Tractament i reducció de NOx (òxids de nitrogen)

A Condorchem Envitech dissenyem i instal·lem sistemes per al tractament i reducció de NOx. El nostre equip compta amb una gran experiència en el desenvolupament de solucions i plantes per al tractament dels òxids de nitrogen. Les principals tecnologies per a la reducció de NOx són les següents:

• Absorció mitjançant reacció química
• Reducció mitjançant reacció selectiva no catalítica (SNCR)
• Reducció mitjançant reacció química catalítica selectiva (SCR)

D’altra banda, hem desenvolupat un sistema patentat, denominat DeNOx^®, que ha demostrat gran eficiència en el tractament i reducció de NOX.

El procés DeNOx^® emula els mecanismes naturals d’auto-depuració de la pròpia atmosfera, mitjançant una combinació controlada de les emissions d’òxids de nitrogen amb vapor d’aigua, ozó i radiació ultraviolada. Aquest procés, d’una simplicitat elegant que garanteix una elevada efectivitat en el tractament dels NOx, aplega una elevada eficiència i un funcionament robust i fiable.

Els avantatges principals del procés DeNOx^® enfront de les alternatives convencionals són:

• Rendiment d’eliminació de NO_X superior al 99%
• Valorizació dels residus en matèria primera reutilitzable en el procés d’acumulació de l’energia termosolar
• No generació de residus químics
• Absència de compostos perillosos en les emissions a l’atmosfera
• Rèplica del mecanisme natural atmosfèric d’auto-regeneració
• Funcionament senzill i fiable
• Procés completament automatitzat i de funcionament robust

Originalment, el procés DeNOx^® va ser desenvolupat i patentat (DeNOx^®) per al tractament de les emissions de NOx produïdes a les plantes termosolars de generació d’energia, convertint els NOx en productes que tornen a ser reutilitzats en el propi procés de la planta termosolar.

En una planta termosolar la llum solar es concentra mitjançant miralls en un receptor que arriba a temperatures de fins a 1.000 ºC. Aquesta calor s’utilitza per escalfar un fluid i generar vapor, que mou una turbina i produeix l’electricitat. Tot i que les primeres centrals només podien operar durant les hores d’irradació solar, avui dia és possible emmagatzemar la calor per produir a la nit.

L’energia obtinguda de la irradiació solar s’emmagatzema en unes sals, una barreja de nitrats sòdics i nitrats potàssics, les quals posseeixen un adequat punt de fusió. Es troben en estat líquid, per al qual és necessària una temperatura de 280 ºC. Les sals líquides s’escalfen fins a arribar a una temperatura de 565 ºC a la qual són emmagatzemades. La innovació rau en el fet que la generació d’electricitat depèn del nivell de sals calentes emmagatzemades i no de la radiació solar. Per produir electricitat, s’utilitzen les sals calentes per fer bullir aigua en un intercanviador de calor i produir vapor a 540 ºC i 100 bars. El vapor permet mitjançant una turbina produir electricitat en funció de la demanda existent en temps real.

Els òxids de nitrogen contribueixen a la contaminació atmosfèrica de manera molt substancial, tot i que no són els únics contaminants. Els òxids de nitrogen principalment són dos gasos de nitrogen diferents: òxid nítric (NO) i diòxid de nitrogen (NO₂). El terme NO_X fa referència a la combinació dels gasos a causa de les facilitats d'interconversió mútua que presenten en presència d'oxigen. Aquests dos gasos no són els únics, formalment el terme general dels òxids de nitrogen, engloba els següents compostos: NO, NO₂, N₂O₂, N₂O₄, N₂O, N₂O₃, N₂O₅ i NO₃, sent aquest últim inestable.

S'estima que el 25% de les emissions de NO_X a l'atmosfera es deuen a les indústries, sent els processos industrials que generen NO_X en major quantitat els dedicats a la producció d'energia, a la combustió de carbó, petroli o gas natural i els processos de galvanoplàstia i gravat de metalls. El NO i el NO₂ es formen en els processos en què, en presència de nitrogen i oxigen de l'aire, s'assoleixen temperatures superiors a les 1200 ºC.

Tots els òxids de nitrogen tenen en comú que són gasos contaminants i les seves emissions tenen un impacte substancial sobre el medi ambient. Els principals efectes que produeixen són:

• La destrucció de l'ozó estratosfèric
• Contribució a l'efecte hivernacle
• La producció de pluja àcida
• La generació de Smog fotoquímic

Això provoca que sigui totalment necessari, en primer terme, minimitzar la seva producció. I, posteriorment, eliminar els òxids de nitrogen que la seva generació no s'ha pogut evitar. L'objectiu de minimitzar la seva generació pot ser assolit seguint tres estratègies diferents:

• Reduint la temperatura d'operació
• Reduint el temps de residència dels gasos, especialment el nitrogen, a la zona de combustió, on existeixen altes temperatures.
• Disminuint la relació oxigen-combustible. En reduir l'excés d'oxigen, es disminueix considerablement la generació de NO_X.

