tratamiento de gases imq - 310 Óxidos de nitrÓgeno

TRATAMIENTO DE GASES IMQ - 310

ÓXIDOS DE NITRÓGENO

¿Por qué debemos controlar el NOX?

Óxidos de Nitrógeno NOX

Familia de 7 compuestos

Actualmente, CONAMA (y US-EPA) regula solo NO2

Forma antropogénica más frecuente de NOX en la atmósfera

NO2 también reacciona en la atmósfera para formar O3 y lluvia ácida

Desea reducir O3 en troposfera (aire que respiramos)


EPA ha establecido NAAQS para NO2Estándar primario y secundario: 0,053 ppm = 100

µg/m3 , concentración media aritmética anual

Chile también ha establecido norma para NO2

100 µg/m3, media aritmética anual400 µg/m3, media aritmética horaria

O3 ha sido y continua siendo un problema significativo de contaminación en Santiago


NO2 reacciona en presencia de aire y UV para formar O3 y NO

NO reacciona con radicales libres en la atmósfera, que son creados por acción de UV y COV

Los radicales libres reciclan el NO a NO2

Cada molécula de NO puede producir O3 varias veces

Esto ocurre hasta que el VOC es reducido a cadenas cortas, cesando su foto-reactividad (5 veces)


Además NOX y SOX son capturados por la lluvia para formar lluvia ácida

Lluvia ácida afecta seriamente a ecosistemas y directamente a algunos segmentos de nuestra economía

Para reducir con éxito dichas emisiones debemos entender la generación y control de la familia NOX

¿Qué son los óxidos de nitrógeno?

NElemento químico (nitrógeno)Reactivo (varias valencias “oxidadas”, 1+ a 5+)Forma diversas clases de óxidos

• En la naturaleza: N2

Molécula diatómicaRelativamente inerte (excepto a temperaturas altas)80% aire que respiramos


N cambia su nivel de ionización si1. Es golpeado por un fotón (UV o luz de longitud de

onda corta)2. Es golpeado por suficientes fotones que juntos

transfieren la suficiente cantidad de energía para cambiar el nivel de ionización

3. Es catalizado4. Es estimulado por energía térmica (IR)5. Reacciona con un radical oxidante o reductor6. Reacciona con un ion oxidante o reductor


Cualquiera de estos óxidos se absorbe en agua HNO3 o HNO2

HNO3 forma sales de nitrato cuando es neutralizado, HNO2 forma sales de nitrito

NOX (y sus derivados) existen y reaccionan como gases en el aire, como ácidos en las gotas de agua o como sal

Gases, gases ácidos y sales contribuyen a la contaminación observados y atribuidos a la lluvia ácida


N2O, NO y NO2 son las formas más abundantes de NOX en el aire

N2OProducido por fuentes biogénicas, ej. plantas y levadurasMedianamente reactivo y analgésicoDisminuye el O3 en la troposfera y estratosferaAlta vida media (100 a 150 años)Oxidación con O3 puede ocurrir a cualquier T, generando O2, NO o N2O2


NOPrincipalmente emisión desde combustión

Se genera al límite del oxígeno disponible (200.000 ppm) en aire a temperaturas > 1300ºC (ecuaciones de Zeldovich)

T<760ºC se genera en menores concentraciones o simplemente no se genera

En combustión, es generado como función de la razón aire/combustible

Es principalmente antropogénico

< 10 % de las emisiones totales son biogénicas


NO2

Presente en atmósfera y lluvia ácida

En agua HNO3

Reacciona con un fotón para hacer que el O2 se convierta en O3, NO2 se convierte en NO. Este NO es luego oxidado a NO2 por radicales desde foto-reacciones de COV

N2O3 y N2O4

Existen en muy pequeñas concentraciones (su presencia y efectos son a menudo ignorados)

N2O4 son dos moléculas unidas de NO2 por lo que puede enmascararlo


N2O5

Forma más ionizada de NOX

Generado en aire a muy pequeña concentración, a menos que sea emitido por un procesoAltamente reactivo

Forma HNO3 en agua

Para propósitos ambientales, NO2 es un buen indicador de NOX

NO es rápidamente convertido en NO2

NO2 larga vida y no muy reactivo (excepto con UV y COV!)

