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TRATAMIENTO DE GASES IMQ - 310
ÓXIDOS DE NITRÓGENO
¿Por qué debemos controlar el NOX?
Óxidos de Nitrógeno NOX
Familia de 7 compuestos
Actualmente, CONAMA (y US-EPA) regula solo NO2
Forma antropogénica más frecuente de NOX en la atmósfera
NO2 también reacciona en la atmósfera para formar O3 y lluvia ácida
Desea reducir O3 en troposfera (aire que respiramos)
¿Por qué debemos controlar el NOX?
EPA ha establecido NAAQS para NO2Estándar primario y secundario: 0,053 ppm = 100
µg/m3 , concentración media aritmética anual
Chile también ha establecido norma para NO2
100 µg/m3, media aritmética anual400 µg/m3, media aritmética horaria
O3 ha sido y continua siendo un problema significativo de contaminación en Santiago
¿Por qué debemos controlar el NOX?
NO2 reacciona en presencia de aire y UV para formar O3 y NO
NO reacciona con radicales libres en la atmósfera, que son creados por acción de UV y COV
Los radicales libres reciclan el NO a NO2
Cada molécula de NO puede producir O3 varias veces
Esto ocurre hasta que el VOC es reducido a cadenas cortas, cesando su foto-reactividad (5 veces)
¿Por qué debemos controlar el NOX?
Además NOX y SOX son capturados por la lluvia para formar lluvia ácida
Lluvia ácida afecta seriamente a ecosistemas y directamente a algunos segmentos de nuestra economía
Para reducir con éxito dichas emisiones debemos entender la generación y control de la familia NOX
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
NElemento químico (nitrógeno)Reactivo (varias valencias “oxidadas”, 1+ a 5+)Forma diversas clases de óxidos
• En la naturaleza: N2
Molécula diatómicaRelativamente inerte (excepto a temperaturas altas)80% aire que respiramos
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
N cambia su nivel de ionización si1. Es golpeado por un fotón (UV o luz de longitud de
onda corta)2. Es golpeado por suficientes fotones que juntos
transfieren la suficiente cantidad de energía para cambiar el nivel de ionización
3. Es catalizado4. Es estimulado por energía térmica (IR)5. Reacciona con un radical oxidante o reductor6. Reacciona con un ion oxidante o reductor
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
Cualquiera de estos óxidos se absorbe en agua HNO3 o HNO2
HNO3 forma sales de nitrato cuando es neutralizado, HNO2 forma sales de nitrito
NOX (y sus derivados) existen y reaccionan como gases en el aire, como ácidos en las gotas de agua o como sal
Gases, gases ácidos y sales contribuyen a la contaminación observados y atribuidos a la lluvia ácida
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
N2O, NO y NO2 son las formas más abundantes de NOX en el aire
N2OProducido por fuentes biogénicas, ej. plantas y levadurasMedianamente reactivo y analgésicoDisminuye el O3 en la troposfera y estratosferaAlta vida media (100 a 150 años)Oxidación con O3 puede ocurrir a cualquier T, generando O2, NO o N2O2
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
NOPrincipalmente emisión desde combustión
Se genera al límite del oxígeno disponible (200.000 ppm) en aire a temperaturas > 1300ºC (ecuaciones de Zeldovich)
T<760ºC se genera en menores concentraciones o simplemente no se genera
En combustión, es generado como función de la razón aire/combustible
Es principalmente antropogénico
< 10 % de las emisiones totales son biogénicas
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
NO2
Presente en atmósfera y lluvia ácida
En agua HNO3
Reacciona con un fotón para hacer que el O2 se convierta en O3, NO2 se convierte en NO. Este NO es luego oxidado a NO2 por radicales desde foto-reacciones de COV
N2O3 y N2O4
Existen en muy pequeñas concentraciones (su presencia y efectos son a menudo ignorados)
N2O4 son dos moléculas unidas de NO2 por lo que puede enmascararlo
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
N2O5
Forma más ionizada de NOX
Generado en aire a muy pequeña concentración, a menos que sea emitido por un procesoAltamente reactivo
Forma HNO3 en agua
Para propósitos ambientales, NO2 es un buen indicador de NOX
NO es rápidamente convertido en NO2
NO2 larga vida y no muy reactivo (excepto con UV y COV!)
¿Qué son los óxidos de nitrógeno?
