007 central termica
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MQUINAS TRMICAS I CENTRALES TRMICAS
1
COMPONENTES DE UNA CENTRAL TRMICA CONVENCIONAL
INTRODUCCIN
En todos los clculos relativos al ciclo de Rankine siempre aparece un flujo de
calor qc
hacia la caldera. En las centrales trmicas convencionales(a diferenciade lo que ocurre en las plantas nucleares) esta energa se extrae de la corriente
de productos de combustin calientes que resulta al quemar una mezcla de
combustible y aire. El combustible puede ser gas natural, petrleo, carbn o
lea, segn la disponibilidad. El gas natural no puede ser transportado con
facilidad desde los pozos a los centros de consumo. El petrleo, por su parte, es
ms caro (al menos en Paraguay) que la lea. Por razones econmicas, la
mayora de las centrales trmicas utiliza carbn mineralcomo combustible.
Haremos una descripcin de los diversos componentes de una tpica centraltrmica a carbn, (hacemos la salvedad que no cambia sustancialmente losdems componentes de la central si se quema otro combustible).
Para ello nos ayudaremos con el diagrama tecnolgico simplificado que semuestra en la
Fig. 1
.
Fig. 1
: Diagramatecnolgico simplificado delos componentes de una
central trmica conrecalentamiento y
regeneracin.
DESCRIPCIN
Sistema de generacin de vapor:
El elemento 1 es una tolva de acumulacin de carbn, 2 es un molino queproduce carbn pulverizado y 3es un ventilador que aspira la mezcla de carbn
en polvo y aire primario, para enviarla a los quemadores, 4. La mezcla de aireprimario y carbn pulverizado se enciende y se quema parcialmente a la salida
del quemador. La combustin se completa en la caldera mediante un flujo de airesecundario, que proviene del ventilador, 32. El conjunto de tolvas, 5, recoge laceniza que cae a la parte inferior de la caldera o que es arrastrada junto con los
productos de combustin gaseosos.
En este tipo de centrales las calderas poseen un domo superior, 6, suspendidosobre la cmara de combustin, donde se separan,
7, el vapor y el lquido.Este aparato es un tambor cilndrico con extremos hemisfricos desde donde el
vapor saturadose extrae por la parte superior. El agua lquida es conducida porel tubo descendente,
8
, (downcomer) hacia los domos inferiores,10
, tambin
llamados domos de barro, desde donde salen los tubos ascendentes,9
,
(risers) que conectan nuevamente con el domo superior. Los tubos
ascendentes forman la pared de la caldera, y, puesto que van casi pegados uno
junto al otro, estas calderas son tipo paredes de agua. En los tubosascendentes tiene lugar el cambio de fase. El calor se transmite desde los gases
incandescentes hacia los tubos de agua principalmente mediante el mecanismo
de radiacin. El tubo descendente, en cambio, no est calefaccionado.
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Fig. 2: Diagrama delcircuito de circulacin
natural.
En el tipo de calderas que se muestra en la Fig 1, la circulacin del fluido se
efecta por conveccin natural, muchas veces sin necesidad de bombas. Esto esposible por el efecto chimenea, tambin llamado termosifn, que resulta de ladiferencia de densidad entre el lquido del tubo descendente y la mezcla agua-
vapor de los tubos ascendentes.
Veamos este aspecto en mayor detalle, en la Fig 2se ha modelado el conjunto
de domos, superior e inferior, el tubo descendente y uno de los tubosascendentes, a fin de mostrar el principio de funcionamiento del circuito de
circulacin naturalen la caldera de esta central trmica.
El vapor saturado que sale del domo superiorpasa por el sobrecalentador, 11,donde aumenta su temperatura (pero no su presin) debido a la transferencia de
calor desde los gases de combustin, todava muy calientes.
Sistema de generacin de en erga mecnica y elctrica:
El vapor sobrecalentado entra a la turbina de alta presin, 14. La descargaretorna a la caldera para su recalentamiento, en 12, para ingresar
posteriormente a laturbina de presin media, 15, e inmediatamente a la turbinade baja presin, 16. Las tres turbinas tienen en este caso un eje comn. Nteselas extracciones a los calentadores. El elemento
17
es el alternador donde segenera electricidad.
Sistema de recuperacin de condensado y alimentacin de la caldera:
Al salir de las turbinas, el vapor, a muy baja presin, debe condensarse. Esto
tiene lugar en el condensador18. Obsrvese que la condensacin ocurre debido aque el vapor entra en contacto con los tubos enfriados con agua del circuitosecundario. El agua de refrigeracin es aspirada desde un lago, ro o mar, 28, porla bomba de agua de refrigeracin, 29, saliendo a mayor temperatura por 30,despus de haber atravesado el condensador. Como el condensador trabaja en
vaco, se producen infiltraciones de aire, el cual debe ser removido mediante el
eyector, 20.
El condensado se recoge en el pozo, 19, y es enviado por la bomba, 21, al primercalentador, 23. En seguida la bomba principal, 24, impulsa al lquido de retorno ala caldera despus de hacerlo pasar por el segundo calentador, 25. Para nocomplicar esta figura, no se han dibujado las lneas de drenaje de los
calentadores.
El intercambiador, 27, se denomina economizador. Su funcin es precalentar elagua de alimentacin, recuperando parte de la entalpa que todava poseen los
productos de combustin.
Sistema de Aspiracin de aire y evacuacin de los gases
El aire necesario para la combustin es aspirado, en31
, por un ventiladorde tiroforzado, 32. Este aire se precalienta en el intercambiador rotatorio, 33, queaprovecha el calor residual de los productos de combustin. Los productos,
despus de pasar por este intercambiador, son conducidos a los precipitadoreselectrostticos, 34, cuya funcin es retener las cenizas. Finalmente, el ventiladorde tiro inducido, 35enva los productos a la chimenea, 36.
