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Proyecto Plasma no térmico

Proyecto Plasma no térmico

“El plasma no térmico constituye una tecnología emergente cuya eficacia ha sido documentada. Diferentes investigaciones han demostrado la aplicabilidad de la tecnología de plasma no térmico para la eliminación de diferentes tipos de compuestos entre los que destacan: COV’s, olores, materiales orgánicos como CFC y PFC, y los gases de combustión (como NOx y SOx) y reducción de partículas.

Básicamente la técnica consiste en la creación de un medio ionizado mediante el establecimiento de un campo eléctrico impulsado a través de los gases que deben tratarse.

Un plasma no térmico es un gas parcialmente ionizado en el cual la energía de los electrones es considerablemente mayor que la de los iones y las moléculas del gas, de tal forma que el gas se encuentra a temperatura y presión ambiente.

Las técnicas utilizadas para la generación de plasmas no térmicos se pueden clasificar en haz de electrones o en descargas eléctricas. En el caso del haz de electrones la generación de electrones altamente energéticos se realiza fuera del gas a tratar mientras que en el caso de los sistemas de descargas pulsadas esta generación se realiza directamente en el interior del gas a tratar, lo que supone una clara ventaja en el diseño del equipo.

Una vez formados los electrones son acelerados hacia mayores energías y pueden colisionar con las moléculas del medio, liberando más electrones en el proceso. Estas avalanchas de electrones son las denominadas descargas corona.

En comparación con el plasma térmico, en el cual la temperatura de los iones y de los electrones es igual, la temperatura de los electrones en el plasma frío es mucho más alta que la de los iones. Puesto que los iones y las partículas sin carga no se calientan tanto como los electrones, a este plasma se denomina “frío” o “no térmico”.

Los contaminantes a tratar incluyen:

• Eliminación de COV’s

• Eliminación de olores

• Eliminación de materia orgánica en general

• Eliminación de NOx y SOx

• Reducción de partículas.

Actualmente la empresa está desarrollando un proyecto con el que se pretende ensayar la viabilidad de la utilización del plasma frío o plasma no térmico para el tratamiento y depuración de gases de combustión.

El proyecto se inscribe, de nuevo, en la constante preocupación por parte “Talleres Movigi, S.L.”, en el ámbito de la constante mejora de las BAT’s (O Mejores Técnicas Disponibles) para el tratamiento y depuración de gases contaminantes. Técnicas apoyadas, además, en una filosofía de conseguir un ahorro energético y una valorización, energética y de los residuos recogidos en el proceso de depuración.

En cuanto a las emisiones de NOx, siguen aumentado (llegando a alcanzar en Europa valores de emisión de 30-40 kg. por habitante y año). El denominado “efecto invernadero” de los NOx es unas 320 veces superior al del CO2 y la concentración ambiental de NO2 (cuatro veces más nocivo que el NO y precursor de los ácidos nítrico y nitroso) genera ya un smog fotoquímico tóxico casi permanente en muchos lugares densamente poblados del planeta, con concentraciones que superan 50 ppb. Diversos llamamientos de la comunidad científica y declaraciones de intención gubernamentales llevan instando, desde la década de los 80, a la urgente necesidad de reducir, entre el 10% y el 50%, las emisiones de NOx para finales del siglo pasado (Hjalmarsson A. K., IEACR, 24, 21, 1990) , con muy escasa respuesta, hasta la reciente ratificación del denominado Protocolo de Kyoto, con las subsecuentes cuotas de emisión y fuertes gravámenes a las industrias contaminantes.

El plasma no térmico constituye una tecnología emergente cuya eficacia ha sido documentada en la literatura científica, aunque no se encuentra en explotación a escala industrial. Diferentes investigaciones han demostrado la aplicabilidad de la tecnología de plasma no térmico para la eliminación de diferentes tipos de compuestos entre los que destacan: COV’s, olores, materiales orgánicos como CFC y PFC, y los gases de combustión (como NOx y SOx) y reducción de partículas.

