análisis de emisiones de nox mediante simulación numérica

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Tema A2a Termofluidos: Combustión

Análisis de emisiones de NOx mediante simulación numérica CFD en una cámara de combustión de la turbina de gas

David Rivas-Martíneza, Andrea E. Rivera-Elíasa, David A. Rodriguez-Alejandroa,b*, Francisco F. Torres-Chimalb,c, Dafne A. Valencia-Hernándeza aUniversidad Incarnate Word campus Bajío, Carretera Panamericana # 6553 Irapuato - Silao Km 121.2, 36821 Irapuato, Gto., C. P. 36821, México. bUniversidad de Guanajuato División de Ingenierías campus Irapuato, Salamanca, Carretera Salamanca - Valle de Santiago Km. 3.5 + 1.8; Comunidad de Palo Blanco; Salamanca, Gto., C.P. 36885, México. cInstituto Tecnológico Superior de Irapuato, Carretera Irapuato - Silao km 12.5 Colonia El Copal., C.P. 36824, México. *Autor contacto. Dirección de correo electrónico: [email protected] R E S U M E N Las emisiones contaminantes provenientes de fuentes fijas donde se queman hidrocarburos, se rigen bajo estrictas normas ambientales, las cuales restringen los procesos industriales y de generación de energía. Estas restricciones llevan a buscar alternativas que incluyen la modificación de equipos, etapas del proceso o combustibles. En el presente trabajo se describe el proceso de combustión en una central termoeléctrica que opera con turbina de gas, se detalla el proceso de generación de emisiones y se presentan alternativas para la reducción de NOx´s. A partir de datos y dimensiones obtenidos en planta, se desarrolló un modelo numérico que se resolvió a través de técnicas de CFD. Se presentan los resultados de la cámara de combustión bajo las condiciones de operación normal del conjunto turbo-gas y las mejoras utilizando distintas alternativas en la operación que incluyen la adición de un aditivo en el proceso de combustión. Palabras clave: Simulación Numérica, Generación de NOx, Turbogas. A B S T R A C T Polluting emissions from fixed sources where are burn hydrocarbons, are governed by strict environmental regulations, which restrict industrial processes and power generation. These restrictions lead to look for alternatives that include the modification of equipment, stages of the process or fuels. In the present work it describe the combustion process in a thermoelectric power plant that operates with gas turbine, the process of generation of emissions is detailed and alternatives for the reduction of NOx's are presented. From data and dimensions obtained in the plant, a numerical model it developed that was solved through CFD techniques. The results of the combustion chamber are presented under the normal operation conditions of the turbo-gas assembly and the improvements using different alternatives in the operation that include the addition of an additive in the combustion process. Keywords: Numerical Simulation, NOX’s formation, Turbogas.

1. Introducción

La unidad 2 de la Central Térmica de Ciclo Combinado del Sauz, presenta altas emisiones a la atmosfera de contaminantes conocidos como NOx, que son las diferentes moléculas de óxidos de nitrógeno producto de la combustión, y cuyos valores sobre pasan el valor permitido por la NOM-085-SEMARNAT-1994. Dado que se tienen altas concentraciones de óxidos de nitrógeno en las emisiones atmosféricas se han tomado medidas para reducirlos. La medida consiste en el suministro postcombustión de un aditivo a base de amoniaco que actúa como agente reductor de los óxidos de nitrógeno, al suministrarse en una zona donde las condiciones son adecuadas para que la reacción de reducción de dichos contaminantes se lleve a cabo, este método es conocido como SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction). Los resultados de dicha adición demuestran la

reducción de las emisiones de NOx de 54.66 ppm a una carga base de 46 MWH. El valor de las emisiones sin aplicación del aditivo es del orden de 546.4 ppm, según mediciones realizadas el 16 de octubre de 2009. El valor permitido según NOM-085-SEMARNAT-1994 es de 375 ppm. Dadas las pruebas sobre el suministro de este aditivo para reducir las emisiones de NOx se plantean las siguientes preguntas:

¿La disminución de emisión de óxidos de nitrógeno a la atmosfera, es una relación lineal con el flujo másico de aditivo suministrado, bajo el método SNCR?

Si es así, ¿Qué flujo de aditivo es necesario para reducir los NOx generados como producto de la combustión a valores permitidos por la norma?

