Tratamiento y reducción de NOx (óxidos de nitrógeno)

En Condorchem Envitech diseñamos e instalamos sistemas para el tratamiento y reducción de NOx. Nuestro equipo cuenta con una gran experiencia en el desarrollo de soluciones y plantas para el tratamiento de los óxidos de nitrógeno. Las principales tecnologías para la reducción de NOx son las siguientes:

• Absorción mediante reacción química
• Reducción mediante reacción selectiva no catalítica (SNCR)
• Reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR)

Por otra parte, hemos desarrollado un sistema patentado, denoniado DeNOx^®, que ha demostrado gran eficiencia en el tratamiento y reducción de NOX.

El proceso DeNOx^® emula los mecanismos naturales de auto-depuración de la propia atmósfera, mediante una combinación controlada de las emisiones de óxidos de nitrógeno con vapor de agua, ozono y radiación ultravioleta. Este proceso, de una simplicidad elegante que garantiza una elevada efectividad en el tratamiento de los NOx, aúna una elevada eficiencia y un funcionamiento robusto y fiable.

Las ventajas principales del proceso DeNOx^® frente a las alternativas convencionales son:

• Rendimiento de eliminación de NO_X superior al 99%
• Valorización de los residuos en materia prima reutilizable en el proceso de acumulación de la energía termosolar
• No generación de residuos químicos
• Ausencia de compuestos peligrosos en las emisiones a la atmósfera
• Réplica del mecanismo natural atmosférico de auto-regeneración
• Funcionamiento sencillo y fiable
• Proceso completamente automatizado y de funcionamiento robusto

Originalmente, el proceso DeNOx^® fue desarrolladado y patentado (DeNOx^®) para el tratamiento de las emisiones de NOx producidas en las plantas termosolares de generación de energía, convirtiendo los NOx en productos que vuelven a ser reutilizados en el propio proceso de la planta termosolar.

En una planta termosolar la luz solar se concentra mediante espejos en un receptor que alcanza temperaturas de hasta 1.000 ºC. Este calor se usa para calentar un fluido y generar vapor, que mueve una turbina y produce la electricidad. Aunque las primeras centrales sólo podían operar durante las horas de irradiación solar, hoy en día es posible almacenar el calor para producir de noche.

La energía obtenida de la irradiación solar se almacena en unas sales, una mezcla de nitrato sódico y nitrato potásico, las cuales poseen un adecuado punto de fusión. Se encuentran en estado líquido, para lo cual es necesaria una temperatura de 280 ºC. Las sales líquidas se calientan hasta llegar a una temperatura de 565 ºC a la que son almacenadas. La innovación radica en el hecho de que la generación de electricidad depende del nivel de sales calientes almacenadas y no de la radiación solar. Para producir electricidad, se utilizan las sales calientes para hacer hervir agua en un intercambiador de calor y producir vapor a 540 ºC y 100 bares. El vapor permite mediante una turbina producir electricidad en función de la demanda existente en tiempo real.

Los óxidos de nitrógeno contribuyen a la contaminación atmosférica de forma muy sustancial, aunque no son los únicos contaminantes. Los óxidos de nitrógeno principalmente son dos gases de nitrógeno diferentes: óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO₂). El término NO_X hace referencia a la combinación de los gases debido a las facilidades de interconversión mutua que presentan en presencia de oxígeno. Estos dos gases no son los únicos, formalmente el término general de los óxidos de nitrógeno, engloba los siguientes compuestos: NO, NO₂, N₂O₂, N₂O₄, N₂O, N₂O₃, N₂O₅ y NO₃, siendo este último inestable.

Se estima que el 25% de las emisiones de NO_X a la atmósfera se deben a las industrias, siendo los procesos industriales que generan NO_X en mayor cantidad los dedicados a la producción de energía, a la combustión de carbón, petróleo o gas natural y los procesos de galvanoplastia y grabado de metales. El NO y el NO₂ se forman en los procesos en los que, en presencia de nitrógeno y oxígeno del aire, se alcanzan temperaturas superiores a les 1200 ºC.

Todos los óxidos de nitrógeno tienen en común que son gases contaminantes y sus emisiones tienen un impacto sustancial sobre el medio ambiente. Los principales efectos que producen son:

• La destrucción del ozono estratosférico
• Contribución al efecto invernadero
• La producción de lluvia ácida
• La generación de Smog fotoquímico

Esto provoca que sea totalmente necesario, en primer término, minimizar su producción. Y, posteriormente, eliminar los óxidos de nitrógeno que su generación no se ha podido evitar. El objetivo de minimizar su generación puede ser alcanzado siguiendo tres estrategias diferentes:

• Reduciendo la temperatura de operación
• Reduciendo el tiempo de residencia de los gases, especialmente el nitrógeno, en la zona de combustión, donde existen elevadas temperaturas.
• Disminuyendo la relación oxígeno-combustible. Al reducir el exceso de oxígeno, se disminuye considerablemente la generación de NO_X.

