Conta06

ventajas La ciencia y la tecnología pueden servir para ayudar a la

conservación del medio ambiente determinados materiales o la utilización de fuentes de energía alternativas.

La predicción y la extinción de incendios forestales se llevan a cabo mediante satélites artificiales. Los modernos métodos de detección permiten advertir la presencia de incendios poco tiempo después de producirse.

El reciclaje de determinados productos, como el vidrio, el papel, etc., puede evitar la sobreexplotación de algunas materias primas (madera, etc.

Las fuentes de energía renovables, como la energía solar, la eólica o la geotérmica no se agotan y, en general, contaminan menos que las fuentes no renovables, como el carbón o el petróleo.

El sistema de desalinización consumiría un 30% menos de energía que la requerida para trasladar el agua del Ebro a Cataluña, Comunidad Valenciana, Murcia y Almería.

desventajas En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se

producen residuos salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican a la flora marina al aumentar la salinidad de las aguas.

En el proceso de extracción de la sal del agua de mar se producen residuos salinos que, una vez vertidos al mar, perjudican a la flora marina al aumentar la salinidad de las aguas.

Las complejas instalaciones de ósmosis inversa requieren un gran consumo de electricidad

Las desalinizadoras se instalarían en lugares no ocupados por las urbanizaciones turísticas.

Como fábricas que son, tienen una vida limitada. El agua desalada, al parecer, podría perjudicar a la agricultura. Habría que realizar nuevas y costosas obras de infraestructura para

trasladar el agua desalada a las zonas donde es necesaria.

Esquema FPSIR

Control de Fuentes Fijas

Dos líneas de actuación Modificaciones en el proceso de

producción para impedir o minimizar las emisiones.

Uso de técnicas que nos ayuden a eliminar la contaminación producida. En este último caso se debe de tener en cuenta siempre que hacer con los residuos,

A la hora de eliminar la contaminación debemos tener en cuenta si la contaminación es gaseosa o por partículas. En el primer caso existen cuatro categorías: absorción, adsorción, condensación, incineración

� Absorción: Retención de contaminantes mediante su absorción por un absorbente húmedo o una disolución que circula contracorriente del contaminante. El tratamiento puede ser físico (disolución) o químico (reacción) o ambos

� Adsorción: Retención de contaminantes sobre sólidos por fenómenos de tensión superficial. La eficacia del método depende del sistema sólido-gas que intervengan. En cualquier caso se requiere adsorbentes de elevada porosidad y área superficial. Cuando el adsorbente se satura se hace necesaria su sustitución.

� Condensación: Se permite que el gas condense sobre un fluido finamente dividido en pequeñas gotitas o mediante intercambiadores de calor.

� Incineración: Se le añade combustible a los gases de salida, o se le hace pasar a través de un lecho catalítico, para terminar de realizar la combustión (conversión a CO2 y H2O) de los gases nocivos.

Elementos a tener en cuenta Eficiencia de captación

Los límites de emisión vienen fijados frecuentemente por las normas regulatorias de emisión. Suponed por ejemplo que una chimenea emite, sin control, 1800 mg /m3. Mientras que las normas regulatorias solo permiten 90 mg/m3, ¿ Cual debe de ser la eficiencia de captación ?

La eficiencia de captación se diseña para unas condiciones muy particulares de funcionamiento del sistema de captación si cambian estas, su eficacia puede variar enormemente.

€

eficiencia=Concentraciónalaentrada−ConcentraciónalasalidaConcentraciónalaentrada

×100

€

eficiencia=1800−901800

×100=95

Pérdidas de carga. Normalmente la introducción de un sistema de control de la contaminación introduce pérdidas de carga (pérdida de presión) en el flujo de salida de gases y/o partículas. A veces es necesario instalar ciertos aparatos para aumentar la presión a la salida del sistema de captación

Coste del sistema. Obviamente se debe de instalar aquellos sistemas que logren alcanzar eficiencia de colección elevadas al mínimo coste posible

Procesos de adsorción

Adsorción: proceso mediante el cual se produce un fraccionamiento selectivo de una cierta sustancia desde la fase gaseosa o la fase líquida a un substrato sólido. Esto es, mediante el proceso de adsorción se traspasa materia desde una corriente gaseosa o líquida a una superficie de un sólido. El sólido sobre el que se produce la adsorción se denomina adsorbente o también sustrato y la sustancia que se trata de eliminar de la corriente se denomina adsorbato

Absorción Adsorción

Existen dos tipos de adsorción: La adsorción física o fisiadsorción y la adsorción química o quimiadsorción. En el proceso de adsorción física entra en juego un tipo de fuerza a escala molecular llamada fuerza Dispersiva de London (que es una fuerza tipo Van der Waals) entre las moléculas del sólido y las moléculas del gas que queremos eliminar, de tal forma que esta fuerza es lo suficientemente intensa como para retener sobre la superficie del sólido dicha sustancia frente al resto de fuerzas que tratan de mantenerla en la corriente gaseosa. En el proceso de adsorción se libera la energía cinética que llevaba el adsorbato, de tal forma que este proceso es exotérmico. La energía liberada es este proceso es del orden de 2-20 kJ/mol. En la adsorción física, las fuerzas London son más intensas si las moléculas del adsorbente y el adsorbato tienen la misma polaridad. Una característica importante de la adsorción física es que la naturaleza química del adsorbato permanece inalterada

Por lo tanto, el proceso es reversible y se puede recuperar la sustancia, generalmente aumentando la temperatura. En este tipo de procesos la temperatura es un factor clave. Un aumento de esta conduce por lo general a una desorción

En la adsorción química o quimiadsorción se produce un enlace químico entre el adsorbato y el adsorbente, esto es se produce un intercambio de electrones entre al adsorbente y el adsorbato. Este enlace es mucho mas fuerte que el que se produce en la fisiadsorción. Se libera mucha más energía, del orden de 20 a 400 kJ/mol. El proceso de quimiadsorción por lo general altera el adsorbato y el adsorbente y es irreversible. Cuando la adsorción química varía con la temperatura se habla de adsorción activada y cuando el proceso de adsorción ocurre muy rápidamente se habla de adsorción química no activada

Obviamente para que se produzca la adsorción se debe de poner en contacto el sólido con el gas o líquido, de tal forma que cuanto mayor sea la superficie de contacto mayor es el proceso de adsorción. Se ha de emplear sustratos con una gran superficie por unidad de masa, esto es, se han de emplear substancias muy porosas. Un ejemplo muy común es el carbón activado donde se han logrado formar carbones activados con una razón área/masa de 105 a 106 m2/kg.