En caso de aumentar el flujo másico de este aditivo, ¿Ocasionará problemas de operación de la turbina al variar parámetros como perfiles de

ISSN 2448-5551 TF 199 Derechos Reservados © 2018, SOMIM


temperatura o velocidad de entrada a la turbina? ¿Las reacciones de los compuestos presentes en el

aditivo, pueden ocasionar daños a la turbina? ¿Ésta es una solución viable para reducir los óxidos

de nitrógeno a valores de 375 ppm que permite NOM-085-SEMARNAT-1994?

Estas interrogantes, son precisamente el planteamiento del problema que, a continuación, se desarrolla utilizando herramientas tecnológicas de simulación por computadora que permiten hacer experimentos numéricos de la realidad, evitando pruebas que podrían ser destructivas y de altos costos para la planta. De acuerdo a Sindhu[1] los análisis de rendimiento de la cámara de combustión son extremadamente importantes, ya que la cámara de combustión es el elemento que provee la potencia óptima a la turbina de gas. Haj Ayed[2] explico que se podría usar Hidrógeno como combustible alternativo en la cámara, debido a que posee elevadas temperaturas de combustión y cuando este se consume no produce emisiones de hidrocarburos. Adicionalmente, Levy[3] explica que el Hidrógeno otorga una combustión estable en una gran gama de mezclas y es muy común en la naturaleza como. Los resultados de cuatro simulaciones numéricas se presentan y se discuten para estudiar la zona de recirculación central, la intensidad de turbulencia y la caída de presión en números varios de remolinos. Cho[4] estudió los efectos de la adición de H2 en Jet A/aire para la estabilidad de la flama y sus contaminantes. Compararon los dominios de estabilidad y de emisiones contaminantes cuando la combustión tiene lugar con y sin la adición de H2 en mezclas prevaporizadas y precombinadas Jet A1/aire, inyectadas en un combustor de turbina de gas pobre. Serrano[5] estudió los cambios en las emisiones con las condiciones iniciales de un spray (como el número de grupos de partículas y su temperatura inicial) administradas por Jet-A (C12H23). Se usó el Código Nacional de Combustión en un único tubo agitador de flama de inyección directa pobre y se comparó el resultado con datos experimentales. Aunado a esto, muchas investigaciones numéricas y experimentales son conducidas utilizando combustibles alternativos dentro del combustor. Kahrama[6] investigó de manera numérica el problema de contaminantes de la familia de los óxidos de nitrógeno usando la chimenea de una caldera industrial que trabajaba usando metano.

2. Introducción al problema de emisiones por óxidos de nitrógeno

Durante la combustión de un hidrocarburo se generan los

siguientes productos: Dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O, oxígeno (O2), nitrógeno (N2) y trazas de otros componentes como: Óxidos de nitrógeno (NO, NO2), monóxido de carbono (CO), dióxido de sulfuro (SO2), material particulado, hidrocarburos no quemados y hollín. El nitrógeno es un elemento que se encuentra aproximadamente en un 78% por volumen en el aire atmosférico. 2.1 Los óxidos de nitrógeno (NOx)

La familia de compuestos NOx y sus propiedades se mencionan en la Tabla 1. Tabla 1 – Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Cuando cualquiera de estos óxidos se disuelve en agua y se descompone, forma ácido nítrico (HNO3) o ácido nitroso (HNO2). El ácido nítrico forma sales de nitrato cuando es neutralizado. El ácido nitroso forma sales de nitrito. De esta manera, los NOx y sus derivados reaccionan ya sea como gases en el aire, como ácidos en gotitas de agua o como sales. De estos se oxidan artificialmente: NO, NO2 y son llamados los NOx. El NO se forma en los procesos de combustión de los combustibles fósiles, la formación de estos depende de:

La temperatura de combustión del proceso. Concentración de oxígeno durante el proceso de

combustión o porcentaje de exceso de aire. Presión en el dispositivo de combustión. Tiempo durante el cual se realiza el proceso de

combustión. En la atmósfera el NO se oxida rápidamente formando NO2, este proceso se acelera debido a la presencia de los rayos solares, efecto fototérmico, y material orgánico presente en el aire. En muchos países, incluyendo México, las turbinas de gas

Fórmula Nombre Propiedades

N2O óxido nitroso gas incoloro, soluble en agua

NO N2O2

óxido nítrico bióxido de dinitrógeno

gas incoloro, ligeramente soluble en agua

N2O3 trióxido de dinitrógeno

sólido negro, soluble en agua, se descompone en agua

NO3

N2O4

bióxido de nitrógeno tetróxido de dinitrógeno

gas café rojizo, muy soluble en agua, se descompone en agua

N2O5 pentóxido de dinitrógeno

sólido blanco, muy soluble en agua, se descompone en agua



(Ciclo Brayton), como es el caso de la central térmica del Sauz, son la principal fuente de generación de energía eléctrica, allí se han implementado normas ambientales que hacen necesario el control de las emisiones de NO y NO2, conocidos como Noxes o NOx. Las emisiones de NOx tienen efectos adversos en la salud humana y el medio ambiente, estas juegan un papel importante en:

La lluvia ácida. Formación de niveles peligrosos de ozono (O3) en

la superficie terrestre. Formación de smog en la atmósfera.

