Desarrollo de equipos de baja emisión de NOx para

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 .

,Resumen

Los óxidos de nitrógeno (NOx) son una de las principales fuentes de contaminación en cualquie rsistema 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 diversastecnologías que se basan tanto en modificaciones en el propio proceso de combustión, como en e ltratamiento posterior de los humos. Entre las distintas opciones, los quemadores de bajo NOx so nuna de las que presenta mayores ventajas . La presente comunicación describe el desarrollo de unode estos equipos a través de un proyecto de colaboración entre una compañía de generación d eenergía, un fabricante de quemadores y un laboratorio de investigación. Mediante ensayos sobre uncombustor experimental y una caldera de 20 MW, se ha obtenido un prototipo de quemador para ga snatural y fuel oil con excelentes prestaciones, tanto en lo relativo a emisiones de NOx como alrendimiento de la combustión.

1 . introducción

Dentro de la denominación "óxidos d e

nitrógeno" o NOx se incluyen dos gases

diferentes : monóxido de nitrógeno (NO) y

dióxido de nitrógeno (NO2) . Ambos constituye n

contaminantes gaseosos que causan diverso s

e importantes efectos sobre el medi o

ambiente, [1], [2] :

• Reaccionan con el ozono en l a

estratosfera, siendo responsables de

casi el 50 % de la destrucción observad a

de la capa de ozono.

• Formación de ozono en las capas bajas

de la atmósfera, que contribuye a l a

creación de niebla fotoquímica y efect o

invernadero .

• Causantes de lluvia ácida.

• La inhalación de ambos gases ,

especialmente el NO2, es altamente

perjudicial para la salud humana, incluso

en muy bajas concentraciones .

Una parte de la formación de esto s

compuestos (el 33% del total, según [1]) s e

produce por causas naturales (tormentas ,

transformación de materia viva, . . .) . El resto se

genera a partir de actividades humanas .

La utilización de combustibles fósiles e s

responsable de alrededor del 42 % de la

cantidad total de NOx, [1] . En esta categoría s e

incluyen tanto los medios de transporte, como

los distintos tipos de fuentes estacionarias . A

estas últimas y, en especial, a las grande s

plantas generadoras de energía se dedica este

estudio .

1

El significativo impacto ambiental de lo s

procesos de combustión a través de la

formación de NOx ha motivado en los último s

años la aparición de legislaciones cada ve z

más restrictivas sobre este problema. Desde

inicios de los años 80 se vienen dedicando

importantes esfuerzos, sobre todo en paíse s

como Alemania, Estados Unidos o Japón, par a

adaptar a los nuevos condicionantes tanto las

' plantas existentes como las de nueva

construcción . Como respuesta a esta s

necesidades, se han desarrollado diversas

tecnologías que permiten el control de NOx e n

sistemas de combustión . Una revisión sobre

estos métodos puede encontrarse en la s

referencias [3] a [6] .

2. Tecnologías de reducción de NOx

2.1 Conceptos generales

La formación de óxidos de nitrógeno en llamas

puede tener lugar a través de tres mecanismos

diferentes :

1 NOx térmico: Se genera a partir de l a

reacción del nitrógeno y oxígen o

contenidos en el aire, en las condicione s

de alta temperatura de la llama .

2 NOx del combustible : Procede de la

oxidación de los compuestos

nitrogenados presentes en e l

combustible .

3 N O x súbito : Aparece com o

consecuencia de la reacción de l

nitrógeno del aire con radicales de

hidrocarburos .

El primer mecanismo es la principal fuente d e

NOx en llamas de combustibles que n o

contienen nitrógeno (p . ej., gas natural) . El fue l

oil pesado o el carbón presentan contenido s

apreciables de compuestos nitrogenados, qu e

son responsables entre el 50 y el 90 % de l

NOx total generado en estos sistemas . La

contribución del NOx súbito es pequeña en l a

mayoría de los casos y no suele tenerse en

cuenta.

Los métodos de control de NOx puede n

agruparse en dos categorías : modificaciones

en el proceso de combustión (o medidas

primarias) y tratamiento posterior de lo s

humos. En la Tabla 1 se resumen las

principales técnicas, junto con las posibilidade s

de reducción de las emisiones y el coste

asociado a la implantación de cada una sobr e

instalaciones existentes, [7] .

