Reducción de las emisiones de la CHP

REDUCCIÓN DE LOS ÓXIDOS DE NITRÓGENO MEDIANTE CATALIZADOR SCR

Con la ayuda de la tecnología de reducción catalítica selectiva (SCR), utilizada en las plantas de CHP durante décadas, los óxidos de nitrógeno pueden reducirse de forma fiable a niveles inferiores a 100 mg/mn3. Una solución acuosa de urea (llamada AdBlue en la industria del automóvil) se inyecta en los gases de escape después del motor y antes del convertidor catalítico. Los mezcladores crean una distribución uniforme de la urea en los gases de escape. La termólisis y la hidrólisis en los gases de escape producen amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO2) a partir de la solución acuosa de urea. El amoníaco, a su vez, provoca una reducción de NOx en el catalizador, de modo que se forman gas nitrógeno y agua.

Dependiendo de las dimensiones del catalizador y de la cantidad de urea inyectada, las emisiones de NOx pueden reducirse hasta un 95 %. La cantidad de solución de urea que hay que inyectar depende del nivel de NOx en los gases de escape. En un convertidor catalítico SCR controlado (Figura 2), se mide el contenido de NOx en los gases de escape y se ajusta la dosis de urea mediante la bomba dosificadora. Dado que los motores fabricados por Caterpillar Energy Solutions GmbH están equipados con un control de temperatura de la cámara de combustión que regula los NOx a un valor constante, estos motores a gas pueden equiparse con un catalizador SCR controlado. Esto elimina la medición de las emisiones. Dado que la cantidad de NOx en los gases de escape depende de la potencia momentánea del motor, la cantidad de urea inyectada se regula en función de esta. Este diseño es más sencillo y menos costoso y también logra la reducción de emisiones requerida. Para una mejor distribución de la urea, se sopla aire al mismo tiempo que se inyecta la urea. Después de apagar el catalizador SCR, el apagado del aire se retrasa lo suficiente como para limpiar la boquilla de residuos de urea. Esto evita que la boquilla se obstruya con el tiempo.

La reducción del formaldehído también se consigue con un sistema SCR, aunque los mecanismos de acción aún no se han investigado lo suficiente. La Asociación de Investigación de Motores de Combustión (FVV) ha puesto en marcha un proyecto de investigación sobre esta cuestión. La tecnología SCR puede utilizarse sin problemas con combustibles como el gas natural de gasoducto, el biogás, el gas de aguas servidas y el gas de mina de carbón. En los invernaderos de los Países Bajos, esta tecnología forma parte del sistema del motor y permite soplar los gases de escape limpios en los invernaderos para fertilizarlos con CO2. Se ha demostrado que un valor límite de 100 mg/mn3, como se espera que incluya la 44ª BImSchV, es seguro para estas aplicaciones. Además, la tecnología SCR ofrece la posibilidad de hacer funcionar los motores con una mezcla de aire y combustible más rica y, por tanto, con una mayor eficiencia, lo que compensa con creces el costo de la urea.

Al mismo tiempo, las emisiones brutas del motor de formaldehído y THC, que consiste esencialmente en metano, se reducen hasta un 20 por ciento, dependiendo del tamaño del motor. La tecnología también supone una ventaja en cuanto al desgaste de los componentes, incluidas las bujías y las válvulas. Por lo tanto, puede decirse que la tecnología SCR para motores a gas ha madurado y puede contribuir a la protección del medio ambiente, al tiempo que permite un funcionamiento económico de la planta. Aunque en el primer paso el BImSchV para los NOx especifica 250 mg/mn3 como límite, de forma análoga a la MCPD, la tecnología SCR debe utilizarse para alcanzar este límite, ya que, de lo contrario, los valores de THC aumentan considerablemente (Figura 3).

MODIFICACIÓN DE LA TECNOLOGÍA SCR PARA LOS SISTEMAS EXISTENTES

Hasta ahora, los nuevos valores límite del TA-Luft se transferían a las plantas existentes tras un periodo transitorio, como también prevén la MCPD europea y la nueva BImSchV. Se ha expresado la preocupación de que la adaptación de los convertidores catalíticos SCR no sea posible solo por razones de espacio. Las plantas de CHP instaladas en Alemania con más de 1 MW de potencia térmica nominal se diseñan individualmente según los deseos del cliente, por lo que no existen soluciones estándar para la modificación. Por lo tanto, se requiere asistencia de ingeniería. Se deben analizar las condiciones locales, y se tienen que diseñar los sistemas adecuados en consecuencia. En la mayoría de los casos, esto es factible.

Por ejemplo, Caterpillar Energy Solutions GmbH reequipó un sistema SCR en una instalación de CHP de una planta de tratamiento de aguas residuales existente con una potencia eléctrica de 1 MWe. En este caso, la tarea consistía en reducir las emisiones de gases de escape sin afectar negativamente a las demás propiedades de la instalación de CHP, especialmente en lo que respecta a las emisiones sonoras. El sistema CHP se construyó en un contenedor similar al que se muestra en la Figura 4, con espacio limitado. Para hacer espacio, se retiró del techo del contenedor la combinación de silenciadores, que consta de una parte de reflexión y otra de absorción. Aunque el catalizador SCR también tiene un efecto de aislamiento acústico en las frecuencias más altas, no puede compensar por sí mismo el efecto de la combinación de silenciadores remotos. Por lo tanto, se diseñó un nuevo atenuador de reflexión utilizando el espacio libre del techo del contenedor, de modo que se mantuvo la reducción sonora original. La Figura 5 muestra la comparación de los valores sonoros antes y después de la conversión. Los espectros sonoros son idénticos dentro de la gama de precisión de las mediciones.