Las emisiones de NO2 tienen un efecto más adverso en la salud humana que el NO. El NO2 captura el oxígeno que transporta la hemoglobina y también forma ácido en los pulmones. Es por esto que es mucho más tóxico que el CO en la misma concentración. 2.2 NOx que se producen en la combustión de hidrocarburos

La mayoría de las turbinas de gas queman gas natural (el cual puede modelarse, para cálculos, previos, como CH4, metano) por ende tienen un alto impacto en la contaminación ambiental por NOx, de tal manera los investigadores y productores de turbinas de gas han centrado parte de sus estudios en desarrollar técnicas que permitan reducir las emisiones de NOx en las turbinas de gas. Esta preocupación está altamente relacionada con el aumento que se ha logrado en la temperatura de combustión, o temperatura de entrada a la turbina, con el propósito de mejorar la eficiencia térmica de la turbina, pero dicho aumento, como se anotó anteriormente, trae consigo un efecto indeseable, la formación de emisiones de NOx. El NO es generado hasta el límite del oxígeno disponible (alrededor de 200 000 ppm) en el aire a temperaturas por encima del 1300 °C. A temperaturas menores de 760 °C, el NO es generado a concentraciones mucho más bajas o no se genera en absoluto. 2.3 Medidas primarias de reducción de las emisiones de NOx a la atmósfera

Las medidas primarias para la reducción de las emisiones de NOx aplicables a las instalaciones donde se queman hidrocarburos, son las que a continuación se incluyen.

2.3.1. Disminución del exceso de aire de combustión

El exceso de aire está relacionado con la cantidad de NOx generado. Limitar el exceso de aire puede contribuir a reducir la formación de NOx en los gases de combustión. En la combustión de hidrocarburos, sin embargo, el exceso

de aire no debe ser demasiado bajo para prevenir emisiones excesivas de monóxido de carbono (CO) y corrosiones indeseadas en caldera. 2.3.2. Disminución del precalentamiento del aire La compresión pre-admisión del aire de la mezcla aumenta la temperatura del mismo. Si sabemos que la temperatura en el proceso de combustión es directamente proporcional a la cantidad de NOx producidos en el combustor, la reducción de la temperatura del aire que entra a la cámara dará como resultado una disminución en los óxidos de nitrógeno generados. 2.3.3. Distribución del aire de combustión

Una adecuada distribución del aire de combustión entre aire primario (por debajo del combustible) y aire secundario (por encima de la llama) conlleva una disminución de la formación de NOx.

2.3.4. Recirculación del gas de combustión

La recirculación de parte del gas de combustión, normalmente sustituyendo un 15-25% del aire de combustión, reduce el oxígeno disponible y, en algunos casos, puede reducir ligeramente la temperatura de combustión, disminuyendo la generación de NOx. Una recirculación excesiva de gas puede producir, por incremento de las condiciones reductoras, una combustión incompleta y, en consecuencia, elevadas emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs) y CO, y problemas de corrosión. Mediante esta técnica es posible reducir las emisiones de NOx a la atmósfera en aproximadamente un 20%. 2.4. Medidas secundarias de reducción de las emisiones de NOx a la atmósfera Sólo con medidas primarias difícilmente podrá respetarse la NOM-085-SEMARNAT-1994 será necesario medidas secundarias, destacan:

2.4.1 Sistemas de NOx SCR. Se basan en la inyección de amoniaco (agente reductor) un lecho que contiene un catalizador. Es fundamental una buena mezcla de la corriente de amoniaco con la corriente de gas de combustión sobre el lecho del catalizador. La ubicación más usual del catalizador es al final del sistema de depuración, el gas depurado, se recalienta hasta la temperatura requerida mediante intercambiadores de calor gas-gas y quemadores auxiliares aguas arriba de la inyección del amoniaco. La vida útil del catalizador puede



superar los 6 años (una estimación de sustitución del catalizador es de 2-3 años). Los bloques de catalizador agotados deben ser suministradores para su tratamiento y/o eliminación. El costo de SCR entre 4 y 6 veces el costo de SNCR. La caída de las ventas de energía eléctrica SCR serán superiores en 15-25kWh por tonelada de hidrocarburo quemado que en un sistema SNCR Otro costo de operación significativo será el del combustible auxiliar en caso de necesitarse recalentar el gas de combustión depurado el costo de eliminación de los bloques de catalizador agotado. El ahorro de reactivo puede ser de entre 0 y 2Kg de amoniaco acuoso por tonelada de hidrocarburo quemado, para disminuir NOx desde 400 mg/Nm3 (298.6 ppm) de gas seco, 11%O2, hasta 200mg/Nm3 (149.3 ppm) en idénticas condiciones. 2.4.2 Sistemas DeNOx SNCR. Se basa en la inyección de amoniaco (NH3) o urea (CO(NH2)2) en el seno de los gases de combustión de los residuos, reduciendo los NOx a nitrógeno y agua. Se utiliza normalmente amoniaco acuoso al 25%, en caso de la urea se prepara "in situ" una disolución a una concentración aproximada del 32 además de alguna sustancia que facilite la formación de la disolución de urea en agua, como la carbamina concentrada. Cuando usa amoniaco va de temperaturas de entre 930°C y 980°C, si es urea de entre 950°C y 1050°C. La ecuación de la reacción con amoniaco está dada por:

4 NO + 4 NH3 + O2 -----> 4 N2 + 6 H2O (1) La ecuación de la reacción con urea está dada por:

4 NO + 2 CO(NH2)2 + O2 -----> 4 N2 + 2 CO2 + 4 H2O (2)

(Urea o amoniaco) el proceso SNCR es simple y sus costos de inversión son comparativamente bajos. La eficacia de depuración 60-70%, con escape de amoniaco en chimenea inferior a 10mg/Nm3 (13.2 ppm) de gas seco, en condiciones normales y 11% O2.

3. Geometría del combustor y condiciones de operación

De manera simplificada y haciendo un corte en la sección longitudinal del combustor podemos ver detalles de interés en la figura 1, donde se presentan algunas de las condiciones de simulación necesarias. Al combustor como ya se ha dicho, entran dos corrientes separadas una de combustible y otra de aire, el aire en este caso se suministra en diferentes zonas identificando tres principales corrientes, al lado de la entrada de combustible se suministra el aire primario que se mezcla con el

combustible y reacciona, en los laterales del combustor se suministra otra cantidad de aire que tiene la función de enfriar las paredes del combustor, y en una tercera zona se suministra aire de dilución que tiene la función de enfriar los gases de combustión a valores que permiten los materiales con los que está fabricada la turbina.

Figura 1. Geometría básica del combustor Las condiciones de operación del combustor se presentan en la tabla 2. Tabla 2 – Condiciones generales de operación del combustor

Presión de Operación en El Sauz 715.38 kPa

Flujo másico de combustible 3.5513 Kg/s

Flujo másico de aire 212.0 Kg/s

Flujo másico de aditivo 0.05 kg/s

4. Descripción de los fenómenos involucrados y modelos de simulación

En forma general, y bajo el interés que el presente análisis requiere, el fenómeno dentro del combustor es un flujo de fluidos, que de manera general aproximamos como una mezcla de aire, combustible y aditivo como agente reductor de NOx. De acuerdo a Noiray[7] el flujo de ésta mezcla de sustancias interactúa, se mezcla y reaccionan químicamente para liberar la energía contenida en los enlaces químicos que presentan las cadenas de hidrocarburos que en este caso para los análisis se considera una composición de 90.60% de metano (CH4), 4.20% de etano (C2H6), 0.20% de propano (C3H8) y 5.00% de nitrógeno (N2) como los componentes más representativos. Pues bien, los fenómenos naturales que dentro del combustor suceden los podemos acotar a leyes naturales



perfectamente claras, estas son: Conservación de la masa Conservación de la cantidad de movimiento Conservación de la energía Transporte de especies químicas Flujo turbulento

4.1 Conservación de la masa La velocidad de incremento de la masa en un elemento de fluido es igual al cambio neto del flujo en el elemento fluido.

( ) = 0 (3) 4.2 Conservación de la cantidad de movimiento

La segunda ley de Newton establece que el cambio de momento de una partícula de fluido es igual a la suma de las fuerzas de la partícula.

( ) + [ ( + ) + ( 2/3 ) ( ) ] (4)

4.3 Conservación de la energía Por simplicidad se toma las capacidades calóricas Cpi constantes e iguales, la presión constante y la transferencia de calor por radiación se desprecia.