Materiales adsorbentes Carbón activado (Hidrocarburos, disolventes) Silica gel (Vapor de agua) Alúmina activada Zeolitas o tamices moleculares (se controla muy bien

el tamaño del poro. A mayor molécula mayor tamaño)

La efectividad viene determinada por

� Naturaleza química � Superficie específica (m2/kg) � Distribución del tamaño de poro� Tamaño de la partícula

Por lo general, en la adsorción física, los adsorbatos con moléculas polares prefieren a los adsorbentes con moléculas polares y los adsorbatos con moléculas no polares prefieren a los adsorbentes con moléculas no polares. Puesto que que el vapor de agua está presente en una buena parte de las salidas de gases, el uso de un adsorbente polar nos llevaría a que se saturase rápidamente de agua y no nos adsorbería al contaminante. De los adsorbentes no polares el carbón activado es de los más utilizados

Como se mide la adsorción

Isotermas de adsorción de Freundlich: máxima cantidad que el adsorbente puede retener a una temperatura y presión parcial dados

€

log10X=a+blog10Ce+c(log10Ce)2

X: masa de adsorbato/masa de adsorbenteCe: presión parcial del adsorbato

El ciclo de adsorción

Factores que afectan a la adsorción

La temperatura

La presión

La velocidad del flujo

Contaminación por partículas

Humedad

Estrategia de adsorción

Usos de la adsorción

Recuperación de disolventes orgánicos Tratamiento de malos olores Tratamiento de vapores tóxicos

Combustión

Mediante este proceso se añade una cierta cantidad de calor al material combustible (hasta que alcanza su punto de ignición) para que se produzca la oxidación de los compuestos reducidos del carbono con la subsiguiente liberación de energía. Se libera la energía que en su momento se empleó en reducir el CO2 atmosférico cuando se formó la materia orgánica empleando como fuente de energía la energía solar. En el proceso intervienen tres componentes

El combustible (líquido, sólido, gaseoso) El oxidante (oxígeno) El diluyente (Nitrógeno)

Obteniendo como productos Productos orgánicos oxidados, CO2 y H2O Productos oxidados de otras substancias presentes en el

combustible Productos residuales parcialmente oxidados tales como

hidrocarbonos no quemados, CO Diluyentes, Nitrógeno y oxigeno no utilizado

El proceso de combustión

CxHy + bO2 + b (79/21) N2 ----> xCO2 + (y/2) H2O + b (79/21) N2

2b=2x+y/2

Por cada mol de fuel, aparecen x+y/2+b(79/21) moles de productos. El calor generado se emplea en calentar estos productos.

� La reacción química genérica que teóricamente (forma estequiométrica) tiene lugar es (se supone que el combustible es un

hidrocarburo)

� Es usual que la anterior reacción ocurran con un exceso de aire, para asegurarnos que todo el combustible es oxidado. Sea ε el exceso de aire (aire utilizado/aire teórico). La reacción la podemos escribir

CxHy + ε[bO2 + b (79/21) N2]----> xCO2 + (y/2) H2O +(ε-1)bO2+ε b (79/21) N2

Se parametriza la relación entre el combustible y la cantidad de aire que se añade mediante la razón

O bien como función del número de moles

Si la reacción transcurre en modo estequiométrico tenemos una razón estequiométrica. El cociente entre la razón real y la estequiométrica se denomina factor lambda λ.

€

rmasa=A

F= masa de aire

masa de combustible

€

rmol=A

F= moles de aire

moles de combustible

λ =(A F)actual

(A F) esteq

Si λ es mayor que 1 se dice que la mezcla es pobre en combustible o rica en aire. Si λ es menor que 1 se dice que es rica en combustible o pobre en aire

La cantidad de CO2 y H2O que se obtiene depende de la razón H/C en el combustible y la razón lambda. La razón H/C va de 4 (metano) a 0.2 en la mayoría de los combustibles empleados.

1 BTU (British thermal unit)= 252.2 calorías

Ejercicio: Un carbón bituminoso se quema con un 23% de exceso de oxígeno. El análisis final de carbón muestra la siguiente proporción (en masa) C- 63.5%, H2 - 4.07%, S- 1.53%, O2 - 7.46%, N2, 1.28%, H2O- 15.0%, cenizas, 7,16%. Determinar la cantidad de aire que se debe de suministrar por cada 1000kg de combustible. Determinar la concentración de CO2, H2O, N2, O2 y SO2 en los gases de salida. Determinar la emisión de partículas en gr/m3 suponiendo que un 50% de estas salen a la atmósfera. Constituyente masa M moles C 63.50 12 5.29 H2 4.07 2 2.04 S 1.53 32 0.048O2 7.46 32 0.233N2 1.28 28 0.046H2O 15.00 18 0.833Ash 7.16

O25,292.04/2=1.020.048-0.233

6.125 *1.23 = 7.53 moles*(1+79/21) = 35.9

En los gases de salida tendremos:

Combustible Productos de combustiónCO2 5.29 - 5.29 O2

H2O 2.04 - 1.02 O2

SO2 0.048 - 0.048 O2

O2 + 0.233 O2

N2 0.046H2O 0.833

AireO2 +7.53N2 28.34 38.0 (húmedos)

35.13 (secos)

pV=nR+T; V = nR+T/p = 38.0*8.31*293/101325 =0.91 m3Partículas

(7.16/2)/0.91 = 3.93gr/m3

• La combustión incompleta del combustible puede dar lugar a la aparición de hidrocarburos no quemados.

La combustión incompleta del combustible da lugar, además del combustible que queda sin quemar, a la aparición de monóxido de carbono CO.

