .
Para intentar comprender los fenómeno s
responsables de estos efectos se llevaron a
Mediante la combinación de las distinta s
cabo, además, mediciones en el interior de l
variables de trabajo se han llevado a cabo
hogar. En concreto, se determinó el campo d e
alrededor de 130 ensayos diferentes . A
velocidades y temperaturas en toda l a
continuación se resumen algunos de lo s
extensión de la llama . Estos resultado s
resultados obtenidos .
muestran que se establecen dos regione s
diferenciadas . En una de ellas, más cercana a l
En la Figura 2 se muestra una serie d e
quemador, tiene lugar la combustión de ga s
medidas de la emisión de NOx al variar l a
primario en forma de una llama intensa . L a
temperatura de aire manteniendo constantes e l
segunda se sitúa aguas abajo, donde s e
resto de las variables. Esta gráfica demuestr a
quema el combustible secundario co n
la fuerte dependencia respecto a este
temperaturas que no sobrepasan 1550 °C .
6
1
Esta configuración proporciona una llama mu y
estable, pero donde la formación de NOx est á
comentada previamente . Para bajos caudales
limitada, entre otros efectos, por las baja s
en torno a 22 ppm . Este valor result a
temperaturas .
claramente inferior al nivel de 80 ppm qu e
de gas primario se obtuvo una emisión de NO x
proporciona a la misma potencia el quemador
Otro de los parámetros que permiten controlar
instalado en esta caldera, y que puede se r
las emisiones es el reparto de aire . La Figura 4
muestra la concentración de NOx al variar e l
representativo de los quemadore s
convencionales .
caudal de aire primario . Por debajo de un nivel
crítico de este parámetro se obtiene un a
Cabe destacar también la semejanza obtenida
reducción importante en NOx . Se encontr ó
entre las dos series de ensayos en lo relativo a
asimismo que el funcionamiento en est e
la configuración de la llama, a pesar de la gra n
régimen requiere ciertos niveles de rotació n
diferencia de escalas .
del aire primario, debido a condicionantes d e
estabilidad de la llama.
3.2 Funcionamiento con fuel oi l
En conjunto, el quemador TENOX se h a
En las instalaciones del LITEC se llevaron a
comportado de forma estable para amplios
cabo también una extensa serie de ensayo s
rangos de los parámetros de ajuste . Inclus o
con el quemador TENOX utilizando fuel oi l
con excesos de oxígeno en los humos po r
pesado . Además de los parámetros propios de l
debajo del 1 %, las emisiones de CO se han
quemador, se variaron también el diseño de l
mantenido por debajo de 10 ppm y si n
atomizador y las presiones de inyección de l
concentraciones detectables de hidrocarburos .
combustible y del fluido auxiliar. En total s e
ensayaron cerca de 200 condiciones d e
La segunda fase de las pruebas se realizó e n
trabajo diferentes .
la caldera auxiliar de la C .T. de Foix (Térmicas
del Besós, S .A.) . El objetivo es contrastar l a
Nuevamente, la distribución de aire es u n
validez de las conclusiones extraidas de l
factor clave en la emisión de NOx, como
estudio a escala reducida. Si bien en este cas o
demuestra la Figura 5 . La oxidación de l
las capacidades de control son mucho má s
nitrógeno presente en el fuel oil es una fuent e
limitadas, ha permitido llevar a cabo u n
importante de NOx en este caso . Por tanto, l a
número reducido de ensayos con potencia s
creación en la llama de un núcleo rico e n
entre 9y 20 MW.
combustible contribuye a limitar est e
mecanismo de formación . Un correcto ajuste
Las pruebas han confirmado los resultado s
de la inyección de aire (reparto entre circuitos
obtenidos en el combustor experimental . El
y grado de rotación de cada flujo) permite
reparto de combustible entre los dos circuito s
controlar las emisiones finales .
ha mostrado una influencia muy similar a la
7
bajo NOx los convierten en una de las
alternativas más ventajosas .
