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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.22 n.2 La Serena  2011

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642011000200009 

Información Tecnológica Vol. 22(2), 79-84(2011)

 

ENERGIA

 

Influencia de la Construcción del Sistema de Recirculación de los Gases sobre la Formación de NOx en un Generador de Vapor de 350 MW

 

Effect About Construction of the Recirculation System on NOx Formation in a Boiler with Power of 350 MW

 

Georgiy Polupan(1), Guillermo Jarquin(2), Ignacio Carvajal'1' y Juan A. Jiménez'3'

(l)lnstituto Politécnico Nacional, SEPI-ESIME-Zacatenco, Av. IPN s/n, Edif.5, UPALM, Colonia Lindavista, 07738. México, D.F. (e-mail: gpolupan@ipn.mx, icarvajal@ipn.mx)

(2)lnstituto Politécnico Nacional, SEPI-ESIME-Culhuacan, Av. Santa Ana No. 1000, Edif.2,tercer piso, Colonia San Francisco Culhuacan, Coyoacán.C.P. 04430. México, D.F. (e-mail: gjarquin@ipn.mx)

(3)Universidad Autónoma del Estado de México. UAP - Nezahualcóyotl. Av. Bordo de Xochiaca s/n Col. Benito Juárez, 57000 Cd. Nezahualcóyotl. Edo. de México, (e-mail: jjimenez@uaemex.mx)

*autor a quien se debe dirigir la correspondencia


Resumen

Se presentan los resultados de un estudio sobre la formación de NOx en un generador de vapor de 350 MW que quema combustóleo. El objetivo de este trabajo fue determinar la formación de NOx utilizando dos construcciones diferentes de recirculación de los gases. La primera construcción consiste en introducir los gases de recirculación en la parte inferior del horno y la segunda en inyectar los gases de recirculación en el ducto de aire caliente. Para ambos casos el estudio se realiza a diferentes cargas térmicas, manteniendo constantes las fracciones de recirculación de gases para cada carga. Los resultados con la introducción de gases de recirculación en el ducto de aire caliente indican que la formación NOx fue hasta un 58 % menor a los obtenidos con el sistema tradicional de inyección de gases en el fondo del horno.

Palabras clave: generador de vapor, sistema de recirculación, formación de NOx, combustóleo


Abstract

The paper presents the results of a study on the formation of NOx in a 350 MW steam generator that burns fuel oil. The objective of this work was to determine the NOx formation applying two different constructions of recirculation gases. The first construction has the introduction of recirculation gases in the bottom of the furnace and the second one involves injection of recirculation gases in the hot air duct. In both cases, the study was developed at different thermal loads, maintaining constant the fractions of recirculation gases for each thermal load. The results show that the introduction of recirculation gases in the hot air duct reduces NOx formation by 58 % compared to those obtained with the traditional method of injection of gases in the bottom of the furnace.

Keywords: steam generator, recirculation system, formation of NOx, fuel oil


 

INTRODUCCIÓN

La formación de los óxidos de nitrógeno NOx ocurre debido a la oxidación del nitrógeno contenido en el aire y en el combustible. Los óxidos de nitrógeno (NOx), representan la suma de monóxido de nitrógeno (NO), dióxido de nitrógeno (N02) y óxido nitroso (N20). La cantidad de N02 y N20 no exceden 2% (Kotler, 1987). Existen tres mecanismos de formación de NOx: térmicos (NOterm), rápidos (NOrapidos) y de combustible (NOComb)- La formación de NOterm, y NOrapidos se deben al nitrógeno contenido en el aire, y los NOx de combustible se originan del nitrógeno contenido en la composición química del combustible. (Zeldovich, 1947) fue el primero en explicar el mecanismo de formación de los NO térmicos. Las reacciones de la formación de NOterm están caracterizadas por la alta energía de activación. Los NOx térmicos se generan a altas temperaturas, superiores a 1800K(Bartoketal., 1971).