Así mismo, a las temperaturas alcanzadas en el interior de los cilindros se forma NO a partir del oxígeno y el nitrógeno del aire. La cantidad de este compuesto depende de la temperatura, la presión, tiempo de reacción y combustible presente.

Emisiones de VOC, CO y NO en función de la razón de mezcla

La figura anterior nos muestra que a factores λ menor que la unidad, se produce una alta concentración de CO e hidrocarburos y una baja emisión de NO. Cerca de la razón estequiométrica se produce un mínimo de CO e hidrocarburos, pero un máximo de NO. A factores λ mayores que la unidad se incrementan los hidrocarburos y disminuyen el CO y NO.

La conclusión que se puede obtener de los anteriores números es que variando únicamente la razón de mezcla no se puede disminuir a la vez el CO, el NO y los HC.

Factores que afectan a la combustión Temperatura: La velocidad a la que los materiales combustibles

son oxidados dependen fuertemente de la temperatura de trabajo del incinerador. En general un aumento de la temperatura produce un aumento de la velocidad de oxidación. Se debe de alcanzar por lo menos la temperatura de ignición de las substancias que queremos eliminar. Como una mayor temperatura puede significar más combustible y por tanto mayor coste se debe de evaluar muy bien la cantidad de combustible que hay que añadir (es posible que el material a oxidar contribuya también a generar calor, ahorrando combustible)

Factores que afectan a la combustión

Tiempo de residencia: Para que se produzca la combustión completa de además de alcanzar la temperatura apropiada se debe de mantener un tiempo mínimo a esa temperatura de tal forma que todas las substancias nocivas sean eliminadas. El tiempo de residencia es función de la geometría de la cámara de combustión y del flujo de paso de la corriente gaseosa por dicha cámara. El tiempo de residencia depende obviamente de la temperatura.

Factores que afectan a la combustió n

� Turbulencia: Para que se produzca una buena combustión es necesario que exista una buena mezcla entre el oxígeno y el combustible, si no ocurre esto, es posible que parte del combustible no sea oxidado y salga al exterior. Así mismo es necesario que toda la mezcla combustible alcance la temperatura de ignición. La corriente de gases de desecho se pueden calentar de dos maneras

� Por contacto directo con la llama del combustible auxiliar. � Mezclándolos con los gases generados en el proceso de combustión,

corriente debajo de la llama.

Aunque el contacto directo con la llama es el método más rápido de alcanzar altas temperaturas a veces es contraproducente porque se puede producir un efecto de dilución al añadir una mezcla más fría y disminuir la temperatura de la llama.

Factores que afectan a la combustió n

� Oxígeno: Obviamente puesto que el proceso de combustión necesita oxígeno, uno de los ingredientes fundamentales es dicho gas. Hay que mantaner por tanto un aporte mínimo de gas. Al menos el que corresponde a la relación estequiométrica

Temperatura de la llama como función de la razón de mezcla

Incineradores

• Eliminación de hidrocarburos y otros compuestos orgánicos

• Eliminación de otros compuestos, Cl, S, F

• Eliminación de partículas combustibles

• Eliminación de sustancias peligrosas

Industrias/emisiones

Tipos de incineradores

Incineración por llama directa: Los gases residuales se queman directamente en una combustión, con o sin aporte de combustible adicional. Es un método únicamente apto para aquellos casos en los que la cantidad de gases combustibles en los gases residuales sea importante. Es necesario conocer los límites explosivos y la inflamabilidad de los gases a incinerar. Presenta el problema de las altas temperaturas (~1300 C) que se alcanzan lo que puede llevar a la formación de óxidos de nitrógeno. Es habitual ver antorchas de incineración por llama directa en industrias petroquímicas

Incineración térmica: Se usa cuando la concentración de gases combustibles en la los gases residuales es baja. Los gases residuales se precalientan en un intercambiador de calor y se llevan a la cámara de combustión donde con aporte de combustible adicional y oxígeno se queman por completo. Los parámetros más importantes para conseguir un buen rendimiento son: tiempo de residencia, turbulencia y temperatura. Entre los 780 - 1030 K se queman los hidrocarburos y hacia los 950 - 1060 K se oxida el CO, los olores entre 750-980 K.

Incineración catalítica: En este caso los gases se hacen pasar por un lecho catalítico que provoca la aceleración de la tasa de oxidación. Los tiempos de residencia son menores que en el caso de los incineradores térmicos y las eficacias muy elevadas trabajando a temperaturas muy bajas, del orden de 225 a 340 C, aunque las mayores tasas de eficacia se alcanzan a temperaturas algo más elevadas entre 415-550 C. Como catalizadores se suelen emplear metales nobles sobre una soporte de alúmina. Se debe de tener en cuenta la presencia en los gases residuales de elementos que envenenan el catalizador

Los incineradores bien térmicos bien catalíticos se dividen en: simples, recuperativos, regenerativos. En el primer caso, no llevan ningún tipo de recuperación de calor. Los recuperativos, como su nombre indica tratan de recuperar parte del calor que se le ha añadido a los gases en el incinerador, de tal forma que no se necesite demasiado combustible para su funcionamiento.

Incinerador térmico recuperativo

Incinerador catalítico recuperativo

Incinerador térmico regenerativo: En este caso el la recuperación de calor se hace con un sistema de torres cerámicas, que absorben fuertemente el calor y un sistema de válvulas que alternan el paso del aire entre una torre y otra. La torre que en un ciclo del sistema absorbe calor una vez el aire ha pasado por el quemador, se emplea para calentar el aire en el siguiente ciclo

LEL: Lower explosive limit

Tipo de tecnología

€

LEL=xj

xcLELj

∑

−1

Una muestra de aire contiene 3000 ppmv de Benceno, 3000 ppmv de tolueno y 2000 ppm de metano. Determinar si la mezcla debe de diluirse para satisfacer el límite de seguridad de 0.25LEL. (LEL:Benceno:1.2%, tolueno:1.1, metano:5%)

€

LEL= 3000

8000*1.2%+ 3000

8000*1.1%+ 2000

8000*5%

−1

=1.42%

Esto es un LEL=14200. Como salen 8000, la proporción será 8000/14200 = 0.56 > 0.25

Lavadores

Para ver esta película, debedisponer de QuickTime™ y de

un descompresor TIFF (sin comprimir).

