I Jornadas CÁTEDRA E.ON España - Universidad de …catedras.uca.es/eon/actividadescatedra/jornadas_catedra/i_jornadas... · Regulación de las emisiones de Hg >300 MWth SO 2 (mg/Nm3)

PROCESOS AVANZADOS DE CAPTURA DE CONTAMINANTES:

PLASMA NO TÉRMICO

Prof. Dr. Benito Navarrete Rubia

I Jornadas CÁTEDRA E.ON España

ALGECIRAS, 3 DE DICIEMBRE DE 2008

Universidad de Sevilla

Escuela Técnica Superior de Ingenieros

ÍNDICE

SOLUCIONES CONVENCIONALES FRENTE A NUEVOS RETOS EN EL CONTROL DE CONTAMINANTES

PLASMA NO TÉRMICO

CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS

TÉCNICAS DE GENERACIÓN

POTENCIALIDAD DE APLICACIÓN EN PES ACTUALES

STREAMER CORONA

ENERGIZACIÓN MEDIANTE PULSOS

APLICACIONES EN DESARROLLO

COMPARATIVAS DE COSTES

CONCLUSIONES

SOLUCIONES TECNOLÓGICAS CONVENCIONALESPARA EL CONTROL DE CONTAMINANTES EN COMBUSTIÓN

COMBUSTIBLE PROCESOPROCESO

Chimenea

CARBÓNPrecalentador

NH3

CALDERA

PES

DeNOX

De-SOx-

Chimenea

FUELOILPrecalentador

NH3

CALDERA

PES

DeNOX

De-SOx-

Chimenea

GASPrecalentador

NH3

CALDERA DeNOX

NUEVOS RETOS Y ALTERNATIVAS

LEGISLACIÓN PROGRESIVAMENTE MÁS RESTRICTIVA PARA EL CONTROL DE “NUEVOS” CONTAMINANTES. (PM2,5, CPM, Hg, METALES, DIOXINAS, FURANOS,….)

LIMITES DE INMISIÓN

DIRECTIVE 2008/50/EC on ambient air quality and cleaner air for Europe (Mayo 2008)

SO2, NOX, plomo, PM10, PM2,5, Benceno, CO, Ozono

PROPUESTA DIRECTIVA UE EMISIONES INDUSTRIALES (dic. 2007):

Incluye las partículas finas en la lista de sustancias contaminantes

Nuevos límites de emisión:

US EPA

Clean Air Mercury Rule (marzo 2005)

Regulación de las emisiones de Hg

>300 MWth SO2 (mg/Nm3) NOx (mg/Nm3) Partículas (mg/Nm3)

Hasta 1 enero 2016 200 200 20

Nuevas instalaciones 150 (250 CFB HP) 150 (200 PFC Lignito) 10 (20 biomasa y turba)

INAPLICABILIDAD DE FILOSOFÍA ACTUAL: UN CONTAMINANTE = UNA TECNOLOGÍA DE CONTROL

NECESIDAD DE TECNOLOGÍAS DE CONTROL MULTIPROPÓSITO

COMBINACIÓN DE TÉCNICAS DE CAPTACIÓN Y REACCIÓN QUÍMICA:

ELECTROFILTRO + FILTRO DE MANGAS= FILTROS HÍBRIDOS

FILTRACIÓN + ADSORCIÓN CON EMPLEO DE ADSORBENTES

FILTRACIÓN + POSTCOMBUSTIÓN (COVs)

PLASMA NO TÉRMICO + CAPTURA HÚMEDA

PLASMA NO TÉRMICO + FILTRACIÓN (+ ADSORCIÓN) EN SECO

NUEVOS RETOS Y ALTERNATIVAS

CARACTERÍSTICAS

PLASMA NO TÉRMICO

PLASMA, 4º ESTADO DE LA MATERIA: IONES Y ELECTRONES LIBRES

LOS ELECTRONESSE CALIENTAN (>1000 K)