( ) (5) 4.4 Transporte de especies químicas

( ) ( ) J , (6) = 1, … ,

El flujo difusivo de la especie i, Ji , se produce por gradiente de especies, de temperatura, y de presión. Estos dos últimos efectos, generalmente, son despreciados en flujos de combustión. El flujo difusivo, Ji , se expresa según la ley de Fick. Tasa de reacción química, Si

) , = 1, … , (7)

4.5 Turbulencia

4.5.1 Promediado de las ecuaciones

El flujo de fluidos ocurre principalmente en dos regímenes: laminar y turbulento

El flujo laminar es suave y ordenado, usualmente ocurre a bajos números de parámetros como número de Reynolds (figura 2).

El flujo turbulento es fluctuante y desordenado o aleatorio (figura 2).

Figura 2. Flujo Turbulento [8]

Si representamos mediante cualquier propiedad transportada, tales como la fracción másica de la especie, Yi, la entalpia h, y la velocidad, . Los valores instantáneos de estas propiedades son escritos en términos de una parte media y una fluctuación turbulenta.

= ´ (8) = + ´´ (9)

Los dos promediados y están definidos como el Promedio de Reynolds[9]:

= lim ) (10) Promedio de Favre[9]:

= lim ) ) (11)

5. Simulación numérica

Las ecuaciones de la sección anterior, que gobiernan el fenómeno, son ecuaciones continuas, y por lo tanto la solución exacta de las mismas proporcionaría información de cada variable resuelta en el espacio temporal y espacial. Sin embargo, la solución exacta de dichas ecuaciones, es un tema que no ha resuelto la matemática. Por lo tanto, las ecuaciones se resuelven para este y para cualquier caso que involucra dinámica de fluidos, de manera numérica. Esta solución es lo que se conoce como dinámica computacional de Fluidos (CFD, del inglés Computational Fluid Dynamics). 5.1 El método de volúmenes finitos Consideremos una malla de discretización del espacio fluido. En torno a cada punto de esta malla se construye un



volumen de control que no se traslapa con los de los puntos vecinos. De esta forma el volumen total de fluido resulta ser igual a la suma de los volúmenes de control considerados. La ecuación diferencial a resolver se integra sobre cada volumen de control, lo cual entrega como resultado una versión discretizada de dicha ecuación. Para realizar la integración se requiere especificar perfiles de variación de la variable dependiente entre los puntos de la malla, de modo de se puedan evaluar las integrales resultantes. La principal propiedad del sistema de ecuaciones discretizadas resultante, es que la solución obtenida satisface en forma exacta las ecuaciones de conservación consideradas, independientemente del tamaño de la malla. 5.2 Volumen de control para el combustor La geometría del combustor ya se ha explicado anteriormente, en esta sección se destaca la malla usada para simular la dinámica del flujo reactivo dentro del combustor. Entre otras características, la malla consta de 1 400 000 elementos tetraédricos, con mayor densidad en la zona central (elementos más pequeños) donde ocurre la

reacción del combustible con el oxidante. Figura 3. Malla del dominio computacional

6. Resultados numéricos y análisis de los mismos

Los resultados se presentan en diferentes secciones por tipo de modelo.

a. El modelo FLAMELETS con un mecanismo químico detallado con 53 especies y más de 300 reacciones incluye la formación de NOx, este método considera la velocidad de reacción.

b. contempla el combustor y el ducto de transición buscando la influencia de prolongar la zona de reacción.

c. usan modelos de combustión donde la difusión turbulenta predomina respecto de la molecular “Eddy Disipation”, permite acoplar la reacción del vapor de urea proveniente del aditivo con el NO (presente en más de 95 % en los NOx formados) y con ello investigar el efecto de este aditivo.

