Análisis 60: Ciclo de turbina de gas. Emisiones NOx

Emisiones de NOx que penalizan a la industria que sobrepasa los límites legales establecidos en cada país. Se elige el modelo de equilibrio químico.

Analizar el efecto de la humedad relativa y la temperatura atmosférica en una instalación de TG de ciclo abierto alimentada por gas natural (composición volumétrica) sobre las emisiones de NOx que trabaja con un exceso de aire del 16 %.

Reacciones de equilibrio químico:

• CO₂ <--> CO + ½ O₂

• H₂O <--> H₂ + ½ O₂

• ½ O₂ <--> O

• ½ H₂ <--> H

• ½ N₂ <--> N

Formación de NO_x:

• ½ N₂ + ½ O₂ <--> NO

• ½ N₂ + O₂ <--> NO₂

• NO + ½ N₂ <--> N₂O

• 2 NO₂ <--> N₂O₄

Una turbina de gas es una máquina que genera potencia mecánica o empuje. Lo hace mediante un fluido de trabajo gaseoso. La potencia mecánica generada puede utilizarse, por ejemplo, en un dispositivo industrial. El fluido gaseoso saliente puede utilizarse para generar empuje. En la turbina de gas, existe un flujo continuo de fluido de trabajo. Este fluido se comprime inicialmente en el compresor. Luego se calienta en la cámara de combustión. Finalmente, pasa por la turbina. La turbina convierte la energía del gas en trabajo mecánico. Parte de este trabajo se utiliza para accionar el compresor. La parte restante suministra la potencia para generar potencia.

Gas natural:

A cada reacción le corresponde una ecuación no lineal de equilibrio en términos de número de moles, y a ellas hay que añadir las cuatro ecuaciones del balance de materia de cada uno de los elementos fundamentales (O, N, C, H). Para resolver el sistema ecuaciones altamente no lineal se emplea el método de Newton-Raphson, que suministra composición molar formada de cada una de las especies.

Respuesta de NO para una HR=60%

Respuesta de NO2 para una HR=60%

Respuesta de NO para una HR=20%

Respuesta de NO2 para una HR=20%

Respuesta de Tª adiabática de equilibrio para una HR=60%

Respuesta de Tª adiabática de equilibrio para una HR=20%

El efecto de la temperatura del aire atmosférico, sabiendo que la humedad específica del aire (que es la misma a la entrada y a la salida del compresor, ya que no existe en él condensación ni evaporación del aire en el compresor). Cuando la humedad relativa es baja, un aumento de temperatura incrementa los NO_x.

Aunque, cuando tenemos valores de humedad relativa medio/altos se invierte esta tendencia, es decir decrementan los NO_x con el aumento de temperatura del aire atmosférico. Se observa, que aumenta la humedad específica del aire, es decir tenemos más cantidad de H₂O en los productos de combustión (ya que la cantidad de aire es constante, al tener fijo el coeficiente de exceso de aire) al aumentar la temperatura del aire.

Hay que tener en cuenta dos efectos, el efecto térmico de incremento de la temperatura del aire, y el efecto másico que hace tener más agua en los productos de la combustión. El primer efecto tiende a aumentar los NO_x, mientras el segundo tiende a decrementar los NO_x.

Para demostrar esto último, analizamos los NO_x generados para acetileno C₂H₂ y etano C₂H₆ (con mayor cantidad de hidrógenos y misma cantidad de carbonos). Obviamente, con el etano se tendrá mayor cantidad de agua (2.61 veces superior para una combustión completa con un 15 % de exceso de aire) en los productos de combustión, menor temperatura adiabática (300 ºC inferior) y unos NO_x la mitad aproximadamente que para el acetileno. Por lo tanto, se observa que para valores medio/altos de humedad relativa el efecto que predomina (cuando incrementa la temperatura del aire) es el másico, que hace decrementar los NO_x con la consiguiente disminución de la temperatura adiabática de la llama.

Podemos concluir, que la variable clave que hace que aumenten los NO_x cuando ella aumenta es la temperatura de equilibrio químico, y que sucede lo contrario al decrecer su valor. Las variables, temperatura del aire atmosférico y humedad del aire atmosférico actúan sobre esta temperatura (incrementando o decreciendo su valor), y con ello alterando el valor de los NO_x.