Las modificaciones de la combustión se basan ,

fundamentalmente, en reducir las

temperaturas máximas de los gases o e n

limitar la disponibilidad de oxígeno en ciertas

regiones de la llama. De acuerdo a esto s

principios, existen diversos métodos qu e

permiten reducir la emisión de NOx . El

principal inconveniente es que, en muchos

casos, estas medidas pueden conducir a

mayores emisiones de inquemados, por lo que

este aspecto debe tenerse también en cuenta.

Existen diversas estrategias que permite n

mejorar los resultados sin necesidad d e

cambios significativos en las instalaciones

existentes. Entre ellas pueden citarse la

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 30-50

SNCR 20-60 25-50

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

algunos quemadores fuera de servicio

(BOOS), o la redistribución del flujo d e

combustible entre distintos quemadores . No

obstante, las posibilidades de reducción d e

NOx por estos medios son limitadas .

La técnica de reburning consiste en l a

inyección de un combustible secundario en l a

parte final del hogar con objeto de crear un a

zona reductora donde se consume una part e

del NOx formado inicialmente . Una de las

comunicaciones incluidas en este Congreso

(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) ,

permite realizar la mayor parte de l a

combustión con bajo exceso o, incluso, defecto

de aire. De esta forma puede obtenerse un a

reducción en las emisiones de hasta el 30 % .

Otro grupo de técnicas se basa en l a

eliminación de los óxidos de nitrógeno emitidos

en los humos de salida . Los dos principale s

métodos son la Reducción Catalítica Selectiv a

(SCR) y la Reducción No Catalítica Selectiva

(SNCR) . Las posibilidades de reducción d e

NOx por estos medios son superiores a las

medidas primarias, pero con la desventaja de

un coste mucho más elevado .

La recirculación al hogar de una parte de lo s

gases de salida también permite rebajar l a

concentración de oxígeno y las temperaturas

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 buenos

tema se tratará más adelante .

3

resultados de rendimiento y comportamient o

de la llama.

La práctica totalidad de los grandes fabricantes

de quemadores han desarrollado sus propio s

equipos . Como consecuencia, pued e

encontrarse una amplia variedad de diseños

que cumplen estas condiciones . No obstante ,

en la mayoría de los casos están basados e n

unas pocas ideas generales :

• Reducción de la temperatura máxima e n

las zonas oxidantes de la llama, con

objeto de minimizar, sobre todo, l a

formación de NOx térmico. Este efecto

es especialmente relevante en llamas d e

gas natural, donde este es el principa l

mecanismo de formación de NOx.

• Estricto control del nivel de oxígeno e n

las regiones de combustión más intensa .

Por este medio se limita la formación d eN O x a partir del combustible ,

favoreciendo las reacciones d e

reducción a nitrógeno molecular . Esta

técnica es especialmente efectiva e n

sistemas que utilizan combustibles co n

alto contenido en nitrógeno (p .ej., fuel oi l

o carbón) .

Estos efectos se consiguen mediante un

estricto control de las condiciones de mezcl a

entre los flujos de combustible y aire . Por este

motivo, los quemadores de bajo NOx suele n

caracterizarse por geometrías relativament e

complejas, asociadas en muchos casos a

múltiples circuitos de inyección de combustible

y aire .

Aunque las reglas generales de diseño puede n

parecer sencillas, la principal dificultad estrib a

en alcanzar simultáneamente un bue n

comportamiento de la combustión . Los dos

efectos apuntados resultan, en principio ,

negativos para la eficiencia del proceso . De

hecho, el diseño de quemadores se ha basado

tradicionalmente en la obtención de alta s

temperaturas y mezcla intensa con objeto d e

maximizar el rendimiento .

Como ya se ha apuntado, esta técnica permit e

obtener importantes reducciones en la emisió n

de NOx (rebasando, incluso, el 50%) a u n

coste relativamente bajo, si se compara co n

otras alternativas . Otra de las ventajas es que ,

aparte de la propia sustitución de lo s

quemadores, no requiere importante s

modificaciones sobre las calderas existentes .

Unicamente, la relativa sofisticación de esto s

equipos puede obligar a incorporar nuevos

sistemas de maniobra y control para e l

correcto funcionamiento del quemador .

3. Quemador TENO X

El desarrollo de este equipo es el resultado d e

un proyecto de colaboración entre un a

empresa de generación de electricidad

(Térmicas del Besós, S. A.), un fabricante de

quemadores (Proyce, S . A.) y un centro de

investigación (LITEC) . Se trata de un

quemador de baja emisión de NOx para l a

combustión de gas natural y fuel oil . Aunque e l

estudio ha incluido ensayos con vario s

tamaños del quemador, el objetivo final ha sid o

el desarrollo de un prototipo apto para su

4

utilización en grandes calderas de centrales

térmicas .

