3.4: Sistemas finales de planta

3.4 Sistemas finales de planta

Al final de las instalaciones de la central eléctrica, los gases de combustión de la quema de combustible saldrán de la chimenea. No obstante, para cumplir con los estándares de emisiones exigidos, habrá unidades que ayuden a reducir los emisores “malos”.

Los productos primarios de combustión provienen de carbono e hidrógeno y se muestran en las ecuaciones de reacción a continuación:

C + O ₂ CO ₂

4H + O ₂ → 2H ₂ O

Se forman dióxido de carbono y agua. Pero no son los únicos productos de la combustión.

El carbón también tiene azufre, nitrógeno y minerales que pasan por el proceso de combustión. El azufre se convierte en dióxido de azufre y trióxido, también conocido como SO _x. El nitrógeno en el carbón puede formar NO, N ₂ O y NO ₂, también conocido como NO _x (combustible NO _x). NO _x también se puede formar a partir del nitrógeno en el aire cuando la temperatura en la caldera es alta (NO térmico _x). Los minerales que pasan por combustión se llaman cenizas y son los compuestos oxigenados de los minerales en el carbón. Si alguna vez has quemado leña en una chimenea o en un camping, has visto la ceniza que queda.

Los constituyentes pueden resumirse en un neumónico: NO EFECTIVO. Todo producto de la combustión, aparte del agua, ha sido implicado en algún tipo de problema ambiental. El cuadro 3.1 muestra un resumen de NO CAJERO:

Cuadro 3.1: Resumen de NO EFECTIVO

Acrónimos	Componentes de carbón	Emisión
N	Nitrógeno	NO x
O	Oxígeno	—
C	Carbono	CO 2
A	Minerales	Ceniza
S	Azufre	SO x
H	Hidrógeno	H 2 O

Componentes de Carbón - Cuestiones Ambientales

Una de las peores consecuencias ambientales que pueden ocurrir es cuando NO _x y SO _x se liberan en la atmósfera y eventualmente se convierten en los ácidos correspondientes:

NO _x + O ₂ + H ₂ O → HNO ₃

SO _x + O ₂ + H ₂ O → H2SO ₄

Tanto el ácido nítrico como el sulfúrico son muy solubles en agua. Eventualmente caerán a la tierra ya sea como precipitación ácida (lluvia ácida o nieve) o como depósitos.

Figura 3.11a: Representación de lluvia ácida y deposición ácida de fuentes artificiales y naturales.

Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la figura 3.11a

El esquema simplificado muestra cómo se produce la deposición de contaminantes y lluvia ácida a partir de fuentes naturales y artificiales. Las fuentes artificiales, representadas como una planta de energía, liberan contaminantes como SO2 y NOx en el aire. Las fuentes naturales, representadas como volcán en erupción, liberan contaminantes como NOx en el aire. En la atmósfera, estos contaminantes pueden convertirse en contaminantes gaseosos o contaminantes particulados. La deposición seca de estos contaminantes puede devolverlos a la superficie de la tierra. O los contaminantes gaseosos y particulados pueden convertirse en agua nublada y contaminantes de precipitación que luego llueven (deposición húmeda) como lluvia ácida.

Crédito: EPA

En muchas partes de Estados Unidos, las precipitaciones son 10 veces más ácidas que las lluvias que caen en áreas no contaminadas. En algunos lugares, o en algunas ocasiones, puede ser 100 veces más ácido. Numerosos problemas ambientales y de salud están relacionados con la lluvia ácida, entre ellos los siguientes:

• Las precipitaciones ácidas se acumulan en arroyos y lagos, por lo que cada vez menos especies acuáticas pueden reproducirse o sobrevivir. Las áreas de agua pueden llegar a ser biológicamente “muertas”.
• La lluvia ácida en el suelo puede lixiviar nutrientes clave del suelo.
• La lluvia ácida puede afectar los árboles, especialmente en las cimas de las montañas. El tipo de lluvia que puede ser particularmente dañina es una fina niebla de lluvia ácida.
• Bosques enteros pueden ser aniquilados si el daño es lo suficientemente extenso, incluyendo ecosistemas enteros de plantas y algunos animales.
• La lluvia ácida o la deposición pueden ser corrosivos. Puede atacar mármol, piedra caliza, etc. Los edificios históricos, monumentos y estatuas han sido desfigurados por deposición ácida.
• La salud humana puede verse afectada por la lluvia ácida. Los humanos pueden inhalar una niebla de ácidos diluidos, que pueden irritar las vías respiratorias, lo que, a su vez, exacerba las enfermedades respiratorias crónicas. Los adultos mayores y los infantes están en mayor riesgo.

