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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.1 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000100006 

 

Información Tecnológica-Vol. 17 N°1-2005, págs.: 45-52

METODOS NUMERICOS

Simulación Numérica del Proceso de Requemado de Gases para la Reducción de Óxidos de Nitrógeno (NOx)

Numerical Simulation of the Reburning Technology for Nitrogen Oxides (NOx) Reduction

Meliton Estrada (1), Crisanto Mendoza (1)* y Carlos E. Romero (2)
(1) Univ. Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería Mecánica,
Edif. W, Ciudad Universitaria, Santiago Tapia No. 403, 58000 Morelia, Michoacán-México (e-mail: cmendoza@zeus.umich.mx)
(2) Energy Research Center, Lehigh University, 117 ATLSS Drive, Bethlehem, PA 18015, USA (e-mail: cerj@lehigh.edu)

* autor a quien debe ser dirigida la correspondencia


Resumen

El presente trabajo tiene como objetivo desarrollar capacidades de modelado que simulen el proceso de reducción de NOx  por la tecnología del requemado de gases. En el modelo cinético construido solo se consideraron algunos de los factores que determinan la producción de óxidos de nitrógeno. La emisión de NOx procedente de la combustión del carbón mineral en generadores de vapor, es un problema ambiental importante, ya que se ha demostrado que contribuye a la formación de la lluvia ácida y del esmog troposférico. El requemado de gases proporciona una buena opción para reducir las emisiones de NOx en instalaciones donde usan calderas a carbón. Los gases de NOx emitidos por la caldera, entran a la zona de requemado y se combinan con gas natural que es inyectado para que actúe como un agente reductor. El análisis se hace para un tiempo de residencia de 0.1 y 0.2 seg., y temperaturas de gases 1,000 a 2,000 K, con concentración de gas natural de 7.5 a 35 %. Los resultados muestran una buena equivalencia de reducción de NOx comparados con el modelo de Braun aunque se puede mejorar el modelo presentado integrándolo con un modelo detallado de la mecánica de fluidos turbulenta.

Palabras clave:  requemado de gases, calderas a carbón, emisiones de NOx , simulación numérica


Abstract

The aim of this work was to develop modeling capabilities which could be used to simulate the processes of reduction of NOx in  reburn technology. The kinetic model developed in this work considers only some of the factors that contribute to nitrogen oxide production. Emission of NOx from the combustion of coal is an important environmental problem, since it has been demonstrated that it contributes to the formation of the acid rain and of tropospheric smog.  Gas reburning is a useful option for the reduction of emissions of NOx in installations equipped with coal-fired boilers. Gases from the boiler containing NOx, enter a reburning zone and are combined with natural gas that is injected in order to act as a reducing agent, which transforms the NOx into N2. Analyses were done for  residence times of 0.1 and 0.2 sec., at a range of temperatures between 1,000 – 2,000 K, and natural gas concentration from 7.5 - 35 %.The results show that good agreement with those of Braun although the model could be improved integrating it with a detailed turbulent fluid mechanic model.

Keywords: reburning technology, coal-fired boilers, NOx  emissions, numerical simulation


INTRODUCCION

Los óxidos de nitrógeno (NOx) son contaminantes gaseosos que se forman principalmente de la combustión de combustibles fósiles. Estos conforman una de las especies más contaminantes de la atmósfera. En la presencia de la luz del sol, los óxidos de nitrógeno pueden reaccionar con los hidrocarburos para formar ozono a nivel del suelo. Además, los NOx junto con el dióxido de azufre reaccionan con otras especies en el aire tal como el agua para formar la lluvia ácida. El impacto de la lluvia ácida esta dañando los bosques y los ecosistemas del agua.

Típicamente, del gas de combustión que se  genera dentro del equipo de combustión, cerca del 95% del NOx existe en forma de óxido nítrico (NO) y el resto es dióxido de nitrógeno (NO2).  Estos se forman de dos fuentes: primero por la oxidación del nitrógeno atmosférico durante la combustión, y segundo por la oxidación de los componentes de nitrógeno en el combustible (Woodruff et al., 1998). La tecnología del requemado de gases permite controlar la emisión de NOx en calderas a carbón, éste es un proceso químicamente complejo, donde el óxido nítrico es abatido usando un combustible como agente reductor (carbón o gas natural). El proceso incluye una oxidación parcial del combustible del requemado con el ambiente rico en combustible y las reacciones entre los radicales de hidrocarburos y el NOx con su conversión subsecuente de las especies intermedias nitrogenadas a nitrogeno molecular.

El proceso del requemado implica la adición del combustible en dos zonas (Jones, 1997), como lo muestra la Figura 1.