El proyecto comprende tres etapas :

Análisis de la información disponible a

nivel mundial sobre las bases de diseño

de equipos de bajo NOx .

• Ensayos de un modelo para 350 kW

sobre un combustor experimental .

• Pruebas en una caldera monoquemado r

hasta 20 MW .

En la Figura 1 se presenta un esquema de l

modelo del quemador TENOX ensayado en e l

combustor experimental del LITEC .

El quemador consta de dos circuito s

independientes de inyección de aire . El aire

primario circula por la garganta central, en e l

centro de la cual se encuentra un swirler d e

álabes inclinados que imprime al flujo una

componente de rotación . Por un conducto

anular exterior a este circula la corriente d e

aire secundario . Existe una serie de álabes

orientables desde el exterior que imparten a l

aire un nivel de swirl variable . El reparto de

caudal entre ambos circuitos se consigue

mediante una válvula de distribución

incorporada en el propio quemador .

Existen también dos circuitos de alimentació n

de gas natural. El combustible primario se

inyecta a través de la caña central, que pued e

posicionarse en distintos puntos con respecto

a la garganta de salida. Un obturador regulable

permite variar la velocidad de salida del gas . E l

gas natural secundario es introducid o

mediante 16 inyectores situados en la periferi a

de la garganta de aire secundario . La fracció n

de combustible que se inyecta por cad a

circuito puede variarse entre márgenes mu y

amplios, mediante el control de las presione s

de alimentación .

En funcionamiento con fuel oil, la inyección s e

realiza exclusivamente a través del atomizado r

situado en la caña central .

Existen, por tanto, un gran número d e

parámetros ajustables :

a) Distribución de aire entre los do s

circuitos .

b) Grado de rotación de los aires 1 4 y 22 .

c) Distribución de combustible entre lo s

dos circuitos (para gas natural) .

d) Posición y sección de salida del inyecto r

de gas primario .

e) Sección y orientación de los inyectore s

de gas secundario .

f'

Tipo de atomizador y condiciones d e

inyección (para fuel oil) .

Esto confiere al equipo una gran flexibilidad ,

que hace posible cubrir muy diverso s

regímenes de funcionamiento. El objetivo de l

estudio ha sido, precisamente, analizar l a

influencia de las distintas variables sobre e l

comportamiento del quemador (emisiones ,

estabilidad, . . .) . Como resultado, se han

obtenido distintos rangos de trabajo qu e

proporcionan mínimas emisiones de NOx.

5

3.1 Funcionamiento con gas natura l

La primera serie de ensayos se ha llevado a

cabo en las instalaciones experimentales de l

LITEC. Gracias a las amplias capacidades d e

control disponibles, estas pruebas ha n

permitido cubrir los rangos de interés de lo s

distintos parámetros.

El laboratorio cuenta con una complet a

instrumentación que permite analizar e n

detalle los diversos aspectos del proceso d e

combustión . Es posible determinar, tanto e n

los humos de salida como en cualquier punt o

de la llama, variables como : composición d e

gases (análisis en continuo de 0 2 , CO, CO 2 ,

H2O, NO/NOx, N20, S02, HC, HCN, NH3) ,

temperatura, velocidad del flujo, carga d e

partículas, . . .

Una descripción del combustor experimenta l

del LITEC puede encontrarse en otra de la s

presentaciones incluidas en este Congreso ,

[8] . Las pruebas se han realizado con un a

potencia térmica entre 300 y 350 kW.

Mediante la combinación de las distinta s

variables de trabajo se han llevado a cabo

alrededor de 130 ensayos diferentes . A

continuación se resumen algunos de lo s

resultados obtenidos .

En la Figura 2 se muestra una serie d e

medidas de la emisión de NOx al variar l a

temperatura de aire manteniendo constantes e l

resto de las variables. Esta gráfica demuestra

la fuerte dependencia respecto a este

parámetro . La formación de NOx en llamas de

gas natural se debe casi exclusivamente a l

mecanismo térmico. En consecuencia, la s

emisiones son función de la temperatura de

llama y, por tanto, del nivel d e

precalentamiento del aire .

