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DEPURACIÓN DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS INDUSTRIALES

Nerea Martín Estevez

Mónica Melón Vega Pili Sánchez Albiz 16 de mayo del 2000

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1. – INTRODUCCIÓN

La protección del medio ambiente se ha basado tradicionalmente en la adopción de medidas correctoras cuando el daño ya se había producido. Hoy en día, se está generalizando el concepto de prevención, a través de medidas que se anticipen en lo posible a la aparición del problema. Los focos industriales emiten productos contaminantes a la atmósfera, cuyas características dependen fundamentalmente de las calidades de los combustibles y materias primas empleadas, del tipo de proceso y de la tecnología que se utiliza. Los principales focos industriales de emisión de contaminantes a la atmósfera son las chimeneas de las instalaciones de combustión para la generación de energía eléctrica y calor industrial, y de los procesos industriales propiamente dichos. Los sectores industriales con un potencial contaminante mayor son: las industrias energéticas, paraquímicas, del papel y alimentarias así como la siderurgia, metalurgia no férrea y las industrias químicas inorgánicas y orgánicas. Las centrales termoeléctricas ocupan un lugar preponderante como fuentes de contaminación atmosférica de origen industrial, tanto por el volumen como la variedad de los contaminantes que emiten. En España este sector contribuye al 73 % de las emisiones nacionales de SO2, al 68’5 % de las de NOx y al 31 % de las partículas. Los principales contaminantes emitidos a la atmósfera son: óxidos de azufre, nitrógeno y carbono, partículas, metales traza, hidrocarburos y compuestos de cloro y flúor.

1.1.- ACCIONES PREVENTIVAS. Son medidas de carácter preventivo, por ejemplo, las evaluaciones de impacto ambiental, la utilización de tecnologías de baja emisión de residuos y una planificación más eficiente del uso de la energía. Las evaluaciones del impacto ambiental tienen como objeto prever las alteraciones que sobre el medio ambiente va a provocar la realización de determinadas acciones, planes y proyectos, con el fin de adoptar medidas correctoras que mitiguen los impactos antes de que éstos se produzcan. Las tecnologías de baja y nula emisión de residuos se basan en el desarrollo de procesos que tratan de evitar la contaminación en su mismo origen.

3 1.2.

- ACCIONES CORRECTORAS.

Cuando las medidas preventivas no se pueden llevar a cabo o su aplicación no es posible desde el punto de vista económico se recurre, para limitar la descarga de contaminantes a la atmósfera, a acciones correctivas que pueden ser de dos tipos:

♦ Concentrar y retener los contaminantes con equipos adecuados de depuración que producen residuos sólidos o líquidos que contaminarán los suelos y el agua si no se planifica un tratamiento adecuado de estos residuos y, además, con el inconveniente de que estos equipos depuradores consumen recursos naturales y energía. ♦ Expulsar los contaminantes por medio de chimeneas suficientemente altas para que la dilución evite concentraciones elevadas a nivel del suelo. Este procedimiento, si bien atenúa los problemas de contaminación desde el punto de vista local, puede producir problemas en lugares alejados de las fuentes de emisión (lluvias ácidas).

Para conseguir grados de protección ambiental adecuados a costes razonables, el sistema de depuración será, por lo general, una combinación de tales medidas. En cualquier caso, es necesario, tener en cuenta a la hora de abordar el problema de control de contaminantes dos aspectos principales: los condicionamientos ambientales y las consideraciones económicas. Los efluentes industriales de carácter atmosférico suelen contener, por lo general, una mezcla de sustancias sólidas, líquidas y gaseosas, hecho que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar el sistema de depuración, que deberá estructurarse a partir de una secuencia lógica de separación de estos tres tipos de efluentes.

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2. TECNICAS DE ELIMINACION DE GASES CONTAMINANTES

Los equipos de depuración para corrientes de gases contaminantes forman parte de un proceso físico-químico de: absorción, adsorción o combustión.

