Por qué los óxidos de azufre son malos y cómo funciona la tecnología de desulfuración de gases de combustión

Feb 08, 2024

Los óxidos de azufre (SOx) tienen varios efectos nocivos tanto para el medio ambiente como para la salud humana y animal. Gran parte del SOx de la atmósfera proviene de la quema de combustibles fósiles en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales. Sin embargo, el uso de tecnología de desulfuración de gases de combustión reduce sustancialmente las emisiones de SOx y partículas.

Los óxidos de azufre (SOx) son un grupo de moléculas formadas por átomos de azufre y oxígeno, como el dióxido de azufre (SO2) y el trióxido de azufre (SO3). Los SOx son contaminantes que contribuyen a la formación de lluvia ácida, así como a la contaminación por partículas.

Algunos SOx son gases y otros son líquidos o partículas sólidas. El SO2 es la más peligrosa de las moléculas de SOx. Es un gas incoloro que huele a cerillas quemadas. El SO3, por otro lado, suele ser un sólido incoloro o blanco que genera vapores blancos en el aire y tiene fuertes reacciones con el agua. Tanto el SO2 como el SO3 reaccionan para formar ácido sulfúrico, que es tóxico para los tejidos vivos y es el componente principal de la lluvia ácida.

Si bien algunas fuentes naturales, como los volcanes, contribuyen a la producción de SOx en la atmósfera, la gran mayoría del SO2 liberado proviene de la quema de combustibles fósiles para generar electricidad y calor. Cuando el carbón y el petróleo se queman, el azufre que contienen se combina con el oxígeno del aire para producir SOx. Las unidades alimentadas con gas natural también producen SO2, pero mucho menos. La Oficina de Responsabilidad Gubernamental de EE. UU. descubrió que las unidades alimentadas con carbón producían más de 90 veces más SO2 por MWh generado en comparación con las unidades alimentadas con gas natural, debido principalmente al mayor contenido de azufre en el carbón.

El SO2 emitido a la atmósfera puede sufrir reacciones químicas para formar compuestos que pueden viajar largas distancias. Estos compuestos químicos toman la forma de pequeñas partículas sólidas o gotas líquidas y pueden permanecer en el aire durante días o incluso años, según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA).

Sin embargo, en algún momento los contaminantes regresan a la tierra a través de procesos de deposición atmosférica húmeda y seca. Cuando eso sucede, las partículas finas pueden contribuir a enfermedades respiratorias graves, como asma y bronquitis crónica, y provocar una muerte prematura. Además, el SO2 acidifica las aguas superficiales, reduciendo la biodiversidad y matando a los peces; daña los bosques a través de impactos directos sobre hojas y acículas, y por la acidificación del suelo y el agotamiento de sus nutrientes; contribuye a una menor visibilidad (neblina regional); y acelera la erosión de monumentos, edificios y otras estructuras de piedra y metal.

Materia particulada (PM) es el término utilizado para una mezcla de partículas sólidas y gotitas de líquido que se encuentran en el aire. La EPA clasifica las partículas finas inhalables como cualquier cosa de 2,5 micrones (millonésimas de metro) o menos de diámetro, a las que llama PM2,5. Aunque a las centrales eléctricas se les permite emitir una cantidad muy limitada de PM directamente al aire, una de sus principales contribuciones a la contaminación del aire por PM es la emisión de SO2, que se convierte en sulfato en la atmósfera y puede transportarse a cientos de millas. . La EPA ha dicho que los efectos sobre la salud de este PM pueden incluir:

En junio de 1989, el presidente George HW Bush propuso amplias revisiones de la Ley de Aire Limpio. Basándose en las propuestas del Congreso presentadas durante la década de 1980, Bush propuso una legislación diseñada para frenar tres amenazas principales al medio ambiente del país y la salud de su gente: la lluvia ácida, la contaminación del aire urbano y las emisiones tóxicas al aire. La propuesta también pedía establecer un programa nacional de permisos para hacer que la ley sea más viable.

