Análisis de la formación de NOx en la combustión de petróleo.
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Date
2001
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Publisher
Universidad de Concepción.
Abstract
El objetivo del presente trabajo es lograr predecir, a través de un modelo simplificado, la formación de NOx en una caldera de agua caliente utilizando petróleo liviano. Esto ha
sido logrado mediante el análisis de los tres diferentes mecanismos de formación de NOx,
centrándose principalmente el estudio en el análisis del mecanismo del combustible.
En una primera etapa se revisan los aspectos generales acerca de la formación de NOx,
tales como los efectos que produce el incremento de las emisiones sobre el medio
ambiente y la salud, y las investigaciones desarrolladas relacionadas con el tema en el
Laboratorio de Termodinámica de la Universidad de Lieja.
Luego se lleva a cabo una investigación de los mecanismos de formación de NOx:
térmico, del combustible y espontáneo. Se presenta un detallado estudio bibliográfico
sobre la cinética química asociada a cada mecanismo y, en particular, sobre las
reacciones químicas que rigen la formación de NOx de origen térmico. A través de un
análisis variacional se estudia la influencia de ciertos parámetros necesarios en el
desarrollo de un modelo del NOx térmico tales como: temperatura, concentración de
oxígeno y tiempo de residencia. Luego estos valores han sido obtenidos mediante
expresiones encontradas en literatura, pero no se posee aún una confiabilidad absoluta
sobre estos parámetros debido a la complejidad que presentan los gradientes, tanto de
temperatura como de concentración de especies, producidos en una llama de difusión
turbulenta. Finalmente, de un modelo encontrado en literatura y obtención de parámetros
de entrada correspondientes se puede predecir teóricamente la formación de NOx de
origen térmico.
El NOx generado a partir del combustible es analizado experimentalmente añadiendo un
compuesto químico denominado piridina (C5H5N) para simular el aumento de la
concentración de nitrógeno presente en el combustible. Los parámetros analizados son:
composición del combustible, exceso de aire global y potencia del quemador. Los
resultados muestran un incremento lineal de las emisiones, hasta en 42 ppm ( »42%),
cuando se aumenta el nitrógeno del combustible desde 0.017 a 0.052% en peso. En el
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rango investigado las emisiones de NOx del combustible se muestran independientes del
cambio de temperatura de la llama producido por la variación del exceso de aire, y no se
observa una influencia significativa de los dos niveles de potencia ensayado. El
rendimiento de conversión del nitrógeno del combustible a NOx es del orden del 85%
para alta potencia y varia de 72 a 92% para baja potencia. Se muestra que este
rendimiento es independiente, en el rango investigado de nitrógeno añadido, de la
cantidad de nitrógeno presente en el combustible. En el ensayo a alta potencia del
quemador, se observa una clara independencia del rendimiento de conversión con
respecto al exceso de aire. La dispersión observada en el ensayo a baja potencia no
permite establecer una tendencia definida. De los resultados obtenidos se pueden
encontrar correlaciones capaces de predecir la formación de NOx en la caldera de agua
caliente producidos por el mecanismo del combustible en función de la cantidad de
nitrógeno en el combustible a utilizar, para diferentes condiciones de operación utilizadas
(exceso de aire y potencia del quemador).
Debido a la complejidad del mecanismo de formación espontáneo, no se encontró en la
literatura un modelo simplificado que permita analizarlo.
Por lo tanto como se mide la cantidad total de NOx en la chimenea (NOx térmico+NOx
del combustible+NOx espontáneo), y se conocen los porcentajes de NOx producidos por
mecanismos térmico y del combustible analizados en el presente trabajo, es posible
obtener por diferencia la cantidad de NOx espontáneo producido para diferentes
condiciones de operación de la caldera.
Aunque quedan aún incertidumbres en la exactitud de la predicción de NOx térmico
debido a la obtención de ciertos parámetros de entrada, el mecanismo de formación de
NOx del combustible ha sido analizado, obteniéndose correlaciones que nos permiten
ahora predecir la formación de NOx producidas a través de este mecanismo en función de
la cantidad de nitrógeno, exceso de aire y potencia del quemador.
Description
Tesis para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Mecánica.
Keywords
Oxido de Nitrógeno, Petróleo