jueves, 2 de marzo de 2017

GAS NATURAL COMO FUENTE DE COMBUSTIÓN EXTERNA



Generalmente se utiliza este combustible para la producción de energía eléctrica, calor y vapor. El gas natural consiste en un alto porcentaje de metano (generalmente alrededor del 85%) y cantidades variables de etano, propano, butano e inertes (nitrógeno, dióxido de carbono y helio). La capacidad calorífica promedia del gas natural varía entre 950 a 1050 BTU/scf.

Emisiones


Las emisiones de las calderas y hornos de gas natural incluyen óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), compuestos orgánicos volátiles De dióxido de azufre (SO2) y partículas (PM).
Óxidos de nitrógeno: La formación de óxidos de nitrógeno se produce por tres mecanismos fundamentalmente diferentes. El principal mecanismo de formación de NOx en la combustión de gas natural es el NOx térmico. El mecanismo NOx térmico se produce a través de la disociación térmica y posterior reacción de las moléculas de nitrógeno (N2) y oxígeno (O2) en el aire de combustión. La mayoría de los NOx formados a través del mecanismo NOx térmico ocurren en la zona de llama de alta temperatura cerca de los quemadores. La formación de NOx térmico se ve afectada por tres factores de la zona del horno: (1) concentración de oxígeno, (2) temperatura máxima y (3) tiempo de exposición a temperatura máxima. A medida que estos tres factores aumentan, los niveles de emisión de NOx aumentan. Las tendencias de las emisiones debido a cambios en estos factores son bastante consistentes para todos los tipos de calderas y hornos de gas natural. Los niveles de emisión varían considerablemente con el tipo y tamaño de la cámara de combustión y con las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, temperatura del aire de combustión, velocidad volumétrica de liberación de calor, carga y exceso de oxígeno).
El segundo mecanismo de formación de NOx, llamado NOx pronto, se produce a través de reacciones tempranas de las moléculas de nitrógeno en el aire de combustión y los radicales hidrocarbonados del combustible. Las reacciones rápidas de NOx ocurren dentro de la llama y usualmente son despreciables cuando se comparan con la cantidad de NOx formada a través del mecanismo térmico de NOx. Sin embargo, los niveles rápidos de NOx pueden llegar a ser importantes con los quemadores de NOx ultra bajo.
El tercer mecanismo de formación de NOx, llamado combustible NOx, proviene de la evolución y reacción de los compuestos de nitrógeno unidos al combustible con oxígeno. Debido al contenido de nitrógeno de combustible característicamente bajo del gas natural, la formación de NOx a través del mecanismo NOx de combustible es insignificante.
Monóxido de carbono:  La tasa de emisiones de CO de las calderas depende de la eficiencia de la combustión del gas natural. Las calderas y calderas sin ajustar adecuadamente que funcionan en niveles no diseñados disminuyen la eficiencia de la combustión, lo que resulta en un aumento de las emisiones de CO. En algunos casos, la adición de sistemas de control de NOx, como quemadores de bajo NOx y recirculación de gases de combustión (FGR), también puede reducir la eficiencia de la combustión, lo que resulta en mayores emisiones de CO en relación con las calderas no controladas.
Compuestos orgánicos volátiles: La tasa de emisiones de COV de las calderas y hornos también depende de la eficiencia de la combustión. Las emisiones de COV se minimizan mediante prácticas de combustión que promueven altas temperaturas de combustión, tiempos de residencia prolongados a esas temperaturas y mezcla turbulenta de combustible y aire de combustión. Las cantidades trazas de especies de VOC en el combustible de gas natural (por ejemplo, formaldehído y benceno) también pueden contribuir a las emisiones de COV si no se queman completamente en la caldera.
Óxidos de azufre: Las emisiones de SO2 de las calderas de gas natural son bajas debido a que el gas natural de calidad de la tubería tiene típicamente niveles de azufre de 2.000 granos por millón de pies cúbicos. Sin embargo, los olores que contienen azufre se añaden al gas natural para detectar fugas, lo que conduce a pequeñas cantidades de emisiones de SO2. Las calderas que queman gas natural sin procesar pueden tener mayores emisiones de SO2 debido a mayores niveles de azufre en el gas natural. Para estas unidades, se debe usar un balance de masa de azufre para determinar las emisiones de SO2.
Material particulado: Debido a que el gas natural es un combustible gaseoso, las emisiones PM filtrables son típicamente bajas. Se ha estimado que la partícula de la combustión de gas natural tiene menos de 1 micrómetro de tamaño y tiene fracciones filtrables y condensables. Las partículas en la combustión de gas natural suelen ser hidrocarburos de mayor peso molecular que no se queman completamente. El aumento de las emisiones de PM puede deberse a malos problemas de mantenimiento o mezcla de aire / combustible.
Gases de efecto invernadero: Las emisiones de CO2, CH4 y N2O se producen durante la combustión del gas natural. En calderas adecuadamente ajustadas, casi todo el carbono del combustible (99,9 por ciento) en el gas natural se convierte en CO2 durante el proceso de combustión. Esta conversión es relativamente independiente del tipo de caldera o combustor. El carbono combustible que no se convierte en CO2 produce emisiones de CH4, CO y / o VOC y se debe a una combustión incompleta. Incluso en las calderas que funcionan con una eficiencia de combustión pobre, la cantidad de CH4, CO y COV producidos es insignificante en comparación con los niveles de CO2.
La formación de N2O durante el proceso de combustión se ve afectada por dos factores de la zona del horno. Las emisiones de N2O se minimizan cuando las temperaturas de combustión se mantienen altas (por encima de 1475oF) y el exceso de oxígeno se mantiene a un mínimo (menos del 1 por ciento).
Las emisiones de metano son más altas durante la combustión a baja temperatura o la combustión incompleta, como el ciclo de puesta en marcha o parada de las calderas. Típicamente, las condiciones que favorecen la formación de N2O también favorecen las emisiones de metano.  

Bibliografía

EPA. (1995). AP 42, Fifth Edition Compilation of Air Pollutant Emission Factors, Volume 1: Stationary Point and Area Sources.

 

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