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8º congreso iberoamericano de ingenieria mecanica


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8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA

Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007



ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN EL HOGAR

DE UN GENERADOR DE VAPOR QUEMANDO GAS NATURAL Y COMBUSTÓLEO

Dr. G. Polupan, Dr. G. Jarquin López, Dr. I. Carvajal Mariscal,

Dr. M. Toledo Velásquez, Ing. J. Procuna Reynoso
Instituto Politécnico Nacional, SEPI ESIME IPN, Av. IPN s/n, Edif. 5, México D.F., México, CP 07738. gpolupan@ipn.mx

RESUMEN
En este trabajo se presenta un estudio de los procesos térmicos y de la formación de contaminantes en el hogar de un generador de vapor de 150 t/h, quemando combustóleo y gas natural, en condiciones de cambio de los parámetros de operación, en la planta termoeléctrica “Ing. Jorge Luque Loyola” en la ciudad de México.
Se realizaron los análisis térmicos del horno del generador de vapor de 150 t/h y de la zona de combustión activa, usando los procedimientos de los cálculos en condiciones de los cambios de los parámetros de operación del generador de vapor. Estos cambios de parámetros de operación son: 2 diferentes combustibles (combustóleo y gas natural), cambio de carga térmica del generador de vapor desde 50% hasta 100% y cambio de la recirculación de los gases desde 0% hasta 28%.
Se analizó la emisión de contaminantes en el proceso de la combustión del combustóleo y gas natural. En la combustión la máxima influencia en la formación de NOx la tiene la recirculación de los gases en el ducto de aire caliente. Sin recirculación de los gases la emisión de NOx en el horno es máxima y para una carga térmica del generador de vapor de 100% corresponde a 123 ppm. Con recirculación R=0.28 la emisión de NOx disminuye hasta 27 ppm (carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 95 ppm y la reducción relativa de la emisión de NOx es de 77.8%. La recirculación de los gases en el ducto del aire caliente genera la disminución de la formación de los óxidos de nitrógeno. El cambio de la recirculación de 0 hasta 0.10 ocasiona la disminución máxima absoluta de la emisión de NOx de 123 ppm (R=0, carga térmica 100%) hasta 65 ppm (R=0.10, carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 58 ppm y la relativa de 47.0%. En este punto de cambio de la recirculación 0.10 ≤ R ≤ 0.20 la emisión de NOx disminuye de 65 ppm hasta 40 ppm (carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 25 ppm y la relativa de 37.9%. En el punto de cambio de la recirculación 0.20 ≤ R ≤ 0.28 la emisión de NOx disminuye de 40 ppm hasta 27 ppm. La reducción absoluta es de 13 ppm y la relativa de 33.5%.
Se obtuvieron regímenes de operación del generador de vapor de 150 t/h con emisión de contaminantes dentro de los límites de las Normas de protección de medio ambiente.

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INTRODUCCIÓN
La empresa paraestatal que suministra energía eléctrica a la zona central del México es Luz y Fuerza del Centro. Esta posición estratégica la coloca en un punto de relevante importancia ya que de ella depende, sobretodo, una adecuada distribución de la energía eléctrica y de la generación del 1.2% de la electricidad que se consume en el país. Una de sus principales plantas generadoras es la Termoeléctrica “Ing. Jorge Luque Loyola” la cual se ubica en la zona norte de la Ciudad de México.
Esta planta fue inaugurada en los años 50’s del siglo pasado, por lo que muchos de sus procesos incluían el uso de combustibles y equipos que dañaban gravemente el entorno ecológico y residencial de la zona en la que se encuentra. Debido a esto, se hace necesario el desarrollo y la implementación de procesos y métodos de operación que permitan que el funcionamiento de la planta no afecte el medio ambiente circundante.
Por esto, el presente trabajo propone un análisis que permite determinar las cantidades de óxidos de nitrógeno que se emiten a la atmósfera, lo que permitirá plantear, con los datos obtenidos, una serie de cambios para que la operación de la planta se ajuste a los parámetros ecológicos nacionales e internacionales.
GENERADOR DE VAPOR BABCOCK & WILCOX DE 150 T/H
Este generador de vapor es de tipo acuatubular, su capacidad de generación máxima de vapor es de 150 t/h trabajando a 62 kg/cm2 (presión del vapor) y 485 °C (temperatura de vapor), todo esto a la salida del sobrecalentador.
El diseño de este generador de vapor permite el uso de gas natural ó combustóleo o la combinación de ambos como combustible.