Objetivo: Eliminar gases y partículas contaminantes Si partículas: Mediante captura Si gases: Mediante disolución en un

absorbente (disolvente) o mediante adsorción en un adsorbente

En cualquier caso: Las gotas o partículas resultantes han de ser eliminada de la corriente gaseosa saliente. Hay que pensar que hacer con los líquidos resultantes

Los lavadores sirven tanto para gases como para partículas, pero si si emplean para eliminar ambos componentes hay que tener en cuenta que normalmente las condiciones de operación ideales para partículas son muy diferentes de las condiciones de operación para gases.

Ventajas Desventajas

No requiere grandes instalaciones: Los lavadores reducen la temperatura (y por tanto el volumen) de los gases de salida. Esto hace que el tamaño de la vasija, los conductos y ventiladores sean mas pequeños que con otro tipo de instalación

Problema de corrosión: El agua y los contaminantes pueden formar soluciones ácidas corrosivas. Se hace importante los materiales empleados en la construcción de la instalación

Una vez recogidas las partículas es difícil que escapen

Requiere de alta potencia para que sean eficaces en la captación de partículas más pequeñas

Se pueden emplear a elevadas temperaturas

Generan gran cantidad de lodos

Poco peligro de fuego o explosión Se generan problemas de procesado de los lodos

Abilidad para coleccionar gases y partículas Pueden generar plumas visibles de vapor de agua que pueden generar problemas locales de visibilidad

Tipos de lavadores Lavadores húmedos: Utilizan agua o

una solucción como agente ‘lavador’ (gases: absorción, partículas: captura)

Lavadores secos: Utilizan un spray seco como agente ‘lavador’ (gases: adsorción, secos; absorción, semisecos)



Sistema húmedo típico

El parámetro más importante a la hora de clasificar los lavadores húmedos es la pérdida de carga o pérdida de presión. De acuerdo con este parámetro se suelen clasificar en : Lavadores de baja energía: Tienen una

pérdida de presión pequeña (∆p <12.7 cm agua)

Lavadores de media energía: Tienen una pérdida de presión media (12.7 < ∆p < 38.1 cm agua)

Lavadores de alta energía: Tienen una pérdida de presión grande (38.1 < ∆p cm agua)



Sistema seco típico

Los lavadores secos se clasifican en Inyectores de adsorbente seco (Dry

sorbent injection) Absorbedores de spray seco (spray dry

absorbers) (lavadores semi-secos)

Mecanismos de remoción: Partículas

Son retenidas mediante captura por gotitas o por láminas de líquido y separando a posteriori las gotitas de la corriente gaseosa.

Los parámetros a tener en cuenta son el tamaño de la partícula, el tamaño de la gota, la velocidad relativa. El más importante es el tamaño de la partícula. Cuanto más pequeño es mas difícil es su captura. La clave está en crear una nube densamente poblada de gotitas pequeñas, para poder captar las partículas más pequeñas. La captura de partículas pequeñas requiere sistemas más energéticos, pues se necesita mas energía para pulverizar el líquido lavador. Una velocidad relativa elevada entre la gotita y la partícula incrementa también la probabilidad de ser retenida.

Impacto Las partículas son incapaces de seguir la corriente y chocan contra la gota (partículas grandes)

Difusión Las partículas difunden (movimiento Browniano) hacia las gotas (partículas muy pequeñas)

Atracción electrostática Partículas y gotas de signo opuesto se atraen

Condensación Las partículas pueden actuar como CCN y formar gotas

Fuerza centrífuga La rotación de gas en un colector provoca una f centrífuga lanzando a las partículas contra la pared

Gravedad Las partículas mas grandes sedimentan

Mecanismos de colección (partículas)







Impacto

Difusión

Eficiencia

Mecanismos de remoción: Gases

En este caso los gases se disuelven en un líquido (normalmente agua).El parámetro fundamental es la solubilidad. Otros parámetros importantes son:

La cantidad de superficie de contacto líquido/gas a mayor superficie de contacto mayor cantidad de gas disuelto.

Promover un buen contacto entre el liquido y el gas (turbulencia)

Dar tiempo suficiente para que se produzca una mayor disolución.



Gases ácidos: en el casos de gases ácidos (SO2, HCl, …) se suelen emplear lavadores con una solución alcalina que reacciona con el ácido para formar una sal que precipita y es recogida con posterioridad. Se pueden emplear tanto lavadores secos como húmedos (ver más adelante)

Razón liquido-gas: Nos da la cantidad de líquido necesaria para tratar una cierta cantidad de gas contaminado se mide en m3 de líquido por 1000 m3 actuales de gas contaminado. En general la cantidad de líquido empleado es mayor en el casos de gases.

Tipos de lavadores

Lavadores de Spray: Están formados por una torre en las que se genera,

mediante inyectores, una fina lluvia que arrastra consigo las partículas y/o disuelve los gases. Las gotas deben de tener un tamaño mínimo (500 a 1000 µm) para que puedan sedimentar en la corriente gaseosa que a su vez y por esta misma razón no es muy fuerte (0.3-1.2 m/s).

Llevan incorporado un dispositivo antiniebla para eliminar aquellas gotitas que hayan podido ser transportadas por dicha corriente

Contaminante

Pérdida de carga

Líquido/gas Presión del líquido a la entrada

Eficiencia de remoción

Aplicaciones

Gases

1.3-7.6 cm 0.07-2.70 l/m3

70-2800 kPa

50-90%MineriaProcesos químicos industriales

Particulas 2-8 µm IncineradoresIndustria de acero

Características operativas de los lavadores de spray

Lavadores Venturi: En estos lavadores se usa el efecto Venturi para acelerar la corriente gaseosa y utilizar parte de la energía para acelerar y atomizar las gotitas de líquido..