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ASPECTOS E IMPACTOS AMBIENTALES DE LAS CENTRALES TRMICAS
Descripcin del mbito de actividad
Lascentrales trmicas
son instalaciones que hacen posible unatransformacin de portadores energticos
en
corriente elctrica
o encorriente y calor til.
Eltipo de central
se define en funcin delportador energtico
utilizado
y laenerga til producida.
Los portadores energticospueden ser:
Combustibles fsiles como carbn, derivados del petrleo o gas natural
Materias residuales y desechos, como la basura domstica e industrial y los aceites residuales
Energa nuclear.
Pueden disearse centrales trmicaspara diferentes tipos de combustible a fin de diversificar el material de
carga u obtener un mayor rendimiento, como en el caso de las centrales combinadas, con turbina de gas
natural y turbina de vapor (generacin de vapor con aceite o carbn).
Lascentrales nucleares,
al igual que lasfuentes de energa renovables
(por ejemplo, madera u otra
biomasa) no se contemplan aqu, pues son tema de uncaptulo propio.
Lascentrales hidroelctricas,
por su
parte,
se describen en elcaptulo 'Grandes construcciones hidrulicas'.
El anlisis de este captulo se dirige
ms bien acentrales trmicas que generan electricidad a partir de combustibles fsiles,
en especial carbn y
derivados del petrleo, por ser stas las ms importantes actualmente y en el futuro prximo en la mayora
de los pases en desarrollo.
Clasificacin de centrales trmicas segn la clase de energa producida:
Centrales de condensacin con produccin exclusiva de electricidad
Centrales de calefaccin con produccin exclusiva de vapor o de agua caliente para fines de calefaccin privados
o industriales
Centrales de calefaccin con produccin adicional de corriente elctrica.
Por razones econmicas, la produccin de calor para calefaccin o procesos industriales debe realizarse
cerca del consumidor,
siendo racionalesdistancias mximas de 2 a 5km
en el caso de un rendimiento
trmico entre 50 y 100MW. Lacorriente elctrica,
en cambio,puede transportarse econmicamente a
distancias mucho mayores
.
El tamao de lascentrales trmicas que consumen combustibles fsiles
va desdevarios cientos de kW
(centrales diesel) hastams de 1.000 MW
(centrales de petrleo y de hulla). Enmuchos pases,
los tamaos
unitarios se limitan a200 300 MW,
ya sea para garantizar laestabilidad de la red
o por laescasa
disponibilidad de equipos
.Condiciones mejores
permiten instalarunidades de mayor capacidad
.
Impacto ambiental y medidas de proteccin
Elimpacto ambiental
que proviene de unacentral trmica
depende de las caractersticas de sta y de su
emplazamiento.
En las centrales trmicas aqu consideradas tal impacto puede aparecer en diferentes
lugares. A continuacin se resean loscomponentes principales
que puede tener una central trmica:
Instalaciones para la preparacin y almacenamiento del material de cargaInstalaciones para el quemado de combustibles y generacin de vapor
Instalaciones para la produccin de energa elctrica y de calor til
Instalaciones para el tratamiento de gases de escape y de materias residuales slidas y lquidas
Instalaciones de enfriamiento.
Latabla siguiente
presenta lostipos de emisin
que pueden producirse en las distintasfases de proceso:
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Tabla 1:Emisiones potenciales de las centrales trmicas
Fases de proceso
Tipo de emisin Almacenamientoy preparacin del
combustible
Combustin y
generacin de
vapor
Depuracin del gas
de combustin
Generacin de
corriente elctrica
Instalaciones de
enfriamiento
Tratamiento
de materias
residuales
Polvo* * * *
Gases contaminantes* *
Agua residual* * * * *
Materia residual
slida* * *
Calor residual* * *
Ruido* * * * * *
Contaminantes de
aguas subterrneas*
Como se deduce de la tabla, las centrales trmicas pueden influir sobre los mediosaire, agua
ysuelo,
as
como sobreel ser humano, los animales, las plantas y el paisaje.
La disposicin final de residuosoriginados, por ejemplo, en centrales de petrleo y de carbn, se trata en el
apartado correspondiente.
Losefectos ambientales
de una central trmica provienen delproceso de combustin,
as como de las
emisiones de polvo y gases contaminantes. En general losefectos ambientales
-por ejemplo, emisiones
contaminantes, ocupacin de espacio por la central y volumen de residuos - aumentan en el orden siguiente:
gas,
fuel oil
ligero,
fuel oil
pesado y combustin de carbn.
Antes de explicar el impacto ambiental de los respectivos combustibles y las posibles medidas de proteccin,
se harn algunas observaciones bsicas. La parte principal de este captulo informa sobre los efectos
ambientales y las medidas de proteccin; los anexos, por su parte, proveen informacin detallada
relacionada especialmente conmedidas tcnicas.