Fig. 1. Vista lateral del horno del generador de vapor Babcock & Wilcox de 150 t/h.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE LA EMISIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO

Procedimiento de cálculo de la emisión de óxidos de nitrógeno durante el proceso de la combustión de combustóleo y gas natural en el generador de vapor de 150 t/h esta basado a trabajos [1-4].


La ecuación para calcular la concentración de óxidos de nitrógeno (en ppm) de productos de la combustión a la salida de la ZCA es [4]:
Para Gas Natural


(1)

Parámetros principales de la Zona de Combustión Activa en la formación de NOx
Temperatura promedio de la Zona de Combustión Activa

La ecuación para calcular de la temperatura promedio en la zona de combustión activa es [4, 5]:


(2)
A su vez, la temperatura adiabática de la combustión incompleta del combustible se calcula con la ecuación [6]:
(3)
Densidad de flujo de calor reflejado en la Zona de Combustión Activa

El calor reflejado por el flujo de calor en la zona de combustión activa se determina por la ecuación [4]:


(4)
se calcula con la ecuación [4]

(5)
El grado de combustión β se obtiene de [3].
La eficiencia térmica promedio de las superficies en la zona de combustión activa es [4]:
(6)

Exceso de aire en la Zona de Combustión Activa

El coeficiente de exceso de aire se define por el coeficiente de exceso de aire en el horno y el aire que viene con los gases de recirculación [4]:


(7)

Tiempo de residencia de los productos de la combustión en la Zona de Combustión Activa

El tiempo de residencia de los productos de la combustión en la zona de combustión activa está determinado por la ecuación [4]:


(8)
ξ es el coeficiente de llenado con flujo ascendente de productos de la combustión y se determinó de 0.75 [5, 6].
Al determinar la altura de la ZCA se deben obtener de los planos del generador de vapor sus parámetros geométricos. Además se debe saber la relación de volúmenes de productos de la combustión en la ZCA [4].
(9)

se calcula con la fórmula [4]:
(10)
Para los volúmenes de los productos de la combustión con volumen de gases de recirculación y con volumen de humedad inyectada dentro de la ZCA, se utiliza la siguiente fórmula [4]:
(11)

EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE LOS GASES DE ESCAPE
El sistema de recirculación de los gases de escape en el ducto de aire caliente se presenta en las vistas del generador de vapor (fig. 2.). En la figura 4 se puede observar a detalle el sistema de recirculación de los gases. El sistema de recirculación incluye un ventilador de tiro forzado, válvula de control y la tubería necesaria para los gases de recirculación. Los gases de la chimenea se transportan hasta el ducto de aire caliente en donde se mezclan con aire precalentado y son inyectados a los quemadores.

Fig. 3. Vista lateral del generador de vapor de 150 t/h con sistema de recirculación de los gases.



Resultados del cálculo de la emisión de nox en un generador de vapor de 150 t/h quemando gas natural.
En las tablas 1 y 2 se presentan los resultados de los cálculos de los principales parámetros físicos en la zona de combustión activa y la emisión de NOx en condiciones de cambio de la recirculación y de la carga térmica del generador de vapor quemando gas natural.


Tabla 1. Parámetros de la ZCA y concentraciones de NOx en los productos de la combustión del gas natural.

Recirculación de los gases R=0 y R=0.10.




RECIRCULACIÓN

0

0.10

CARGA, %

50

65

80

100

50

65

80

100

, K

1867

1898

1912

1912

1630

1675

1684

1684

, kW/m2s

106.6

138

212.4

212.4

99.8

129.5

158.7

198.8



1.15

1.12

1.10

1.10

1.17

1.13

1.11

1.11

, s

1.88

1.46

0.961

0.961

2.16

1.66

1.36

1.09

, ppm

106.0

114.2

122.6

122.6

56.0

62.2

64.0

65.0



Tabla 2. Parámetros de la ZCA y concentraciones de NOx en los productos de la combustión del gas natural. Recirculación de los gases R=0.20 y R=0.28.


