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 NO2 Estándar 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 anual 400 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? Elemento químico (nitrógeno) Reactivo (varias valencias “oxidadas”, 1+ a 5+) Forma diversas clases de óxidos En la naturaleza: N2 Molécula diatómica Relativamente 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 si Es golpeado por un fotón (UV o luz de longitud de onda corta) Es golpeado por suficientes fotones que juntos transfieren la suficiente cantidad de energía para cambiar el nivel de ionización Es catalizado Es estimulado por energía térmica (IR) Reacciona con un radical oxidante o reductor 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 N2O Producido por fuentes biogénicas, ej. plantas y levaduras Medianamente reactivo y analgésico Disminuye el O3 en la troposfera y estratosfera Alta 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? Principalmente 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? 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? Forma más ionizada de NOX Generado en aire a muy pequeña concentración, a menos que sea emitido por un proceso Altamente 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?

Emisiones - Chile

Emisiones - Chile

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 Thermal NOX Concentración de NOX termal es controlada por concentraciones molares de O y N y la temperatura de combustión Combustión a T < 1300 ºC genera menores concentraciones Fuel NOX Combustibles que contienen N generan NOX combustible que resulta de la oxidación del N 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 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 Eutroficación Disponibilidad excesivamente alta de nitratos 12 al 44% del N en agua proviene del aire Mortalidad NOX proveniente de la combustión puede matar a plantas y animales Los derivados pueden causar mutaciones biológicas

¿Cómo afecta en NOX al Medio Ambiente? Material Particulado 90% de PM2,5 esta constituido por sulfato/sulfito, nitratos y partículas orgánicas Deposición ácida Principalmente sulfatos y nitratos Lluvia 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