Dentro losefectos ambientales
causados por el funcionamiento de una central trmica se distingue en
algunos pases entreemisin,
-es decir,expulsin al medio ambiente de contaminantes
desde diversas
partes de la instalacin, sobre todo la chimenea- e inmisin,o incidencia de los contaminantes en el medio
ambiente,que generalmente se mide a nivel del suelo. Las designaciones inglesas ground level concentrationy ambient air quality concentration son en este caso ms expresivas que la palabra inmisin. Emisin einmisin se condicionan mutuamente
a travs de distintos factores,
como lo son lascaractersticas tcnicas
de la instalacin(altura de la emisin, velocidad de salida del gas de escape, temperatura), las condiciones
meteorolgicas (situacin del tiempo, velocidad del viento) y la distancia (entre el emisor y el punto de
medicin de la inmisin). Al construir centrales trmicas nuevas,an pueden variarse los parmetrosde la
primera y ltima categora
(por ejemplo, altura de chimenea y distancia a la zona habitada). En las
instalaciones antiguas,
en cambio, slo se puedenvariar
los de laprimera categora
citada. Segn la ley de
conservacin de la masa, casi todos los contaminantes emitidos (a excepcin del CO2) acaban por caer otra
vez a la superficie de la tierra, aunque su rea de dispersin aumenta en funcin de la altura de la chimenea,la velocidad de salida del gas y la intensidad del viento. Sobre todo el
aumento de la altura de la chimenea
es unamedida tcnica relativamente sencilla
parareducir
lainmisin
en una zona considerada. Sin embargo,
como laemisin
sedistribuye
entonces sobre unasuperficie mayor,
hay quecomprobar
hasta qu punto
esta medidaaumenta de forma inadmisible los efectos ambientales fuera de la zona considerada.
Las medidas destinadas a reducir los efectos ambientales de una central trmica pueden agruparse en las
siguientescategoras:
Cambio de las condiciones bsicas
Medidas de proteccin no tcnicas
Medidas de proteccin tcnicas
Laescala de prioridades
en la aplicacin demedidas de proteccin
se define en funcin del principio deevitar
o reducir las emisiones antes de recurrir a tratamientos secundarios;
es decir, deben tomarse todas las
medidas primarias
factibles para evitar o minimizar la expulsin de contaminantes antes de recurrir a
tratamientos complementarios.
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Es importante en este contexto lograr unalto grado de eficiencia en las centrales
a fin de reducir las
emisiones,
por ejemplo, mediante la construccin decentrales combinadas
o mediante elsuministro
simultneo de electricidad y calor.
Elaumento de la eficiencia
es tambin lamedida ms importante para reducir las emisiones de CO
2
,
lo cual
es importante para disminuir el efecto invernadero.
Dentro delimpacto ambiental
hay que distinguir entreefectos directos,
producidos por las emisiones
contaminantes en s, yefectos indirectos,
como los que se producen al transferir la contaminacinatmosfrica primaria a las
aguas
(evacuacin de aguas residuales no tratadas procedentes del lavado de
gases), al explotar piedra caliza para la desulfuracin y al transportar la piedra caliza desde el lugar de
explotacin hasta la central trmica (gases de escape de los camiones). Adems pueden surgir otros
problemas asociados,como la necesidad de eliminar el yesoproducido al desulfurar el gas de combustin.
A continuacin se explican losefectos ambientales
yposibles medidas de proteccin
para los mbitos antes
discutidos.
Aire
En el caso de una central trmica el aire recibe la mayor parte de la contaminacin directa, en forma de
emisiones de polvoy gases contaminantes.
Posteriormente, elpolvo emitido
y lamayor parte de los gases contaminantes
y productos de transformacin
atmosfricos (por ejemplo, NO2y nitratos procedentes de las emisiones de NO)vuelven a la tierra
a travsdeprecipitaciones
ydeposicin seca;
ello constituye unacarga contaminante para el agua y el suelo
que
puedeperjudicar a la vegetacin y a la fauna.
Dependiendo del combustible utilizado en la central (clase, composicin, poder calorfico) y de la tcnica de
combustin
(por ejemplo en seco o en fusin), los gases de escape pueden llevardiferentes cantidades de
contaminantes
(polvo, metales pesados, SOx, NOx, CO, CO2, HCl, HF, compuestos orgnicos). En la siguiente
tabla se resumen los posibles niveles de emisin con distintos combustibles, sin medidas de depuracin del
humo.
Tabla 2: Concentraciones de contaminantes masivos en el humo sin tratar
Clase de combustible
Clases de emisin Gas natural Fuel oil ligero Fuel oil pesado Hulla Lignito
xidos de azufre (SOx)
mg/m (c.n.)*20-50 300-2.000 1.000-10.000 500-800 500-18.000
Oxidos de nitrgeno (NOx)
mg/m
(c.n.)100-1.000 200-1.000 400-1.200 600-2.000 300-800
Polvo
mg/m
(c.n.)
0-30 30-100 50-1.000 3.000-40.000 3.000-50.000
*c.n. = en condiciones normales
Lasgamas de valores
indicadas en la tabla 2 se obtienen, en el caso de losxidos de azufre,
de lasdistintas
concentraciones de azufre en los combustibles utilizados,
que en muchos pases suelen sercombustibles
nacionales
como ellignito,
debajo poder calorfico
yalto contenido en azufre.
Lacombinacin de un gran
potencial contaminante
y de unbajo poder calorfico
da lugar aconcentraciones relativamente altas de SO
x
en el gas sin tratar.
Slo una pequea parte de las concentraciones de NOx
proviene del nitrgeno contenido en el combustible
(NOxde combustible); la mayor parte proviene de la oxidacin del nitrgeno atmosfrico a temperaturas de
combustin superiores a 1.200C
(NOx trmico). Es decir, la combustin a temperaturas altas produce
emisiones de NO
x
relativamente importantes. La adopcin de medidas primarias destinadas a optimizar la
combustin -que pueden ser integradas en una instalacin nuevaa un costo relativamente bajo,permiten
conseguir los valores inferiores de la gama citados en la tabla. Sin embargo, hay que evitar que las medidas
primarias
destinadas areducir el NO
x
aumenten en forma desproporcionadaotras emisiones
, tales como el
monxido de carbono y los hidrocarburos sin quemar.
Lalimitacin del CO
se realiza generalmente con el fin de lograr que la combustin sea completa, reduciendo
as las emisiones de este gas y la expulsin de hidrocarburos sin quemar. A diferencia del polvo, SO 2, NOxy
los compuestos halogenados, el CO y loshidrocarburos sin quemar son casi imposibles de retener en las
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nmero de sustancias qumicas, algunas de ellas altamente txicas,como el benzopireno.