2.1- PROCESOS DE ABSORCION. Basan su funcionamiento en el hecho de que los gases residuales están compuestos de mezclas de sustancias en fase gaseosa, algunas de las cuales son solubles en fase líquida. En el proceso de absorción de un gas, el efluente gaseoso que contiene el contaminante a eliminar se pone en contacto con un líquido en el que el contaminante se disuelve. La transferencia de materia se realiza por el contacto del gas con el líquido en lavadores húmedos o en sistemas de absorción en seco.

2.2- PROCESOS DE ADSORCION. Una alternativa a los sistemas de absorción por líquido lo constituye la adsorción de los contaminantes sobre sólidos. En los procesos de adsorción los gases, vapores y líquidos se retienen sobre una superficie sólida como consecuencia de reacciones químicas y/o fuerzas superficiales. Se produce una difusión desde la masa gaseosa hasta la superficie externa del sólido y de las moléculas del gas dentro de los poros de sólido seguida de la adsorción propiamente dicha de las moléculas del gas en la superficie del sólido. Los sólidos más adecuados para la adsorción son los que presentan grandes relaciones superficie / volumen, es decir, aquellos que tienen una elevada porosidad y área superficial para facilitar el contacto sólido-gas: tierra de Fuller, bauxita, carbón activado, alúmina activada, tamices moleculares, etc. Periódicamente, es necesaria la sustitución o regeneración del adsorbente para que su actividad no descienda de determinados niveles.

2.3 – PROCESOS DE COMBUSTION. La combustión constituye un proceso apropiado par la eliminación de compuestos orgánicos transformándolos en dióxido de carbono y vapor de agua y también es válido para determinadas sustancias inorgánicas. La combustión puede ser espontánea o por procesos catalíticos.

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♦ Espontánea. Cuando se trata de eliminar gran parte de los gases que son tóxicos que tienen olores fétidos, la combustión ha de realizarse a alta temperatura y con tiempo de retención controlado, por lo que el coste de combustible puede ser elevado. ♦ Procesos catalíticos. Con el fin de realizar la combustión a temperaturas más bajas, suele utilizarse la combustión en presencia de un catalizador, por lo general un metal de transición depositado en una matriz de alúmina. Este tipo de combustión suele emplearse en la eliminación de trazas de compuestos que contienen fenoles, formaldehído, azufre, etc. Un problema que presenta la combustión catalítica es la del envenenamiento del catalizador por algunas sustancias en forma de partículas.

3. - TÉCNICAS DE CAPTACION DE PARTICULAS.

Según el principio en que se basa el proceso de separación de las partículas, pueden establecerse los siguientes tipos de equipos de depuración: colectores, precipitaciones electrostáticas, filtros de mangas, lavadoras y absorbedores húmedos.

3.1- COLECTORES DE INERCIA.CICLONES. Los ciclones son los equipos de separación inercial que poseen una mayor eficacia en la captación de partículas. Están formados básicamente por un recipiente cilíndrico vertical donde se introduce tangencialmente el gas portador, cargado de partículas de polvo. La corriente se desvía en círculo y por efecto de la fuerza centrífuga, las partículas se lanzan al exterior al formar la mezcla gaseosa un remolino vertical descendente. Esta corriente en espiral del gas cambia de dirección al llegar al fondo del recipiente y sale por el conducto situado en el eje. Los ciclones son dispositivos útiles y baratos para la captación en seco de polvo ligero o grueso. Sin embargo, la eficiencia de captación de estos equipos es muy baja, sobre todo, en la eliminación de partículas pequeñas, por lo que su utilización se reduce, por lo general, a desempolvado previo al paso de los gases por un sistema más eficaz.