No obstant això, és impossible evitar completament la generació d'òxids de nitrogen i per complir amb la normativa, que cada cop és més exigent, s'han d'utilitzar tècniques que permetin eliminar els NO_X generats. Les tècniques més utilitzades per a aquest propòsit són:

Absorció mitjançant reacció química

Aquesta tècnica consisteix en l'absorció dels NO_X mitjançant una reacció química en fase líquida utilitzant, generalment, àcid sulfúric. Aquest reacciona amb els òxids de nitrogen i forma l'espècie HSO₄NO (àcid nitrosilsulfúric), la qual roman en la fase líquida. En condicions d'alta pressió (2 atm) i baixa temperatura (35 ºC) els NO_X queden absorbits en la fase líquida. En canvi, es pot revertir el procés a alta temperatura (180ºC) i baixa pressió (0,5 atm); en aquestes condicions, es separa la molècula nitrogenada (ara àcid nítric per la presència de l'aigua) de l'àcid sulfúric, el qual es pot reutilitzar.

Aquest procés presenta el desavantatge que s'han de manipular reactius químics corrosius i perillosos alhora que es requereix espai físic per allotjar el procés. Les eficàcies aconseguides no són elevades, per la qual cosa la tècnica és recomanable per a baixes càrregues de NO_X.

Reducció mitjançant reacció selectiva no catalítica (SNCR)

Aquesta tècnica permet la reducció d'emissions d'òxids de nitrogen mitjançant la seva conversió en nitrogen gas via una reacció química no catalítica. Per dur a terme aquesta conversió, sense la presència de cap catalitzador, és necessari pujar la temperatura dins del rang 850-1100 ºC. La temperatura d'operació depèn directament de l'agent reductor que s'utilitzi, sent els més utilitzats amoníac o urea.

Aquesta tècnica s'utilitza sovint en petites calderes industrials, ja que en instal·lacions de major mida s'enlairen els costos de treballar en aquest rang de temperatures. L'equip de SNCR no requereix un gran espai i és de fàcil instal·lació i operació. No obstant això, l'eficiència de reducció que s'assoleix és moderada, fet que fa que sigui una tècnica vàlida per a aquells casos en què les emissions d'òxids de nitrogen siguin baixes.

Reducció mitjançant reacció química catalítica selectiva (SCR)

Aquesta tècnica es basa en un procés catalític en què es redueixen de forma selectiva els òxids de nitrogen en presència d'un catalitzador mentre que l'agent reductor (amoníac o urea) s'oxida a nitrogen gas. El fet que la reacció es dugui a terme sobre la superfície del catalitzador fa possible que la temperatura necessària estigui compresa en el rang 250-450 ºC. La temperatura d'operació acabarà depenent de diversos factors, sent el catalitzador utilitzat un dels paràmetres clau.

L'agent reductor, a la pràctica, pot ser una dissolució aquosa d'amoníac, amoníac liquat o bé una dissolució aquosa d'urea. De totes elles, la utilització d'amoníac liquat és l'opció més econòmica, fet que es tradueix en uns costos d'operació inferiors. Però per una altra banda, la manipulació d'amoníac liquat és molt més complexa, a causa de les seves característiques, que la d'una solució aquosa d'amoníac o d'urea. L'ús, emmagatzematge i transport d'amoníac liquat està subjecte a la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso II) i ha de ser utilitzat seguint un estricte protocol de seguretat, a causa del risc que suposa el fet de ser molt corrosiu i explosiu en presència d'oxigen.

A nivell d'operació, com més gran sigui la relació NH₃/NO_X alimentada, major serà l'eficiència aconseguida. No obstant això, també augmentarà la quantitat d'amoníac que no ha reaccionat i que es desaprofita en el corrent de gasos. Aquesta pèrdua d'amoníac sense reaccionar ha de ser minimitzada, ja que aquest reacciona en presència d'aigua amb el SO₃, per produir bisulfit d'amoni (NH₄HSO₄), el qual és corrosiu i produeix l'embrutiment de les instal·lacions. La clau d'una operació òptima és l'alimentació d'amoníac en tal mesura que s'aconsegueixi un bon rendiment alhora que es minimitza la quantitat d'amoníac no reaccionat.

L'elecció del catalitzador és determinant en el procés, ja que influeix en paràmetres clau com són la temperatura d'operació i l'extensió de la reacció. Existeixen quatre materials diferents utilitzats com a catalitzadors:

• Òxids metàl·lics (de vanadi, tungstè, molibdè o crom) sobre base de diòxid de titani (TiO2)
• Zeolites
• Òxids de ferro embolcallats per una fina capa de fosfat de ferro
• Carbó actiu

L'elecció del catalitzador també condiciona directament els costos d'operació, ja que no tots tenen les mateixes propietats, cost i vida útil.

Les principals avantatges de la tecnologia SCR es basen en el rendiment d'eliminació de NO_X, que és molt elevat, a més que es transformen els NO_X en nitrogen gas sense produir cap subproducte ni residu.

A la taula es resumeixen les principals diferències entre les tècniques descrites per a l'eliminació dels NO_X.

Així doncs, l'emissió d'òxids de nitrogen ha de ser controlada en estar estrictament regulada per la normativa vigent. El primer pas per al seu control és la minimització de la producció d'aquests gasos. La producció que no es pugui prevenir, haurà de ser correctament tractada abans de alliberar la resta de gasos a l'atmosfera. Per a l'eliminació dels NO_X la tècnica més eficient és la reducció mitjançant reacció química catalítica selectiva (SCR).

Els NO_X es generen, a nivell industrial, en aquells processos en què es cremen combustibles fòssils. Així doncs, aquestes tecnologies poden ser aplicades en un gran nombre d’instal·lacions industrials en què mitjançant un procés de combustió alimentat per combustibles fòssils es genera energia tèrmica. Finalment, el procés DeNOx^® és una alternativa molt novedosa i competitiva per al tractament de les emissions de NO_X a les plantes termosolars.