En lacombustin de carbn y de
fuel oil
pesado
se emiten tambinpequeas cantidades de cloruro y
fluoruro de hidrgeno
(HCl y HF), en concentraciones de 50-300 mg/m (en condiciones normales [c.n.]).
Estasconcentraciones
son generalmentemuy inferiores a las de SO
2
yson reducidas conjuntamente con
stas
-incluso en mayor grado que el S2- en el proceso de desulfuracin.
Para lareduccin de las emisiones atmosfricas de centrales trmicas
se dispone de ungran nmero
de
medidas primarias y secundarias.
A continuacin se describen brevemente las diversas medidas empleadas
para reducir las emisiones.
Eliminacin de polvo
En las centrales elctricas la eliminacin de polvo puede realizarse mediante ciclones sencillos, ciclones
mltiples, precipitadores electrostticos y filtros textiles. La tcnica a utilizar depende del grado de
separacin
requerido, pudindose alcanzar valores del 60% - 70% en los ciclones y de ms del 99% en los
precipitadores electrostticos
yfiltros textiles.
El costo de estas tecnologasaumenta
desproporcionadamente a mayor grado de despolvoracin.
En losprecipitadores electrostticos
elgrado de
separacin
mejora con elnmero de campos conectados sucesivamente.
Con estos filtros y con los filtros
textiles se obtienenemisiones residuales menores de 50 y 30 mg/m (en condiciones normales [c.n.]),
respectivamente.
Uninconveniente de los ciclones
es que separan principalmente lasfracciones de polvo
grueso,
dejandofracciones respirables de polvo fino
,toxicolgicamente crticas.
Losfiltros textiles
son muy
tiles
para laseparacin de polvos finos con contenido en metales pesados.
Losgastos de inversin
para la
eliminacin de polvo en los gases de combustin
dependen de diversos factores, tales como eltipo de
combustible
y elgrado de purificacin
necesario, as como de latcnica
utilizada. En el caso decombustibles
con alto contenido en cenizas,
laeliminacin del polvo de los gases de combustin suele presentar
problemas.
Comoproblema posterior
surge lagestin de las masas de polvo voltil separadas,
que han de
aprovecharse,
por ejemplo, en la industria de materiales de construccin, o ser llevadas a disposicin final.
Dependiendo de lanaturaleza del polvo voltil,
pueden requerirsemateriales suplementarios
paracompactar
el producto depositado, a fin de evitar una posiblecontaminacin de las aguas subterrneas
con productos
de lixiviacin.
Desulfuracin
Para lareduccin de las emisiones de SO
x
procedentes de las centrales trmicas pueden adoptarsemedidas
primarias
(uso de combustibles pobres en azufre, desulfuracin directa en la cmara de combustin,inyeccin de aditivos secos), o
medidas secundarias,
como eliminacin del SOxdel gas de combustin.
Loscombustibles pobres en azufre
en muchos casos no se utilizanpor motivos econmicos.
Encada caso
debe examinarse quconcepcin tcnica
genera losgastos generales ms bajos.
Por ejemplo, aunque eluso
de un combustible pobre en azufre aumenta los gastos de explotacin,
tambinreduce los gastos de
inversin y explotacin requeridos para la desulfuracin,
y con ello losgastos totales
de la central trmica en
cuestin. Junto a estas reflexiones hay que considerar tambinotros factores,
como la conveniencia deusar
combustibles localmente disponibles para asegurar el suministro.
Los derivados del petrleo con contenido en azufre se prestan, al igual que los combustibles slidos, a la
aplicacin de medidas primarias y secundarias. Las medidas primarias permiten eliminar el azufre del
combustible (por ejemplo del gasleo de vaco o de aceites residuales obtenidos por destilacin atmosfrica o
al vaco). La desulfuracin de estos productos se realiza generalmente mediantehidrogenacin
. Sin embargo,
esteprocedimiento
slo resultaeconmico en gran escala,
por lo quese reserva a las refineras de petrleo.
En la
central trmica,
aparte deelegir un producto petrolfero pobre en azufre
y demezclar distintos
combustibles,
se pueden reducir lasemisiones de SO
x
mediante ladesulfuracin de humos.
En el caso delcarbn,
dadas las grandesvariaciones de composicin
que se observan incluso en los
yacimientos de un mismo pas,
resulta convenientemezclar y/o homogeneizar los combustibles disponibles,
evitando as la presencia ocasional de altas concentraciones de azufre cuya eliminacin habra de preverse en
el sistema de desulfuracin. Dado lo anterior, ser importante llevar a cabo un anlisis cuidadoso del
combustible
(procedente, por ejemplo, de distintos yacimientos) para conocer su poder calorfico y su
contenido en agua, cenizas y azufre. Tambin debe considerarse elpotencial de autodesulfuracin
que
ofrecen loscompuestos clcicos
presentes en el carbn.
En algunos casos, elazufre del carbn
puede eliminarse de antemano, junto con otroscomponentes inertes,
durante la concentracin del mineral en la mina subterrnea o explotacin a cielo abierto, siendo preferibles
en este caso losprocedimientos en hmedo.
De esta manera, dependiendo deltipo de carbn
y de la forma
deenlazamiento qumico del azufre,
se puedereducir la concentracin de azufre
en un5 hasta un 80 ,
sobre todo si se trata de hulla. Mientras que el azufre enlazado orgnicamente no se puede extraer con
procesos mecnicos de concentracin, el azufre sulfuroso (generalmente en forma de pirita FeS2
) s se
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pueden ser separados por trituracin.