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3.2 – PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS. Los precipitadores electrostáticos basan su principio de funcionamiento en el hecho de cargar eléctricamente las partículas, para una vez cargadas someterlas a la acción de un campo eléctrico que las atrae hacia los electrodos que crean el campo, depositándose sobre ellos. Los precipitadores más utilizados a escala industrial son los de diseño de etapa única, por su gran capacidad de tratar gases con concentraciones de polvo muy altas. Estos precipitadores pueden separar cualquier tipo de sustancia en forma de partículas, alcanzando eficacias superiores al 99%, siempre que la resistividad eléctrica de las partículas no sea demasiado alta, en este caso será necesario acondicionar la corriente gaseosa con la adición de determinados productos.

3.3- FILTROS INDUSTRIALES. El sistema de filtros consiste en hacer pasar una corriente de gases cargados con partículas de polvo a través de un medio poroso donde queda atrapado el polvo. El filtro de mangas ha sido uno de los más utilizados durante los últimos años, ya que pueden tratar grandes volúmenes de gases con altas concentraciones de polvo. Con este tipo de equipos pueden conseguirse rendimientos mayores del 99%, independientemente de las características de gas, haciendo posible la separación de partículas de un tamaño del orden de 0.01 micras. Conforme pasa el gas, la capa de polvo depositado sobre el material filtrante, que colabora en el proceso de interceptación y retención de partículas de polvo, se va haciendo mayor, aumentando la resistencia al flujo y la pérdida de carga, lo que obliga a disponer de mecanismos para la limpieza automática y periódica del filtro. Hoy en día, el filtro cerámico ha adquirido una mayor importancia en los procesos de depuración de gases. La eficacia filtrante de este tipo de filtros es muy cercana al 100%, excepto si las partículas son de tamaño submicrónico en su mayor parte, o el tamaño del gránulo o fibra que forman el filtro cerámico es grande.

3.4. -LAVADORES Y ABSORBEDORES HUMEDOS. Los lavadores y absorbedores húmedos son equipos en los que se transfiere la materia suspendida en un gas portador a un líquido absorbedor en la fase mezcla gas -

7 líquido, debido a la colisión entre las partículas de polvo y las gotas de líquido en suspensión en el gas. Entre los más empleados destaca el Bioscrubber, el cual está formado por: ♦ Scrubber: El gas contaminado fluye en contracorriente de la fase acuosa alimentada, en donde se origina una eliminación de los contaminantes y del O2 de la fase gas a la fase acuosa por absorción. El tiempo de contacto es corto. ♦ Biorreactor: La fase acuosa enriquecida en contaminantes y O2 se pasa a un biorreactor donde se produce la descontaminación biológica. ♦ Tanque de sedimentación: Sirve para separar biomasa del efluyente líquido limpio. En la siguiente figura se puede observar este tipo de lavador húmedo:

Figura 1. Bioscrubber.

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En la siguiente tabla se muestran los principales sistemas utilizados, así como sus características más importantes, para la realización de la limpieza de los gases calientes:

Tabla 1. Tecnologías de eliminación de partículas de gases calientes

4. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO A PRESIÓN

La energía eléctrica se produce en centrales térmicas y la mayoría de ellas queman carbón como combustible, lo cual genera muchos problemas ambientales, por lo que se han desarrollado ‘Tecnologías de uso limpio del carbón’.

9 De esta forma se ha llegado a la tecnología de combustión en lecho fluido que además de lograr buenos parámetros medioambientales, se consigue un incremento en el rendimiento del proceso de producción de energía eléctrica. Este rendimiento se consigue por la expansión de los gases de combustión en una turbina de gas que se integra en un ciclo combinado con la turbina de vapor. La principal ventaja de esta nueva tecnología es la posibilidad de reducir en el propio proceso de combustión el dióxido de azufre formado a partir del contenido de azufre del combustible. Es posible quemar carbones con alto contenido en azufre consiguiendo niveles de emisión de SO2 por debajo de los límites impuestos por la legislación ambiental, sin la necesidad de utilizar equipos adicionales de desulfuración. Debido a las bajas temperaturas de combustión (860ºC) se puede añadir al lecho un material absorbente barato, como caliza o dolomía, que permite fijar el azufre del combustible en el proceso de combustión. Como ejemplo se ha tomado la central térmica de Escatrón (Zaragoza) donde se ha llevado a cabo la aplicación de la Tecnología de combustión de lecho fluido a presión. En esta central se quería quemar lignitos negros aragoneses con un alto contenido en azufre (próximo al 7%) y cenizas (36%). Se optó por esta nueva tecnología por las siguientes razones: ♦ mayor rendimiento de generación ♦ posibilidad de obtener desulfuraciones mayores del 90%, incluso con carbones de muy elevado contenido en azufre ♦ las emisiones de óxidos de nitrógeno que quedaban limitadas a valores inferiores a las 200 ppm ♦ Perspectivas de escalación a tamaños comerciales.