Básicamente la técnica consiste en la creación de un medio ionizado mediante el establecimiento de un campo eléctrico impulsado a través de los gases que deben tratarse.

Un plasma no térmico es un gas parcialmente ionizado en el cual la energía de los electrones es considerablemente mayor que la de los iones y las moléculas del gas, de tal forma que el gas se encuentra a temperatura y presión ambiente.

Las técnicas utilizadas para la generación de plasmas no térmicos se pueden clasificar en haz de electrones o en descargas eléctricas. En el caso del haz de electrones la generación de electrones altamente energéticos se realiza fuera del gas a tratar mientras que en el caso de los sistemas de descargas pulsadas esta generación se realiza directamente en el interior del gas a tratar, lo que supone una clara ventaja en el diseño del equipo.

Una vez formados los electrones son acelerados hacia mayores energías y pueden colisionar con las moléculas del medio, liberando más electrones en el proceso. Estas avalanchas de electrones son las denominadas descargas corona.

El reactor de plasma no térmico de descargas en corona utiliza este fenómeno para  modificar la composición del gas del entorno creando especies activas químicamente llamadas radicales, los cuales poseen un tiempo de vida de milisegundos. Los radicales pueden reaccionar preferentemente con moléculas de contaminantes rompiéndolas en menos peligrosas o en compuestos más fácilmente tratables. La materia orgánica presente en el gas se destruye principalmente mediante la oxidación a agua y CO2, mientras que la inorgánica se rompe a productos más simples, óxidos o elementos.

En comparación con el plasma térmico, en el cual la temperatura de los iones y de los electrones es igual, la temperatura de los electrones en el plasma frío es mucho más alta que la de los iones. Puesto que los iones y las partículas sin carga no se calientan tanto como los electrones, a este plasma se denomina “frío” o “no térmico”.

El estado plasma se produce cuando las moléculas son calentadas a temperaturas extremadamente altas. En temperaturas altas, los electrones en las moléculas se excitan y aumentan su velocidad al punto en que abandonan su orbita, apartándose de la influencia molecular. En el plasma no térmico, el plasma se produce a temperatura ambiente, si las moléculas son expuestas a un fuerte campo magnético.

Dado que intervienen señales de alta tensión muy rápidas, las características de los reactores (resistencia, inductancia y capacitancia) son importantes en su diseño. Los parámetros de los impulsos están caracterizados por poseer poca duración (normalmente 100 nanosegundos), alto voltaje (20 kV a 200 kV) y frecuencia sobre unos cientos de herzios.

La mayor limitación que presenta el plasma no térmico es el aumento de escala para su implantación industrial, siendo necesario un análisis del coste de la energía, la emisión de subproductos y el diseño del reactor para un problema especifico de emisiones (caudal, concentración, composición, etc.).

En el presente proyecto se está investigando la aplicación del plasma no térmico para la depuración de emisiones que contengan COV’s, materiales orgánicos y gases de combustión con NOx y SOX, generadas en industrias medianas y pequeñas que generen de un caudal de gases a tratar suficiente y que dispongan de concentraciones de contaminante medias o bajas que desaconsejen la utilización de métodos de depuración alternativos debido a problemas técnicos y económicos de diversa naturaleza.

Los contaminantes a tratar incluyen:

• Eliminación de COV’s

• Eliminación de olores

• Eliminación de materia orgánica en general

• Eliminación de NOx y SOx

• Reducción de partículas.

La realización del proyecto permitirá la aplicación industrial de una tecnología de depuración de gases emergente. El uso de esta tecnología conlleva las siguientes ventajas:

•Eliminación de compuestos orgánicos y COV’s en un rango de concentraciones amplio y para multitud de compuestos diferentes.

•Eliminación de NOx, SOx.