Un elemento fundamental en la s
características de la llama es la configuració n
del spray de fuel oil . Por este motivo se realiz ó
En esta comunicación se presenta un proyect o
una exhaustiva serie de ensayos variando la s
de desarrollo de un quemador para l a
condiciones de atomización . En la Figura 6 s e
combustión de gas natural y fuel oil pesado .
resumen los niveles máximos y mínimos d e
NOx para distintos diseños del atomizado r
Ensayos exhaustivos en una plant a
obtenidos al variar el resto de los parámetro s
experimental han proporcionado un profund o
de ensayo .
conocimiento del comportamiento de l
quemador. Las emisiones mínimas obtenidas
La mínima emisión de NOx conseguida en est e
han sido de 24 ppm con gas natural y 134 pp m
estudio ha sido de 134 ppm . Esto supone un a
con fuel-oil (ambas corregidas al 3% 02) .
reducción significativa al compararlo con lo s
Estos niveles resultan claramente inferiores a
valores
los que proporcionan los sistema s
usuales
con quemadore s
convencionales (entre 300 y 500 ppm) .
convencionales y se encuentran entre los má s
bajos que pueden obtenerse con este tipo d e
Se han obtendio, al igual que para gas natural ,
equipos. Dichos resultados se han conseguid o
amplios márgenes de funcionamiento co n
en condiciones de combustión estable y co n
combustión estable . En la gran mayoría de lo s
muy bajos niveles de inquemados .
casos la concentración de CO ha sido inferio r
a 15 ppm y la carga de partículas en lo s
Una serie de pruebas a potencias hasta 2 0
humos no ha superado 150 mg/Nm3 (ambo s
MW han confirmado las conclusione s
corregidos a 3% 0 2) .
obtenidas sobre el modelo reducido . Est a
comparación demuestra la gran utilidad d e
Actualmente se está considerando l a
ensayos detallados sobre una planta piloto d e
posibilidad de realizar una serie de prueba s
cara al desarrollo de equipos de combustión .
con mayor potencia en la caldera auxiliar de l a
C .T. de Foix.
5. Agradecimiento s
4 . Conclusiones
El presente trabajo ha sido financiado por e l
Programa de Investigación Electrotécnic o
En los últimos años se han desarrollado
dentro del proyecto PIE No . 034.059, titulad o
diversas tecnologías que permiten ciert o
"Reducción de emisiones de NOx po r
control sobre las emisiones de óxidos d e
combustión controlada en centrales de fuel oi l
nitrógeno en grandes sistemas de combustión .
y gas" .
La importante reducción posible, a un cost e
La medida de emisiones en la caldera auxilia r
relativamente bajo, con los quemadores de
ha sido realizada por la Asociación de
8
Investigación y Cooperación Industrial d e
Andalucía (AICIA) .
[8]
Ballester J ., Dopazo C ., Fueyo N .
Mejora de la combustión de carbón e n
centrales térmicas : técnicas combinada s
6 . Referencia s
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[2]
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9
BRIDA CENTRAL
CAJA DE VI[NIO
L
7►.f f
CUERDA De r10EAPRAX (51N ASBESTOS )
n
1
ESPARRAGO Uec100 con 2 TUERCAS Ue O1143 4
BRIW OLYCION ALETAS Y SECUNDARIO
SISTEMA OE ALETAS
uoULO DE GAS Y JUNT A
01;ROA DE GUAM.
EURO PRIWAo
CNVOLVE NrC DE CAS
II I 1
GARGANTA CC SECUNMRIO
1
Figura 1 - Esquema del quemador TENOX.
i1nr ,
6
s
5
=
• •
45
40
35
30
25
20
o
50
100
150
200
Temperatura de aire (°C)
Figura 2 - Efecto de la temperatura de precalentamient o
de aire sobre las emisiones de NOx .
(Quemador TENOX con gas natural ) .
Fracción de gas primario (%)
Figura 3 - Efecto del reparto de gas natural sobre las emisione s
de NOx ( Quemador TENOX con gas natural) .
25 0
40
35
30
25
O
20
o
20
40
Gas primario = 100 %
Gas primario =. 50 %
60
8o
100
Fracción de aire primario (%)
Figura 4 - Efecto del reparto de aire sobre las emisione s
de NOx (Quemador TENOX con gas natural) .
.v u
—•
—
80
Alto Swirl en aire 1 2
e-
Bajo
o Swirl
irl en aire 1 2
60
40
20
00
2 80
2
o
20
40
60
80
Fracción de aire primario (% )
Figura 5 - Efecto del reparto de aire sobre las emisione s
de NOx (Quemador TENOX con fuel oil) .
12
10 0
40
35
G
30
250
200
—*— Mínimo NOx
150
p
100
A
B
C
Máximo NOx
D
Diseño del atomizado r
Figura 6 - Rango de emisiones de NOx para distintos diseño s
del atomizador (Quemador TENOX con fuel oil) .
13