6.1 Modelo de Flamelets

Las primeras Investigaciones relativas al flujo reactivo de gas natural con aire como oxidante se realizaron bajo modelos de combustión que incluyen una cinética química detallada, los modelos se probaron sin hacer uso de aditivos e incluyendo la adición de este agente reductor. El mecanismo tiene la característica de incluir la formación de NOx y contempla especies en el mecanismo como etano y propano presentes en el gas de combustión, Dos casos que incluyen reacción con y sin sumnistro de agente reductor, se presentan resultados a continuación: En la siguiente tabla se presentan perfiles de temperatura (K), PPM de NOx, Velocidad m/s y Vectores de velocidad para los dos casos en un plano “yz” y también en la salida del espacio analizado, en estos modelos la temperatura de llama es alta. Las condiciones de simulación se presentan en la tabla 3 y sus resultados en la figura 4. Tabla 3 – Comparativa y análisis de parámetros en simulación de perfiles con y sin inyección de aditivo Parámetros Perfiles Sin

Inyección de Aditivo

Perfiles con Inyección de Aditivo

Diferencia. SIN – CON

Temperatura (K) 1345 K 1332 K 13K PPM de NOx 610 ppm 551 ppm 59 ppm Velocidad m/s y Vectores de velocidad

Muestra el perfil de velocidad en un plano como datos de entrada para el ducto de transición y posterior a la turbina



Figura 4. Perfiles de Velocidad, Temperatura y Concentración de NOx con el Modelo Eddy-Dissipation

6.2 Simulación de combustor y ducto de transición usando Flamelets

La condición simula el combustor y el ducto de transición hasta la entrada a la turbina. Además del ducto añadido a la geometría, considera mayor cantidad de aire que entra en la zona de dilución, esto es, el aire que entra para enfriar la llama es mayor que en el caso anterior. En este caso, al aumentar el flujo de aire se buscaba y logró tener menor temperatura de llama, de temperaturas máximas de 2300 K

y ahora 2090 K. Sin embargo, los perfiles de alta temperatura se extienden hasta el ducto de transición, teniendo altas temperaturas en la zona de inyección por arriba del punto óptimo donde la reacción de reducción de los NOx se ve favorecida, 950°C y 1050°C. Esta disminución de temperatura también se ve reflejada en las máximas formaciones de NOx, pero no en la cantidad total en la salida, únicamente se retrasa su formación. 6.3 Conclusiones acerca del modelo de los resultados con los modelos de Flamelets

El modelo captura los niveles de formación de NOx debido a que en el primer caso el orden de NOx en la salida es de 610 ppm, y en la realidad el valor medido es de 550 ppm cuando no se inyecta aditivo. Cuando se suministra aditivo, se consigue disminuir ligeramente la temperatura en la salida de los gases en un valor de 13 grados, contribuye en la disminución de NOx en la salida en 50 ppm. Sin embargo, el modelo de Flamelets no es compatible con el método de reducción de NOx por medio de adición de amoniaco o urea, esto por limitaciones matemáticas y de modelos computacionales. 6.4 Modelo de “Eddy Disipation” y sistema SNCR Los resultados anteriores capturan con bastante precisión campos de velocidad y temperatura del flujo dentro del combustor, incluso la formación de NOx debido al mecanismo detallado de metano GRI, que incluye estas especies. Estos modelos son además compatibles con el suministro de aditivo en una fase discreta y calculan su interacción dinámica con la fase continua prediciendo su evaporación, pero limitados para determinar la reacción del vapor de urea con el monóxido de nitrógeno, de acuerdo a la reacción ya establecida anteriormente en la ecuación 2. Debido a los contornos de alta temperatura que se extienden hasta la zona del ducto, la formación de NOx también se retrasa y los valores máximos se presentan en el ducto y por lo tanto en la salida se predicen valores mayores. Tomando un promedio en la superficie de salida tenemos 1638 ppm de NOx para el caso sin aditivo y de 1667 ppm para cuando se suministra aditivo, este aumento es de esperarse debido a que la alta temperatura en la zona de reacción del aditivo promueve la formación de este y no la disminución que es la intención del suministro de aditivo.

7. Simulación numérica de la primera y segunda etapa de la turbina de gas

7.1 Descripción del problema

NOx con aditivo sin reacción

Con aditivo reaccionando (SNCR)

Velocidad m/s Velocidad m/s

Temperatura K Temperatura K

Ppm de NOx Ppm de NOx



El aire que entra al compresor se comprime y entrega a la cámara de combustión a una temperatura más elevada como resultado del proceso de compresión. El combustible se quema y la temperatura del fluido se incrementa considerablemente hasta temperaturas superiores a los 1000ºC en la cámara. Finalmente, estos gases de combustión a alta presión y temperatura se expanden en la turbina generando un torque, donde parte de la potencia se utiliza para accionar el compresor y el resto produce la potencia en la flecha. Las severas condiciones de operación bajo las que están expuestas los alabes fijos y móviles provocan deterioro metalúrgico de los componentes de manera prematura, por lo se podría pensar que adicionar un sistema de reducción de NOx involucraría introducir perturbaciones que provoquen daño catastrófico de los componentes, y por otra parte, se podría pensar que la cantidad de flujo másico del aditivo es muy pequeño comparado con el flujo másico de los gases de combustión y que no involucrará modificaciones en los patrones de flujo.