RECIRCULACIÓN

0.20

0.28

Carga térmica, %

50

65

80

100

50

65

80

100

, K

1483

1514

1526

1526

1384

1399

1416

1416

, kW/m2s

94.54

122.3

150.7

187.4

90.43

116.0

143.0

178.9



1.19

1.15

1.13

1.13

1.20

1.17

1.14

1.14

, s

2.37

1.83

1.50

1.20

2.54

1.98

1.62

1.29

, ppm

35.6

38.2

39.0

40.4

24.7

25.4

27.0

27.2

En las figuras 3, 4, 5 y 6 se presentan los resultados de los cálculos de concentraciones de NOx en dependencia de la carga térmica y la fracción de recirculación.


Fig. 3. Concentración de NOx en productos de la combustión a la salida del horno del generador de vapor de 150 t/h quemando gas natural. R=0.



Fig. 4. Concentración de NOx en productos de la combustión a la salida del horno del generador de vapor de 150 t/h quemando gas natural. R=0.10.




Fig. 5. Concentración de NOx en productos de la combustión a la salida del horno del generador de vapor de 150 t/h quemando gas natural. R=0.20.




Fig. 6. Concentración de NOx en productos de la combustión en la salida del horno del generador de vapor de 150 t/h quemando gas natural. R=0.28.





Influencia de las condiciones de operación a los parámetros en la ZCA y a la formación de NOx.
En la figura 7 se presenta la dependencia de la temperatura promedio de los gases en la ZCA con las condiciones de operación. Esta temperatura tiene una magnitud máxima de 1912 K (gas natural, R=0, carga térmica de 100%). La temperatura promedio de los gases en la ZCA disminuye con hay una disminución de la carga térmica del generador de vapor. Por ejemplo, a carga térmica de 50% esta temperatura es de 1867 K (gas natural, R=0). La diferencia absoluta es de 45 K y la relativa de 2.4%.

En la ecuación (1) la temperatura promedio de los gases en la ZCA esta bajo exponente e influye significativamente en la emisión de NOx. Por ejemplo, el cambio de temperatura de 1912 K a 1416 K provoca un cambio en la componente de la ecuación (1) correspondiente desde 40.4 hasta 7.72 y finalmente cambia la concentración de NOx en los productos de la combustión en 5.2 veces.




Fig. 7. Influencia de los condiciones de operación sobre la temperatura promedio de los gases en la ZCA .

1) R=0; 2) R=0.10; 3) R=0.20; 4) R=0.28


Fig. 8. Influencia de los condiciones de operación sobre la densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA (gas natural). 1) R=0; 2) R=0.10; 3) R=0.20; 4) R=0.28



En la figura 8 se presenta la dependencia de la densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA en condiciones de operación. La densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA máxima es de 212.4 kW/m2s y corresponde a régimen de 100% de carga térmica y R=0. La densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA disminuye cuando hay una disminución de carga térmica del generador de vapor y un aumento en la recirculación de los gases.

La recirculación de los gases en el ducto de aire caliente también influye en la densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA. El cambio de la recirculación de R=0 a R=0.28 ocasiona la disminución de la densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA desde 212.4 kW/m2s hasta 178.94 kW/m2s (gas natural, carga térmica 100%). La diferencia absoluta es de 33.4 kW/m2s y la diferencia relativa es de 15.7%.

En la ecuación (2.38) la densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA esta bajo exponente e influye significativamente en la emisión de NOx. Por ejemplo, el cambio de densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA es de 212.4 kW/m2s (gas natural, carga térmica 100%, R=0) hasta 90.4 kW/m2s (gas natural, carga térmica 50%, R=0.28) genera el cambio de la componente de la ecuación (1) correspondiente desde 0.236 hasta 0.0946 y finalmente cambia la concentración de NOx en los productos de la combustión en 2.49 veces.




Fig. 10. Influencia de la recirculación de los gases a la emisión de NOx en la combustión del gas natural. 1) R=0; 2) R=0.10; 3) R=0.20; 4) R=0.28



Fig. 11. Influencia de la recirculación de los gases y de la carga térmica del generador de vapor sobre la emisión de NOx en la combustión del gas natural. 1) Carga térmica 100%; 2) 80%; 3) 65%; 4) 50%.