El catalizador SCR de la planta también alcanza los límites de emisión de gases de escape previstos en la nueva normativa. La cantidad de urea se ajustó para que las emisiones de NOx fueran inferiores a 100 mg/mn3. A continuación, se ajustó el valor de CO a 100 mg/mn3 y el de formaldehído a 20 mg/mn3, lo que supone una reducción de las emisiones de NOx a 80 (Figura 6). El sistema completo ha estado en uso durante varios miles de horas con una variación extremadamente baja de las emisiones. Hay que tener en cuenta que la contaminación por siloxano de los gases de aguas servidas afecta al envejecimiento del catalizador SCR. Aunque el tratamiento con carbono activado reduce sustancialmente los siloxanos en la corriente de gas, siguen existiendo cantidades muy pequeñas en el gas combustible.

REDUCCIÓN DE FORMALDEHÍDO Y DE MONÓXIDO DE CARBONO MEDIANTE UN CATALIZADOR DE OXIDACIÓN

El formaldehído es otra de las emisiones que los ingenieros han conseguido reducir con mucho éxito. De acuerdo con la directriz CLP de la UE (Reglamento UE No. 1272/2008), el formaldehído fue clasificado como cancerígeno, por lo que los valores límite para ese contaminante se redujeron respecto a los niveles establecidos en 2016, basándose en la recomendación de la LAI (Asociación Federal/Länder para el Control de la Contaminación) y adoptada en el nuevo BImSchV.

El formaldehído se forma como producto intermedio durante la combustión del metano. Aunque la mayor parte del formaldehído se quema finalmente, una parte puede persistir en los espacios muertos de la cámara de combustión del motor, en particular debido a las temperaturas relativamente bajas de la pared del cilindro. Con mejoras en el diseño de la cámara de combustión, estos espacios muertos pueden reducirse significativamente, generando a su vez menores emisiones de formaldehído. Al mismo tiempo, los catalizadores de oxidación se han seguido desarrollando para mejorar su tasa de conversión de formaldehído y su vida útil. Se ha optimizado el sistema global, el motor y el convertidor catalítico para que el límite de emisión de formaldehído previsto de 20 mg/mn3 pueda mantenerse de forma confiable durante el funcionamiento. En combinación con la tecnología SCR, estas bajas emisiones se estabilizan aún más. De esta manera, también en este caso, se cumplen fácilmente los futuros límites de emisiones.

La base del diseño de los catalizadores de oxidación es necesariamente la reducción del formaldehído, ya que eso determina el tamaño y el recubrimiento del catalizador. De este modo, también se obtiene el nivel necesario de reducción de las emisiones de CO, que se mantiene casi constante en niveles que no superan los 100 mg/nm3 durante la vida útil prevista del catalizador, de dos años de funcionamiento continuo.

Cuando se coloca un catalizador de oxidación a continuación de un catalizador SCR, su tarea adicional es oxidar el amoníaco de ruptura a NOx y agua. Aquí hay que tener cuidado de mantener las cantidades de amoníaco lo más bajas posible para que las emisiones de NOx no vuelvan a aumentar. La práctica ha demostrado que, dimensionando adecuadamente el catalizador SCR y la cantidad de urea inyectada, la cantidad de amoníaco de ruptura es pequeña. Debe respetarse el límite previsto de 30 mg/mn3.

EMISIONES DE THC

El motivo de preocupación en las emisiones de escape del motor es el THC, que consiste sustancialmente en metano. El THC representa el metano que ha pasado por el proceso de combustión sin quemarse hacia el flujo de gases de escape. Esto es una espina en el costado de los ingenieros de desarrollo, porque lo ideal sería que este metano se quemara en la cámara de combustión, aumentando aún más la eficiencia. Este "escape de metano" se ha reducido mediante modificaciones en la geometría de la cámara de combustión para poder mantener el valor límite de 1.300 mg/mn3. Sin embargo, desde una perspectiva ambiental, esto no es suficiente, ya que el potencial de gases de efecto invernadero del metano es unas 23 veces mayor que el del CO2. Por ello, se está llevando a cabo una exhaustiva investigación sobre los catalizadores de metano. Caterpillar Energy Solutions GmbH participa intensamente en varios proyectos de investigación con la FVV (Asociación de Investigación de Motores de Combustión) y el DBFZ (Centro Alemán de Investigación de Biomasa). Se han encontrado combinaciones de materiales capaces de reducir el metano, pero en el funcionamiento práctico de la planta, la tasa de conversión disminuía tanto en pocos días que el catalizador no era útil para el funcionamiento de la planta. Esta área necesita más investigación.

RESUMEN Y PERSPECTIVAS

Los motores a gas, cuando se utilizan en plantas de CHP para producir electricidad y calor, generan energía con el menor impacto posible en el medio ambiente. Los motores pueden cumplir los valores límite más estrictos para las emisiones de gases de escape establecidos en la 44ª BImSchV y el nuevo TA-Luft. Además, los trabajos actuales de investigación y desarrollo tienen el potencial de reducir aún más las emisiones de escape de estos motores. Por el momento, Caterpillar Energy Solutions GmbH ofrece motores a gas y sistemas de postratamiento de gases de escape para las distintas aplicaciones de CHP que cumplen los requisitos legales sobre emisiones.