Análisis 55: Combustión de CH4. Emisiones NOx

Obtener las fracciones másicas de los productos de combustión del conjunto de reacciones de disociación siguiente:

Reacción 1: 0.5 N2 + 0.5 O2 <--> NO

Reacción 2: NO + 0.5 N2 <--> N2O

Reacción 3: 0.5 N2 + O2 <----> NO2

Reacción 4: 2 NO2 <--> N2O4

Para la combustión de CH4(g) con un 150% de aire estequiométrico, saliendo los productos de combustión a la temperatura de 1500 ºC. Obtener el calor intercambiado, los productos de combustión, temperatura de rocío, y la temperatura adiabática de la llama.

Los NOx están formados principalmente por NO y NO2, y se originan a partir de una reacción endotérmica durante el proceso de combustión entre oxígeno, O2 (que constituye el 21 % del aire) y nitrógeno, N2 (que constituye el 78% del aire).

Los óxidos de nitrógeno son altamente tóxicos y ácidos. Las agencias ambientales los consideran contaminantes del aire atmosférico. Cuando los gases NOx reaccionan con el oxígeno de la atmósfera, el ozono a nivel del suelo (O3), se forman ácido nítrico corrosivo y nitratos orgánicos tóxicos.

La presencia de estas sustancias en el aire provoca importantes problemas de salud humana y contribuye a la formación de lluvia ácida y al deterioro de la calidad del agua y el aire. Además, estas condiciones ambientales debilitadas afectan negativamente a la agricultura al matar el tejido vegetal y disminuir la tasa de crecimiento de las plantas.

A altas temperaturas de combustión, el nitrógeno presente en el combustible y en el aire ambiente se combina con el oxígeno del aire y forma el monóxido de nitrógeno (NO). Después de algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es soluble en agua, tóxico si se respira (produce daños irreversibles en el pulmón) y contribuye a la formación del ozono en combinación con la radiación ultravioleta (luz solar), pero genera niebla tóxica (smog) y lluvia ácida. El NO y NO2 en conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NOX). En calderas de gasoil o gas, los valores típicos de estos los gases de combustión son 50 ppm -- 100 ppm.

En condición adiabática:

Observamos que la concentración de NO es elevada a altas temperaturas, mucho mayor que las concentraciones de NO2, N2O y N2O4. El NO es el contaminante primario que se forma en las reacciones de combustión. Al decrecer la temperatura bajan todas las concentraciones de los NOx (la formación de NOx disminuye).