La máxima influencia en la formación de NOx durante la combustión del gas natural la tiene la recirculación de los gases en el ducto de aire caliente (figuras 10 y 11). Sin recirculación de los gases, la emisión de NOx en el horno es máxima y para una carga térmica del generador de vapor de 100% le corresponde una magnitud de 122.6 ppm. Con recirculación R=0.28 la emisión de NOx disminuye hasta 27.2 ppm (carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 95.3 ppm y la reducción relativa de la emisión de NOx es de 77.8%.

La recirculación de los gases en el ducto del aire caliente origina la disminución de la formación de los óxidos de nitrógeno. El cambio de la recirculación de 0 hasta 0.10 provoca la disminución absoluta máxima de la emisión de NOx de 122.6 ppm (R=0, carga térmica 100%) hasta 65.0 ppm (R=0.10, carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 57.6 ppm y la relativa de 47.0%. En este punto, el cambio de la recirculación 0.10 ≤ R ≤ 0.20 provoca que la emisión de NOx disminuya de 65.0 ppm hasta 40.4 ppm (carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 24.6 ppm y relativa de 37.9%. En el intervalo de cambio de la recirculación 0.20 ≤ R ≤ 0.28 la emisión de NOx disminuye de 40.4 ppm hasta 27.2 ppm. La reducción absoluta es de 13.1 ppm y relativa de 33.5%.

La influencia de la carga térmica en la emisión de NOx es menor (figuras 10 y 11). Por ejemplo, si la carga térmica disminuye de 100% hasta 50%, la emisión de NOx se reduce de 122.6 ppm hasta 106.0 ppm (R=0) y desde 27.2 hasta 24.7 (R=0.28). La reducción absoluta de la emisión de NOx es 16.6 ppm y la relativa de 13.5% (R=0). Para una recirculación R=0.28 la reducción es de 2.6 ppm y de 9.4% respectivamente.




Conclusiones


  1. En la combustión del gas natural, la máxima influencia en la formación de NOx la tiene la recirculación de los gases en el ducto de aire caliente. Sin recirculación de los gases, la emisión de NOx en el hogar es máxima y para una carga térmica del generador de vapor de 100%, corresponde la magnitud de 122.6 ppm. Con recirculación R=0.28, la emisión de NOx disminuye hasta 27.2 ppm (carga térmica 100%).




  1. En el limites de cambio de la recirculación de 0.10 ≤ R ≤ 0.20, la emisión de NOx disminuye de 93.4 ppm hasta 53.5 ppm (carga térmica 100%). La reducción absoluta es de 39.9 ppm y relativa de 42.7%. En el punto de cambio de la recirculación 0.20 ≤ R ≤ 0.28, la emisión de NOx disminuye de 53.5 ppm hasta 33.9 ppm. La reducción absoluta es de 19.6 ppm y la relativa de 36.7%.




  1. En la combustión del gas natural, el cambio de la carga térmica del generador de vapor causa el cambio de la emisión de NOx. Si la carga térmica disminuye de 100% hasta 50% la emisión de NOx se reduce de 122.6 ppm hasta 106.0 ppm (R=0) y desde 27.2 hasta 24.7 (R=0.28). La reducción absoluta de la emisión de NOx es de 16.6 ppm y la relativa de 13.5% (R=0). Para recirculación R=0.28 la reducción es 2.6 ppm o 9.4% respectivamente.



Bibliografía.


  1. Zeldovich Ya.,Sadovnikiv I. and Frank Kameneckiy D. Nitrogen oxidation at burning. Leneningrad, USSR AC, 1947.

  2. Kotler V.R. Nitrogen oxides in boiler smock gases. Moscow, Energoatomizdat. 1987.

  3. Roslyakov P.V. and Zakirov I.A. Nonstoichiometric burning of natural gas and boiler oil on Power Plants. Moscow, MEI, 2001.

  4. Jarquin López G., Estudio de la formación de NOx en generadores de vapor que queman combustóleo y gas natural, Tesis Doctorado, IPN, México, 2006.

  5. Bezgreshnov A.N., Lipov Yu. M. and Shleyfer B.M. Steam boilers calculation. Moscow, Energoatomizdat, 1991

  6. Thermal design for power boilers. Standard Method. Sankt-Petersburg, CKTI-VTI, 1998.


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