Formación de contaminantes en proceso de combustión en generadores de vapor de unidades 2 y 3 de 150 mw de la PTE "Valle de México"

Abstract

RESUMEN: En esta tesis se desarrolla el método de combustión a dos etapas, el cual tiene como propósito principal lograr una disminución en la formación de óxidos de nitrógeno producto de la combustión de gas natural en el hogar del generador de vapor de 150 𝑀𝑊 de la unidad 2⁄3 de la Planta Termoeléctrica Valle de México. En primer lugar, se realizó el cálculo térmico del hogar basado en la metodología de A. M. Gurvich. Con esta metodología se obtuvieron diversos parámetros térmicos, siendo los más importantes la temperatura y entalpía de los gases a la salida del hogar. Posteriormente, se determinó la concentración de óxidos de nitrógeno en el hogar del generador de vapor por medio de la metodología descrita por Roslyakov y Egorova, para lo cual se obtuvieron los cuatro parámetros que participan en la formación de este compuesto en la zona de combustión activa, los cuales son: temperatura promedio, densidad de flujo de calor reflejado, coeficiente de exceso de aire y tiempo de residencia de los gases. Además, se realizó el cálculo de otros contaminantes derivados de la combustión en el hogar del generador de vapor. Se obtuvieron los volúmenes de óxidos de azufre y dióxido de carbono, y por medio del uso de factores de emisión estimados por metodologías elaboradas por la SEMARNAT se calculó el nivel de emisiones de estos compuestos. Estos análisis se realizaron tanto para la combustión de gas natural como de combustóleo para el máximo régimen de operación y cargas parciales del generador de vapor. Una vez realizado lo anterior, se desarrolló el método de la combustión a dos etapas en el hogar, bajo el análisis de las dos zonas formadas en el proceso: en la primera zona se inyecta todo el combustible, mientras que el aire se inyecta de manera uniforme en ambas zonas, de tal manera que en la segunda solo hay aire. Se analizó cada zona por separado obteniendo los parámetros que influyen en la formación de óxidos de nitrógeno de la misma manera que en el proceso de combustión normal, para finalmente obtener la concentración total en el hogar. Este análisis se llevó a cabo en dos arreglos para la combustión de gas natural para carga máxima y cargas parciales de operación. Por último, se realizó una comparación entre la concentración de óxidos de nitrógeno obtenida en la combustión de gas natural y de combustóleo y la obtenida por el método de combustión a dos etapas, logrando una disminución en la formación de este compuesto. ABSTRACT: The two stage combustion method is developed in this thesis, which has as main purpose reaching a decrease in the nitrogen oxides formation that are product of the natural gas combustion in the furnace of the 150 𝑀𝑊 steam generator that is located in the unity 2⁄3 at the Thermoelectric Plant Valle de México. First, the thermal calculation of the furnace was done based on the A. M. Gurvich methodology. Diverse thermal parameters were obtained with this methodology, being the most important the flue gas temperature and enthalpy at the furnace exit. Later, the nitrogen oxides concentration in the furnace of the steam generator was determined by the Roslyakov and Egorova methodology. In order to do this, the four parameters that participate at this compound formation in the active combustion zone were obtained, which are: average temperature, reflected heat flux density, air excess coefficient and the flue gas residence time. Besides, the calculation of other pollutants derived of the combustion in the furnace of the steam generator was performed. The sulfur oxides and carbon dioxide volumes were obtained and through the use of emission factors estimated by SEMARNAT methodologies the emissions level of these compounds was calculated. These analyses were done both for the natural gas and for the fuel oil combustion for the maximum operation regime and partial loads of the steam generator. Once the previous calculations were accomplished, the two stages combustion in the furnace method was developed, under the two zones formed in the process analysis: in the first zone all the fuel is injected, while the air is injected uniformly in both zones, so there is only air in the second zone. Every zone was analyzed separately and the parameters that influence the nitrogen oxides formation were obtained in the same way as the normal combustion process in order to get the total concentration in the furnace. This analysis was carried out in two arrangements for the natural gas combustion at the maximum and partial operation loads. Finally, a comparison among the nitrogen oxides concentration obtained in the natural gas and fuel oil combustion and the one obtained by the two stages combustion method was performed, achieving a decrease in this compound formation.