Ladesulfuracin directa en el hogar
se aplica a loscombustibles slidos
mediante sucombustin en lecho
fluidizado,
consiguindose grados de desulfuracin del 80 hasta el 90 %. Lainyeccin de aditivos secos
durante la combustin
permite un grado de desulfuracin deentre 60 y 80
.
En ladesulfuracin de los gases de combustin
se alcanzanrendimientos de separacin del SO
2
de 90 - 95
.
Dado que lasinstalaciones de desulfuracin de gases de combustin
originangastos de inversin y
explotacin relativamente elevados,
encasos aislados
puede ser conveniente llevar a cabo unadesulfuracin
en flujo parcial;
en este caso, slo unaparte de los gases
pasa por lainstalacin de desulfuracin
mientras
que losgases sin desulfurar
se usan paracalentar los gases depurados.
Las instalaciones de desulfuracin de los gases de combustinson, de las posibilidades descritas, las ms
gravosas,tanto por los costos como por el tamao de la construccin. En cada caso particularhay que ver
cmo se puedenintegrar estas instalaciones en el espacio disponible
, sobre todo en el caso decentrales
existentes.
Si se comparan entre s las medidas primarias y secundarias descritas para la desulfuracin, las primeras
presentan los grados de desulfuracin menores,pero son, en cambio, ms econmicasy por regla general se
pueden adaptar posteriormente a instalaciones existentes.Ese no es el caso del sistema de combustin en
lecho fluidizado
, queslo es realizable en instalaciones nuevas
(la capacidad mxima de las instalaciones a
gran escala construidas hasta ahora es de 150 MWel).
En todos losprocedimientos de desulfuracin
se da, lo mismo que en la eliminacin del polvo, elproblema
posterior
de lautilizacin
odisposicin final de los residuos
y, en su caso, delagua residual
producida
durante la explotacin de la instalacin.
Para ladesulfuracin,
losgastos de inversin
se mantienen, dependiendo del tamao de la instalacin, tipo
de procedimiento, rendimiento de separacin, etc., dentro de un margen relativamente amplio.
Loscostos
ms bajos
se originan en el uso deaditivos secos
y losms altos
en elprocedimiento regenerativo con
obtencin de compuestos de azufre.
Los diferentesprocedimientos de desulfuracin separan
tambincompuestos halogenados
como HCl y HF,
logrndose ungrado de eliminacin
incluso mayor que el de loscompuestos sulfurados.
Desnitrogenacin
Para ladesnitrogenacin
se aplicanmedidas primarias y secundarias.
Como en el caso del azufre, laeleccin
del combustible influye
sobre las emisiones nitrogenadas. Sin embargo, laseparacin de NO
x
es ms
complicada que la transformacin del azufre del combustible en SO
2
. Lasmedidas primarias
sirven para
reducir la velocidad de formacin del NOx
durante el proceso de combustin.El objetivo esencial en este
caso es disminuir la temperatura mxima de llama. Para tal fin se pueden adoptar tanto medidas
constructivas,por ejemplo, diseo de la cmara de combustin, disposicin y estructura de los mecheros,
graduacin del aire, reduccin del exceso de aire, como tambinmedidas operativas,
por ejemplo,
disminucin de la temperatura de precalentamiento del aire o uso de combustibles pobres en nitrgeno.
Lasmedidas secundarias
se ocupan de ladisminucin de las emisiones de NO
x
en el gas de combustin.
Para ello se han creadodiversos procedimientos
que permiten unaeliminacin exclusiva de NO
x
o una
separacin conjunta de SO
x
y NO
x
.
Elnico procedimiento
que hasta hoy se haimpuesto en instalaciones a gran escala es la reduccin cataltica
selectiva de NO
x
(procedimiento SCR).
Para lareduccin
se utilizaamonaco,
que reacciona con el NOxenpresencia del catalizador para formar agua y nitrgeno. Por ello este
procedimiento no produce residuos
sujetos a disposicin final como ocurre en el caso de la eliminacin de polvo o la desulfuracin. El
procedimiento SCR
requiere unos300 - 400C
y puede efectuarse, de acuerdo con las condiciones locales, en
laparte del gas crudo,
por ejemplo, delante del precalentador de aire, o bien en laparte del gas purificado,
despus de la instalacin de desulfuracin.
Con procedimientos SCRse alcanzan grados de separacin del NOx
de 80 90 , aproximadamente.
Otro concepto,
particularmente adecuado paragrados de separacin bajos de hasta cerca del 60 ,
lo
constituye elprocedimiento SNCR (reduccin selectiva no cataltica)
. En este procedimiento la reduccin de
NOxse realiza inyectando amonaco en la instalacin a una temperatura de unos 1.000C.
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Efecto invernadero
Algunos de los llamadosoligogases antropgenos
como eldixido de carbono
(CO2), metano (CH4),
clorofluorocarbonos (CFC)
,ozono troposfrico
(O3) y dixido de nitrgeno (N2O) revisten una gran
importancia para el llamadoefecto invernadero (calentamiento de la atmsfera terrestre a largo plazo).
El
orden de mencin corresponde tambin a la importancia de estos gases, cuya contribucin especfica al
efecto invernadero
vara considerablemente. As, por ejemplo, aunque elmetano
tiene un efecto unas 21
veces mayor que el CO2, su produccin total es bastante menor a escala mundial, ya que el CO2se generacomo producto final de cualquier quemado de combustibles que contengan carbono.
Lasmedidas de proteccin contra la emisin de CO
2
consisten, en primer lugar, en utilizarcentrales trmicas
altamente eficientes;
por ejemplo, las deproceso combinado y las que suministran simultneamente energa
y calor.