La zona primaria de combustión donde el combustible primario es quemado; y la zona de requemado o donde se adiciona el combustible del requemado (gas natural). Esto para crear una condición reductora en la zona primaria de combustión y así permitir aguas abajo que se conviertan los NOx a nitrógeno molecular (N2) y agua. En la configuración típica, por encima de la zona de requemado se localizada una tercera zona, que es donde se encuentran los productos de combustión de la segunda etapa, y en la cual se agrega aire para completar la combustión. Cada zona tiene una razón de aire estequiométrico única, determinada por los flujos de combustible primario, combustible del requemado y la inyección de aire.

Fig. 1. Esquema de la tecnología del requemado.

En el presente trabajo se construyó un modelo cinético químico de requemado de gases, que permitió  hacer la simulación de esta tecnología, este modelo se hizo a partir de datos reportados de mediciones hechas a los productos de combustión de la zona primaria (Romero et al., 2003). La simulación se hizo usando las rutinas de Chemkin (Kee et al., 1989) y Senkin (Lutz et al., 1988)  en conjunto.

MODELO CINÉTICO

El mecanismo cinético que mayormente se usa para la combustión del gas natural es el mecanismo GRI-MECH, versión 2.11 (Bowman et al., 1995). Este esquema fue desarrollado por el Gas Research Institute y un grupo de universidades estadounidenses, esta compuesto de 277 reacciones y 49 especies e incluye la cinética química de la oxidación del hidrogeno, monóxido de carbono e hidrocarburos de nominación hasta C2. También se incluye la termoquímica de la formación de NOx, esto es 102 reacciones químicas y 17 especies ligadas al átomo de Nitrógeno.

MODELO COMPUTACIONAL

El modelo computacional es descrito a partir del modelo de reactor de flujo en línea, es decir propiedades uniformes en la dirección al flujo y un comportamiento de gas ideal. La Figura 2 muestra dos reactores en línea los cuales representan las zonas primaria y de requemado.

Fig. 2. Representación esquemática de las zonas de combustión de la tecnología del requemado de gases a partir del modelo de flujo en línea.

 Las ecuaciones gobernantes de la cinética química de un reactor de flujo en línea a volumen constante, para el caso de una mezcla combustible de masa constante reaccionando en un sistema con perfil de temperatura prescrito, están establecidas por las ecuaciones (1), (2) y (3):

(1)

Donde la masa de la kma especie se produce o destruye. La razón neta de producción de cada especie, wk resulta de la competencia entre todas las reacciones químicas eleventales que envuelven cada especie en particular. Wk es el peso molecular de cada especie.

Cada reacción procede de acuerdo a la ley de acción de masas con el coeficiente de la razón de producción, expresado en términos de la ecuación de Arrhenius:

(2)

Donde k es el coeficiente de la razón de producción, A es la constante pre-exponencial, β el exponente de temperatura y E la energía de activación.

Para el caso de un sistema a volumen constante y con gases caloríficamente perfectos, la ecuación que describe la conservación de la energía se reduce a:

(3)

El problema computacional es resuelto utilizando el paquete de subrutinas del software Chemkin y Senkin los cuales acoplan las ecuaciones descritas y el esquema cinético. 

MODELO DEL REQUEMADO DE GASES

Para simular el proceso de requemado de gases, se resuelve un modelo de reactor de flujo en línea para cada fase del proceso, el primer reactor simula la zona primaria de combustión o primera fase en la caldera. En el segundo reactor simula la zona de requemado (inyección de combustible de requemado) o segunda fase. La construcción del modelo se hace a partir de datos reportados de mediciones hechas a los productos de combustión de la zona primaria, estos datos se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Concentración de las especies, producto de la combustión primaria (Romero et al., 2003).

En la primera fase se simuló la inyección de aire y combustible generando un gas de combustión, y se partió de las especies mostradas en la Tabla 1, las cuales se consideran el producto de la combustión del combustible y aire; con la ecuación estoiquiométrica de la combustión del carbón (ecuación 4), se obtuvo la fracción de moles de los reactivos con que se alimentó el  código Chemkin para la primera fase; todo esto se hace, para generar algunas de las especies que aparecen en los productos de la combustión de la primera etapa y que entrarán en la zona secundaria. La concentración de NOx usada en la simulación asume niveles “congelados” de estas especies. La temperatura para la primera fase se asumirá de 3000 °F (≈1,922 K) con un tiempo de residencia de 0.5 seg.