MIENTRAS LAS MOLÉCULASPERMANECEN FRÍAS

LA ENERGÍA ES INTRODUCIDA DE FORMA SELECTIVA SOBRE LOS e-

LOS ELECTRONES INTERACCIONAN CON LAS

MOLÉCULAS DEL GAS

GENERACIÓN DE RADICALES LIBRES (N*, O*, HO2, OH*…)

GENERACIÓN DE INERTES Y/O ESPECIES MÁS FÁCILES DE

ELIMINAR

LOS RADICALES INTERACCIONAN CON LAS

ESPECIES CONTAMINANTES(NOX, SOX, Hg, PM2,5, COVs)

VENTAJAS I

SIN COMBUSTIBLE DE APOYO:AUSENCIA DE CONTAMINANTES SECUNDARIOS

ELIMINACIÓN SIMULTÁNEA DEDIFERENTES TIPOS DE CONTAMINANTES

NO GENERA SUBPRODUCTOS TÓXICOS

OPERA A P Y T AMBIENTES

SIN CATALIZADORES

BAJO COSTE: ENERGÍA Y O&M

FACILIDAD DE INTEGRACIÓN EN ESPs DE CTCs

PLASMA NO TÉRMICO

VENTAJAS II

1. Uso de técnicas que produzcan pocos residuos

2. Uso de sustancias menos peligrosas

3. Desarrollo de las técnicas de recuperación y reciclado de sustancias generadas y utilizadas en el proceso, y de los residuos cuando proceda

4. Procesos, instalaciones o método de funcionamiento comparables que hayan dado pruebas positivas a escala industrial

5. Avances técnicos y evolución de los conocimientos científicos

6. Carácter, efectos y volumen de las emisiones de que se trate

CRITERIOS PARA DETERMINAR LAS MEJORES TÉCNICAS DISPONIBLES (ANEXO III PROPUESTA DIRECTIVA UE

EMISIONES INDUSTRIALES (dic. 2007))

PLASMA NO TÉRMICO

7. Fechas de entrada en funcionamiento de las instalaciones nuevas o existentes

8. Plazo que requiere la instauración de una mejor técnica disponible.

9. Consumo y naturaleza de las materias primas (incluida el agua) utilizada en procedimientos de eficacia energética

10. Necesidad de prevenir o reducir al mínimo el impacto global de las emisiones y de los riesgos en el medio ambiente

11. Necesidad de prevenir cualquier riesgo de accidente o de reducir sus consecuencias para el medio ambiente.

VENTAJAS II

CRITERIOS PARA DETERMINAR LAS MEJORES TÉCNICAS DISPONIBLES (ANEXO III PROPUESTA DIRECTIVA UE

EMISIONES INDUSTRIALES (dic. 2007))

PLASMA NO TÉRMICO

TÉCNICAS DE GENERACIÓN

GENERACIÓN DE PLASMA

HACES DE ELECTRONES

CAMPOS ELÉCTRICOS

PLASMA NO TÉRMICO

ENERGIZACIÓN MEDIANTE PULSOS PARA EVITAR ARCO (PPCP)

DESCARGA BARRERAO

BARRERADIELÉCTRICA

DESCARGACORONA

DESCARGA DE MICROONDAS Y

RADIOFRECUENCIA

10 ns

20 ns

30 ns

40 ns

10 ns

20 ns

30 ns

40 ns

10 ns

20 ns

30 ns

40 ns

10 ns

20 ns

30 ns

40 ns

DESCARGA CORONA

Flujode gas

Placascolectoras Electrodos de descarga

PLASMA NO TÉRMICO


GAS ELECTRONEGATIVAS

MOLÉCULAS DE

PARTÍCULAS

CARGA DE

2O

H O2

H O2

2O

2O

SO 2DE CORONA

GENERACIÓN

RECTIFICADORA.T.

ELECTRODOSDE DESCARGA

(-)

FLUJO DE GAS

DE CAPTURAELECTRODOS

DE CENIZASELIMINACIÓN

(+)

PARTÍCULAS

DE PARTÍCULAS

MIGRACIÓN

DE POLVO DE CENIZASCAPA

PARTÍCULASCAPTACIÓN DE

PLASMA NO TÉRMICO

GAS ELECTRONEGATIVAS

MOLÉCULAS DE

PARTÍCULAS

CARGA DE

2O

H O2

H O2

2O

2O

SO 2DE CORONA

GENERACIÓN

RECTIFICADORA.T.