Emisiones de NOx
¿De donde provienen los NOX?
¿De donde provienen los NOX?
Emisiones (EEUU, 1999) 60 % Automóviles y otras fuentes móviles 20 % Termoeléctricas 15 % Procesos industriales (calderas etc) 5 % Otros
Emisiones (Chile, Santiago, 1997) 70,6 % Automóviles 12,5 % Calderas 12,3 % Procesos Industriales 3,5 % Combustión Residencial 1,1 % Otros
Emisiones – USA - 2006
Emisiones - USA
Emisiones – Japón (1999)
¿De donde provienen los NOX?
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Iquique Viña Rancagua Concenpción Temuco Santiago
Ciudad
NO
x [
Ton
/Añ
o]
Fuentes Móviles
Fuentes Fijas
Total
Emisiones - Chile
Emisiones - Chile
0 6,0002,000 4,000
Meters
NOx
7500
37501875
NOx for bus [KT/year]NOx for other [KT/year]
1
23
4
5
6 7
8
9
0 6,0002,000 4,000
Meters
NOx
7500
37501875
NOx for bus [KT/year]NOx for other [KT/year]
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9
Emisiones de fuentes estacionarios Concentraciones en el gas de escape
•Source ppm• Normal industrial fired equip. 100-200• Utility boilers 400• High-temperature processes
(cement kilns) 250-1,100• With pre-heated air 1,000-3,500• Low NOx burners <50• Ultra-low NOx burners <10
¿De donde provienen los NOX?
En combustiones existen 3 oportunidades de formación
1. Thermal NOX
Concentración de NOX termal es controlada por concentraciones molares de O y N y la temperatura de combustiónCombustión a T < 1300 ºC genera menores concentraciones
2. Fuel NOX
Combustibles que contienen N generan NOX combustible que resulta de la oxidación del N
3. Prompt NOX
Formado desde el N molecular en el aire cuando existen condiciones ricas en combustible
Thermal NOx
N2 + O2 = 2 NO
Equilibrio
Equilibrio
Equilibrio
• En la llama (> 3000 F):• NOx : 10000 ppm
• NO/NO2 : 500 - 1000
• En el gas de escape: (300 – 600 F)• NOx : < 1 ppm
• NO/NO2 : 0.001 – 0.1
Equilibrio
En la realidad:
• En la llama (> 3000 F):• NOx : 2000 ppm
• NO/NO2 : 500 - 1000
• En el gas de escape: (300 – 600 F)• NOx : < 300-1200 ppm
• NO/NO2 : 10 - 20
Cinética
T
T
ek
ek425
71
383708
1
108,3
108,1
T
T
ek
ek20820
32
46804
2
108,3
108,1
T
T
ek
ek24560
81
4507
3
107,1
101,7
1)
2)
3)
Fuel Nox
• Típicamente 20-30 % del N en el combustible se convierte a NOx
• El resto queda como N2
Fuel NOx
Prompt NOx
Contribución de los 3 mecanismos para la formación de NOX en la combustión de carbón
¿Cómo afecta en NOX al Medio Ambiente?
Generación de Smog O3 es el principal constituyente del Smog
EutroficaciónDisponibilidad excesivamente alta de nitratos12 al 44% del N en agua proviene del aire
MortalidadNOX proveniente de la combustión puede matar a plantas y
animalesLos derivados pueden causar mutaciones biológicas
¿Cómo afecta en NOX al Medio Ambiente?
Material Particulado90% de PM2,5 esta constituido por sulfato/sulfito,
nitratos y partículas orgánicas
Deposición ácidaPrincipalmente sulfatos y nitratosLluvia o nieve (Wet deposition)Nubes o niebla (Cloud deposition)Transferencia de gases o partículas (Dry deposition)
¿Qué principios de abatimiento y control aplicar?
Las tecnologías de abatimiento y control son un problema relativamente complejo
Antes de analizar el espectro de tecnologías es necesario revisar los principios que estas utilizan
¿Qué tecnologías están disponibles?
Por lo general existen dos tipos de tecnologías para el abatimiento de NOX
Aplicaciones externas a combustión
Aplicaciones internas a combustión
Estas tecnologías pueden a su vez ser divididas dependiendo del tipo de prevención
Reducción de la generación de NOX
Reducción de la emisión de NOX