Investigaciones recientes (Zheng et al., 2009) empleando algoritmos genéticos han mostrado una estrecha relación entre la emisión de NOx y los parámetros de operación de generadores de vapor; que con modificarlos se puede optimizar la combustión, para tener emisiones de NOx aceptables por la normatividad y evitando la instalación de equipos de tratamiento de gases costosos como los SCR y SNCR. (Havlena et al., 2005) aplica un modelo predictivo avanzado del control de la combustión planteando optimizar el exceso de aire que entra a la cámara de combustión del generador de vapor logrando el incremento de la eficiencia y la reducción de la formación de NOx. (Mafra M. R., et al., 2010) presenta un análisis experimental de la caracterización de la formación de NOterm y NOrapidos en una cámara de combustión a diferentes relaciones de equivalencia. (Habib et al., 2008) presenta una simulación numérica del estudio de la formación de NOx en un generador de vapor de 160 MW quemando gas, mostrando la dependencia de la formación de NOx de la temperatura máxima, la temperatura promedio en la ZCA, así como de la influencia del exceso de aire y la posición de los quemadores. (Kuprianov et al., 2010) muestra la influencia de los parámetros de operación como técnica para controlar la emisión de NOx en una cámara de combustión de lecho fluidizado. Otras investigaciones realizadas por (Mahmoudi S., et al., 2010) se han dirigido a el estudio de tecnologías de control de NOx durante la postcombustión como es la reducción catalítica selectiva (SCR) y aplicando aditivos o reducción catalítica no selectiva (SNCR), el empleo de técnicas como la Oxi-fuel control (Tiggesa et al., 2009) que consiste en realizar la combustión próxima a la estequiometria en la presencia de aire puro (95- 99.5% mol 02) y otros más a la optimización de la emisión de NOx durante la combustión, empleando técnicas de análisis numéricos, simulación y redes neuronales (Zhouetal.,2004).

concentración de NOx, en un rango de temperatura de 1800 a 1900 K es de 4 a 20 segundos aproximadamente, en los hornos de los generadores de vapor, el tiempo de residencia de los gases en la zona de combustión es menor (Kotler, 1987). La concentración de NOx en dependencia del tiempo de residencia para el rango de valores de 4 a 20 segundos, ya ha sido determinada (Roslyakov et al, 1997) mostrando una dependencia lineal, al incrementar el tiempo de residencia de los productos de la combustión en la ZCA, se incrementa proporcionalmente la formación de NOx. Por otro lado, el coeficiente de exceso de aire sobre la formación de NOx (Fenimore, 1971) muestra un comportamiento de un polinomio de cuarto grado y tiene valores máximos, para el rango de excesos de aire de α = 1.10... 1.25, al quemar gas natural y combustóleo.

METODOLOGÍA

La formación de NOx en los hornos de los generadores de vapor depende principalmente de: la temperatura máxima del horno, el coeficiente de exceso de aire y el tiempo de residencia.

Actualmente no existen métodos analíticos para determinar la temperatura máxima del horno, por lo consiguiente, se usan parámetros que si se pueden calcular y que representan a la temperatura máxima. Estos parámetros son: la temperatura promedio del horno y la densidad de flujo de calor reflejado.

La ecuación para el cálculo de la concentración de NOx (en ppm) en los productos de combustión en la salida de la Zona de Combustión Activa al quemar combustoleo está dado por (Rosiyakov, et al., 1997):

La temperatura promedio de los productos de la combustión en la ZCA se calcula:

El factor de eficiencia térmica de superficie en ZCA se determina con:

En la ecuación (4) la cantidad teórica de aire que es necesario para la combustión completa del combustible para el quemado del combustoleo es:

Y el volumen de los gases de combustión producidos en la quema de 1 kg de combustible es:

Hasta aquí se han presentado las variables que intervienen para el cálculo de la temperatura promedio.

A continuación el flujo de calor reflejado de la ZCA se obtiene de (Rosiyakov, et al. 1997):

El flujo de calor en la zona de combustión activa se determina por la siguiente ecuación:

EL tiempo de residencia es el cuarto parámetro para la determinación de NOx en el polinomio experimental.

RESULTADOS

La Tabla 1 presenta los parámetros fundamentales de la formación de óxidos de Nitrógeno y la concentración de NOx para los dos diferentes sistemas de recirculación.

Tabla 1: Resultados de los parámetros de la ZCA y concentración de NOx.

CONCLUSIONES

La metodología presentada muestra que es más efectivo inyectar los gases de recirculación en el ducto de aire caliente que introducirlos en el fondo del horno del generador de vapor, debido a que se influye directamente en los parámetros de la ZCA principalmente en la temperatura promedio. Se mitiga la formación de NOx en 22.3% desde 405.0 ppm hasta 315.2 ppm con carga térmica de 100% y se disminuye 58.9 % desde 255 ppm hasta 107.5 ppm a carga térmica de 25%. Las concentraciones de NOx calculadas usando el método desarrollado difieren hasta un máximo de 15% de las mediciones experimentales.

NOMENCLATURA

REFERENCIAS

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Recibido Jun. 08, 2010;

Aceptado Ago. 12, 2010;

Versión Final recibida Oct. 11, 2010