(4)

Para simular la inyección del gas natural (CH4) en la zona de requemado, se determinó la concentración de CH4, esta cantidad esta en función de la razón estequiométrica  en la segunda fase (λ = 0.8, Kumpaty et al., (1997); Coelho (2001); Braun et al., (2002); Bocio et al., (1996); donde λ es la relación aire combustible), y fue determinada por las siguientes ecuaciones (Turns 1996):

(5)

(6)

(7)

Esta etapa se efectúa primero para un tiempo de residencia (TR) de 0.1 segundos, con una temperatura de 2800 °F (≈1,810 K).  La Tabla 2 muestra la concentración de metano calculada y las demás especies que entran a la  zona de requemado. La mezcla se balancea con nitrógeno para dar el 100 % de reactivos.

Las concentraciones de las especies no varían al inyectar el gas natural debido a que la razón de inyección es muy baja; no se considera dilución porque la razón volumétrica Gas natural / Gases de combustión es pequeña.

Tabla 2. Concentración de las especies, que entran a la zona de requemado (modelo construido).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los datos obtenidos fueron comparados con resultados calculados usando condiciones experimentales presentados por Braun et al., 2002. Las condiciones de este modelo y otros  presentados ahí, fueron desarrollados para validar los mecanismos de reacción: GRI-Mech versión 2.11 y el GADM. El modelo usado tiene características de T = 1558 K, p = 1 atm, λ = 0.8, con concentraciones: CH4 =2.55%, O2 = 1.12%, NO = 746 ppm, HCN = 34 ppm, C2H2 = 788 ppm, C2H4 = 1709 ppm, CO = 0.33%, CO2 = 8.48%, H2 = 0.47% y H2O = 15.80%.

Para presentar los resultados, la Figura 3 (a) representa la destrucción de NOx como una función del tiempo de residencia para el modelo construido, la concentración inicial del NOx es de 1,000 ppm, por otro lado la Figura 3 (b) muestra la destrucción de NOx para el modelo Braun, también en función del tiempo de residencia, con concentración inicial de 746 ppm de NOx, el tiempo de residencia en ambos modelos es el mismo con un valor de 0.1 seg.

La superposición de estos dos perfiles aparece en la Figura 3 (c), esta gráfica vislumbra una comparación de destrucción de NOx entre los modelos, esto debido a que las concentraciones iniciales de NOx, metano y demás especies son distintas entre los modelos. Una mejor apreciación se muestra en la Figura 3 (d) la cual hace uso de la definición de NOx,red, ahí se observa una reducción equivalente porcentual entre los modelos. En un inicio la reducción de NOx en el modelo construido se lleva a cabo más rápidamente, no obstante se estabiliza con respecto al otro modelo, lo cual es lo importante en la evaluación de esta tecnología en relación a la reducción total.

En laboratorios semi-industriales y en instalaciones de gran escala donde se ha aplicado la tecnología del requemado de gases, los valores típicos de reducción de NOx varia de un 30% a un 70% bajo diversas condiciones de operación (Hesselmann et al., 1999; Hill e Smoot, 2000; Smoot et al., 1998; Vásquez e Li, 1999; Watts et al, 1998). En el modelo presentado los niveles de reducción son muy elevados, esto se debe a que el modelo es de la cinética química solamente. Este sería el límite mayor de reducción de NOx en el modelo construido de la tecnología de requemado.  

Una vez comprobada la similitud de reducción de NOx, para las condiciones del modelo construido, se variaron paramétricamente  algunas de las condiciones del modelo. Primeramente se varían la concentración de metano: 7.5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % y 35 %, incluyendo el valor calculado de 12.29 %. Las condiciones del análisis son las mismas, excepto por el tiempo de residencia, el cual tiene un valor de 0.2 seg; la finalidad es observar la reducción de los NOx para un tiempo de residencia mayor.

La Figura 4 muestran la evolución de la reducción de NOx para el modelo a diferentes concentraciones de metano (7.5 a 35 %). En esta se observa que la reducción se lleva a cabo en los primeros instantes para todos los casos y la reducción deja de ser significativa después de 0.1 seg, también se aprecia que la reducción es mayor conforme se aumenta la concentración de esta especie, como era de esperarse.

Esta apreciación se ve más clara en la Figura 5, aquí se observa que la reducción óptima se encuentra entre las concentraciones de metano de 10 y 15 %, concentraciones superiores generan mayores cantidades de monóxidos de carbono, lo cual no es conveniente porque se disminuye la eficiencia térmica del sistema. El aumento en la reducción de NOx se debe a que la concentración de metano es mayor, lo que permite que haya una mayor interacción de radicales de hidrocarburos (CHi) formados en la combustión del metano con los NOx. Un estudio del modelo cinético y reacciones usadas, llevó a una caracterización de los caminos de destrucción de NOx en el modelo construido y se presentan en la Figura 6, el mecanismo dominante es representado por la flecha más grande.