Emisiones de NOx

¿De donde provienen los NOX?


Emisiones (EEUU, 1999) 60 % Automóviles y otras fuentes móviles 20 % Termoeléctricas 15 % Procesos industriales (calderas etc) 5 % Otros

Emisiones (Chile, Santiago, 1997) 70,6 % Automóviles 12,5 % Calderas 12,3 % Procesos Industriales 3,5 % Combustión Residencial 1,1 % Otros

Emisiones – USA - 2006

Emisiones - USA

Emisiones – Japón (1999)


0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

Iquique Viña Rancagua Concenpción Temuco Santiago

Ciudad

NO

x [

Ton

/Añ

o]

Fuentes Móviles

Fuentes Fijas

Total

Emisiones - Chile

0 6,0002,000 4,000

Meters

NOx

7500

37501875

NOx for bus [KT/year]NOx for other [KT/year]

1

23

4

5

6 7

8

9

0 6,0002,000 4,000

Meters

NOx

7500

37501875

NOx for bus [KT/year]NOx for other [KT/year]

1

23

4

5

6 7

8

9

Emisiones de fuentes estacionarios Concentraciones en el gas de escape

•Source ppm• Normal industrial fired equip. 100-200• Utility boilers 400• High-temperature processes

(cement kilns) 250-1,100• With pre-heated air 1,000-3,500• Low NOx burners <50• Ultra-low NOx burners <10


En combustiones existen 3 oportunidades de formación

1. Thermal NOX

Concentración de NOX termal es controlada por concentraciones molares de O y N y la temperatura de combustiónCombustión a T < 1300 ºC genera menores concentraciones

2. Fuel NOX

Combustibles que contienen N generan NOX combustible que resulta de la oxidación del N

3. Prompt NOX

Formado desde el N molecular en el aire cuando existen condiciones ricas en combustible

Thermal NOx

N2 + O2 = 2 NO

Equilibrio

Equilibrio

• En la llama (> 3000 F):• NOx : 10000 ppm

• NO/NO2 : 500 - 1000

• En el gas de escape: (300 – 600 F)• NOx : < 1 ppm

• NO/NO2 : 0.001 – 0.1

Equilibrio

En la realidad:

• En la llama (> 3000 F):• NOx : 2000 ppm

• NO/NO2 : 500 - 1000

• En el gas de escape: (300 – 600 F)• NOx : < 300-1200 ppm

• NO/NO2 : 10 - 20

Cinética

T

T

ek

ek425

71

383708

1

108,3

108,1

T

T

ek

ek20820

32

46804

2

108,3

108,1

T

T

ek

ek24560

81

4507

3

107,1

101,7

1)

2)

3)

Fuel Nox

• Típicamente 20-30 % del N en el combustible se convierte a NOx

• El resto queda como N2

Fuel NOx

Prompt NOx

Contribución de los 3 mecanismos para la formación de NOX en la combustión de carbón

¿Cómo afecta en NOX al Medio Ambiente?

Generación de Smog O3 es el principal constituyente del Smog

EutroficaciónDisponibilidad excesivamente alta de nitratos12 al 44% del N en agua proviene del aire

MortalidadNOX proveniente de la combustión puede matar a plantas y

animalesLos derivados pueden causar mutaciones biológicas

¿Cómo afecta en NOX al Medio Ambiente?

Material Particulado90% de PM2,5 esta constituido por sulfato/sulfito,

nitratos y partículas orgánicas

Deposición ácidaPrincipalmente sulfatos y nitratosLluvia o nieve (Wet deposition)Nubes o niebla (Cloud deposition)Transferencia de gases o partículas (Dry deposition)

¿Qué principios de abatimiento y control aplicar?

Las tecnologías de abatimiento y control son un problema relativamente complejo

Antes de analizar el espectro de tecnologías es necesario revisar los principios que estas utilizan

¿Qué tecnologías están disponibles?

Por lo general existen dos tipos de tecnologías para el abatimiento de NOX

Aplicaciones externas a combustión

Aplicaciones internas a combustión

Estas tecnologías pueden a su vez ser divididas dependiendo del tipo de prevención

Reducción de la generación de NOX

Reducción de la emisión de NOX

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