contamina

EL CONTROL DE LA
CONTAMINACIÓ
N
ATMOSFÉ RICA

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
eficiencia =

Concentración alaentrada − Concentración a la salida
×100
Concentración a laentrada

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 ?
eficiencia =

1800 − 90
×100 = 95
1800

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.

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

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 adsorció n

log10 X = a + blog10 Ce + c(log10 Ce ) 2
X: masa de adsorbato/masa de adsorbente
Ce: presión parcial del adsorbato

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

Factores que afectan a la adsorció n

La temperatura

La presión

La velocidad del flujo

Contaminación por partículas
Humedad

Usos de la adsorció n

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

El proceso de 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 CO 2 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

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

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.
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

rmasa

A
masa de aire
= =
F masa de combustible

O bien como función del número de moles

rmol

A
moles de aire
= =
F moles de combustible

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.

(A F)actual
λ =
(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
H2

63.50 12 5.29
4.07 2 2.04

S
O2
N2
H2O

1.53
7.46
1.28
15.00

32 0.048
32 0.233
28 0.046
18 0.833

O2
5,29
2.04/2=1.02
0.048
-0.233

6.125

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

En los gases de salida tendremos:
Combustible
CO2
H2O
SO2
O2
N2
H2O
Aire
O2
N2

+

+

Productos de combustión
5.29 - 5.29 O2
2.04 - 1.02 O2
0.048 - 0.048 O2
+ 0.233 O2
0.046
0.833

+7.53
28.34 (húmedos)
38.0
35.13 (secos)

pV=nR T; V = nR T/p = 38.0*8.31*293/101325 =0.91 m3

Partículas
(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 combustió n
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)

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.

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.

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

•

Eliminación de hidrocarburos y otros compuestos
orgánicos

•

Eliminación de otros compuestos, Cl, S, F

•

Eliminación de partículas combustibles

•

Eliminación de sustancias peligrosas

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

Tipo de tecnología

LEL: Lower explosive limit

⎡
xj
LEL = ⎢∑
⎢ x c LEL j
⎣

⎤−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%)
−1
⎡ 3000
3000
2000 ⎤
LEL = ⎢
+
+
= 1.42%
⎣8000 *1.2% 8000 *1.1% 8000 * 5% ⎥
⎦

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

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Lavadores

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
remoció n: 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.

Mecanismos de colección (partículas)
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


Impacto


Eficiencia
Difusión

Mecanismos de remoció n:
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.

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

Características operativas de los lavadores de spray
Contaminan Pérdida de
te
carga

Líquido/gas

Presión del
líquido a la
entrada

Gases

Eficiencia
de
remoción

Aplicaciones

50-90%
Mineria
Procesos químicos
industriales
1.3-7.6 cm

Particulas

0.07-2.70
l/m3

70-2800
kPa
2-8 µm

Incineradores
Industria de acero

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..

Características operativas de los lavadores Venturi
te
carga

Líquido/gas

Gases

2.7-5.3 l/m3

13-250 cm

Presión del
líquido a la
entrada

Eficiencia
de
remoción
30-60%

Industrias de pulpa y
papel
Procesos químicos
Industria alimentación
Procesado de
metales

7-100 kPa

Partículas

50-250

0.4-2.7l/m3

Aplicaciones

90-99
(0.1-100
µm)

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%


Características operativas de las columnas de relleno
te
carga

Líquido/gas

Presión del
líquido a la
entrada

2.-8.5
cm/m
columna
Particulas

Aplicaciones

99%

Gases

Eficiencia
de
remoción

Principalmente para
gases
Plantas de acido
Procesos químicos
industriales

0.13-2.0l/m3 34-100 kPa

2 µm

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

Mé todos 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.

Los procesos húmedos se clasifican en
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.

La mayor parte de los sistemas FGD emplean
dos lavadores uno para partículas y otro para el SO 2.
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 SO 2 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 SO 2
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 :

SO2(g) --> SO2(l)
SO2 + H2O --> H+ + HSO3- --> 2H+ + SO3=
Cal:
SO2(g)+Ca(OH)2(s)+H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + 3/2 H2O (l)
Carbonato cálcico:
SO2(g)+CaCO3(s)+1/2 H2O --> Ca SO3 . 1/2 H2O (s) + CO2
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)

Sistema de desulfuración
con 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

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

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 + N
N2+ O2 <==> 2NO
N+O2 ---> NO + O
NO + (1/2) O2 ---> NO2
Temperatura (K)
1200
1500
1800
2000
2400

4N2/O2 (ppm)
40N2/O2 (ppm)
210
80
1300
500
4400
1650
8000
2950
19800
7000

Cantidad de NO formado a diferentes temperaturas

Temperatura (K) NO (ppm)
NO2 (ppm)
(-10)
3,3*10 (-5)
300 1,1*10
800
0,77
0,11
1400
250
0,87
1873
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

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)

T baja
O2 alto
T alta
O2 bajo

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

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 temperatura 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.

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%.
Situación de los inyectores de urea

Industria/Proceso
Calderas de Carbón
Incineradores

Fuente de emisiones
Manejo de carbón,
cenizas
Incinerador

Tipo de Partícula
Polvo de carbon,
cenizas
cenizas

Fundiciones

Hornos

Industria del vidrio

Hornos

Oxido de Hierro,
humos
Nieblas, polvos

Cemento
Refinerías Petróleo

Hornos
Regeneradores,
Incineradores

Polvos
Humos, cenizas

Método de Control
Ciclones, Pre.
Electrostáticos. Filtros
Lavador Venturi,
Filtros, Pre. Elec.
Lavadores, Ciclones,
filtros
Filtros, ciclones, Pre.
Electr.
Ciclones, Prep. Elec
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

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

Acidificantes

Precursores O3

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

Emisió n 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)
A 328+ 1080
r= =
= 14.5
F
97

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.

Reducció n 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

Otras emisiones

Emisiones del carter

Clasificación UN-ECE de los vehículos

Coche de
pasajeros
Vehículos de
carga ligeros
Vehículos de
carga pesados
Autobuses

M1

Dos ruedas

L1,L2,L3,L4,L5

N1
N2, N3
M2,M3

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 CH 3 -CH 2 -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.

Seguir algunas
normas básicas

contamina

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