Luego, se hicieron cálculos donde se fijó la concentración de metano, variando  la temperatura, es decir para cada concentración de metano (7.5 %, 10 %, 12.29 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30% y 35 %) se hizo una simulación partiendo de 1,000 K, con un incremento de 50 K hasta llegar a 2,000 K, con un tiempo de residencia de 0.1 Seg.

Figura 3 (a)

Figura 3 (b)

Figura 3 (c)

Figura 3 (d)

Fig. 3.  Comparación de la reducción de los NOx entre el modelo construido y modelo de M. Braun et. al. (a) Destrucción de los NOx  para el modelo construido.  (b) Destrucción de los NOx  para el modelo de Braun. (c) Comparativa de destrucción de los NOx  para el modelo construido y del modelo de M. Braun et al. (d) Reducción de los NOx para los dos modelos.

La Figura 7 muestra la producción de NOx a diferentes temperaturas, con un tiempo de residencia de 0.1 seg., y para su análisis está dividida en intervalos de temperaturas acotados por líneas punteadas verticales dentro de la figura. El primer intervalo es de 1,000 a 1,200 K (o hasta la primera línea vertical, aquí la producción de NOx es independiente de la concentración de metano, con tendencia a disminuir mientras aumenta la temperatura. En el intervalo de 1,200 a 1,300 K (entre la 1a línea vertical y la 2a), existe un decremento importante en la producción de NOx para todas las concentraciones de metano, al incrementarse la temperatura. Asimismo, en el intervalo de 1,300 a 1,500 K (entre la 2a línea vertical y la 3a), la destrucción de NOx deja de ser significativa para cualquier concentración de metano.

Para el intervalo de 1,500 K en adelante (o de la 3a línea vertical en adelante), la producción de NOx se incrementa para las concentraciones de metano de 7.5 y 10 %.  El mecanismo de termal NOx es responsable, debido a que la concentración de nitrógeno es  mayor  para cuando el metano es menor y las altas temperaturas también favorecen esta producción. Para las demás concentraciones de metano en este ultimo intervalo, la producción de NOx disminuye a pesar de las altas tem-peraturas, la baja concentración de nitrógeno es la causa.

Fig. 4. Evolución de la reducción de los NOx variando la concentración de metano en un rango de 7.5 a 35 % a una temperatura de 2,800 °F y con un tiempo de residencia de 0.2 seg.            

La reducción de NOx es presentada en la Figura 8 para diferente temperaturas y concentraciones de metano, esta reducción es favorable para todas las especies en el intervalo de 1,000 a 1,500 K, pero a partir de los 1,500 K y para la concentración de 7.5 % la reducción de NOx decrece, apareciendo en valores negativos de la ordenada, representando no una reducción sino una producción de NOx, por las mismas razones antes acotadas.

Fig. 5. Influencia de CH4 en la reducción de NOx, con TR = 0.2 seg.


Fig. 6. Caminos de formación de los NOx en la tecnología de requemado.


Fig. 7.  Producción de NOx a diferentes temperaturas (1,000 – 2,000 K) para diferentes valores de CH4: 7.5 %, 10 %, 12.29 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % y 35 %.


Fig. 8.  Reducción de NOx a diferentes temperaturas (1,000 – 2,000 K) para diferentes valores de CH4: 7.5 %, 10 %, 12.29 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 % y 35 %.

CONCLUSIONES

En el modelo cinético construido solo se consideraron algunos de los factores que determinan la producción de óxidos de nitrógeno, estos factores fueron: tiempo de residencia, temperatura y concentración del combustible de requemado, los resultados obtenidos muestran una buena equivalencia de reducción de NOx comparados con el modelo de Braun. Un elemento importante que puede mejorar el modelo presentado es la integración de este con un modelo detallado de la mecánica de fluidos turbulenta.

La variación de temperatura y de concentración, muestra que la producción de NOx más baja (máxima reducción de emisiones), para cualquier concentración presentada se lleva acabo en el rango de temperaturas de 1,250 – 1,800 K, asimismo se observa que la el comportamiento del NOx es independiente de la concentración de metano en el rango de 1,000 a 1,200 K. La Figura 8 presentada muestra la reducción de NOx, como una función de la temperatura, sin embargo para la concentración de 7.5 % de metano se ven valores negativos en la gráfica a partir de los 1,800 K, estos valores representan la producción de NOx para esa concentración y temperatura.

El desarrollo de capacidades de modelado en los procesos de combustión, permiten su entendimiento, e inducen a la implementación y al desarrollo de tecnologías que brinden una alternativa de control y reducción de la producción de emisiones contaminantes (NOx). El trabajo presentado contribuye con esta parte, elaborando en el estudio, la simulación orientada a la tecnología del requemado de gases.

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Coordinación General de Estudios de Posgrado a través de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, las facilidades y el apoyo brindado para la realización de este trabajo.

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