El principal parámetro para la estimación de costos en la metodología presentada en la Referencia , es la liberación potencial máxima de calor de la caldera o razón de suministro de calor
QB, expresada en British thermal units (unidades térmicas Inglesas) por hora (MMBtu/hr). Se obtiene de los high heating value - HHV (valores de calentamiento alto) del combustible en Btu por libra (Btu/lb) multiplicado por la razón máxima de consumo de combustible en libras por hora (lb/hr),
QB = H H V mfu el (1.3)
donde la Tabla 1.3 proporciona los HHV para varios carbones.
Tabla 1.3: Valores de Calentamiento Alto para Varios Carbones
Lignita 5000-7500
Sub-bituminoso 8000-10,000
Bituminoso 11,000 - 15,000
Antracita 14000
Si la caldera produce electricidad, entonces su suministro de calor puede estimarse utilizando la razón neta de calor en la planta de la caldera (boiler net plant heat rate), NPHR:
QB = BM W N P H R (1.4)
donde BMW es la capacidad nominal en megawatts de la caldera (MW) a capacidad total de carga. Nótese que si NPHR no es conocida (v.g., una unidad de cogeneración), puede usarse un valor de 9,500 Btu por kilowatt-hora (Btu/kWh) como una estimación razonable. Utilizando este valor, el suministro de calor, QB, es:
( )
( )
(
)
QB M M B tu .
h r = 9 5
M M B tu
M W h BM W M W (1.5)
Factor de Capacidad del Sistema
El total system capacity factor - CFtotal (factor total de capacidad del sistema) es una medida del promedio anual de utilización de la caldera en conjunto con el sistema SNCR. El
CFtotal está dado por:
C Fto ta l = C Fp la n t C FS N C R (1.6)
Para calderas industriales, el factor de capacidad de la caldera, CFplant, es la razón de la cantidad real de combustible quemado anualmente a la cantidad máxima potencial de combustible quemado anualmente, en libras. El CFplant está dado por:
C F a ctu a l m m a xim u m m p la n t fu el fu el = (1.7)
El SNCR puede ser operado todo el año o solamente durante las temporadas de ozono especificadas. El factor de capacidad para el sistema SNCR, CFSNCR, es la relación del número real de días de operación del SNCR tSNCR, al número total de días por año:
C FS N C R t S N C R =
3 6 5 d a ys (1.8)
NOx No Controlado y NOx de la Chimenea
El NOx, no controlado, representado como NOxin, es la concentración de NOx en el gas de combustión después de cualquier reducción proporcionada por los controles de la combustión, pero anterior al sistema SNCR. La concentración de NOx no controlado, obtenida al analizar la corriente de gas de combustión de la caldera, está generalmente en libras por MMBtu (lb/MMBtu) de NO2 [2].
El NOx, de la chimenea, representado como NOxout el límite de emisión de NOx requerido en la salida de la chimenea. Generalmente se fija por la planta o por límites regulatorios y también está dado en libras por MMBtu (lb/MMBtu) de NO2.
Eficiencia de Remoción de NOx
La eficiencia de remoción de NOx, representada como NOx, se determina del nivel de NOx no controlado de la caldera a máximo suministro de calor, CFplant = 1.0, y del límite requerido de emisión de la chimenea, utilizando la siguiente ecuación:
ηN O x x x x in o u t in N O N O N O = − (1.9)
Relación Estequiométrica Normalizada
La Normalized Stoichiometric Ratio - NSR (Relación Estequiométrica Normalizada) indica la cantidad real de reactivo necesario para alcanzar la meta de reducción de NOx. La cantidad real de reactivo es mayor que la cantidad teórica, debido a la cinética de la reacción (Véase la Sección 1.2.3 Parámetros de Desempeño). La NSR se define como:
N S R m o le s d e N H e q u iv a le n te in je c ta d o m o le s d e N O n o c o n tro la d o
3 x
= (1.10)
Para propósitos de estimación, las moles de NOx son equivalentes a las moles de NO2. Nótese que las moles de NH3 equivalentes en la Ecuación 9 son las moles de NH2 que serán liberadas del reactivo.
A S R m o le s d e re a c to r in y e c ta d o m o le s d e N O n o c o n tro la d ox
= (1.11)
La ASR puede también ser calculada de la NSR utilizando la siguiente ecuación:
A S R N S R S RT
= (1.12)
donde SRT es la relación de moles equivalentes de NH3 por mol de reactivo inyectado. De la fórmula química del amoníaco (NH3) y de la urea (CO(NH2)2), dadas en las ecuaciones (1) y (2),
SRT es 1 para el amoníaco y 2 para la urea.