Contaminante

Pérdida de carga



Aplicaciones

Gases 13-250 cm 2.7-5.3 l/m3

7-100 kPa

30-60%

Industrias de pulpa y papelProcesos químicosIndustria alimentaciónProcesado de metales

Partículas 50-250 0.4-2.7l/m3 90-99(0.1-100

µm)

Características operativas de los lavadores Venturi



Columnas de relleno (lavadores de película)

En este tipo de lavadores el líquido es vertido sobre un material de relleno de tal forma que se forme una pelicula de líquido sobre los elementos de relleno para lograr una gran superficie de contacto líquido/gas, un tiempo de contacto alto y suficiente turbulencia para que el gas se disuelva en el líquido. Son utilizados principalmente para gases. La tasa de eliminación es alta > 99%



Contaminante

Pérdida de carga



Aplicaciones

Gases

2.-8.5 cm/m columna

0.13-2.0l/m3 34-100 kPa

99% Principalmente para gases

Plantas de acidoProcesos químicos industriales

Particulas 2 µm

Características operativas de las columnas de relleno

Remoción de Gases Ácidos

Óxidos de Azufre

Se genera principalmente en las centrales térmicas, cuando el azufre que contiene el combustible se oxida en el proceso de combustión

S + O2 --->SO2

Teniendo lugar también la reacción SO2 + 1/2 O2 <==> SO3,

Aproximadamente entre un 1 y un 5% del azufre oxidado esta en la forma de SO3

Métodos de control Cambio a un combustible con menos azufre Gas natural Fuels con bajo contenido en azufre Carbones con bajo contenido en azufre

Uso de combustibles desulfurizados. Si el combustible es carbón, entre un 30-40% del azufre está en forma de pirita y se puede eliminar mediante métodos físico/químicos, métodos que son económicamente viables. El azufre esta también, químicamente ligado. En este caso los métodos son mucho más costosos aunque técnicamente viables.

Uso de chimeneas altas Desulfuración de los gases de salida

Procesos de desulfuración de gases de salida

Lavadores húmedos: El absorbente es una disolución. Los productos finales están en forma de lodo. Se suelen emplear en centrales térmicas

Lavadores secos: El absorbente está en forma de polvo. Se añade en la zona de combustión. Generan problemas de partículas Se suele emplear en calderas industriales e incineradores.

� Procedimientos no regenerativos: Los residuos finales se suelen acumular en el campo o en piscinas apropiadas. El término no regenerativo no significa que el agente ‘lavador’ no se regenere, parte de él es regenerado, sin embargo no se obtiene de los residuos ningún producto vendible. Son los más empleados.

� Procedimientos regenerativos: Los agentes utilizados como reactivos se regeneran. Los productos finales se suelen recuperar y vender.

Los procesos húmedos se clasifican en

La mayor parte de los sistemas FGD emplean dos lavadores uno para partículas y otro para el SO2. Se están haciendo nuevos sistemas que realicen en una misma operación ambos lavados. En sistemas húmedos, se eliminan las partículas en una primera fase y luego se elimina el SO2. En los sistemas secos se trata de eliminar primero el SO2 y luego las partículas totales resultantes

Existen diversos sistemas de lavadores: torres de aspersión, lavador Venturi, torres de placas,… . Debido a la formación de costras la tendencia es a emplear métodos sencillos como pueden ser las torres de aspersión, en los que el gas puede ir a corriente o contracorriente e incluso transversal a la corriente. El principal problema de estos sistemas es que requieren una gran razón líquido/gas.

Parámetros importantes a tener en cuenta en los lavadores son:

La razón líquido/gas. Cuanto menor sea este número menor cantidad de líquido lavador necesitamos y por tanto menor gasto y menor dimensionado de las instalaciones

pH. Dependiendo del sistema empleado, el pH se debe de mantener dentro de unos límites para asegurar una alta solubilidad del SO2 y la no formación de costras.

Velocidad del gas. Para minimizar los costes los lavadores se diseñan a la máxima velocidad del gas posible, minimizando el tamaño de la vasija.

Tiempo de residencia. El gas debe de permanecer dentro de la vasija el tiempo suficiente para que la mayor cantidad posible de SO2 sea absorbida. Los tiempos de residencia van desde centésimas de segundo en un lavador Venturi a varios segundos en uno de placas.

Distribución del gas. Se debe de mantener una corriente uniforme de gas para que el lavador funcione a eficiencias de diseño

Diseño del lavador. La relación superficie líquida/volumen de gas depende del tipo de lavador.

Posibilidad de trabajo a ‘medio gas’. Es interesante que el sistema funcione bien cuando la planta no trabaje a pleno rendimiento. Lo usual es emplear sistemas modulares.

Un problema importante que surge en los sistemas de desulfuración húmedos es el enfriamiento de los gases, lo que provoca condensaciones en los conductos de salida (el gas de salida tienen una humedad cerca del 100% y contienen cierta cantidad de SO2, lo que lo hace muy corrosivo) y la formación de plumas visibles. Existen diversos métodos para atacar el anterior problema: Recalentar los gases de salida lo cual tiene la ventaja de aumentar la flotabilidad del mismo y por tanto una mejor dispersión o escoger unos materiales de construcción que soporten bien la corrosión.

� Procedimientos húmedos:� Desulfuración con Cal (CaO) o Caliza (CaCO3). Si se utiliza

cal, se hidrata previamente para formar hidróxido cálcico:

CaO + H2O ----> Ca(OH2) + calor

En cualquiera de los dos casos se forma sulfito o sulfato de calcio. La mezcla se lleva a una torre lavadora donde se esparce en una fina ducha de tal forma que el SO2 se disuelva en las pequeñas gotitas. En fase líquida se produce una serie de reacciones que podemos resumir en :

Carbonato cálcico:

Cal:

Si hay suficiente O2, posterior oxidación del sulfito de calcio

Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)+ 1/2 O2 (g) <=> Ca SO4 . 2 H2O (s)

SO2(g) --> SO2(l)

SO2 + H2O --> H+ + HSO3- --> 2H+ + SO3

=

SO2(g)+Ca(OH)2(s)+H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)

SO2(g)+CaCO3(s)+1/2 H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + CO2

Sistema de desulfuracióncon cal o caliza

Con este método se consiguen rendimientos de un 60 a un 90% para carbones con un contenido en S de un 0,3 a 5%. Se pueden producir importante problemas de corrosión en las instalaciones. Se generan importantes volúmenes de residuos de sulfito/sulfato de calcio que tendremos que tener en cuenta a la hora de su eliminación. Otro problema importantes es la formación de costras de sulfito de calcio en el lavador (en los inyectores, en el separador, etc.). Se pueden mejorar la eficacia de colección del SO2 a la vez que se evita la formación de costras añadiendo óxido de magnesio a la lechada de cal.

