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.
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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