Recirculación de gases de combustión y otros métodos para mantener limpio nuestro medio ambiente

El NO (óxido nítrico), CO (monóxido de carbono) y el SO₂ (dióxido de azufre) son los elementos involucrados de una manera significativa en los actuales problemas medioambientales en muchos países industrializados, especialmente en países como China. La contaminación ambiental, la lluvia ácida, las enfermedades y la deforestación son sólo algunos de sus efectos.

El NOx es un gas incoloro e inodoro que se percibe sólo por su efecto negativo sobre la salud en los seres humanos, animales y plantas. En combinación con la humedad se transforma en ácido nítrico corrosivo (HNO₃) y causa problemas considerables en los bronquios, pulmones, ojos y piel.

Los primeros intentos experimentales con recirculación de los gases de combustión se iniciaron a principios de 1980 cuando se dieron cuenta de que el NOx, CO, SO₂ y el hollín eran importantes contribuyentes a esa situación de contaminación en Europa, Estados Unidos y otros países industrializados de rápido crecimiento durante esa época. Las primeras situaciones de contaminación ambiental se produjeron en Bélgica (1930), EE UU (1948) e Inglaterra (1952), si bien en este último caso procedía principalmente de la combustión del carbón en los hogares.

Actualmente siempre tratamos de construir calderas más eficientes y más pequeñas que no formen CO (monóxido de carbono), pero esta disminución de tamaño hace que se haya producido un incremento de las temperaturas de llama que va en detrimento del contenido de NOx.

En este artículo vamos a tratar de explicar cómo podemos contrarrestar la formación de NOx mediante el uso de un sistema de recirculación de gases de combustión.

En este apartado se debe distinguir primero los tres tipos de formación de NOx en una combustión térmica obtenida por el ‘mecanismo de Zeldovich’.

1.- NOx térmico. Se .refiere al NOx formado a través de la oxidación del nitrógeno diatómico que se encuentra en el aire de combustión a alta temperatura. La velocidad de su formación es función de la temperatura y el tiempo de residencia del nitrógeno a esa temperatura. Como ya hemos reseñado, a altas temperaturas por lo general por encima de 1000 °C, el nitrógeno molecular (N₂) y oxígeno (O₂) presente en el aire de combustión se disocian en sus estados atómicos y participan en una serie de reacciones.

2.- NOx en el combustible. La fuente principal de producción de NOx es la conversión del nitrógeno presente en ciertos combustibles tales como ciertos carbones o fueloleos en NOx durante la combustión. Durante esta combustión, el nitrógeno unido al combustible se libera como un radical libre y en última instancia forma N₂ libre o NO. La combustión de NOx puede suponer hasta un 50% de las emisiones totales contaminantes cuando se quema fuel oil y hasta un 80% cuando se quema carbón. Por lo general, la reacción del NOx presente en el combustible comienza alrededor de los 800 °C y su incremento no es tan rápido con el aumento de la temperatura como sucede con el NOx térmico.

Aunque no se comprende el mecanismo completo, podemos señalar que hay dos formas principales de formación. La primera consiste en la oxidación de las especies nitrogenadas volátiles durante las etapas iniciales de la combustión. Durante la liberación y antes de la oxidación de los volátiles, el nitrógeno reacciona para formar varios intermedios que luego se oxidan para dar NO. Si los volátiles evolucionan en una atmósfera reducida, el nitrógeno evoluciona fácilmente para formar gas de nitrógeno, en lugar de NOx. La segunda forma implica la combustión de nitrógeno contenido en la matriz de carbón durante la combustión de la porción de carbón de los combustibles. Esta reacción se produce mucho más lentamente que la fase volátil. Sólo alrededor del 20% del nitrógeno quemado se emite en última instancia como NOx, ya que gran parte del NOx que se forma durante este proceso se reduce a nitrógeno por la combustión, que es carbono casi puro.

Un aspecto importante para la buena selección del combustible, especialmente cuando se trata de combustibles líquidos, es la cantidad de nitrógeno existente en el mismo. Para los gases, como el gas natural, no es necesario tener en cuenta este elemento ya que no se encuentra presente en la composición de los mismos.

3.- NOx espontáneo. Esta tercera fuente se atribuye a la reacción del nitrógeno atmosférico, N₂, con radicales tales como C, CH, y fragmentos de CH₂ presentes en el combustible y cuya formación no se ha producido por los dos métodos expuestos con anterioridad. Produciéndose en la etapa más temprana de la combustión, se obtiene como resultado la formación de diferentes compuestos de nitrógeno tales como NH (nitrógeno monohidrido), HCN (cianuro de hidrógeno), H₂CN (cianuro de dihidrógeno) y CN-(radical ciano) que pueden oxidar a NO. En los combustibles que contienen nitrógeno, la incidencia de NOx espontaneo resulta especialmente mínima y por lo general sólo resulta de interés cuando hay objetivos de emisiones muy exigentes.

