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.

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 NOx:

• ½ N2 + ½ O2 <--> NO

• ½ N2 + O2 <--> NO2

• NO + ½ N2 <--> N2O

• 2 NO2 <--> N2O4

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 NOx.

Aunque, cuando tenemos valores de humedad relativa medio/altos se invierte esta tendencia, es decir decrementan los NOx 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 NOx, mientras el segundo tiende a decrementar los NOx.

Para demostrar esto último, analizamos los NOx 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 (300ºC inferior) y unos NOx 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 NOx con la consiguiente disminución de la temperatura adiabática de la llama.

Podemos concluir, que la variable clave que hace que aumenten los NOx 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 NOx.