7.2 Resultados numéricos y Análisis de resultados 7.2.1 Etapa I Se realizó un análisis térmico-fluido dinámico de la primera etapa de la turbina de gas, la cual está conformada de 42 Toberas y 83 Alabes móviles. En Figura 5 se muestra la paleta, la base y la carcasa de la turbina, con la finalidad de encontrar las distribuciones de temperatura sobre la

superficie de la paleta de los álabes. Se utilizaron como condiciones de frontera las distribuciones de temperatura, velocidad y presión obtenidas del análisis previo en el combustor. Figura 5. Análisis y distribuciones de temperatura sobre la superficie de la tobera de la etapa I de la unidad 2 de la C.T.C.C. el Zaus. Es prudente señalar que se observa de igual modo una región de alta temperatura cerca de la base de los alabes móviles y fijos, esto se atribuye al perfil de temperaturas que arroja el ducto de transición. 7.2.2 Etapa II Se analizó la segunda etapa de la turbina de gas de la unidad 2 de la C.T.C.C. el Zaus de manera similar a la primera etapa. Esta segunda etapa contiene 72 Toberas y 89 Alabes móviles como se muestra en la Figura 6. Las distribuciones de temperaturas obtenidas de los gases de combustión a la salida de la etapa I fueron aplicadas en el modelo computacional de la etapa II para resolver las distribuciones de temperatura en la superficie del alabe.

Etapa II 72 Toberas

89 Alabes móviles

Zona de succión de la Tobera de

la Etapa II.

Zona de presión de Tobera de la Etapa II

Figura 6. Análisis y distribuciones de temperatura sobre la superficie de la tobera de la etapa II de la unidad 2 de la C.T.C.C. el Sauz. En la Figura 6 se muestra la distribución de temperatura en la superficie de la paleta de la tobera de la etapa II tanto en la zona de succión como en la zona de presión. Se puede observar una disminución de 10 K comparando la temperatura máxima del alabe de la etapa I con la tobera de la etapa II.

8. Reporte Análisis del Aditivo para la Reducción de NOx y Análisis de Corrosión

Al aditivo para enfriamiento en turbina se caracterizó en un ST IR Modelo Spectrum 100 Perkin Elmer con accesorio de diamante ATR, para ello se tomó una muestra del aditivo y se pesó, para determinar la cantidad de volátiles

Reconstrucción de Etapa I de la turbina de gas el Sauz (42 Toberas y 83 Alabes móviles)

Distribución de temperaturas en [K] en zona de succión de la Tobera de la Etapa I.

Distribución de temperaturas en [K] en zona de presión de la Tobera de la Etapa I.

Concentración a altas temperaturas



se puso a evaporación hasta sequedad y se pesó el residuo sólido obtenido, de este residuo sólido se obtuvo el espectro directamente en ATR de Diamante figura 7(a), y el espectro IR. figura 7 (b).

(a)

(b)

Figura 7. Espectro IR del residuo sólido de pequeños cristales, en pastilla de KBr, de la solución de aditivo (a) ATR (b) IR De la interpretación de los espectros ATR, IR de la figura 7 se deduce que en la solución del aditivo existe la presencia de una amina aromática secundaria. Una muestra del material de la turbina se pulió a espejo con polvo de diamante, para determinar el aspecto de la superficie la muestra se observó en un microscopio Zeiss 200mat a 100X.

Figura 8 Muestra del material de la turbina con pulido a espejo antes de tratamiento térmico a 100X.

Una vez que se obtuvo la superficie pulida de la muestra, la muestra de la turbina se sometió a un calentamiento con el aditivo en la superficie por periodos de 8 horas a 800°C, durante 7 días el resultado de la prueba se analizó con la observación de la superficie de la muestra antes analizada en el microscopio Zeiss 200 Mat. A 100X.

Figura 9 Muestra del material de la turbina con tratamiento térmico

(a) corrosión localizada picaduras 100X (b) desgaste general de la superficie 100X.

Figura 10. Figura conclusiva demostración final

Se concluye que la prueba mostró que el aditivo a la temperatura de 800°C bajo periodos de 8 h. alternadas,



produce corrosión localizada (huecos) y desgaste general de la superficie.