Uno de los parámetros que ha resultad o

fundamental en el comportamiento de l

quemador ha sido el reparto de gas natura l

entre los dos circuitos . En la Figura 3 s e

representan las emisiones de NOx en función

de la fracción de gas inyectado por la cañ a

central, para dos temperaturas de aire

diferentes. La forma de estas curvas se h a

repetido en diferentes series . Para un cauda l

de gas primario en torno al 40 % del tota l

aparece un máximo. Al aumentar este

porcentaje la emisión disminuye ligeramente .

En cambio, conforme se reduce el gas primario

el nivel de NOx baja drásticamente . Por este

medio pueden conseguirse niveles inferiores a

27 ppm, incluso con aire precalentado a 250

°C.

Para intentar comprender los fenómenos

responsables de estos efectos se llevaron a

cabo, además, mediciones en el interior de l

hogar. En concreto, se determinó el campo d e

velocidades y temperaturas en toda l a

extensión de la llama. Estos resultados

muestran que se establecen dos regione s

diferenciadas. En una de ellas, más cercana a l

quemador, tiene lugar la combustión de ga s

primario en forma de una llama intensa . La

segunda se sitúa aguas abajo, donde s e

quema el combustible secundario co n

temperaturas que no sobrepasan 1550 °C.

1

6

Esta configuración proporciona una llama mu y

estable, pero donde la formación de NOx está

limitada, entre otros efectos, por las baja s

temperaturas .

Otro de los parámetros que permiten controlar

las emisiones es el reparto de aire . La Figura 4

muestra la concentración de NOx al variar e l

caudal de aire primario . Por debajo de un nivel

crítico de este parámetro se obtiene un a

reducción importante en NOx . Se encontró

asimismo que el funcionamiento en est e

régimen requiere ciertos niveles de rotació n

del aire primario, debido a condicionantes d e

estabilidad de la llama.

comentada previamente . Para bajos caudales

de gas primario se obtuvo una emisión de NO x

en torno a 22 ppm. Este valor result a

claramente inferior al nivel de 80 ppm qu e

proporciona a la misma potencia el quemador

instalado en esta caldera, y que puede se r

representativo de los quemadore s

convencionales .

Cabe destacar también la semejanza obtenida

entre las dos series de ensayos en lo relativo a

la configuración de la llama, a pesar de la gran

diferencia de escalas .

3.2 Funcionamiento con fuel oi l

En conjunto, el quemador TENOX se h a

comportado de forma estable para amplios

rangos de los parámetros de ajuste. Incluso

con excesos de oxígeno en los humos po r

debajo del 1 %, las emisiones de CO se han

mantenido por debajo de 10 ppm y si n

concentraciones detectables de hidrocarburos .

La segunda fase de las pruebas se realizó e n

la caldera auxiliar de la C .T. de Foix (Térmicas

del Besós, S .A.) . El objetivo es contrastar l a

validez de las conclusiones extraidas de l

estudio a escala reducida. Si bien en este cas o

las capacidades de control son mucho má s

limitadas, ha permitido llevar a cabo u n

número reducido de ensayos con potencia s

entre 9y 20 MW.

Las pruebas han confirmado los resultados

obtenidos en el combustor experimental . El

reparto de combustible entre los dos circuito s

ha mostrado una influencia muy similar a la

En las instalaciones del LITEC se llevaron a

cabo también una extensa serie de ensayo s

con el quemador TENOX utilizando fuel oi l

pesado . Además de los parámetros propios de l

quemador, se variaron también el diseño de l

atomizador y las presiones de inyección de l

combustible y del fluido auxiliar. En total se

ensayaron cerca de 200 condiciones de

trabajo diferentes .

Nuevamente, la distribución de aire es u n

factor clave en la emisión de NOx, como

demuestra la Figura 5 . La oxidación de l

nitrógeno presente en el fuel oil es una fuent e

importante de NOx en este caso. Por tanto, l a

creación en la llama de un núcleo rico e n

combustible contribuye a limitar est e

mecanismo de formación . Un correcto ajuste

de la inyección de aire (reparto entre circuitos

y grado de rotación de cada flujo) permite

controlar las emisiones finales .

7

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

una exhaustiva serie de ensayos variando la s

condiciones de atomización . En la Figura 6 s e

resumen los niveles máximos y mínimos d e

NOx para distintos diseños del atomizado r

obtenidos al variar el resto de los parámetro s

de ensayo .

La mínima emisión de NOx conseguida en este

estudio ha sido de 134 ppm. Esto supone un a

reducción significativa al compararlo con lo s

valores usuales con quemadore s

convencionales (entre 300 y 500 ppm) .