• Baja temperatura de funcionamiento

La utilización de plasma no térmico está documentada en la literatura científica y ensayada en laboratorio, pero todavía no se comercializa de modo generalizado a nivel industrial.

Por una parte Powerspan Corporation,  que combina el plasma no térmico con un precipitador electrostático húmedo para capturar particulados y neutralizar ácidos en las emisiones.  Su aplicación ha sido las centrales eléctricas que funcionan con carbón.

También se encuentra experimentando con esta tecnología BOC Gases, que utiliza ozono para reducir contaminantes en una cámara de reacción. Después que los contaminantes son convertidos a un estado alta oxidación, se hidrolizan y eliminan con un depurador cáustico. Al proceso se le ha asignado el nombre de Lotos y se utiliza para la eliminación de NOx.

El sistema de plasma térmico se ha ensayado también, de modo experimental, en el sector de la automoción. El grupo Peugeot Citröen está ensayando un sistema de plasma no térmico combinado con un catalizador. El sistema plasma no térmico es insensible a la contaminación generada por el azufre contenido en el combustible, que va acompañada de una reducción de eficacia de los catalizadores convencionales, tras recorrer varios miles de kilómetros.

Fuera de estos ámbitos experimentales no existen equipos de filtración basados en el plasma no térmico comercializados actualmente.

La tecnología ofrecerá una tecnología para la depuración de los NOx, que presentan especiales dificultades.

Para la depuración de NOx, para las fuentes móviles, la tecnología existente es la catalítica. Desde 1980 en EE.UU y posteriormente en Europa y Japón se utilizan los denominados catalizadores de tres vías basados en Pt/Pd-Rh cerio soportados sobre alúmina estabilizada lo que forman una capa de 0,17 a 0,20 mm sobre un soporte monolítico tipo panal de abeja de cordierita. Esta tecnología no puede ser aplicada a los motores diesel ni tampoco permitirían operar los motores Ciclo Otto en las zonas pobres (relación combustible/aire < Estequiométrico).

En las fuentes fijas la solución no es tan sencilla. En las grandes fuentes industriales de NOx (es decir, grandes industrias petroquímicas, centrales térmicas, incineradoras, etc.), la tecnología más eficiente es la “reducción catalítica selectiva” (SRC por sus siglas en inglés, selective catalytic reduction) es el método más utilizado desde que se implantara por la industria del ácido nítrico a finales de la década de los 70 del siglo pasado. Emplea amoniaco como reductor, el cual se inyecta, en presencia de catalizadores adecuados, en los gases de salida. Desarrollada en Japón hace más de 30 años, esta tecnología se aplicó por primera vez a una central térmica de carbón a finales de 1.980, posteriormente en Alemania en 1.985 y en la actualidad se han introducido en diversos países y sectores industriales con diversas modificaciones. Es un método costoso y no es susceptible de ser utilizado a otras industrias que también emiten cantidades considerables de NOx.

Otra tecnología propuesta es la denominada “reducción selectiva no catalítica” , que emplea principalmente amoniaco o urea como reactivos químicos reductores, que son inyectados a temperaturas convenientes y que permiten hasta un 60% de reducción de NOx. La técnica presenta la ventaja de que no necesita el uso de ningún catalizador, pero tiene el inconveniente de precisar un mayor consumo de amoniaco, de mayores temperaturas de reacción (900-1000 C) y que el amoniaco que no reacciona forma subproductos que erosionan el equipamiento de la instalación.

Ambos sistemas presentan un elevado coste de instalación y de operación.

 

Las ventajas que presenta frente a otros sistemas son:

-Costo moderado.

-No genera subproductos tóxicos.

-Alta eficiencia. Los tests realizados en banco de pruebas muestran una reducción de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) superiores al 70% y de Dióxido de azufre, superiores el 80 %.

-Opera a temperatura ambiente.

-No requiere de catalizadores.

-No requiere combustible de apoyo, por lo que no genera emisiones secundarias.