(-)

FLUJO DE GAS



(+)

PARTÍCULAS

DE PARTÍCULAS

MIGRACIÓN

DE POLVO DE CENIZASCAPA

PARTÍCULASCAPTACIÓN DE

PLASMA NO TÉRMICO


e-

•N2+

O2+

N•

O•

•OH

•O2H

RADICALESLIBRES

DE CORONAGENERACIÓN

RECTIFICADORA.T.


(-)

FLUJO DE GAS



(+)

GENERADORDE

PULSOS

SO2, NOX, Hg(g), PM2,5

NH3

(NH4)2 SO4

NH4 NO3

HgO

AGLOMERADOS


PLASMA NO TÉRMICO

Reducción directa:NO + N* N2 + O*

NO2 + N* N2 + O2

En presencia de amoniaco:HNO3 + NH3 NH4NO3 (sólido)2NH3 + SO2 + H2O (NH4)2SO3 (sólido)2NH3 + SO3 + H2O (NH4)2SO4 (sólido)(NH4)2SO3 + O* (NH4)2SO4 (sólido)

SO2 + O* SO3

SO2 + OH* HSO3

HSO3 + O2 SO3 + HO2

SO2 + HO2 SO3 + OH*

SO3 + H2O H2SO4

Oxidación:NO + O* NO2

NO + O3 NO2 + O2

NO + HO2 NO2 + OH*

NO2 + OH HNO3

Hg + O* HgO (sólido)Hg + O3 HgO (sólido) + O2


PLASMA NO TÉRMICO

Modes of Corona in Air: Visual Appearance of Negative DC ModesPara punta de d=0,8 cm sobre esfera de D=7cm, gap=19 cm,

exposición ¼ segundo

Trichel pulse Glow Streamer

STREAMER CORONA

Dr. P. Sarma Maruvada. UV Inspection User’s Group Meeting. Febrero 2004Physics of Corona and Gap Discharges. AC and DC Transmission Line Corona Effects

PLASMA NO TÉRMICO

Onset streamer Glow

PLASMA NO TÉRMICO

Modes of Corona in Air: Visual Appearance of Positive DC ModesPara punta de d=0,8 cm sobre esfera de D=7cm, gap=19 cm,

exposición ¼ segundo

STREAMER CORONA

Dr. P. Sarma Maruvada. UV Inspection User’s Group Meeting. Febrero 2004Physics of Corona and Gap Discharges. AC and DC Transmission Line Corona Effects

PLASMA NO TÉRMICO

STREAMER CORONA

FACTORES QUE CONDICIONAN EL TIPO DE DESCARGA

Modo de energización

Composición del gas

Condiciones de P y T

Geometría de los electrodos de descarga

Velocidad del gas

GEOMETRÍA PUNTO PLACA

PLASMA NO TÉRMICO

STREAMER CORONA

Pulse width 100 ns, rise rate 1.5 kV/ns, peak voltage +45 kV

(no DC bias)

plat

e

wi re

supp

ort

a)

57 mm

50m

m

a)

Pulse width 100 ns, rise rate 2.3 kV/ns, peak voltage -79 kV

(-15 kV DC bias)

wire

supp

ort

b)

37 mm50

mm

b)

ENERGIZACIÓN POR NANOPULSOS: STREAMER CORONA


Guus Pemen, Hans Winands, Liu Zhen, Dorota Pawelek, Bert van Heesch Eindhoven University of Technology, Department of Electrical Engineering, The Netherlands

PLASMA NO TÉRMICO

TECNOLOGÍA PPCP: PULSE CORONA INDUCED PLASMA CHEMICAL PROCESS

Polaridad: +/-

Voltaje: 30 – 140 kV

Ancho de pulso: del orden de102 ns

Frecuencia: hasta 1 kH


0 2 4 6 8

O-radical yield (mole/kWh)

Pulsed

AC/DC

AC

Guus Pemen, Hans Winands, Liu Zhen, Dorota Pawelek, Bert van Heesch Eindhoven University of Technology, Department of Electrical