Desulfuración con sulfito de sodio (Na2SO3), en este caso la reacción que tiene lugar es SO2(g) + Na2SO3(l)+ H2O --> 2NaHSO3(l)

Posteriormente el bisulfito se trata en un evaporador, produciendose a la vez, dióxido de azufre, vapor de agua y sulfito sódico

2NaHSO3(l) + calor ---> Na2SO3+ H2O(g)+SO2(g, conc)

Este método no plantea problema de costras, pues productos obtenidos son muy solubles.El mayor problema es que el reactivo debe de ser muy puro por lo que se suele emplear en pequeñas calderas industriales. El SO2 es transformado en azufre.

Desulfuración con doble álcali: En este caso se hace un primer tratamiento con sosa cáustica (hidróxido sódico, Na OH) que conduce a la formación de sulfito de sodio, SO2 + 2 Na(OH) ---> Na2SO3 + H2O

Y posteriormente el producto se mezcla con lechada de cal para conseguir precipitar el sulfito de calcio y regenerar la sosa

Na2SO3 + Ca(OH)2 ---> CaSO3(s) + 2 Na(OH)

Al igual que en el caso anterior este método presenta altos rendimientos y poca formación de costras

Sistema de desulfuración con doble alcali

� Desulfuración con óxido de magnesio. Es similar al de la lechada de cal, solo que con óxido de magnesio en vez de óxido de calcio. Presenta la importante ventaja que el sulfito o sulfato de magnesio se puede calcinar fácilmente. En el proceso de calcinación se regenera el óxido de magnesio y dióxido de azufre que se puede emplear para otros propósitos (p.e. fabricar ácido sulfúrico). Apenas si se general lodos

Óxidos de nitrógeno

La principal fuente de los óxidos de nitrógeno son los procesos de combustión (centrales térmicas, incineradoras, cerámicas …) donde se producen altas temperaturas. Se estima que una planta térmica de 750 MW produce en torno a 4000 Kg de NOx (90% NO, 10% NO2) por hora. El tipo de combustible puede alterar de forma significativa la tasa de emisión, siendo el gas natural el que menos emite y el carbón el que más. Así la EPA establece un standard de 0.086 Kg (equivalentes NO2)/106 kJ para gas y 0.26 Kg /106 kJ para antracita.

La mayor fuente de NOx no asociada a los procesos de combustión proceden del uso y manufactura del ácido nítrico

Origen del NOx NOx térmico(~20%): producido a partir de la

reacción del oxígeno y nitrógeno del aire a altas temperaturas. Mecanismo de Zeldovich

N2+O ---> NO + NN+O2 ---> NO + ONO + (1/2) O2 ---> NO2 N2+ O2 <==> 2NO

Temperatura (K) 4N2/O2 (ppm) 40N2/O2 (ppm)

1200 210 80

1500 1300 500

1800 4400 1650

2000 8000 2950

2400 19800 7000

Cantidad de NO formado a diferentes temperaturas

Temperatura (K) NO (ppm) NO2 (ppm)300 1,1*10(-10) 3,3*10(-5)

800 0,77 0,111400 250 0,871873 2000 1,8

Composicion inicial: 3,3% de O2 y 76% de N2

Relación entre el NO y NO2 a diferentes

temperaturas

Origen del NOx

Combustible: El nitrógeno aparece combinado en los compuesto orgánicos. Su concentración depende del combustible. Apenas si aparece en el gas natural, es mínima en los aceites destilados (< 0.05%) y es máxima en los aceites residuales (~ 0.6 %) y carbones

NOx ‘rápido’: Se forma como consecuencia de la reacción del Nitrógeno del aire con radicales orgánicos libres. Representa la proporción más pequeña del NOx

Origen del NOx

Métodos de control

Cambio a combustibles: Con el incremento de la cantidad de N ligado, aumenta enormemente la concentración de NOx. Así el cambio a un combustible con menor contenido en nitrógeno es una estrategia bastante efectiva. El paso de aceite pesado (0.6%N) a gas natural puede disminuir la cantidad de NOx entre un 50 a un 80%.

Control de combustión: Puesto que la formación de los óxidos de nitrógeno depende la la temperatura, el tiempo de residencia en la cámara de combustión, la concentración de especies y el grado de mezcla aire-combustible, el control de la generación de estos compuesto dependerá del control de estos parámetros.

Técnicas de control Bajo nivel de exceso de oxigeno (LEA: Low Excess Air): Normalmente

los quemadores funcionan con un exceso de oxigeno para asegurarnos una buena combustión (evitar el CO y COV sin quemar)

Hay que buscar un compromiso entre la producción de NOx y CO

T altaO2 bajo

T bajaO2 alto

Combustión en etapas: Se puede hacer de dos formas: Separando la aportación de aire o separando la aportación de combustible.

La división en la aportación del aire reduce la cantidad de oxigeno presente en la zona primaria de combustión, diminuyendo la cantidad de NOx que se forma a la vez que se aumenta la cantidad de

elementos reductores. Se aporta aire en una zona separada para completar la combustión. En esta zona la tempe-

ratura ha descendido lo suficiente para que no se forme NOx

Sistemas de combustible en etapas, como su nombre indica, se separa la aportación de combustible. En este tipo de sistemas se trata de eliminar el NOx que se forma en la llama principal mediante recombinación con radicales de hidrocarburos en la llama secundaria para producir N2 y CO2. Se emplea en calderas que necesitan altas temperaturas en la zona principal

Recirculación de los gases de salida: Una forma de diluir la llama y rebajar la temperatura y el contenido de oxigeno es hacer que una parte de los gases de salida se inyecte de nuevo en la zona de combustión

Tratamiento de los gases de salida: Reducción catalítica selectiva, Reducción no catalítica selectiva:

En cualquiera de los dos casos se trata de eliminar los óxidos de nitrógeno de los gases de salida mediante reacciones químicas con sustancias reductoras para obtener N2 y vapor de agua. La diferencia esencial radica en el uso no de un catalizador. Aquellos sistemas que emplean catalizadores tienen una temperatura de trabajo más baja que los que no utilizan catalizadores. Si embargo tienen un precio mayor. Estos sistemas se emplean como apoyo a los sistemas basados en el control de la combustión.