Hay dos tipos de recirculación de los gases de combustión:

Recirculación de los gases de combustión interna

Se refiere en este caso cuando se produce en el interior del cabezal del quemador, y los gases procedentes de la combustión se recirculan de nuevo sobre la llama. Cada quemador tiene, sin embargo, una recirculación de los gases de combustión interna entre el 1 y el 3%, lo que equivale a un área insignificante. Muchos fabricantes de quemadores consiguen a través del diseño del cabezal del quemador elevar este porcentaje al 6-12%, lo que se traduce en un resultado de una reducción de NOx de 25 a 30%. Sin embargo, la desventaja con este sistema es que las llamas que se forman son bastante inestables lo que puede provocar pulsaciones en las calderas y hacer que sea difícil el ajuste de estas en los hogares. Algunos fabricantes de quemadores han tenido en los últimos años sorpresas desagradables porque varias calderas y quemadores han sufrido daños como consecuencia de esta inestabilidad.

Recirculación de los gases de combustión externa

Es un viejo método con el que se puede mantener con eficacia las emisiones de NOx en un nivel muy bajo. Es preferible que la recirculación de gases sea proveniente de antes del economizador.

Esto se hace mediante el uso de un ventilador independiente de recirculación de gases o un conducto instalado a la entrada del ventilador de aire de combustión creando una especie de venturi al mezclarse con el propio aire de combustión. Este ventilador debe estar diseñado para la temperatura y cantidad adicional de gases de combustión. Con una recirculación de gases de un 25-30 puede lograrse fácilmente por este sistema una reducción de NOx en un 50-60% e incluso más. En muchos ensayos durante mi estancia en el área de pruebas de quemadores de combustible líquido y gas de Deutsche Babcock AG en Alemania, no era raro conseguir un 80% de reducción de NOx.

Generalmente, el supuesto es que el NOx se reduce sólo en proporción a la cantidad de gases de combustión recirculado. ¡Esto no es así! Cuando se recircula gas procedente de la combustión, que es en realidad un gas inerte, al mezclarse con el aire de combustión se obstaculiza la formación de óxidos de nitrógeno en el proceso de oxidación de moléculas de combustible

Este efecto se aumenta con la mayor capacidad calorífica de los principales componentes en los gases de escape (dióxido de carbono y agua en estado gaseoso).

En términos más simples: La temperatura de la llama se reduce y los picos de temperatura evitan que influyan significativamente en la formación de NOx térmico dependiendo de la cantidad.

Una regla simple:

• Cuanto mayor es la capacidad calorífica de los gases de combustión mayor es la reducción.
• Mayor cantidad de gases de combustión es igual a una temperatura de la llama más baja.
• Una baja temperatura de la llama es igual a menos NOx.

• La inyección de agua en el primer tercio de la llama. En esta aplicación tenemos uno o más inyectores de agua fuera del quemador que reducen la temperatura de la llama.
• La misma aplicación con inyección de vapor porque la capacidad calorífica del vapor es mucho mayor que el agua. Si la salida del vapor de agua es superior a 180 °C también es posible mezclar el vapor con el aire de combustión en el interior del quemador.

Con el fin de lograr una reducción de NOx en un 15-25%, dependiendo del quemador, se necesita aproximadamente el 2-5% de la producción total de la caldera. Como ejemplo, si tenemos una caldera de 100 toneladas/h, entonces ésta necesita 2-5 t/h de vapor para lograr esta reducción. Con agua se necesitaría más cantidad.

En los tiempos que corren hay que pensar en el futuro y lo que vamos a dejar a nuestros descendientes. La madre naturaleza no necesita a las personas. Las personas necesitan a la madre naturaleza.

Central termosolar NOORo 1 en Ouarzazate (Marruecos). Foto cortesía de Sener.

E&M Combustión suministra los quemadores de la central termosolar NOORo 1 en Ouarzazate (Marruecos)

E&M Combustión se ha adjudicado el suministro de dos quemadores de gasóleo de 40 MW de potencia ubicados en dos calderas verticales de 36 MW de aceite térmico para la central de energía renovable termosolar NOORo 1, construida como llave en mano por el consorcio Sener, TSK y Acciona- en Ouarzazate, en el sur de Marruecos. Con una potencia prevista de 160 MW, la planta, que conlleva una inversión global superior a 500 millones de euros, es un proyecto clave en el desarrollo de las energías renovables de la región y representa uno de los primeros desarrollos con esta tecnología y potencia realizados en Marruecos, así como uno de los más importantes en todo el continente africano.

Los quemadores diseñados por la empresa vasca E&M Combustión están preparados para trabajar con aire precalentado a 200 °C y también para conseguir unos niveles muy restrictivos de emisiones de óxido de nitrógeno (NOx). Para ello, estos quemadores utilizarán un sistema de recirculación de gases (F.G.R.) como método para conseguir una mayor reducción de las emisiones contaminantes. Los equipos, que queman gasóleo como combustible, se utilizarán para las funciones auxiliares de apoyo; es decir, durante la puesta en marcha y en modo de operación segura.

NOORo 1 es el primer proyecto de estas características en Marruecos. Es la primera de su tipo en el mundo en términos de capacidad de producción (160 MW) y la planta inicial de las seis que contemplan los planes de energía solar de este país definidos por la Agencia Marroquí para la Energía Solar (Masen). Dentro de este marco, el complejo NOORo está configurado para convertirse en un parque de energía solar de 500 megavatios, que incorporará cuatro plantas de energía solar a escala comercial, utilizando diversas tecnologías solares. Se convertirá en el mayor complejo termosolar del mundo en 2017 cuando entre en operación comercial.