Engineering, The Netherlands

PLASMA NO TÉRMICO

3% POTENCIA GENERADA EN LA INSTALACIÓN

COSTE ELEVADO: 20-30 k€/kW (ALTERNATIVA AC/DC)

SE ENCUENTRAN BAJO ESTUDIO SISTEMAS HÍBRIDOS DC + PP

GENERACIÓN DE NANOPULSOSESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA

Incremento del Vp (Incremento de la energía transferida por pulso)

Incremento de la eficiencia energética

Para V -: operación simultanea como electrofiltro


PLASMA NO TÉRMICO

LAS TECNOLOGÍAS DE PLASMA NO TÉRMICO HAN DEMOSTRADO SU CAPACIDAD DE REDUCCIÓN DE EMISIONES

ACTÚAN DE FORMA SIMULTÁNEA SOBRE DIFERENTES CONTAMINANTES (ECO DE POWERSPAN)

LA INVESTIGACIÓN EN ESTE CAMPO SE ENCUENTRA AUN EN ETAPAS PRELIMINARES

SE RECOMIENDAN ESTUDIOS A ESCALA PILOTO PARA DETERMINAR COSTES DE CAPITAL Y DE OPERACIÓN REPRESENTATIVOS

CONCLUSIONES DEL ESTUDIO

APLICACIONES DEL PLASMA NO TÉRMICO EN DESARROLLO

CONTAMINANTE η (%)

DIÓXIDO DE AZUFRE, SO2 98

OXIDO DE NITRÓGENO, NOX 90

PARTÍCULAS TOTALES, TPM 99,9

PARTÍCULAS FINAS, PM2,5 95

MERCURIO, Hg 80-90

EFICACIAS DE CAPTURA DOCUMENTADAS

REACTOR ECO DE POWERSPAN

GASES DECALDERA

CENIZA

PES

PRECIPITADORELECTROESTÁTICO

OXIDACIÓNCATALÍTICA

ECO

2ªETAPA

A CHIMENEA

1ªETAPA

SCRUBBER DEDOS ETAPAS

SÓLIDOS


SO2 NOX

99,9 70,0

kWh/kg 6,22 53,4

Y O N G - H W A N L E EEnviron. Sci. Technol. 2003, 37, 2563-2567

DeSOX/DeNOX EN INCINERADOR INDUSTRIAL


PLANTA PILOTO 1000 m3/h ODOR CONTROL 1

Corona reactor

DC-bias supply

TLT

Pulse generator

950.5 ppm10.1 ppmH2S

8711858987Total100013Terpens

841066Furane

10022363Organic sulphur

1000200Chlorinatedcomponents

40570946Aldehydes

932733881Ketone

(cannot be determined)2630Esters

9444787Alcohol

9513271Aliphatic CH’s

100066Cyclic CH’s

9710395Aromatic CH’s

Removal Efficiency [%]Ouput [µg/m3]Input [µg/m3]

950.5 ppm10.1 ppmH2S

8711858987Total100013Terpens

841066Furane

10022363Organic sulphur

1000200Chlorinatedcomponents

40570946Aldehydes

932733881Ketone

(cannot be determined)2630Esters

9444787Alcohol

9513271Aliphatic CH’s

100066Cyclic CH’s

9710395Aromatic CH’s

Removal Efficiency [%]Ouput [µg/m3]Input [µg/m3]

G.J.J. Winands et.al., IEEE Trans.on Plasma Science, Vol.34, No.5, October 2006, pp.2426-2433


ELIMINACIÓN DE TARs A ALTA TEMPERATURA

Corona Reactor

Fan

Window for FTIR

Tar Injector

Corona Reactor

Fan

Window for FTIR

Tar Injector

Effect of temperature on naphthalene removal in synthetic fuel gas

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800Corona energy density (kJ/Nm3)

Rem

aini

ng fr

actio

n (%

) 200 degr.C, dry

200 degr.C, wet

biogas 400400 degr.C, dry

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800Corona energy density (kJ/Nm3)