Otras medidas, como la reduccin del consumo de corriente elctrica y eluso de soportes energticos
renovables
(especialmente energa hidrulica) para la produccin de electricidad tienen igualmente gran
importancia,
pero en ningn caso permiten prescindir de laproduccin de electricidad en centrales trmicas
a partir de combustibles fsiles.
Emisiones difusas
Adems de las
emisiones
hasta ahora discutidas, procedentes ante todo de lachimenea,
lacentral trmica
emite contaminantes desde otros puntos.El almacenamiento, transporte y preparacin del combustible, por
ejemplo, dan lugar a emisiones importantes de polvo,las cuales se pueden reducir muy significativamente
con medidas adecuadas, por ejemplo mediantehumedecimiento
con agua oconfinamiento/encapsulamiento
de zonas crticas. Algo parecido ocurre en elalmacenamiento y transporte de derivados del petrleo
, donde
la instalacin dedispositivos apropiados en el tanque
y en losequipos de bombeo
permitereducir al mnimo
las fugas por evaporacin
ocaptarlas y devolverlas al sistema.
Efectos sobre las Aguas
Las centrales trmicas necesitan agua principalmente parafines de enfriamiento.
Generalmente, despus de
ser utilizada para la absorcin de calor(aumento de temperatura de unos 4 a 8 C) esta agua se devuelve al
lugar de toma.
En lascentrales con enfriamiento continuo la demanda de agua asciende a unos 160 - 220
m/hora y MWel
(con prdidas de agua generalmente inferiores al 2 %). En la generacin de electricidad sin
aprovechamiento del calorel agua de refrigeracin absorbe entre el 60 y el 80 de la energa aportada por
el combustible,
en forma decalor residual
. Estaproporcin disminuye
al utilizarcentrales ms eficientes,
por
ejemplo, con uso combinado de electricidad y calor. Dependiendo de las condiciones locales, elcalor residual
puede producir unacarga trmica de las aguas superficiales
(por ejemplo,aumento de temperatura
de un
ro), cuya magnitud depende de la conduccin y el caudal del curso receptor. En lospases tropicales,
las
aguas
estn sometidas a lo largo del ao avariaciones muy notables
, y el aumento de temperatura produce
rpidamente unaescasez de oxgeno
, causada en parte por elestmulo del metabolismo de los seres
vivientes
y en parte por lamenor disolucin de oxgeno en el agua ms caliente.
Estaescasez de oxgeno
puede provocarserios problemas
para losorganismos acuticos
.
Paraevitar el calentamiento excesivo de las aguas,
elagua de refrigeracin
se puedeenfriar en una torre de
refrigeracin
(de paso o recirculacin), antes de devolverla al ro. Sin embargo, dependiendo de las
condiciones climticas,
estesistema de refrigeracin
puede causargrandes prdidas de agua por
evaporacin,
que se emiten a la atmsfera en forma de vapor. Esto se podra evitar utilizandocircuitos de
refrigeracin cerrados
en combinacin contorres de refrigeracin en seco,
o al menos minimizar mediante
torres de refrigeracin hbridas.
Lastorres
detiro natural
requieren inversiones relativamente altas, pero en
cambio ahorran costos de explotacin, mientras que lastorres de tiro forzado
tienen el inconveniente de
necesitar para el funcionamiento energa elctrica, en cuya obtencin se producen cargas ecolgicas
adicionales.
Aparte del agua de refrigeracin
slo se requierenpequeas cantidades de agua
(aprox. 0,1-0,3 m/h y
MWel) parasustituir las prdidas del circuito de vapor, enfriar las cenizas
ydepurar el gas de combustin
(depuracin en solucin absorbente pulverizada o procesamiento en hmedo).
Las aguas residualesde centrales trmicas, sobre todo de las que usan carbn como combustible,pueden
contaminar las aguas superficiales
.
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Las centrales trmicas pueden producir los siguientestipos de aguas residuales:
Efluente regenerado procedente del tratamiento del agua complementaria y de la desalinizacin del agua de
condensacin;
Aguas procedentes del lavado de filtros utilizados para limpiar el agua de condensacin;
Aguas residuales procedentes de la carga de carbn y de su almacenamiento;
Aguas residuales especiales (por ejemplo, con contenido en cido, procedentes de la limpieza o conservacin de
tuberas/calderas);
Aguas residuales procedentes de la extraccin de cenizas en hmedo (equipos de descorificacin);
Aguas procedentes de calderas, turbinas y transformadores;
Aguas procedentes de las torres de refrigeracin (aguas de descarga y/o aguas de alimentacin suplementaria
depuradas)
Aguas residuales de la instalacin depuradora del gas de combustin.
Estas aguas residuales, producidas en cantidades muy variables segn el tipo de combustible y las
condiciones especficas de la instalacin (10 - 100 l/h y MWel), pueden estar contaminadas con materiales en
suspensin, sales, metales pesados, cidos, lcalis, amonaco o aceite.
El tratamiento de las aguas residuales puede realizarse con procedimientos fsicos, qumicos y trmicos.Para
una parte de las aguas residuales -procedentes, por ejemplo, dellavado de filtros y del rociado de carbn
almacenado-
suele bastar untratamiento fsico
(filtracin, sedimentacin, aireacin). Otras, en cambio,
requieren untratamiento qumico
(por ejemplo, floculacin, precipitacin, neutralizacin) y/otrmico
(evaporacin, desecacin).
Estas ltimas incluyen lasaguas residuales especiales,
las procedentes de la
regeneracin o tratamiento de aguas complementarias y condensados
y las que han sido utilizadas en la
depuracin de gases de combustin
.
Como ya se indic, algunosmtodos de desulfuracin
generanaguas residuales contaminadas,
provenientes
dellavado del gas de combustin.