No obstante, es imposible evitar completamente la generación de óxidos de nitrógeno y para cumplir con la normativa, que cada vez es más exigente, se deben utilizar técnicas que permitan eliminar los NO_X generados. Las técnicas más utilizadas para este propósito son:

Absorción mediante reacción química

Esta técnica consiste en la absorción de los NO_X mediante una reacción química en fase líquida utilizando, generalmente, ácido sulfúrico. Éste reacciona con los óxidos de nitrógeno y forma la especie HSO₄NO (ácido nitrosilsulfúrico), la cual permanece en la fase líquida. En condiciones de elevada presión (2 atm) y baja temperatura (35 ºC) los NO_X quedan absorbidos en la fase líquida. En cambio, se puede revertir el proceso a elevada temperatura (180ºC) y baja presión (0,5 atm); en estas condiciones, se separa la molécula nitrogenada (ahora ácido nítrico por la presencia del agua) del ácido sulfúrico, el cual se puede reutilizar.

Este proceso presenta la desventaja de que se deben manipular reactivos químicos corrosivos y peligrosos a la vez que se requiere espacio físico para albergar el proceso. Las eficacias conseguidas no son elevadas, por lo que la técnica es recomendable para bajas cargas de NO_X.

Reducción mediante reacción selectiva no catalítica (SNCR)

Esta técnica permite la reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno mediante su conversión en nitrógeno gas vía una reacción química no catalítica. Para llevar a cabo esta conversión, sin la presencia de ningún catalizador, es necesario subir la temperatura dentro del rango 850-1100 ºC. La temperatura de operación depende directamente del agente reductor que se utilice, siendo los más utilizados amoníaco o urea.

Esta técnica se suele utilizar en pequeñas calderas industriales, ya que en instalaciones de mayor tamaño se disparan los costes de trabajar en este rango de temperaturas. El equipo de SNCR no requiere un gran espacio y es de fácil instalación y operación. No obstante, la eficiencia de reducción que se alcanza es moderada, hecho que hace que sea una técnica válida para aquellos casos en que las emisiones de óxidos de nitrógeno sean bajas.

Reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR)

Esta técnica se basa en un proceso catalítico en el que se reducen de forma selectiva los óxidos de nitrógeno en presencia de un catalizador mientras que el agente reductor (amoníaco o urea) se oxida a nitrógeno gas. El hecho de que la reacción se lleve a cabo sobre la superficie del catalizador hace posible que la temperatura necesaria esté comprendida en el rango 250-450 ºC. La temperatura de operación acabará dependiendo de varios factores, siendo el catalizador utilizado uno de los parámetros claves.

El agente reductor, a la práctica, puede ser una disolución acuosa de amoníaco, amoníaco licuado o bien una disolución acuosa de urea. De todas ellas, la utilización de amoníaco licuado es la opción más económica, hecho que se traduce en unos costes de operación inferiores. Pero por otra banda, la manipulación de amoníaco licuado es mucho más compleja, debido a sus características, que el de una solución acuosa de amoníaco o de urea. El uso, almacenamiento y transporte de amoníaco licuado está sujeto a la Directiva 96/82/CE (Directiva Seveso II) y debe ser utilizado siguiendo un estricto protocolo de seguridad, debido al riesgo que supone el hecho de ser muy corrosivo y explosivo en presencia de oxígeno.

A nivel de operación, como mayor sea la relación NH₃/NO_X alimentada, mayor será la eficiencia conseguida. No obstante, también aumentará la cantidad de amoníaco que no ha reaccionado y que se desaprovecha en la corriente de gases. Esta pérdida de amoníaco sin reaccionar debe ser minimizada, ya que éste reacciona en presencia de agua con el SO₃, para producir bisulfato de amonio (NH₄HSO₄), el cual es corrosivo y produce el ensuciamiento de las instalaciones. La clave de una operación óptima es la alimentación de amoníaco en tal mesura que se consiga un buen rendimiento a la vez que se minimiza la cantidad de amoníaco no reaccionado.

La elección del catalizador es determinante en el proceso, ya que influye en parámetros claves como son la temperatura de operación y la extensión de la reacción. Existen cuatro materiales diferentes utilizados como catalizadores:

• Óxidos metálicos (de vanadio, tungsteno, molibdeno o cromo) sobre base de dióxido de titanio (TiO2)
• Zeolitas
• Óxidos de hierro envueltos por una fina capa de fosfato de hierro
• Carbono activo

La elección del catalizador también condiciona directamente los costes de operación, ya que no todos tienen las mismas propiedades, coste y vida útil.

Las principales ventajas de la tecnología SCR se basan en el rendimiento de eliminación de NO_X, que es muy elevado, además de que se transforman los NO_X en nitrógeno gas sin producir ningún subproducto ni residuo.

En la tabla se resumen las principales diferencias entre las técnicas descritas para la eliminación de los NO_X.

Así pues, la emisión de óxidos de nitrógeno debe ser controlada al estar estrictamente regulada por la normativa vigente. El primer paso para su control es la minimización de la producción de estos gases. La producción que no se pueda prevenir, deberá ser correctamente tratada antes de liberar el resto de gases a la atmósfera. Para la eliminación de los NO_X la técnica más eficiente es la reducción mediante reacción química catalítica selectiva (SCR).

Los NO_X se generan, a nivel industrial, en aquellos procesos en los que se queman combustibles fósiles. Así pues, estas tecnologías pueden ser aplicadas en un gran número de instalaciones industriales en los que mediante un proceso de combustión alimentado por combustibles fósiles se genera energía térmica. Finalmente, el proceso DeNOx^® es una alternativa muy novedosa y competitiva para el tratamiento de las emisiones de NO_X en las plantas termosolares.