Figura 3.11b: Evidencia de erosión por lluvia ácida; la estatua en la pared ha sido erosionada con el tiempo.

Crédito: mafleen vía Flickr

Grado de Acidez en una Solución Acuosa - Escala de pH

Aquí hay algunos datos clave sobre el pH:

• pH = 7 es perfectamente neutro
• pH < 7 es ácido
• pH > 7 es básico (alcalino)
• menor el número = más ácida la solución
• por cada cambio de 1 unidad en el pH, hay un cambio de diez veces en la acidez
• una solución con pH=5 es 10 veces más ácida que pH=6; pH=4 es 100 veces más ácida que pH = 6

La precipitación natural es ligeramente ácida porque el dióxido de carbono en el aire (CO ₂) es moderadamente ácido y soluble en agua.

CO ₂ + H ₂ O = H ₂ CO ₃

(ácido carbónico, pH=5-6)

Entonces, la lluvia ácida se define como la lluvia que tiene un pH < 5.6.

Cuando se quema carbón en ausencia de equipo de control, se genera humo. El humo es una mezcla de partículas de cenizas volantes y carbón no quemado. En un día de alta humedad, las partículas de humo actúan como puntos para condensar la humedad del aire. Cuando el carbón tiene un alto contenido de azufre, también tiene emisiones SO _x. Bajo estas condiciones, se produce la dispersión de gotitas de ácido sulfúrico, y cuando se asocia con las partículas de humo:

SM OKE + F OG = SMOG

Ha habido eventos de smog de ácido sulfúrico que han matado a personas -en Donora, PA (1947), en la ciudad de Nueva York (1966), y en Londres (1952). En la mayoría de las naciones industrializadas, esto ya no es un problema, ya que las regulaciones han reducido las emisiones de humo y azufre en las centrales eléctricas y ahora hay poco uso doméstico del carbón.

Estrategias de limpieza

Existen varias opciones para limpiar las malas emisiones:

1. No hacer nada. (Use una pila alta para dispersar contaminantes: la solución a la contaminación es la dilución).
2. Retire o reduzca el azufre y el nitrógeno en la materia prima de combustible antes de que se queme (precombustión). Esto incluye azufre, nitrógeno y minerales.
3. Permita que los SO _{x, NO x} y RO _x se formen en la caldera, pero capture los mismos antes de que puedan emitirse al ambiente. A estas se les llama estrategias de postcombustión.

La estrategia de “no hacer nada” es ilegal en EU. La Ley de Aire Limpio de 1977 y las enmiendas a la Ley de Aire Limpio de 1990 han cambiado el ambiente del aire en EU. Sin embargo, esto sigue siendo un problema en el ex bloque soviético, China y las naciones del tercer mundo.

Las estrategias de precombustión se pueden abordar de las siguientes maneras. Una forma es cambiar a combustible más limpio, como el gas natural. Para ello, sin embargo, es posible que sea necesario realizar cambios extensos en los quemadores y calderas. Otra forma es cambiar a una forma más limpia de carbón. La mayoría de los carbones bajos en azufre se encuentran en el oeste de Estados Unidos y tienen que ser transportados hacia el este. Estas brasas tienden a tener un menor valor calorífico, lo que lleva a costos operativos más caros relacionados con la necesidad de adquirir más carbón. Finalmente, las impurezas se pueden eliminar del carbón; esto se puede hacer eliminando minerales que contienen azufre o nitrógeno, como la pirita (FeS). Sin embargo, algunos S y N están unidos químicamente a la porción orgánica del carbón mismo y no se pueden eliminar. El petróleo y el gas natural también pueden tener azufre asociado con él. Para los productos derivados del petróleo, como se discute en la Lección 2, el hidrógeno se usa para reaccionar con azufre para formar sulfuro de hidrógeno (H ₂ S). H ₂ S también se puede capturar a partir del gas natural; H ₂ S se puede convertir en azufre sólido y vender a la industria química.