La composicin de estas aguas residuales depende de diferentes factores,
tales como el combustible utilizado, las caractersticas del agua de proceso y la calidad de los aditivos.
Elagua residual procedente de la depuracin del gas de combustin
ha de someterse generalmente a un
tratamiento combinado qumico y fsico
(neutralizacin, floculacin, sedimentacin y filtracin),
destinado
ante todo aprecipitar los metales pesados
y a separar losslidos en suspensin
tales como el yeso.
En elmtodo de desulfuracin en hmedo
con produccin de yeso aprovechable, lacantidad de agua
residualdepende principalmente del contenido de cloruros en el carbny de la concentracin admisible de
cloruros
en ellquido de lavado.
En lascentrales de hulla,
lacantidad de agua residual procedente del
equipo de desulfuracin de humos
oscila entre20 y 50 l/h y MWel.
El cloruro clcico (CaCl2) contenido en el agua residual no se puede separar debido a su gran solubilidad, por
lo que constituye una emisin salina.
En caso de estar prohibida laevacuacin de cargas salinas
a las aguas, elagua residual del equipo de
desulfuracin de humos podr depurarse por evaporacin.
Lassales secas
provenientes de este proceso son
altamente solubles, por lo que han de someterse a unadisposicin racional
(por ejemplo, en depsitos de
residuos especiales subterrneos). Puesto que la evaporacin del agua residual supone, entre otras cosas, un
elevado consumo de energa,
debe comprobarse en estos casos si pueden aplicarseprocedimientos que no
generen agua residual
(procesamiento en seco, limpieza en solucin lquida pulverizada).
Adems de los efectos directos arriba citados, el aguapuede ser afectada tambin indirectamente por una
central trmica.
Cabe mencionar aqu el fenmeno de la 'lluvia cida',
producida por la reaccin qumica del
agua lluvia y otras precipitaciones naturales con los contaminantes atmosfricos emitidos por la central (SOx,
HCl, NOx).
Suelo y aguas subterrneas
Lascentrales trmicas
tienen efectos muy diversos sobre elsuelo
y lasaguas subterrneas.
Lacalidad del
suelo
puede empeorar debido a laprecipitacin de polvo,
sobre todoen las proximidades de la central,
siendo especialmente peligrosa lacontaminacin
ocasionada por losmetales pesados contenidos en el polvo.
Tambin pueden cambiar laspropiedades qumicas del suelo
debido a lasprecipitaciones cidas,
atribuibles
principalmente a la hidrogenacin de las sustancias SO2 y NOx; en condiciones desfavorables, las
precipitaciones cidas afectan tambin a lasaguas subterrneas y superficiales.
Lacontaminacin del suelo y
de las aguas subterrneas
no depende primordialmente de las concentraciones de polvo y de formadores de
cido en el gas de escape, sino ms bien de lasemisiones totales a lo largo del ao
(carga contaminante) yde las condiciones de difusin.Por tanto, a medida que aumenta el tamao de la central, hay que mejorar
tambin elgrado de eliminacin de las sustancias nocivas.
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por la fuga de sustancias contaminantes provenientes, ante todo, de deficiencias en la captacin y
depuracin de aguas residuales, fugas de aceite
ylquidos oleosos, almacenamiento inadecuado de aceite y
carbn
y disposicin dematerias residuales
.
Otros efectos
sobre elsuelo,
y ms an sobre lasaguas subterrneas,
provienen de losdepsitos de
residuos, que en las centrales constan principalmente de escorias, cenizas voltiles, residuos de la
desulfuracin de los gases de combustin y lodos procedentes del tratamiento del agua y de aguas
residuales.
Lacantidad
de estos residuos depende en parte delprocedimiento empleado,
siendo
especialmente elevada cuando se utilizancarbones de baja calidad.
Dependiendo de su composicin, lasescorias
ycenizas voltiles
podrnreutilizarse
(por ejemplo, como
agregado del cemento en la construccin de carreteras). Si no hay ningunaposibilidad de aprovechamiento,
estos materiales deben llevarse avertederos/depsitos apropiados
(por ejemplo, por encima del nivel
fretico).
Losresiduos
procedentes de ladesulfuracin del gas de combustin
dependen del procedimiento utilizado y
algunos de ellos pueden aprovecharse (por ejemplo, elyeso).
Lacantidad de residuos
depende delcontenido
de azufre y del poder calorfico del combustible,
as como delgrado de desulfuracin
y de losaditivos
que se
utilicen. Antes de escoger elmtodo de desulfuracin,
conviene saber si existe en el pas unademanda
comercial del residuo
que se produce obligatoriamente a raz del procedimiento. A estos fines conviene
realizar un minuciosoestudio de mercado
en el lugar de emplazamiento y tomar contacto con empresas
locales. Debe estudiarse si losresiduos
sonaprovechables
(por ejemplo, en la industria de materiales de
construccin) y, de lo contrario, si se puedendepositar sin perjuicios
y bajo qu condiciones.
Como ejemplo del volumen de residuosgenerado en la desulfuracin del gas de combustin,se presentan a
continuacin los valores para dos clases de carbn diferentes y para fuel oilpesado:
Tabla 3: Volumen de residuos generado en la desulfuracin del gas de combustin
Hulla Lignito Fuel oil pesado
Poder calorfico (kJ/kg) 28.000 10.000 40.000
Contenido en azufre (% en peso) 2,0 2,0 2,0
Grado de desulfuracin (%) 85 85 85
SOxen el gas sin depurar (kg/MWelh) 14 38 9,5
(mg/m [c.n.*]) 4.000 8.600 2.850
SOxen el gas depurado (kg/MWelh) 2,1 5,7 1,4
(mg/m[c.n.]) 600 1.300 427
Cantidad de residuo (kg/MWel) (vara segn el mtodo) Hulla Lignito Fuel oil pesado
Yeso 32 87 22
Sulfitos y sulfatos 36 97 24
Azufre 6 16 4
Acido sulfrico 18 50 12
* c.n. = en condiciones normales
Cuando hay queeliminar productos de desulfuracin
(yeso o mezcla de sulfitos y sulfatos) ycenizas voltiles
se recomienda mezclar los dos productos antes de depositarlos. Las cenizas voltiles y los productos de
desulfuracin pueden as iniciar juntos unproceso de endurecimiento
que produzca unaestabilizacin
y
disminucin de la lixiviabilidad de los componentes solubles en agua
.