Reducción no catalítica selectiva: Se añade urea o amoniaco que reaccionan con diversos compuestos de los gases de salida. Sin embargo controlando la temperatura y el contenido de oxígeno se favorece la reacción con NOx. Las reacciones que tienen lugar son

2NO + 2 NH3 + (1/2) O2 ---> 2 N2 + 3 H2O

2NO + CO(NH2)2 + (1/2) O2 ---> 2N2 + CO2+2H2O

Como resultado de estas reacciones aparece también como subproducto el oxido nitroso (N2O), que es un gas de efecto invernadero y ataca la capa de ozono. Sin embargo no está regulado.

Situación de los inyectores de urea

Estos sistemas requieren de una temperatura de trabajo de entre 870 y 1100 C para el amoniaco y entre 900 y 1170 C para la urea. Así mismo para una mejor eficiencia se debe de inyectar el reductor con una razón estequiométrica superior a la unidad. Se consiguen los mejores rendimientos con razones estequiométricas del orden de 2. Se han conseguido rendimientos de hasta un 80%.

Eliminación de partículas

Industria/Proceso Fuente de emisiones Tipo de Partícula Método de Control

Calderas de Carbón Manejo de carbón,cenizas

Polvo de carbon,cenizas

Ciclones, Pre.Electrostáticos. Filtros

Incineradores Incinerador cenizas Lavador Venturi,Filtros, Pre. Elec.

Fundiciones Hornos Oxido de Hierro,humos

Lavadores, Ciclones,filtros

Industria del vidrio Hornos Nieblas, polvos Filtros, ciclones, Pre.Electr.

Cemento Hornos Polvos Ciclones, Prep. Elec

Refinerías Petróleo Regeneradores,Incineradores

Humos, cenizas Ciclones, Prep. Elec.Precipitadores Gravedad

Algunas fuentes industriales de partículas

Métodos secos: Cámaras de sedimentación por gravedad Ciclones

Métodos húmedos Lavadores de cámara Lavadores ciclónicos Lavadores Venturi

Filtros Precipitadores electrostáticos

Cámaras de sedimentación: Son grandes cámaras donde la aumentar la sección del flujo de aire éste disminuye su velocidad y las partículas más grandes sedimentan por gravedad. La relación entre la longitud de la cámara y su altura debe ser tal que de tiempo a la partícula a sedimentar. T= H/Vsed = L/Vgas. Estas cámaras sólo son eficaces para partículas grandes. Un problema que presentan es su gran volumen. La eficiencia de colección disminuye con el diámetro de las partículas.

Pueden ser útiles como sistema de apoyo en procesos que emitan gran cantidad de partículas para sedimentar las partículas mas grandes.

Separadores ciclónicos: En estos separadores se trata de obtener una corriente circular del aire que a alta velocidad, por acción de la fuerza centrífuga, separe a las partículas más grandes. El separador puede ser una gran cámara o la unión de un conjunto de pequeñas cámaras. Esto permite diseñar separadores ciclónicos para una gran variedad de gas y carga de contaminantes. El diámetro de corte de las partículas esta entorno a las 10-20 µm. La eficacia es del orden de un 80%. Son fáciles de mantener y no tienen una gran pérdida de carga. Pueden trabajar a cualquier temperatura

Lavadores ciclónicos húmedos: Son semejantes a los lavadores ciclónicos secos con el añadido de unos inyectores mediante los cuales se pulveriza el liquido lavado. La unión del movimiento helicoidal del gas y el liquido inyectado proyecta las gotitas de agua sucia sobre las paredes que resbalando a lo largo de ellas llegan al fondo. El consumo es de 1 -12 l/10 m3. Son capaces de eliminar partículas > 2.5 µm con rendimientos elevados

Filtros: son materiales porosos compuesto por una estructura granular o fibrosa por donde circula el aire y las partículas se unen a las fibras del tejido mediante diversos mecanismos que dependen del tamaño de la partícula.

La eficacia de captación de los filtros depende mucho del tamaño de la partícula

� Los materiales que se empleen (poliester, poliamida, nylon, fibra de vidrio) debe de ser compatibles con el tipo de gas/partícula a tratar. Uno de los mas empleado en aplicaciones industriales son los de telas o bolsas en los que los filtros tienen forma de bolsas que cuelgan en múltiples filas.

Las eficiencias son del 99% para partículas > 0.5 µm. Suelen llevar un sistema de agitación para que el polvo acumulado caiga a una tolva y no se obturen los filtros. La mayor dificultad de estos sistemas son los de no soportar gases calientes y/o húmedos

Precipitadores electrostáticos: En este tipo de separadores, se utilizan campos eléctricos para separar a las partículas del gas. Para ello se aplica un campo eléctrico al gas sucio para que las partículas se cargen (se ioniza el gas y los pequeños iones se pegan a las partículas). Este gas se hace pasar a continuación a través de una placas

colectoras cargadas, con cargas de signo opuesto, para que atraigan a las partículas y queden adheridas a las placas.

� Estos separadores tienen múltiples ventajas:

Pueden manejar grandes volúmenes de gases, con una alta eficiencia de colección , incluso para partículas submicrométricas y posibilidad de trabajar con gases a alta temperatura y húmedos. Las pérdida de carga no es muy grande

Control de fuentes mó viles

Una fuente importante de contaminación (CO, VOC, NOx) procede de la combustión de carburantes en los motores de los vehículos.