En esta planta se ha desarrollado un sistema específico de vía seca. El carbón se quema en una caldera de lecho burbujeante, junto con la caliza que actúa como absorbente, a una presión superior a la atmosférica. Los gases resultantes se expansionan en una turbina de gas que mueve el compresor de alimentación de aire a la caldera y acciona un alternador que produce una parte de la energía eléctrica de la planta. A su vez, en la caldera se produce el vapor que alimenta a la turbina de vapor que produce el resto de la energía eléctrica.

10 Por otra parte, los gases de escape de la turbina de gas pasan por un economizador que recupera su calor para el agua de alimentación. Es pues, una concepción de ciclo combinado que, junto con la recuperación de calor de las cenizas, hace que el rendimiento neto del sistema sea superior, entre un 12 y un 14%, al correspondiente a plantas convencionales diseñadas para las mismas condiciones. Esta planta fue diseñada con ciclones como elemento de limpieza, pero esto suponía problemas de erosiones, depósitos, etc. en la turbina de gas, debido a las cargas de polvo altas que enviaban los ciclones. Por ello, con el tiempo se han ido introduciendo los filtros cerámicos, los cuales operan en caliente (800ºC), limpiando los gases a contenido muy bajos de polvo y con tamaños mínimos de partículas. En la siguiente figura se muestra un esquema general de la tecnología de combustión de lecho fluido:

Figura 2. Esquema simplificado de funcionamiento de la central térmica de Escatrón.

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5. - DEPURACION DE LOS GASES DE CHIMENEA

La producción de energía eléctrica por combustión a altas temperaturas de combustibles fósiles, utilizando aire como comburente, produce gases que contienen óxidos de nitrógeno (NO y NO2 , llamados NOx ) y óxidos de azufre (SO2 ). Estos gases, emitidos a la atmósfera, pueden ocasionar daños al ecosistema y son muy agresivos por su carácter ácido, por ello es necesario controlar las emisiones de estos gases a partir de una serie de tratamiento para la eliminación tanto de los NOx , como del SO2 .

5.1. - DESULFURACIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN. La legislación medioambiental ha endurecido los límites de emisión de SO2 de las grandes instalaciones de combustión en la Unión Europea, lo que afecta sobre todo a las centrales térmicas. Por ello, la elección de la tecnología de desulfuración de los gases de combustión es de la máxima importancia en una central térmica. ♦ Un tipo de proceso de desulfuración de los gases de chimenea es la tecnología de la caliza húmeda, en el que se convierte el SO2 de los gases de chimenea en yeso. Se consigue un alto grado de desulfuración. ♦ Otra nueva tecnología sería un proceso biológico de desulfuración de gas de chimenea, mediante el cual al final del proceso, el SO2 de los gases de chimenea se convierten en azufre puro. Se consiguen rendimientos de hasta un 98%.

5.2. - REDUCCIÓN CATALITICA DE LOS NOX CON NH3. La creciente contaminación por los NOx (NO y NO2) ha decidido a las naciones más avanzadas industrialmente a limitar las emisiones por focos emisores fijos. La Tabla 2 recoge los valores límite establecidos en la CEE, que dependen del tipo de combustible utilizado, del tamaño de la instalación emisora y de que ésta sea una planta ya existente o de nueva instalación.