En lastcnicas de desulfuracin con productos finales aprovechables
se produce, en eltratamiento del agua
residual,un lodo con alto contenido en metales pesados.Este lodo debe llevarse a un vertedero/depsito
especial.
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Efectos sobre el Ser humano
El perjuicio al ser humano ocasionado por las centrales trmicas puede ser directo (accin de los gases
contaminantes sobre el organismo), o indirecto (cadena alimentaria y alteraciones del medio ambiente).
Sobre todo los gases contaminantes como SO2 y NOx, emitidos en conjunto con polvos finos en
concentraciones muy altas, pueden producir afecciones de los rganos respiratorios. Perjuicios a la salud por
el SO2 y el NOx pueden producirse incluso por debajo de los valores prescritos en el reglamento alemn
relativo al smog,siendo decisiva la duracin de la exposicin. Los problemas sanitarios incluyen tambin laingestin, por el ser humano, de metales pesados nocivos (por ejemplo, plomo, mercurio, cadmio) a travs
de la cadena alimentaria (agua potable y productos vegetales y animales). La salud humana tambin puede
verse afectada por eventuales cambios climticos, producidos, por ejemplo, por el calentamiento y la
acidificacin de las aguas superficiales, la desaparicin de los bosques debido a la lluvia cida, o el efecto
invernadero ocasionado por la accin a largo plazo de oligogases como el CO 2. Tambin son relevantes los
efectos que pueden tener los cambios climticos sobre la agricultura y la selvicultura (y por tanto tambin
sobre las costumbres y el nivel de ingresos de la poblacin), pudindose mencionar especialmente el
desplazamiento en gran escala de zonas de cultivo y la reduccin del rendimiento agrcola. En vista de las
repercusiones socioeconmicas y socioculturales que conlleva la construccin y operacin de una central
trmica, conviene incluir estudios preliminares adecuados en la fase de proyeccin. En este contexto, ser
necesario estudiar las consecuencias especficas para cada sexo y prever servicios mdicos para la zona del
proyecto. Una participacin amplia y oportuna de los grupos de poblacin afectados en el proceso de
planificacin y decisin contribuye a prevenir o a reducir los conflictos.
Un tipo de emisin especial de las centrales trmicas lo constituye elruido,
que acta directamente sobre el
ser humano y los animales. Lasfuentes de ruido
importantes en una central trmica son:
Salida de chimenea, cintas transportadoras, ventiladores, motores, canales de gas de combustin, tuberas y
turbinas.
En toda central trmica, una parte delpersonal
est sometida aruido molesto,
a vecesde gran intensidad
.
Existendiversas medidas
para eliminar losruidos molestos
oreducirlos a un nivel soportable,
debiendo
darse especial prioridad a la proteccin del personal de la central.Por una parte, se tratar de instalar la
central a una distancia suficiente de las zonas habitadas. Por otra, a la hora de planificar y construir la
centraldebern preverse todas las medidas necesarias para disminuir el ruidoen cada fuente sonora.
Para este objetivo son recomendables, sobre todo,
losdispositivos de insonorizacin
destinados a reducir el
ruido producido por la corriente de fluidos, as como los elementos deencapsulamiento de mquinas
que
reducen el ruido propagado por el aire y las estructuras slidas. Otra medida para la reduccin simultnea de
los niveles de emisin e inmisin es elconfinamiento,
que tambin tiene aplicacin preferente en el sector de
centrales trmicas por motivos de proteccin contra la intemperie.
Efectos sobre el Paisaje
Para laconstruccin de una central elctrica
se necesitangrandes superficies de terreno,
las cuales suelen
ser mucho mayores en las centrales de carbnque en las de gas o de petrleo.
Elpaisaje es afectado
tambin por la construccin de lasvas de transporte
necesarias para el suministro de
medios de explotacin y para la gestin de residuos. Lasactividades extractivas
(extraccin decarbn
para
lacombustin
o depiedra caliza
para ladesulfuracin)
pueden incidir de forma importante en elpaisaje,
al
igual que ladisposicin de residuos no aprovechables
. En lagestin de residuos
debe intentarse primero el
relleno de terrenos
(por ejemplo, de explotaciones de carbn a cielo abierto agotados) o elsecado de
terrenos costeros
(land reclaiming), con lo que se evita la construccin de vertederos separadosy se da unuso racional
a losresiduos.
Desde el punto de vista ecolgico, las sustancias inertes son las ms favorables,
por lo que conviene escoger productos que generen residuos con estas propiedades o someter los residuos a
tratamiento previo, a fin de lograr, por ejemplo, una lixiviabilidad escasa.Adems, hay que estudiarhasta
qu punto se requieren medidas de impermeabilizacin del terreno, drenaje controlado y tratamiento del
agua de infiltracin,
para impedir la contaminacin deaguas subterrneas
ocosteras
por la entrada de
metales pesados solubles
yotras sustancias
procedentes de los residuos.
Finalmente, cabe mencionar que lasinmisiones contaminantes
pueden producir undeterioro de bosques,
lagos
yros,
que alargo plazo
acarreengraves alteraciones del paisaje.
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