Por amplia votación, tanto la Cámara de Representantes de Estados Unidos (401 a 21) como el Senado de Estados Unidos (89 a 11) aprobaron proyectos de ley de aire limpio que contenían los principales componentes de las propuestas del presidente. Un comité conjunto de la conferencia se reunió de julio a octubre de 1990 para limar las diferencias en los proyectos de ley, y el paquete recomendado por los conferenciantes fue aprobado abrumadoramente por el Congreso. El presidente recibió el proyecto de ley el 14 de noviembre de 1990 y lo firmó al día siguiente.

Las emisiones de SO2 de las centrales eléctricas estadounidenses comenzaron a disminuir poco después de que se promulgaran las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio (CAAA) de 1990 (Figura 1). Entre las disposiciones autorizadas por la CAAA se encontraba el Programa de Lluvia Ácida (ARP), que impuso un límite a las emisiones de SO2 de las centrales eléctricas alimentadas con carbón y fueloil residual a partir de 1995. El programa fue motivado principalmente por preocupaciones sobre la lluvia ácida que afectaba áreas a favor del viento de plantas que emiten compuestos SOx. Dado que las unidades alimentadas con carbón representaban una gran parte de las emisiones de SO2, el programa les proporcionó un incentivo económico para instalar sistemas de control de la contaminación, quemar carbón con bajo contenido de azufre y, en el caso de las plantas con altas emisiones, enviar menos electricidad.

1. De 1995 a 2021, las emisiones anuales de dióxido de azufre (SO2) de las centrales eléctricas disminuyeron un 92%. En 2021, las fuentes tanto del programa anual de SO2 de la Regla de contaminación del aire entre estados (CSAPR) como del Programa de lluvia ácida (ARP) emitieron juntos 0,94 millones de toneladas, una reducción de 11 millones de toneladas con respecto a los niveles de 1995. Fuente: Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA)

Otras regulaciones también desempeñaron un papel importante en la reducción de las emisiones de SOx. En 2005, la EPA desarrolló la Regla Interestatal de Aire Limpio (CAIR), un programa de límites máximos y comercio destinado a reducir las emisiones de SO2 en la mitad oriental de los EE. UU. más allá de los niveles definidos por el ARP. El CAIR abordó el transporte interestatal regional de contribuyentes al ozono a nivel del suelo (smog) al exigir a 27 estados del este que presenten planes de implementación para reducir las emisiones de SO2.

Los 27 estados regulados por el CAIR representaron más del 80% de la generación de electricidad a partir de carbón y de las emisiones nacionales de SO2 del sector eléctrico en 1997. El CAIR, al menos en parte, dio lugar a que 91 GW de capacidad de energía a carbón se modernizaran con desulfuradores de gases de combustión (FGD) entre 2005 y 2011. De hecho, a finales de 2011, el 60% de la flota de carbón de EE. UU. tenía depuradores FGD instalados. Los requisitos estatales adicionales y los acuerdos bajo el programa de Revisión de Nuevas Fuentes de la CAA también contribuyeron a un aumento en las modernizaciones ambientales de las plantas de carbón. La CAIR fue reemplazada por la Regla de contaminación del aire entre estados (CSAPR) en 2015.

Mientras tanto, los Estándares sobre Mercurio y Tóxicos del Aire (MATS) se finalizaron en 2012 y requerían su cumplimiento en abril de 2015 (o abril de 2016, con la aprobación de una extensión de un año). Aunque el MATS no regulaba directamente el SO2, el principal enfoque de cumplimiento implementado por muchos generadores eléctricos fue instalar depuradores FGD o equipos de inyección de absorbente seco, los cuales también eliminan el SO2 además de los contaminantes del aire específicos regulados por el MATS.