Precursores O3Acidificantes

Un problema creciente debido al aumento del parque automovilista, aunque las nuevas tecnologías permiten una mejora en las emisiones de gases de efecto invernadero y contaminantes per coche

La emisión de los gases contaminantes se produce principalmente a cuenta de los procesos de combustión que tiene lugar en el interior de los cilindros, aunque también tiene su importancia la emisión por evaporación de combustible en el llenado del tanque, pérdida de los depósitos y en el interior de los motores

Emisión en motores de gasolina En estos motores, el combustible se mezcla con

el aire en los carburadores y pasa a continuación al interior de los cilindros (fase de admisión), donde, una vez comprimidos (fase de compresión) una chispa inflama la mezcla (fase de ignición). La mezcla se quema y expande (fase de expansión), saliendo al final los productos de combustión. (fase de expulsión)

Una estimación teórica de la cantidad de aire necesaria para la combustión completa del combustible, se obtiene analizando la reacción química empleando un hidrocarburo teórico que represente a la gasolina. Así por ejemplo se tiene

C7H13+10.25 O2+38.54 N2 --> 7CO2+6.5 H2O+38.54 N2

(moles)

97 C7H13+328 O2+1080 N2 --> 308 CO2+1170 H2O+ 1080 N2

(masa)

r =A

F=

328+ 1080

97= 14.5

Cuando se produce la chispa por la bujía, se produce una onda de choque de la llama que avanza a lo largo de la cámara de combustión inflamando el combustible inyectado. En las zonas cercanas a las paredes, debido a la menor temperatura existente en esa zona, habida cuenta de la refrigeración, la combustión es incompleta.

� Se puede lograr una cierta disminución mediante� la regulación de la mezcla, � el instante de la ignición, � la razón superficie/volumen de cilindro, � el control de la temporalización de apertura y cierre de válvulas (los

motores VTEC de Honda usan esta tecnología), recirculación de los gases de salida, etc.

Reducción de emisiones mediante reactores externos:

Reactores térmicos: En este tipo de instrumentos se mezclan los gases cálidos

de la salida del motor con aire fresco para lograr una total oxidación del CO y los hidrocarburos residuales. Este tipo de sistemas exige una mezcla rica en combustible para asegurar un mayor grado de combustión en el reactor. Se hace necesario alcanzar hasta 1000K para lograr una eficacia de conversión, en los gases de salida, por encima de un 85%.

Los problema que presentan este tipo de reactores son La elevada temperatura alcanzada requiere materiales

especiales. Un espacio adicional en los motores para lograr una

combustión eficaz de los gases residuales Sobrecalentamiento en el caso de que la mezcla no se queme

bien en la cámara de combustión del motor

Reactores catalíticos externos. La introducción de los reactores o conversores

catalíticos logra salvar muchas de las deficiencias de los reactores térmicos. La presencia de un catalizador disminuye la energía de activación de la reacción y por tanto la temperatura necesaria para que se realice. De esta forma se consigue disminuir la temperatura de trabajo del conversor y su tamaño

El reactor catalítico consiste en un soporte cerámico con una capa de alúmina, para aumentar la superficie efectiva, y una capa de un material precioso (platino, paladio, rodio) que hace de catalizador permitiendo la oxidación del CO a CO2, de HC a CO2 y H2O y de NO a N2.

Los catalizadores más modernos son de tres vías, logrando en un único sistema la oxidación de los tres gases. Para que esto sea posible es necesario que la reacción de combustión se haga en forma estequiométrica, pues la eficacia de oxidación depende fuertemente de la cantidad de O2 disponible

Eficacia de conversión frente a la riqueza de la mezcla

Para alcanzar el máximo rendimiento los motores van provistos de una sonda, llamada sonda Lambda, que controla la riqueza de la mezcla (que se designa como razón lambda) de forma electrónica.

Así mismo para alcanzar el máximo rendimiento se hace necesario una temperatura de un 300 C, lo cual necesita de algún tiempo de operación para que se alcance. Esto implica que en los trayectos muy cortos el sistema no opera a pleno rendimiento.

Por otra parte los motores equipados con catalizadores pierden un poco de potencia

debido a la caída de presión

que se produce en el catalizador

Vehículos Diesel

Otras emisiones

Emisiones del carter

Legislació n Europea

Coche depasajeros

M1

Veh’culos decarga ligeros

N1

Veh’culos decarga pesados

N2, N3

Autobuses M2,M3

Dos ruedas L1,L2,L3,L4,L5

Clasificación UN-ECE de los vehículos

Directivas 91/441/EC (pasajeros) y 93/53 (vehículos carga ligeros) (Euro I)

A partir de 1993, los vehículos deben de llevar un convertidor catalítico de tres vías.

Directiva 1994/12 (pasajeros), 1996/69 (vehículos carga ligeros) (Euro II)

(válida a partir de 1997)

Directiva 1998/69 EC (Euro III)

Directiva 91/542/EEC para vehículos comerciales pesados.

Además, para evitar las emisiones de SO2, se debe de reducir la cantidad de azufre en el combustible hasta un 0.05% en peso (93/12/EEC)

Posibles mejoras Mejoras en el combustible: Aditivos tales

como metanol o etanol. Uso de otros carburantes tales como GLP (gas licuado de petróleo, (95% propano) ), GNL (gas natural licuado), GNC (gas natural comprimido)

Metanol (CH3-OH) Elevado octanaje (mayores razones de compresión => mayor

potencia) Arde a una menor temperatura (< NOx) Arde de forma más completa (< CO y HC) Produce mayores niveles de aldehidos (HCHO) Problemas de arranque a bajas temperaturas Alta toxicidad Poder energético mitad del de la gasolina (> depositos) Arde sin llama (problema en caso de accidente) Genera altos niveles de CO2 en su producción a partir del

carbón, menor si se parte de gas natural Se emplea unido a la gasolina( M85, 85% metanol, 15%

gasolina), el poder energético aun 60% del de la gasolina, presenta llama, algo mayor de volatilidad (mejora el arranque en frío), mal olor (impide la ingestion)

Etanol CH3-CH2-OH Se puede producir a partir de semillas, caña de azucar,

etc > bio-combustible (Brasil 25% de vehículos emplean etanol)

Genera menos CO y HC Aumenta el octanaje Se suele emplear con gasolina (E90, 10% etanol, 90%

gasolina)

Sistemas alternativos motores eléctricos, sistemas híbridos, sistemas con células de

hidrógeno.

Elementos de un coche hibrido

Seguir algunasnormas básicas

Conta06

Documents

Transcript of Conta06