Rem

aini

ng fr

actio

n (%

) 200 degr.C, dry

200 degr.C, wet

biogas 400400 degr.C, dry

S.A. Nair, et.al., Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 1734-1741


COMPARATIVA DE COSTES

ADSORCIÓN : ATRACTIVA SOLO CON BAJAS CONCENTRACIONES DE COVs

POSTCOMBUSTIÓN: MEJOR QUE ADSORCIÓN A ALTAS CONCENTRACIONES

PLASMA NO TÉRMICO: MEJOR OPCIÓN POR ENCIMA DE 200 ppm

Barrault J. Bretagne J.: Catalysis and Plasma-Catalysis Processes for Air Treatment3rd French-Japanese Symposium. 2002, June 3-5, Angers, France

CONCENTRACIÓN DE COVs (ppm)

0200 600400 800 12001000

$ 1,000,000

$ 400,000

0

CO

STES

OP

ER

AC

IÓN

1er

AÑ

O

$ 200,000

$ 600,000

$ 800,000

$ 1,200,000POSTCOMBUSTIÓN

ADSORCIÓN

PLASMA NO TÉRMICO

ELIMINACIÓN DE COVs PARA ALTOS CAUDALES

POSTCOMBUSTIÓN Y PLASMA NO TÉRMICO SON LAS OPCIONES ECONÓMICAMENTE MAS VENTAJOSAS A ALTAS CONCENTRACIONES

0200 600400 800 12001000

$ 400,000

0

$ 200,000

$ 600,000

$ 800,000

CONCENTRACIÓN DE COVs (ppm)

CO

STES

DE C

AP

ITA

L

POSTCOMBUSTIÓN

ADSORCIÓN

PLASMA NO TÉRMICO

Barrault J. Bretagne J.: Catalysis and Plasma-Catalysis Processes for Air Treatment3rd French-Japanese Symposium. 2002, June 3-5, Angers, France


ELIMINACIÓN DE COVs PARA ALTOS CAUDALES

CONTROL MULTICONTAMINANTE EN PLANTA DE 500MW

Comparativa realizada mediante el empleo del software CUECOST desarrollado por la US EPA (€ 2005)

CALDERA

WFGD

CHIMENEA

INYECCIÓNDE NH3

SCR

ESP

CALDERA

WFGD

CHIMENEA

INYECCIÓNDE NH3

SCRCALDERA

WFGD

CHIMENEA

INYECCIÓNDE NH3

SCR

ESP

COSTES INVERSIÓN O&M FIJOS O&M VARIABLES O&M TOTALUNIDADES €/kW €/kW·año 10-3€/kWh €/añoSCR 54 0,33 0,40 1.641.846ESP 62 2,26 0,02 1.186.507WET FGD 119 11,07 0,70 8.141.100TOTAL 235 13,7 1,1 10.969.452

ESP

CALDERA

CHIMENEA

INYECCIÓNDE NH3

GP

FF

COSTES INVERSIÓN O&M FIJOS O&M VARIABLES O&M TOTALUNIDADES €/kW €/kW·año 10-3€/kWh €/añoESP 62 2,26 0,02 1.186.507FILT. MANGAS 30 0,28 0,60 2.367.904FUENTE PULSOS 57 0,87 0,57 2.543.004INY. AMONIACO 5 0,07 0,62 2.340.980TOTAL 153 3,48 1,80 8.438.395


TECNOLOGÍAS DE CONTROL DE CONTAMINANTES MULTIPROPÓSITO

GRAN AHORRO ECONÓMICO FRENTE A OTRAS ALTERNATIVAS

SIMPLICIDAD DE OPERACIÓN Y CONTROL

EXCELENTE POTENCIALIDAD PARA RETROFITTING DE ELECTROFILTROS EXISTENTES EN CENTRALES TÉRMICAS

APLICACIÓN DE TECNOLOGÍA DE PLASMA NO TÉRMICO A DEPURACIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN DE CENTRALES TÉRMICAS

CONCLUSIONES

PROCESOS AVANZADOS DE CAPTURA DE CONTAMINANTES:

PLASMA NO TÉRMICO

Prof. Dr. Benito Navarrete Rubia

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