La utilización del reactivo es la relación de moles de reactivo reaccionado a las moles inyectadas. Esto indica cuanto reactivo está reaccionando contra cuanto reactivo está pasando a través como escabullimiento de amoníaco. La utilización de reactivo puede calcularse de la NSR y de la eficiencia de reducción de NOx, como sigue:
U tiliza c io n
N S R
N Ox
= η (1.13)
La derivación de esta ecuación se presenta en la Referencia [1].
Los métodos para estimar NSR están considerados como patentados. Un procedimiento simplificado de estimación de la NSR fue desarrollado por Bechtel en el borrador del reporte de la
EPA, Selective Noncatalytic Reduction for NOx Control on Coal-fired Boilers (Reducción No
Catalítica Selectiva para el Control de NOx en Calderas a Carbón) [1]. Este procedimiento fue desarrollado utilizando regresión lineal y datos de NSR de las Referencias [2] y [3]. Los valores de
NSR derivados utilizando esta aproximación, no deben utilizarse para diseño de equipo o
propósitos de garantía.
La ecuación para la estimación de NSR es válida de 0 a 50 por ciento de reducción de NOx [1]. La ecuación utilizada para estimar la NSR para el reactivo urea es:
[
]
N S R N O N O x N Ox x in in = 2 + 0 7. η (1.14)Generalmente, el valor de NSR varía entre 0.5 y 2.0 en calderas industriales y de servicios con utilización variando entre 25 y 50 por ciento.
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
NOx No Controlado, lb /MMBtu
N SR Predich a 50% 45% 40% 35% 30% 25% Reducción de NOx 50% 45% 40% 35% 25% 30%
Figura 1.8: Estimación Aproximada de NSR para Urea
En un diseño desarrollado por un proveedor del sistema, la NSR sería ajustada para tomar en cuenta varios parámetros que no están incluidos en la ecuación de estimación de la NSR. Los siguientes parámetros son utilizados por el proveedor del sistema para predecir más exactamente la NSR para una caldera dada:
Rango de temperatura de reacción disponible dentro del supercalentador (sección radiante y convectiva) y del recalentador primario (sección o cavidad convectiva). Si la ventana de temperatura requerida, ocurre en la sección radiante de la caldera, la NSR disminuirá. Sin embargo, si la ventana de temperatura
ocurre en la sección convectiva, la NSR puede aumentar.
Tiempo de residencia disponible en el rango deseable de temperatura. La NSR requerida disminuye a medida que aumenta el tiempo de residencia disponible.
Grado de mezclado entre la sustancia química inyectada y los gases de combustión. La
NSR disminuye a medida que aumenta el grado de mezclado.
Escabullimiento de amoníaco vs reducción de NOx requerida. Mayores restricciones
en el escabullimiento de amoníaco requerirán de menores NSRs, limitando entonces la reducción de NOx alcanzable.
Estimación del Consumo de Reactivo y del Tamaño del Tanque
Una vez que la NSR es estimada, la razón de consumo de reactivo o razón de flujo masa de reactivo, expresada como libras por hora (lb/hr), puede calcularse utilizando:
m N O Q N S R M M S R x B N Ox rea g en t N O T in x reag en t = η (1.15)
donde Mreagent es el peso molecular del reactivo (60.06 gramos por mol para urea, 17.07 gramos por mol para amoníaco) y MNOx es el peso molecular del NO2 (46.01 gramos por mol). El peso molecular del NO2 es utilizado porque las emisiones de NOx, NOxin, están dadas en lb/MMBtu de NO2. Como se estableció previamente, SRT es la relación de moles equivalentes de NH3 por mol de reactivo (1 para amoníaco y 2 para urea).
Para urea o amoníaco, la razón de flujo masa de la solución acuosa de reactivo está dada por:
m m C so l rea g en t so l = (1.16)
donde Csol es la concentración de la solución acuosa del reactivo, en peso.
La razón de flujo volumétrico de la solución, generalmente expresada en galones por hora (gph), está dada por:
qso l m so l
=
50% urea y 56 lb/ft3 para 29% amoníaco.
El volumen total almacenado en el tanque, o tanques, está basado en el volumen que requiere el sistema SNCR para operar un número especificado de días. El volumen almacenado en el sitio por el número de días de operación, tstorage, es :
Vta n k = qso l tsto ra g e (1.18)
Nótese que el volumen del tanque está basado típicamente en la razón máxima de suministro de calor anual, de modo que el factor de capacidad no está incluido en la Ecuación (14). Un requerimiento común de almacenamiento en el sitio es por 14 días de operación de SNCR.
1.3.2 Parámetros de Diseño para Especificaciones Detalladas/De Desempeño