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Tabla 2. - Límite de emisión de NOx.

Para el control de las emisiones de NOx agruparse en dos tipos principales:

se utilizan técnicas que pueden

♦ Técnicas de control de la combustión, denominadas “primarias” por las que se actúa sobre el quemador o sobre la cámara de combustión, para reducir la formación de NOx en caldera. ♦ Técnicas de tratamiento de los gases de combustión o también denominadas “secundarias” que, a su vez, pueden efectuarse en húmedo o en seco.

Entre las técnicas de tratamiento en seco de los gases de combustión, la más utilizada, por su elevada eficacia y selectividad, es la reducción catalítica selectiva (SCR) de los NOx, utilizando como agente reductor amoníaco, en presencia de un catalizador apropiado.

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Este método se basa en reducir los NOx mediante la obtención de nitrógeno y agua como productos finales. •

Configuración del proceso.

El reactor catalítico se coloca detrás del economizador, porque permite aprovechar el hecho de que los gases de combustión abandonan el economizador a una temperatura cercana a la de funcionamiento óptimo de los catalizadores comerciales (300º - 400ºC). Además, el abatimiento de las partículas se efectúa en frío mediante precipitadores electrostáticos situados después del precalentador del aire de combustión. En consecuencia, para evitar obstrucciones por las cenizas y minimizar la erosión, deberán utilizarse catalizadores que presenten una apertura de canal suficientemente grande y disponer del flujo en forma vertical descendente. Por otra parte, para evitar la formación de depósitos de sulfato de amonio en las partes frías del reactor, el amoníaco sin reaccionar debe quedar en un nivel bajo y la oxidación de SO2 a SO3 debe ser mínima.

Figura 3. - Configuración del proceso de SCR.

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Catalizadores.

En los procesos de NOx-SCR se utilizan diversos tipos de catalizadores que difieren en su composición química. Uno de los más empleados es el catalizador a base de óxidos metálicos, debido a que presentan una mayor resistencia al envenenamiento por azufre.

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INDICE 1. INTRODUCCION 1.1 – ACCIONES PREVENTIVAS. 1.2 – ACCIONES CORRECTORAS.

2. TÉCNICAS DE ELIMINACIÓN DE GASES CONTAMINANTES 2.1 – PROCESOS DE ABSORCION. 2.2 – PROCESOS DE ADSORCION. 2.3 – PROCESOS DE COMBUSTION.

3. TÉCNICAS DE CAPTACION DE PARTICULAS 3.1 – COLECTORES DE INERCIA. 3.2 – PRECIPITADORES ELECTROSTATICOS. 3.3 – FILTROS INDUSTRIALES. 3.4 – LAVADORES Y ABSORBEDORES HUMEDOS.

4. COMBUSTION EN LECHO FLUIDO A PRESION 5. DEPURACION DE LOS GASES DE CHIMENEA 5.1 – DESULFURACION DE GASES DE COMBUSTION. 5.2 – REDUCCION CATALITICA DE LOS NOX CON NH3.

6. BIBLIOGRAFIA

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6. BIBLIOGRAFIA

REVISTA : “ INGENIERIA QUIMICA “

* ABRIL 1995: “ DEPURACION DE EMISIONES ATMOSFERICAS INDUSTIALES” * MARZO 1995: “ REDUCCION CATALITICA SELECTIVA DE LOS NO.X CON AMONIACO “ *MARZO 1996: “ COMBUSTION EN LECHO FLUIDO A PRESION”

*MAYO 1996: “ DESULFURACION DE GASES DE COMBUSTION”

*MAYO 1996: “COMBUSTION LIMPIA Y EFICIENTE “

*FEBRERO 1998: “ LOS FILTROS CERÁMICOS EN LA LIMPIEZA DE GASES CALIENTES CONTAMINADOS”

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