Oxidadores térmicos: Clasificación y pautas de selección

Los oxidadores térmicos son unidades de control de la contaminación diseñados para evitar que los compuestos orgánicos volátiles (COV) generados en los procesos industriales lleguen al medio ambiente. La gran cantidad de tecnologías dispuestas actualmente en el campo del diseño y operación de los oxidadores térmicos permiten llegar a un equilibrio entre el coste inicial de los equipos, los gastos de funcionamiento, la complejidad, las emisiones, la eficiencia del combustible, entre otras variables involucradas.

Oxidador térmico regenerativo en planta industrial
Los oxidadores térmicos son utilizados para eliminar contaminantes de los escapes de las plantas. Imagen de nestec 

En este artículo describiremos algunas pautas a tomar en cuenta cuando se requiera realizar una selección de oxidadores térmicos para un proyecto, o para incluirlos en una planta operativa que requiera bajar los niveles de contaminantes al medio ambiente.

Tabla de contenidos
  1. Oxidadores térmicos definición y principio de funcionamiento
  2. Clasificación de los oxidadores térmicos
    1. Oxidadores térmicos de combustión directa
    2. Oxidadores térmicos regenerativos
    3. Oxidadores térmicos catalíticos
  3. Pautas de selección de oxidadores térmicos
    1. Manejo de componentes difíciles
    2. Eficiencia de destrucción
    3. Emisiones de NOX
    4. Eficiencia de combustible

Oxidadores térmicos definición y principio de funcionamiento

Oxidador térmico instalado en planta industrial
Oxidador térmico en planta industrial. Imagen de condorchem

Los oxidadores térmicos son equipos importantes para disminuir la contaminación generada por los escapes de los equipos de los procesos industriales. Están diseñados para destruir los COV y también los contaminantes nocivos para el aire (HAP), tomando en cuenta estas características podemos definirlos de la siguiente manera:

Los oxidadores térmicos son equipos orientados a destruir y eliminar COV y HAP de las emanaciones salientes de los sistemas de escape de los procesos industriales llevados a cabo en plantas.

La idea general del funcionamiento de los oxidadores térmicos es simple, degradar y eliminar todos los contaminantes en un porcentaje cercano o superior al 90%. Para lograr este cometido se diseñan los oxidadores térmicos, los cuales fomentan la oxidación de los contaminantes a altas temperaturas, para luego expulsar al aire agua y CO2 además del calor generado para tal fin.

Podemos decir entonces, que los oxidadores térmicos mantienen las condiciones adecuadas para que se lleve a cabo la oxidación de los materiales combustibles de tres maneras:

  1. La primera, es manteniendo la temperatura de funcionamiento en un valor suficientemente alto, es decir, que esté muy por encima del punto de auto ignición del gas.
  2. La segunda, es proporcionar el tiempo adecuado para que se lleve a cabo la combustión.
  3. La tercera, es suministrar oxígeno en exceso con la finalidad de que se completen las reacciones de oxidación.

El principio de funcionamiento de los oxidadores térmicos se basa en la oxidación térmica, que no es otra cosa que la combustión de los contaminantes y su reacción con el oxígeno a condiciones controladas para promover la oxidación. Estas reacciones químicas de oxidación permiten disminuir en gran medida la cantidad de COV y HAP, logrando que las emanaciones al medio ambiente sean lo más inocuas posibles.


Clasificación de los oxidadores térmicos

Existen muchos diseños de oxidadores térmicos, pero por lo general, estos equipos pueden clasificarse en tres categorías principales:

  1. Oxidadores térmicos de combustión directa
  2. Oxidadores térmicos regenerativos
  3. Oxidadores térmicos catalíticos

Oxidadores térmicos de combustión directa

Diagrama de un oxidador térmico de combustión directa
Oxidador térmico de combustión directa. Imagen de Youtube

Los oxidadores térmicos de combustión directa son equipos que emplean un quemador para calentar el interior de la cámara a las temperaturas requeridas para lograr la reacción química de oxidación, con la mayor eficiencia en cuanto a la destrucción de los contaminantes.

El diseño de la cámara de oxidación de los oxidadores térmicos de combustión directa debe tomar en cuenta el tiempo de residencia adecuado y proporcionar una velocidad suficiente para generar una turbulencia en el mezclado. Si el gas del proceso tiene un contenido térmico suficiente, podrá utilizarse como gas combustible para el quemador. En caso contrario, requerirá de combustible suplementario. Un oxidador térmico recuperativo es una variante que incorpora la recuperación de calor.

Los oxidadores térmicos de combustión interna ofrecen una gran eficiencia en cuanto a la destrucción de los contaminantes, llegando a ser de hasta un 99,99% y proporcionan bajas emisiones de NOX y CO.

Oxidadores térmicos regenerativos

Diagrama ecplicativo de un oxidador térmico regenerativo
Oxidador térmico regenerativo. Imagen de konokogs

Los oxidadores térmicos regenerativos se utilizan generalmente para aplicaciones en las cuales la concentración de combustible es menor al 3% del límite inferior de explosividad. Este tipo de oxidadores emplean medios cerámicos para capturar el calor de oxidación y lograr alcanzar una eficiencia térmica de hasta 98%. La energía térmica es retenida por los medios cerámicos, de modo, que luego pueda ser aprovechada para promover la oxidación del gas que viene del proceso a medida que va ingresando en la cámara, la cual, ha sido calentada por la energía térmica capturada.

