SNCR vs SCR: eliminación de NOx en un incinerador pequeño

Eliminación de NOx en los gases de combustión de incineradores: SNCR y SCR

Un lavador húmedo elimina los gases ácidos porque se disuelven. El óxido nítrico, que constituye la mayor parte de los óxidos de nitrógeno que produce un horno, no se disuelve en grado útil, así que una línea que elimina el cloruro de hidrógeno con eficiencia no elimina casi nada de NOx. Por eso el límite de óxidos de nitrógeno se cumple en el horno o en un reactor inmediatamente después de él, y por eso las dos rutas —la reducción selectiva no catalítica y la reducción selectiva catalítica, SNCR y SCR— son el tema aquí, y no el lavador.

Las dos comparten una química. Un reactivo que contiene nitrógeno, amoníaco o urea, se inyecta en el gas y reacciona con el óxido nítrico para dar nitrógeno y agua, de modo que el nitrógeno sale como molécula inerte en lugar de como óxido.

• Un reactivo que aporta el agente reductor — agua amoniacal, amoníaco anhidro o solución de urea.
• Una banda de temperatura en la que la reacción sea lo bastante rápida para competir con todo lo demás que ocurre en el gas.
• Una mezcla lo bastante buena para que el reactivo se encuentre con el gas en lugar de pasar a su lado, que es el límite práctico de la eliminación de NOx en los gases de combustión de incineradores.
• Tiempo de residencia en esa banda, porque la reacción no es instantánea.
• Una forma de manejar el reactivo que no reacciona, porque sale como amoníaco en lugar de desaparecer.

Reducción selectiva no catalítica para gases de combustión de incineradores

SNCR inyecta el reactivo en la trayectoria del gas caliente y depende únicamente de la temperatura. La banda que suele citarse va aproximadamente de 850 a 1100 °C, y debe leerse como un método de partida y no como una especificación: describe dónde es rápida la reacción en un gas típico, y se desplaza con la composición del gas y con la mezcla que aporta el horno. Por debajo de la banda, el reactivo pasa sin reaccionar y sale como amoníaco residual; por encima, el amoníaco se oxida y puede producir más óxidos de nitrógeno de los que elimina.

La banda se superpone con la temperatura a la que ya se mantiene la cámara secundaria, y ahí está el atractivo. Una planta que opera a 850 °C o por encima ya posee las condiciones, así que SNCR añade una lanza, un sistema de reactivo y un lazo de control en lugar de un recipiente a presión. En una planta pequeña el reactivo suele ser solución de urea, porque es más segura de almacenar y manejar que el agua amoniacal.

La limitación es que la banda es una banda en el gas, no un ajuste en un tablero. La temperatura del gas se mueve con la carga, con los residuos y con el exceso de aire, y la zona en la que el reactivo realmente se encuentra con el gas a la temperatura correcta es una rebanada del horno y no su totalidad. Por eso la eliminación es parcial —las cifras que se citan para SNCR son del orden de un tercio a la mitad de los óxidos de nitrógeno de entrada— y lo que no se elimina se paga dos veces, una como reactivo y otra como el amoníaco que sale con el gas.

Reducción selectiva catalítica para la incineración de residuos

SCR realiza la misma química sobre un catalizador, lo que permite que una temperatura mucho más baja haga el trabajo: en términos generales, la banda de 200 a 400 °C, que también debe leerse como un método de partida y no como una especificación. El catalizador suele ser óxido de vanadio sobre un soporte de titanio, conformado en elementos de panal o de placas dentro de un reactor, y el gas pasa a través de él.

La temperatura más baja es la ventaja y el catalizador es el costo. En una planta de residuos, la cuestión que decide la disposición es dónde se ubica el reactor. Si se coloca aguas arriba del colector de polvo, el catalizador ve ceniza volante, metales pesados y gases ácidos, y de ahí proviene la desactivación. Si se coloca aguas abajo del filtro, el gas está limpio pero frío, así que debe recalentarse antes del reactor y la energía para ello tiene que encontrarse en algún punto de la planta. Un incinerador pequeño normalmente no tiene calor sobrante que ceder, y esa es la razón práctica por la que la elección recae tantas veces en SNCR.

El reactor también necesita espacio, una estructura de soporte y una trayectoria de gas que pueda sacarse de servicio para reemplazar el catalizador. Qué disposición conviene a una unidad dada, y el volumen de catalizador que la acompaña, se confirman con la fábrica para su composición de residuos.

La ventana de temperatura que necesita cada una

Ambas ventanas se declaran a plena carga con un gas de una composición dada, y ambas se desplazan cuando la planta se desplaza. Lo que importa es la ventana por la que el gas realmente pasa, a lo largo del rango de cargas a las que opera la planta, y no la ventana que aparece en una hoja de datos.

• SNCR depende de una temperatura que la cámara ya mantiene, pero el tiempo de residencia en la banda se acorta a medida que sube la carga y el gas se acelera, y la banda misma se desplaza con los residuos.
• SCR depende de una temperatura que la planta tiene que producir, así que una planta que no puede recalentar su gas de forma confiable tiene un reactor que está frío e inactivo o lo bastante caliente para dañar el catalizador.
• Con carga baja, ambas pierden desempeño primero, por lo que una garantía normalmente se declara para más de una carga y no solo para el punto de diseño.
• El reactivo que no reacciona no se pierde en silencio: sale como amoníaco, y ese amoníaco residual es un parámetro por sí mismo.

