¿Por qué debería preocuparnos las emisiones de las calderas?
La lista de emisiones de calderas que son controladas es larga y los requisitos por reglamentarse por las autoridades gubernamentales están en estudio y prontas a implementarse.
Muchos contaminantes regulados se derivan del combustible que se quema. La mayoría de los usuarios industriales y comerciales de calderas ahora usan gas natural. Se puede encontrar diesel #2 comúnmente utilizado como combustible de respaldo para hospitales e industrias, y en algunas áreas geográficas sin servicio de gas natural.
La siguiente es una breve descripción de qué emisiones se controlan, las razones por las que se controlan y cómo se controlan.
¿Qué se controla y Por qué?
Primero, una breve introducción sobre la combustión. El proceso de combustión es una reacción química exotérmica de oxidación de hidrocarburos. En términos sencillos, el oxígeno del aire y el hidrógeno y el carbono del combustible se oxidan (combinan) en el proceso de combustión y el resultado es calor y CO2 (dióxido de carbono) y H2O (vapor de agua). En condiciones del mundo real, también se producen dos subproductos principales: NOx y CO (monóxido de carbono). De ello se deduce que las principales emisiones controladas son NOx, CO, CO2 y material particulado. A continuación, más información sobre cada uno.
NOx
NOx es un término genérico para los compuestos químicos hechos de nitrógeno y oxígeno. El aire que respiramos y usamos para la combustión es 20,9% de oxígeno (O2); 79% nitrógeno; y 1% otros. En el proceso de combustión, parte del nitrógeno y el oxígeno del aire se combinan para crear NOx. Cuanto más alta es la temperatura, más se crea. Dado que el petróleo contiene pequeñas cantidades de nitrógeno y se quema más que el gas natural, la combustión de petróleo genera inherentemente más NOx que el gas natural.
¿Por qué está controlado? el NOx es un precursor del ozono a nivel del suelo, cuando se combina con la luz solar se descompone en ozono (O3) y nitrógeno. El ozono cumple una función vital en las altitudes más altas de nuestra atmósfera al reflejar parte de la luz solar lejos de la tierra, pero el ozono troposférico es la sustancia nociva comúnmente conocida como smog.
CO (monóxido de carbono)
El CO es el resultado de una combustión incompleta. El objetivo del diseño del quemador/caldera es lograr una combustión completa para liberar toda la energía disponible en el combustible. Si algunas moléculas de carbono no pueden encontrar algunas moléculas de oxígeno, se convertirán parcialmente en CO (monóxido de carbono) en lugar de CO2 (dióxido de carbono). Todos los quemadores/calderas están diseñados para tener algo de “aire en exceso” para reducir la cantidad de CO producido.
¿Por qué está controlado? En su forma gaseosa, el CO es una sustancia venenosa. En forma sólida se le conoce comúnmente como hollín, una sustancia insalubre y sucia. El CO también contribuye al cambio climático global.
CO2 (dióxido de carbono)
Como se indicó anteriormente, el CO2 es el objetivo de una buena combustión.
¿Por qué está controlado? Muchos consideran que el CO2 es el principal contribuyente al cambio climático global.
Materia particulada
Materia particulada es un término genérico para las partículas microscópicas que resultan de una combustión incompleta y/o la combinación de cosas como el polvo en el aire que se combina con carbono, oxígeno y otros elementos durante el proceso de combustión. El hollín es un ejemplo de material particulado.
¿Por qué está controlado? Las partículas pueden alojarse en los pulmones humanos y provocar enfermedades respiratorias.
¿Cómo se controlan las emisiones?
La metodología para el control de todas las emisiones se puede realizar antes, durante o después del proceso de combustión.
Control de precombustión
El control en la etapa de precombustión generalmente consiste en cambiar los combustibles o cambiar los componentes del combustible. Parte de la razón por la cual el gas natural ahora es tan frecuente es que se quema más frío que los aceites combustibles y no contiene nitrógeno, lo que lo convierte inherentemente en un productor menor de NOx. Se ha ordenado a las refinerías que reduzcan los niveles de azufre, nitrógeno y otros contaminantes para reducir las emisiones.
Control de post-combustión
El control del proceso posterior a la combustión generalmente consiste en el uso de filtros y cámaras de filtros en el caso de combustión de combustibles sólidos, y el proceso de reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir el NOx en calderas de gas y petróleo. SCR funciona bien, por lo que todos los vehículos tienen convertidores catalíticos. Pero el costo inicial y el uso de amoníaco para regenerar el catalizador generalmente restringe su uso solo para calderas muy grandes y/o niveles de emisiones muy estrictos.
Control durante el proceso de combustión
Además del cambio de combustibles que ha ocurrido durante el último medio siglo (impulsado por una combinación de costo de combustible, costo de mantenimiento y emisiones), el control de emisiones durante el proceso de combustión es, con mucho, la forma más común de controlar las emisiones. Estas metodologías incluyen:
- Con la recirculación de gases de combustión (FGR), un porcentaje de los gases de combustión se reintroduce en la cámara de combustión (como parte del aire de combustión) para enfriar la temperatura de la llama central y reducir el NOx. FGR requiere más caballos de fuerza para impulsar ventiladores más grandes debido tanto al aumento de masa como al aumento de temperatura del aire de combustión que mueve el ventilador.
- Los diseños más antiguos intentaron cumplir con los requisitos más bajos de NOx usando cada vez más FGR. Por lo general, esto enfriaba la temperatura de la llama y reducía los niveles de NOx, pero a menudo también significaba requisitos muy altos de potencia del ventilador, y el exterior de la llama se enfriaba demasiado y la producción de CO aumentaba, a veces de forma dramática. En muchos casos, el rendimiento de la rangoabilidad y la eficiencia sufrieron. Las combinaciones de caldera/quemador mal diseñadas dieron lugar a condiciones de combustión inestables que causaron vibraciones, mayores niveles de ruido y, en raras ocasiones, incluso explosiones de hornos.
- Con diseños más nuevos que optimizan el diseño de la caldera y el quemador junto con la tecnología de controles avanzados como el posicionamiento en paralelo y el ajuste de O2, las calderas más recientes pueden alcanzar niveles muy bajos de NOx con un mínimo de CO, si es que lo tienen. Y lo hacen con potencias de ventilador ligeramente mayores que las calderas no controladas y con rendimiento y eficiencias iguales o incluso superiores a algunas calderas no controladas. Los nuevos diseños optimizan la combustión y la transferencia de calor para obtener una combustión más completa para reducir el CO, tener una temperatura de llama uniforme más baja para reducir el NOx y lograr una alta eficiencia para reducir el CO2.
Dado que el CO2 es el objetivo de la quema de hidrocarburos, la única forma de reducir el CO2 es disminuir la carga en la caldera mediante el diseño de cargas de procesamiento o calentamiento más eficientes; o haciendo que el conjunto caldera/quemador sea lo más eficiente posible.
En los sistemas de vapor, el desarrollo y la adopción de materiales y diseños avanzados de economizadores de chimenea para recuperación de calor también se debe al deseo de reducir la producción de carbono.
