Reducción de las emisiones de Nox en calderas de antracitas mediante reducción selectiva no catalítica
- Autores: Enrique Bosch Naval
- Directores de la Tesis: Francisco Rodríguez Barea (dir. tes.), Vicente J. Cortés Galeano (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Cañadas Serrano (presid.), Benito Navarrete Rubia (secret.), Luis Miguel Romeo Gimenez (voc.), Juan Adánez Elorza (voc.), José Ignacio Linares Hurtado (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Introducción Las plantas eléctricas de generación que utilizan carbón como combustible tienen el importante reto de disminuir las emisiones de NOX significativamente en los próximos años. El reto es aún mayor en aquellas calderas que utilizan antracita y otros combustibles con bajo contenido en volátiles. La combustión de estos carbones requiere de un diseño especial de caldera que produce elevados niveles térmicos y de generación de NOX, de forma que generalmente los valores de NOX emitidos por estos grupos son significativamente mayores que los de las calderas con otro tipo de diseño.
La normativa medioambiental ha considerado históricamente límites de emisión diferentes para las calderas que utilizaban combustibles con bajo contenido en volátiles, permitiendo que éstas operaran con mayores niveles de emisión. Sin embargo, la normativa a medio plazo obligará a reducir las emisiones en este tipo de calderas hasta equipararlas con los límites establecidos para el resto de calderas de carbón.
La tecnología que tiene un mayor potencial de reducción de NOX en la industria es la tecnología SCR (Selective Catalytic Reduction) si bien tiene unos costes de instalación y operación tan elevados que requiere un exhaustivo análisis técnico y financiero antes de su implementación. Especial atención requieren las calderas de carbón existentes, donde los costes finales de instalación dependerán de la complejidad de retrofit necesario a realizar en la planta.
Este retrofit en calderas existentes es de elevada complejidad en las calderas de antracita o de arco, que cuentan con una configuración de equipos de intercambio de calor y depuración de gases que dificultan la implementación de los reactores que componen el SCR.
De esta forma la viabilidad de la planta puede verse comprometida en estos casos.
Por este motivo, la instalación de tecnologías alternativas a la convencional SCR es crítica para el aseguramiento de la viabilidad y operación de este tipo de instalaciones. De una parte, la utilización de otras tecnologías de reducción de NOX supondría una medida complementaria al sistema catalítico, que simplificaría la configuración del mismo y el retrofit necesario en la planta. De esta manera, la configuración resultante no convencional del sistema SCR, no comprometería la viabilidad de la planta.
En algunos casos, la utilización combinada y optimizada de tecnologías diferentes a la SCR convencional puede ser suficiente para que la planta alcance los límites futuros de emisión de NOX. De esta manera no es necesaria la utilización de estos sistemas y pueden reducirse significativamente los costes de inversión y operación de la instalación. En este sentido las principales opciones tecnológicas existentes alternativas a la SCR son: quemadores de bajo NOX (LNB), SNCR (Selective Non Catalytic Reduction), reburning, sistemas de estratificación de la combustión, recirculación de gases (FGR), sistemas de optimización de la combustión, etc.
Esta aproximación es de una importancia mucho más relevante en la industria si se tiene en cuenta que puede ser aplicada a cualquier tipo de caldera de combustión existente, no sólo a calderas de arco o antracita. En todos los casos la utilización combinada de tecnologías de reducción de NOX producirá beneficios notables en la operación de la planta y ahorros muy significativos en las inversiones a realizar en la instalación.
Una de las principales tecnologías alternativas a la SCR convencional es la SNCR. La tecnología SNCR destaca por la simplicidad del proceso y de la instalación necesaria. En el mismo, un reactivo es inyectado en la caldera en unas condiciones determinadas de temperatura, para reaccionar y eliminar el NOX contenido en la corriente de gases. La tecnología SNCR, aplicada en calderas de carbón, ha conseguido históricamente valores máximos de reducción de NOX del orden de la mitad de los conseguidos con sistemas SCR, y se ha mostrado efectiva principalmente en calderas de generación eléctrica de pequeño tamaño. A pesar de que existen múltiples referencias a nivel industrial, su aplicación en calderas de mayor tamaño es muy limitada debido a que las reducciones obtenidas son poco significativas. De igual forma no existen, hasta la fecha, referencias sobre su aplicación a escala comercial en calderas de arco, debido a que éstas tienen unos condicionantes operativos muy particulares que generan niveles significativos de NOX. Por este motivo, la utilización exclusiva de la tecnología SNCR en este tipo de calderas, no suele ser suficiente para alcanzar los valores de emisión objetivo.