4. Conclusión

A lo largo de toda la investigación se pudo identificar el problema de las emisiones contaminantes por quema de hidrocarburos, para lo cual se buscaron algunas soluciones que pudieran cumplir con las normas del medio ambiente y se llegó a varias conclusiones de todos los ámbitos mencionados: No podemos hacer solamente uso de las medidas

primarias de la reducción de las emisiones de NOx a la atmosfera, ya que no se respeta la NOM-085-SEMARNAT-1994, por tal motivo se necesita la adopción de medidas secundarias.

Dado el método SNCR (Selective Non Catalytic Reduction), y las pruebas del análisis del aditivo, se identificó que se forma, una disolución de urea en 45% y el resto de agua.

La reacción de la reducción de NO con vapor de urea es: 4 NO + 2 CO(NH2)2 + O2 -----> 4 N2 + 2 CO2 + 4 H2O (11)

Por cada mol de urea se reducen dos moles de NO, respecto de los pesos moleculares, NO (30 gr/mol) es la mitad de urea CO(NH2)2 (60 gr/mol), por lo tanto, una cantidad de masa de urea reduce la misma cantidad de masa de NOx.

Los modelos de Flamelets predicen bien los campos de temperatura y la formación de NOx en la salida (610 ppm sin aditivo) están limitados para determinar la reacción del NO con el vapor de urea, por lo que no es posible por estos modelos determinar los NOx reducidos, o si es posible reducirlos a valores de la norma.

Si se continúa inyectando aditivo, aguas abajo de la inyección se tienen mejores resultados de reducción de NOx. Sin embargo, se proponen pruebas experimentales reales y medir las emisiones condiciones para la reducción. Esto permite otro punto de inyección y aumentar el flujo másico.

Si la urea se evapora completamente (ocurre a las altas temperaturas) no se incrustará en los alabes ocasionando problemas, en todo caso el aumento de urea provocaría mayor cantidad de NOx si la temperatura es alta, y amoniaco formado en las emisiones.

La cantidad de calor necesario para evaporar el aditivo, disminuirá poco la temperatura de entrada a la turbina, este precio será bajo para disminuir los NOx. resultados, es 13 grados por 3 litros de aditivo por

minuto. La diminución de 50 ppm por cada 3 litros/min

inyectados de aditivo no es lineal porque la reacción está limitada a mezcla, tiempo de residencia y calidad de la atomización y mayormente la temperatura,

Por sistema SNCR no es posible cumplir con la norma, se tiene la alternativa de SCR (Selective Catalytic Reduction), se considera como alternativa, se debe investigar costos de instalación del catalizador, esta opción tiene mayor garantía en la cantidad de emisiones reducidas sin afectar el funcionamiento de la turbina.

6. Referencias

[1] R.Sindhu, G. Amba Prasad Rao, K.Madhu Murthy. Effective reduction of NOx emissions from diesel engine using split injections. Alexandria Engineering Journal. (2017)

[2] A.Haj Ayed, Kusterer, H.H.-W.Funke, J. Keinz, C.Striegan, D.Bohn. Experimental and numerical investigations of the dry-low-NOx hydrogen micromix combustion chamber of an industrial gas turbine. Propulsion and Power Research. (2015)

[3] Y. Levy, V. Sherbaum, P. Arfi. Basic thermodynamics of FLOXCOM, the low-NOx gas turbines adiabatic combustor, Applied Thermal Engineering. (2004)

[4] Cheon Hyeon Cho, Gwang Min Baek, Chae Hoon Sohn,*, Ju Hyeong Cho, Han Seok Kim. A numerical approach to reduction of NOx emission from swirl premix burner in a gas turbine combustor. Applied Thermal Engineering. (2013)

[5] J.R. Serrano, F.J. Arnau, V. Dolz, A. Tiseira, C. Cervelló. A model of turbocharger radial turbines appropriate to be used in zero- and one-dimensional gas dynamics codes for internal combustion engines modelling. Energy Conversion and Management. (2008)

[6] N. Kahrama, S. Tanözb, S. Orhan Akansua. Numerical analusus of a gas turbine combustor fueled by hydrogen in a comparation wih jet-A fuel. (2018).

[7] N. Noiray, M. Bothien, B. Schuermans, Analytical and Numerical Analysis of Staging Concepts in Annular Gas Turbines (2010).

[8] J. Van der Geer, J. A. J. Hanraads, R. A. Lupton, Journal of Science Communication 163 (2000) 51.

[9] W. Strunk Jr., E. B. White, The elements of style (3rd ed.). New York: MacMillan (1979).


análisis de emisiones de nox mediante simulación numérica

Documents