También existen estrategias de postcombustión para eliminar impurezas. La mayor parte de la ceniza que se forma durante la combustión cae al fondo de una caldera (~ 80%) y se puede eliminar para su eliminación de nuevo en la mina. Sin embargo, hasta un 20% se lleva a cabo de la caldera a través del gas de combustión y se conoce como cenizas volantes (y se puede llamar materia particulada). Las cenizas volantes también pueden causar problemas de salud. Una pequeña partícula de ceniza puede quedar alojada en pasajes de aire estrechos de los pulmones. Si el cuerpo no puede extraerlo recubriéndolo con moco y expulsándolo, entonces el cuerpo intentará sellarlo con tejido cicatricial. La materia particulada sólida puede ser manejada de dos maneras: las cenizas volantes pueden ser atrapadas en bolsas de filtro de tela gigantescas (como una bolsa de aspiradora), que se llama la cámara de bolsas (ver Figura 3.12a y 3.12b). A las partículas también se les puede dar una carga eléctrica. A altos potenciales eléctricos, las partículas cargadas son atraídas hacia el electrodo de carga opuesta; el dispositivo utilizado para ello se llama precipitador electrostático (ESP) (ver Figura 3.13).

También podemos eliminar SO _x en los gases de combustión. El SO _x puede disolverse en agua para formar un ácido, que luego se puede neutralizar haciéndolo reaccionar con una base. La base más barata y más disponible es la cal o piedra caliza, que reacciona:

Ca (OH) ₂ + SO _x → CaSO ₄ + H ₂ O

El sulfato de calcio (_{CaSO 4}) es un precipitado insoluble; el SO _X no se destruyó; simplemente lo convertimos de un gas a un sólido más fácil de manejar. La tecnología para la eliminación de SO _x se llama desulfuración de gases de combustión (FGD). El hardware se llama depurador (ver Figura 3.14). Los depuradores SO _x son efectivos, ya que capturan 97% del azufre emitido. El _{CaSO 4} producido se llama lodo depurador y se vuelve a poner en la mina o se vende como yeso para hacer paneles de yeso.

El contaminante más difícil de tratar es el NO _x. Un depurador no funciona para NO _x control porque las sales de nitrato son insolubles en agua. Para limitar la producción de NO _x térmico, los quemadores de baja temperatura producen menos NO _x o utilizan combustión por etapas para que las temperaturas sean lo suficientemente bajas como para permitir la reacción inversa:

2NO → N ₂ + O ₂

El gas de combustión NO _x se puede tratar con amoníaco:

2NH ₃ + NO ₂ + NO → 2N ₂ + 3H ₂ O

Todas las tecnologías discutidas funcionan. Todos agregan costos a la producción de energía (una depuradora agregará ~ 33% al costo de capital de una planta, así como a los costos de operación). La limpieza de carbón agrega 2-3 dólares por tonelada de carbón al costo del carbón. Y el hidrotratamiento del diesel y el gasóleo para calefacción suman 5-7¢/gal al costo de los combustibles. Y estos costos se pasan al consumidor.

Figura 3.12a: La unidad contendrá una bolsa de tela en su interior para capturar la materia particulada.

Crédito: America's Power vía flickr (el enlace es externo) CC BY 2.0

Figura 3.12b: Una cámara de bolsas opera de manera muy parecida a una bolsa dentro de una aspiradora.

Crédito: Por Albin Olsson (Obra propia) [GFDL o CC-BY-3.0], vía Wikimedia Commons

Figura 3.13: Esquema de un precipitador electrostático. El exterior de la unidad se parecerá mucho a la imagen de una bolsa (Figura 3.12a) pero funciona de manera muy diferente en su interior.

Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la Figura 3.13

Este es un esquema de un precipitador electrostático. Hay una cámara que está unida a una fuente de alimentación de alto voltaje, raperos en un lado y tolvas en el otro. Dentro de la cámara hay una serie de placas colectoras de metal. El gas de combustión cargado de partículas entra a través de un puerto, fluye a través de las placas de recolección de metal y el gas limpio sale y va a la chimenea.

Crédito: Powerspan Corp.

Crédito: power-eng.com