Objetivos, motivación y contribución de la Tesis El objetivo principal de la Tesis Doctoral consiste en la adaptación de la tecnología SNCR y su validación experimental en calderas de arco, por ser este tipo de calderas el que presenta mayor dificultad para implementar sistemas SCR convencionales. La metodología presentada en la Tesis Doctoral se ha adaptado y validado en el Grupo 2 de C.T. Velilla, si bien puede ser adaptada a otras tipologías de caldera existentes (tangenciales, frontales, doble frontales, etc). En la fase de experimentación se ha empleado la planta piloto DeNOx SNCR, en cuyo desarrollo el autor de la Tesis Doctoral ha participado activamente en las etapas de diseño, fabricación y puesta en marcha de la planta. Como puntos distintivos de este trabajo hay que destacar: - Velilla 2 cuenta con tecnología basada en medidas primarias de reducción de NOX y monitorización avanzada en caldera, capaz de producir resultados sinérgicos con la tecnología SNCR y que son significativamente más importantes que los obtenidos con el uso exclusivo de tecnologías convencionales.
- El desarrollo de una planta piloto SNCR que permite realizar la inyección de diferentes tipos de reactivo a escala completa en todo el volumen de gases de caldera.
- Las reducciones que históricamente se han conseguido en calderas de este tamaño (352 MWe) han sido muy modestas debido a la dificultad del proceso de inyección y mezcla de reactivo. Este punto se solventa mediante la utilización de un patrón de inyección optimizado que se adapta a las restricciones geométricas de la caldera.
En este sentido las lanzas de inyección tienen un diseño especial con varias boquillas direccionables en el extremo. La correcta orientación y ajuste del caudal de reactivo que pasa por cada boquilla, hace que se obtenga una mezcla optimizada del reactivo con los gases de combustión, y que el sistema SNCR sea de alta eficiencia.
Como objetivo específico adicional al anterior, se plantea el desarrollo de un modelo fluidodinámico que sirva como herramienta de análisis de los resultados obtenidos en la fase experimental de la Tesis Doctoral. Este modelo sirve para caracterizar el proceso y entender cuáles son los parámetros con mayor influencia en el mismo. El modelo fluidodinámico puede utilizarse para simular otros escenarios de operación. El modelo desarrollado puede ser adaptado a otros diseños y tipologías de caldera, resultando una herramienta versátil y de gran utilidad en el diseño de los sistemas SNCR.
El mayor conocimiento logrado como consecuencia de esta Tesis doctoral sobre el proceso SNCR a escala industrial, y el desarrollo de herramientas para evaluar su comportamiento, contribuye a la mejora de las tecnologías disponibles de abatimiento de óxidos de nitrógeno.
Resumen de los capítulos La Tesis Doctoral cuenta con 10 capítulos. Se resumen brevemente cada uno de los mismos: El Capítulo 1 presenta los antecedentes del proyecto sobre los que se desarrolla la Tesis Doctoral. En el mismo se revisa el uso del carbón como fuente energética, se presentan los óxidos de nitrógeno como contaminante ambiental y se describe el marco regulador existente en España.
En el Capítulo 2 se describen los objetivos principales de la Tesis: - De un lado, la adaptación y validación de la tecnología SNCR (Selective Non Catalytic Reduction) en calderas de antracita se presenta como el objetivo principal.
- Por otra parte, se plantea como objetivo específico de la Tesis el desarrollo de un modelo fluidodinámico que sirva como herramienta de análisis de los resultados obtenidos en la fase experimental de la Tesis.
El Capítulo 3 comentan brevemente los contenidos principales de la Tesis.
En el Capítulo 4 se repasa el estado del arte de la tecnología SNCR, incidiendo en los parámetros más importantes de la misma, y que posteriormente se analizan en la fase de experimentación. Adicionalmente se tratan en este capítulo, de un modo introductorio, otras tecnologías de abatimiento de óxidos de nitrógeno alternativas, y a su vez complementarias, a la tecnología SNCR.
En el Capítulo 5 se analizan las experiencias previas de esta tecnología realizadas a nivel industrial en centrales térmicas de carbón.
En el Capítulo 6 se resumen las características técnicas más importantes de la instalación, incorporando descripciones generales de la planta. Este capítulo también incorpora una descripción detallada de la planta DeNOx SNCR y de los elementos diferenciales de esta tecnología sobre aplicaciones convencionales.
El Capítulo 7 aborda la metodología empleada en las diferentes medidas que se han realizado para la cuantificación de los parámetros del proceso. En este sentido se detalla la metodología empleada en la medida de la temperatura y composición química de los gases, y en el análisis de las cenizas.
Capítulo 8 aborda el desarrollo del modelo fluidodinámico realizado de la instalación. La realización de un modelo CFD de este proceso es de elevada complejidad, debido a que incorpora de forma acoplada los diferentes procesos que se producen. Este bloque contempla la realización de un modelo simplificado del proceso, que permite relacionar los resultados y validar los diferentes comportamientos de los reactivos existentes en la literatura.
El Capítulo 9 realiza una presentación y análisis de los resultados, tanto de aquellos datos experimentales obtenidos en la fase de pruebas como los generados por el modelo CFD de la instalación. En este sentido existen diversas tipologías de resultados expuestos.
El Capítulo 10 trata a modo de resumen las principales conclusiones de la Tesis Doctoral y futuras lineas de investigación.