Se han obtendio, al igual que para gas natural ,

amplios márgenes de funcionamiento co n

combustión estable. En la gran mayoría de lo s

casos la concentración de CO ha sido inferio r

a 15 ppm y la carga de partículas en lo s

humos no ha superado 150 mg/Nm3 (ambo s

corregidos a 3% 02) .

Actualmente se está considerando la

posibilidad de realizar una serie de pruebas

con mayor potencia en la caldera auxiliar de l a

C.T. de Foix.

4. Conclusiones

En los últimos años se han desarrollado

diversas tecnologías que permiten ciert o

control sobre las emisiones de óxidos d e

nitrógeno en grandes sistemas de combustión .

La importante reducción posible, a un cost e

relativamente bajo, con los quemadores de

bajo NOx los convierten en una de las

alternativas más ventajosas .

En esta comunicación se presenta un proyect o

de desarrollo de un quemador para l a

combustión de gas natural y fuel oil pesado .

Ensayos exhaustivos en una plant a

experimental han proporcionado un profundo

conocimiento del comportamiento de l

quemador. Las emisiones mínimas obtenidas

han sido de 24 ppm con gas natural y 134 pp m

con fuel-oil (ambas corregidas al 3% 02) .

Estos niveles resultan claramente inferiores a

los que proporcionan los sistema s

convencionales y se encuentran entre los más

bajos que pueden obtenerse con este tipo d e

equipos. Dichos resultados se han conseguid o

en condiciones de combustión estable y co n

muy bajos niveles de inquemados .

Una serie de pruebas a potencias hasta 2 0

MW han confirmado las conclusione s

obtenidas sobre el modelo reducido . Esta

comparación demuestra la gran utilidad de

ensayos detallados sobre una planta piloto de

cara al desarrollo de equipos de combustión .

5. Agradecimientos

El presente trabajo ha sido financiado por e l

Programa de Investigación Electrotécnic o

dentro del proyecto PIE No . 034.059, titulado

"Reducción de emisiones de NOx por

combustión controlada en centrales de fuel oi l

y gas" .

La medida de emisiones en la caldera auxiliar

ha sido realizada por la Asociación de

8

Investigación y Cooperación Industrial d e

Andalucía (AICIA) .

6. Referencias

[1]

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NOx emissions from coal combustion

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[2]

Seinfeld J.H .

Atmospheric chemistry and Physics o f

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[3]

Hjalmarsson A . K., Soud H. N .

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combustion.

!EA Coal Research, London, 1990

[4]

Hein K.R.G., Jager G.

Results of combustion modifications for

the reduction of NOx emission .

ASME, FACT-10, 1990

[5] Acidic emission abatement technologies .

HMSO, London, 199 1

[6]

Cohen M .B ., Klingspor J .S., Bresowar G .

State of the art emissions control

technology for new tangentially fire d

pulverized coal utility steam generators

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[7] Smith D.J .

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[8] Ballester J ., Dopazo C., Fueyo N .

Mejora de la combustión de carbón e n

centrales térmicas : técnicas combinadas

experimentación/simulación.

Symposium sobre "Recursos Y

tecnologías electroenergéticas", Orense ,

20-22 Octubre, 199 4

9

L

7►.f f

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n

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SISTEMA OE ALETAS

1

Figura 1 - Esquema del quemador TENOX .

6

s

5

45

40

35

30

25

20

=

• •

o

50

100

150

200

250

Temperatura de aire (°C)

Figura 2 - Efecto de la temperatura de precalentamient ode 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 sde NOx ( Quemador TENOX con gas natural) .

O

Gas primario = 100 %

Gas primario =. 50 %

20

40

60

8o

100

Fracción de aire primario (%)

Figura 4 - Efecto del reparto de aire sobre las emisione sde NOx (Quemador TENOX con gas natural) .

40

35

30

25

20o

.v u

80

60

—• Alto Swirl en aire 1 2

irl

1 2—e- o

en aireBajo Swirl

40

2 0

00

80

2o 80 10020 40

6 0

2

Fracción de aire primario (%)

Figura 5 - Efecto del reparto de aire sobre las emisione sde NOx (Quemador TENOX con fuel oil) .

1 2

40

35

30

250

200

150

G

Mínimo NOx—*—

Máximo NOxp

A

B

C

D

Diseño del atomizado r

Figura 6 - Rango de emisiones de NOx para distintos diseño sdel atomizador (Quemador TENOX con fuel oil) .

100

1 3