Envenenamiento del catalizador en la incineración de residuos

Un gas de residuos no es un gas de central eléctrica. Transporta metales alcalinos, metales pesados y azufre, y los tres atacan al catalizador.

• Metales alcalinos en la ceniza volante — sodio y potasio — se depositan sobre la superficie y bloquean los sitios activos, en parte de forma reversible y en parte de forma permanente.
• El arsénico se une al material activo y no puede eliminarse, así que el catalizador tiene una vida finita en proporción a lo que contengan los residuos.
• El dióxido de azufre con el amoníaco forma bisulfato de amonio, que se deposita en el extremo frío del reactor y ciega los elementos.
• Los metales pesados y la ceniza fina ciegan los canales físicamente si el reactor se coloca aguas arriba del colector de polvo.
• El vanadio se volatiliza por encima de la banda de trabajo, así que el material activo mismo se pierde si el reactor opera caliente.

Dos de ellos tienen consecuencias más allá del reactor. Los depósitos de bisulfato de amonio ensucian la red de conductos o el intercambiador de calor que va detrás, y un catalizador de vanadio oxida parte del dióxido de azufre del gas a trióxido de azufre, lo que eleva el punto de rocío ácido aguas abajo y cambia el material con el que deben fabricarse el conducto y la chimenea. Por eso el catalizador y la posición del reactor se deciden junto con la línea de gases, y no por separado de ella.

Comparación de SNCR y SCR en un incinerador pequeño

• Reactivo — ambas usan amoníaco o urea, y SNCR usa más por unidad de óxido de nitrógeno eliminado porque parte de él nunca reacciona.
• Temperatura — SNCR trabaja dentro de la temperatura de cámara que la planta ya mantiene; SCR necesita el gas dentro de su propia ventana, lo que en una disposición de gas limpio suele implicar un recalentador.
• Eliminación — SNCR alcanza una parte de los óxidos de nitrógeno de entrada y SCR alcanza la mayor parte. Cuando el límite deja poco margen, esa diferencia es toda la decisión.
• Consumibles — SCR lleva un catalizador que los residuos envenenan; SNCR no tiene ninguno.
• Subproductos — SNCR deja amoníaco residual; SCR deja amoníaco residual y, con un catalizador de vanadio, algo de conversión de dióxido de azufre a trióxido de azufre.
• Superficie ocupada y estructura — SNCR es una lanza, un patín de bombeo y un tanque; SCR es un reactor, una estructura de soporte y, a menudo, un recalentador.
• Régimen de operación — un reactor con catalizador mantiene una cifra más estable y exige una inspección y un reemplazo programados que una instalación pequeña debe poder llevar a cabo.

Partir del límite de NOx

El límite de emisión de NOx para incineradores de residuos médicos en el gráfico de este sitio es de 300 mg/m³ como media de una hora y de 250 mg/m³ como media de 24 horas, referidos a gas seco con 11 % de oxígeno. Las dos cifras son periodos de promedio alternativos para el mismo parámetro, y le exigen cosas distintas a un sistema de control: la media de una hora la cumple una planta que responde con rapidez, y la media de 24 horas la cumple una planta que no divaga. Un reactor con catalizador sobre un gas estable produce una cifra plana; SNCR produce una cifra que sigue al horno, por lo que la media de 24 horas, y no la de una hora, suele ser el número que decide si SNCR es suficiente por sí solo.

De ahí se derivan dos cosas para una planta pequeña. El consumo de reactivo es un costo de operación que escala con los residuos y con cuánto óxido de nitrógeno sobrevive al horno, así que un horno bien mezclado y consistentemente caliente hace más pequeño el problema aguas abajo. Y cualquiera que sea la ruta elegida, es una etapa de una línea y no una solución por sí sola: el límite de óxidos de nitrógeno forma parte de un conjunto de límites que se cumplen en conjunto, como muestra el gráfico de emisiones.

Errores comunes

• Suponer que un lavador se llevará los óxidos de nitrógeno. No lo hará: el óxido nítrico es casi insoluble.
• Citar una cifra de eliminación de SNCR sin declarar la carga y la temperatura del gas con las que se logró.
• Instalar SCR aguas arriba del colector de polvo para ahorrarse un recalentador, y luego pagarlo con reemplazos de catalizador.
• Dimensionar el sistema de reactivo solo por la reacción, sin prever el amoníaco que no reacciona.
• Tratar el catalizador como un elemento permanente. En una planta de residuos es un consumible con una vida determinada por lo que hay en la ceniza.
• Olvidar la referencia de oxígeno. Un límite escrito con 11 % de oxígeno no es el mismo número que la concentración medida en el conducto.

De un límite de NOx a un sistema de reactivo

SNCR y SCR responden a la misma química desde dos lugares distintos de la planta, y la elección se deriva de qué tan caliente está el gas donde la planta puede costear poner un reactor, y de lo que puede costear mantener limpio. El gráfico de emisiones fija el límite de óxidos de nitrógeno junto con el resto de los límites que la línea debe cumplir, y el artículo sobre tratamiento de gases de combustión cubre las etapas entre las que se sitúa el sistema de óxidos de nitrógeno. El reactivo, el punto de inyección y la disposición del catalizador para su planta se confirman con la fábrica para su composición de residuos y la norma de emisión aplicable.