Para lograr un funcionamiento óptimo, este tipo de oxidadores térmicos utiliza varios lechos y alterna la entrada y la salida de la cámara de oxidación. Un sistema de dos lechos realiza un ciclo cada dos minutos aproximadamente, permitiendo que el calor pueda ser capturado por los medios cerámicos en la salida de la cámara y calentando el gas del proceso a partir del calor residual en el lecho de entrada. Una vez finalizado el ciclo, la dirección del flujo se invierte, regenerando la temperatura de los lechos.

Los oxidadores térmicos regenerativos pueden funcionar con poco o ningún combustible y pueden alcanzar una eficiencia de destrucción de contaminantes de hasta 98,5%, con muy bajas emisiones de NOX y CO, incluso con gases de procesos pobres. Adicionar una etapa de purga al sitio requerirá adicionar un lecho extra, pero en consecuencia se gana una efectividad de destrucción de contaminantes de un 99,5%.

Oxidadores térmicos catalíticos

Diagrama esuqemático de un oxidador térmico catalítico
Oxidador térmico catalítico. Imagen de condorchem

Como su nombre lo indica, un oxidador térmico catalítico utiliza un catalizador como lecho (lecho catalítico) para promover la oxidación. De este modo, reduce la temperatura necesaria para lograr la oxidación del gas de proceso. Debido a que este tipo de oxidador térmico requiere menor temperatura para lograr su cometido, utiliza menos combustible que un modelo de combustión directa y puede incluso diseñarse para ser auto suficiente, empleando un intercambiador de calor para pre calentar el gas de proceso.

Los oxidadores térmicos catalíticos están limitados por la concentración de combustible del gas de proceso y se limita a componentes que no envenenarán al catalizador. Ofrecen una amplia eficiencia de destrucción de contaminantes y emisiones realmente bajas de NOX y CO.

Pautas de selección de oxidadores térmicos

Oxidador térmico de combustión directa
Oxidador térmico en operación. Imagen de konokogs

Con la teoría base de oxidadores térmicos cubierta, es momento de citar algunas pautas que pueden ser tomadas como guía para la selección de los oxidadores térmicos. Antes hay que tener en cuenta que al momento de seleccionar un sistema de combustión, las emisiones y la eficiencia de destrucción se han convertido en los criterios principales. Los factores de decisión deben dar prioridad a la concentración de los gases de proceso, seguido de las emisiones y luego la eficiencia de combustible, así como, costes de capital. Con esto claro, describiremos las principales pautas a tomar en cuenta para la selección de oxidadores térmicos:




Manejo de componentes difíciles

Existen componentes difíciles de manejar, por ejemplo, los que causan corrosión como el H2S y los productos químicos halogenados. Trabajar con este tipo de componentes exige el uso de sistemas capaces de eliminarlos de manera segura. Una vez que las concentraciones de cualquiera de estos elementos alcanza un nivel aceptable pueden salir del sistema hacia los escapes.

La manera más segura de lograr la degeneración de componentes difíciles, es el uso de oxidadores de combustión directa especialmente diseñados para este fin. Los otros tipos de oxidadores no son adecuados para trabajar con estos componentes, ya que son muy sensibles a la presencia de estas sustancias químicas.

Eficiencia de destrucción

Una simple cámara de combustión cerrada (antorcha) alcanzará una eficiencia de destrucción del 98% aproximadamente. Si se desea lograr eficiencias superiores, se debe controlar la temperatura dentro de la cámara de combustión. Un oxidador térmico regenerativo o un oxidador térmico catalítico permiten llegar a una eficiencia del 95,5%. Para valores superiores se requerirá un oxidador térmico de combustión directa o una cámara de combustión de emisiones bajas.

Emisiones de NOX

Los oxidadores de combustión directa no ofrecen una gran eficiencia de destrucción de NOX, aunque reducen bastante su concentración en el gas de proceso. Varios diseños de quemadores de bajo NOX pueden reducir sensiblemente las emisiones de los oxidadores térmicos de combustión directa. Otra manera de reducir al NOX es utilizando sistemas de inyección de amoniaco, aunque suelen ser muy costosos. Los oxidadores térmicos catalíticos y regenerativos son más eficientes para reducir las emisiones de NOX.

Eficiencia de combustible

Los oxidadores térmicos regenerativos son los que ofrecen una mayor eficiencia en el uso de combustible, logrando recuperar hasta el 98% de energía térmica. Estos sistemas son realmente recomendables para para aplicaciones de bajas concentraciones y de altos caudales. Otra opción recomendable para obtener una buena eficiencia de combustible son los oxidadores térmicos catalíticos, ya que ofrecen alto rendimiento térmico si se adiciona un intercambiador de calor para precalentar el gas de proceso antes de que pase por el catalizador.

Los oxidadores térmicos regenerativos pueden ser utilizados para precalentar el gas de proceso y aumentar el rendimiento de combustible, así como, para recuperar calor y poder utilizarlo en otros procesos de una planta industrial.

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Oxidadores térmicos: Clasificación y pautas de selección by Ing. Bulmaro Noguera is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional License



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