Las emisiones de SO2 también se han reducido mediante diversas estrategias operativas y la adopción de ciertas mejores prácticas de combustión en toda la flota de carbón. Entre otros factores que afectan la reducción de emisiones se encuentra un alejamiento general de la energía alimentada con carbón, a medida que ha cobrado impulso la percepción pública sobre su efecto negativo sobre el cambio climático; el cierre de unidades de carbón más pequeñas y menos eficientes, que tenían perfiles de emisiones de SO2 relativamente más altos; una reducción en el despacho de energía a partir de carbón debido a la abundancia de gas natural de bajo costo que brinda a las unidades alimentadas por gas una ventaja competitiva; y efectos similares causados ​​por el crecimiento de los recursos energéticos renovables.

Hay dos opciones comunes de tecnología de depuración FGD que normalmente se emplean para eliminar el SO2 producido por las centrales eléctricas alimentadas con carbón. Son oxidación forzada de piedra caliza (una tecnología FGD húmeda) y secador por aspersión de cal (una tecnología FGD semiseca que emplea un absorbente de secador por aspersión (SDA).

En los sistemas FGD húmedos, la corriente de gas contaminado se pone en contacto con un sorbente alcalino líquido (típicamente piedra caliza) forzándolo a pasar a través de un charco de lodo líquido o rociándolo con el líquido. El álcali reacciona con el gas SO2 para formar sulfito de calcio (CaSO3) o sulfato de calcio (CaSO4), que se recoge en forma de suspensión líquida. Se deja que el CaSO3 y el CaSO4 se sedimenten y la mayor parte del agua se recicla. El material sedimentado, llamado material de depuración FGD o lodo de depuración, es una suspensión blanquecina con un contenido de sólidos de aproximadamente 5% a 10%. Debido a que las centrales eléctricas alimentadas con carbón suelen tener un sistema FGD y un sistema de eliminación de cenizas volantes, a veces se incorporan cenizas volantes al material FGD.

En los sistemas FGD secos, la corriente de gas contaminado se pone en contacto con el sorbente alcalino en un estado semiseco mediante el uso de un secador por aspersión. Los sistemas FGD secos utilizan menos agua que los sistemas húmedos y producen un subproducto seco. El sistema FGD seco más común rocía lechada de cal apagada en los gases de combustión. El principal producto de los sistemas FGD secos es CaSO3 con cantidades menores de CaSO4. La eficiencia de eliminación de los sistemas SDA disminuye constantemente para carbones con un contenido de SO2 superior a 3 libras de SO2/MMBtu; por lo tanto, la tecnología generalmente solo se usa en plantas que tienen la opción de quemar carbones con un contenido de azufre por debajo de ese umbral.

Los depuradores FGD son capaces de reducir eficiencias en el rango del 50% al 98%. Las eficiencias de eliminación más altas se logran con depuradores húmedos, a menudo superiores al 90%. Los primeros depuradores secos que entraron en servicio tenían eficiencias de menos del 80%, pero la tecnología ha evolucionado y los diseños más nuevos son capaces de lograr eficiencias de control más altas, del orden del 90%.

Entre las desventajas de los sistemas FGD se encuentran:

2. De 2000 a 2021, las concentraciones de partículas finas (PM2.5) disminuyeron un 37% según datos de 375 sitios de tendencia monitoreados por la EPA. Fuente: EPA

Aún así, los beneficios ambientales y de salud son sustanciales. El uso de sistemas FGD ha reducido significativamente las emisiones de SOx y PM2,5 de las centrales eléctricas estadounidenses. Utilizando una red nacional de sitios de monitoreo, la EPA rastrea las tendencias de la calidad del aire ambiental en cuanto a PM. De 2000 a 2021, las concentraciones promedio de PM2.5 disminuyeron un 37 % a nivel nacional según los datos de los 375 sitios de tendencia que monitorea la EPA (Figura 2). En cuanto al SO2, de 1995 a 2021 las emisiones anuales de SO2 de las centrales eléctricas cayeron un 92%.

—Aaron Larson es el editor ejecutivo de POWER.

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