Análise da Formação de NOx em Gerador de Vapor

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
 
 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 
UNIDAD CULHUACAN 
 
 
 
 
 
ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx EN EL GENERADOR DE 
VAPOR DE 350 MW QUEMANDO COMBUSTÓLEO 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE 
MAESTRO EN CIENCIAS 
DE INGENIERIA EN SISTEMAS ENERGETICOS 
 
PRESENTA 
ING. JUAN ANTONIO JIMENEZ GARCÍA 
 
 
 
DIRECTORES DE TESIS 
DR. GEORGIY POLUPAN 
DR. GUILLERMO JARQUIN LÓPEZ 
 
 
 
 
MEXICO D.F. ENERO 2008 
 
 
CONTENIDO 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 
ÍNDICE GENERAL 
 
 DESCRIPCIÓN PAG 
 
 RELACIÓN DE FIGURAS I 
 RELACIÓN DE TABLAS IV 
 NOMENCLATURA VIII 
 RESUMEN IX 
 ABSTRACT X 
 INTRODUCCIÓN XIV 
CAPITULO I 
 FUNDAMENTOS GENERALES 
 
 1.1.1 Tipos de generación de energía eléctrica 1 
 1.1.2 Generación eléctrica en el país 2 
 1.1.3 Principales centrales generadoras de electricidad en el país 3 
 1.2 CONTRIBUCIÓN DEL SECTOR ENERGÉTICO A LA 
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA 
 1.2.1 Emisión anual de NOx de centrales generadoras del País 8 
 1.3 COMBUSTÓLEO 10 
 1.4 NORMA APLICADAS A LA EMISIÓN DE CONTAMINANTES 
EN MÉXICO 11 
 1.5 GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW INSTALADO EN LA 
CENTRAL TERMOELECTRICA “VILLA DE REYES” 13 
 1.5.1 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW 14 
 1.5.2 Diagrama simplificado del “hogar” del generador de vapor 
de 350 MW 15 
 1.5.3 Características del generador de vapor 16 
 1.5.4 Datos comportamiento establecidos del generador de vapor 19 
 1.5.5 Particularidades de la construcción del generador de vapor 
de 350 MW 22 
CAPITULO II 
 METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO TÉRMICO DEL 
HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR Y 
PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA 
CONCENTRACIÓN DE NOX EN PRODUCTOS DE LA 
COMBUSTIÓN 
 
 
 2.1 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR 
DEL GENERADOR DE VAPOR QUE QUEMA 
COMBUSTÓLEO 
 23 
 2.1.1 Parámetro M 23 
 2.1.2 Número de Boltzman 24 
 2.1.3 Número de Buger efectivo 29 
 2.2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO DE LA EMISIÓN DE 
ÓXIDOS DE NITRÓGENO EN EL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR 
 
CONTENIDO 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 
 2.2.1 Cálculo de la formación de óxidos de nitrógeno en la salida del 
hogar del generador de vapor que quema combustóleo 32 
 2.2.2 Parámetros principales de la zona de combustión activa en la 
formación de NOX 
 32 
 2.2.2.1 Temperatura promedio de la zona de combustión activa 32 
 2.2.2.2 Densidad de flujo de calor reflejado en la zona de combustión Activa 32 
 2.2.2.3 Coeficiente de exceso de aire en la zona de combustión activa. 33 
 2.2.2.4 Tiempo de residencia de los productos de la combustión en la zona de 
combustión activa. 33 
 
CAPITULO III 
 CÁLCULO TÉRMICO Y FORMACIÓN DE NOX EN EL 
HOGAR DEL GENERADOR DE VAPOR 
 
 3.1 CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL GENERADOR DE 
VAPOR 35 
 3.1.1 Parámetros geométricos del hogar del generador de vapor 35 
 3.1.2 Áreas de las superficies radiantes 36 
 3.1.3 Cálculo del parámetro M 37 
 3.1.4 Cálculo del número de Boltzman 38 
 3.1.5 CÁLCULO del número de Buger 41 
 3.1.6 CÁLCULO del número de Buger efectivo 43 
 3.1.7 CÁLCULO de la temperatura de los gases en salida del hogar 43 
 3.1.8 Segunda iteración de cálculos 43 
 3.1.9 Tercera iteración de cálculos 44 
 3.1.10 Resultados del cálculo térmico del hogar de generador de vapor a 
cargas térmicas parciales 46 
 3.2 CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE ÓXIDOS DE 
NITRÓGENO (NOX) 
 
 3.2.1 Parámetros principales de la zona de combustión activa en la 
formación de NOX 
 49 
 3.2.1.2 CÁLCULO de la densidad de flujo de calor reflejado 49 
 3.2.1.3 CÁLCULO del exceso de aire en la Zona de Combustión Activa 50 
 3.2.1.4 CÁLCULO del tiempo de residencia de los productos de la 
Combustión 50 
 3.2.2 CÁLCULO de la concentración de NOX 51 
 3.2.3 Resultados del cálculo de la concertación de NOX para cargas 
parciales para el sistema de recirculación actual 
51 
 
CAPITULO IV 
 CÁLCULO DE FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR CON EL SISTEMA DE 
INYECCIÓN DE GASES DE RECIRCULACIÓN PROPUESTO 
 
 
 4.1 CONCENTRACIÓN DE NOX CON EL SISTEMA DE 
RECIRCULACIÓN PROPUESTO 52 
 4.1.1 Construcción del sistema de recirculación de los gases propuesto 52 
CONTENIDO 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 
 4.1.2 CÁLCULO de la concentración de NOX del sistema de 
recirculación propuesto para carga 100% 53 
 4.1.2.1 Temperatura promedio de la Zona de Combustión Activa 53 
 4.1.2.2 CÁLCULO de la densidad de flujo de calor reflejado 54 
 4.1.2.3 Coeficiente de Exceso de aire en la Zona de Combustión Activa 54 
 4.1.2.4 CÁLCULO del tiempo de residencia de los productos de la 
Combustión 55 
 4.1.3 CÁLCULO concentración de Nox 55 
 4.1.4 Resultados del cálculo de concentración de NOX en productos de 
la Combustión para cargas parciales para el sistema de 
recirculación propuesto 
 55 
 
CAPITULO V 
 ANÁLISIS DE FORMACIÓN DE NOX DEL GENERADOR DE 
VAPOR DE 350 MW EN CONDICIONES ACTUALES Y CON 
UNA MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE GASES DE 
RECIRCULACIÓN 
 
 
 5.1 TEMPERATURA DE LOS PRODUCTOS DE LA 
COMBUSTIÓN A LA SALIDA DEL HOGAR 56 
 5.2 ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx DEL GENERADOR 
DE VAPOR CON EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN 
ACTUAL 
 56 
 5.3 ANÁLISIS DE LA FORMACIÓN DE NOx DEL GENERADOR 
DE VAPOR CON EL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN 
PROPUESTO 
 59 
 5.4 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LA FORMACIÓN DE NOx 
DEL GENERADOR DE VAPOR ENTRE EL SISTEMA DE 
RECIRCULACIÓN ACTUAL Y PROPUESTO 
 62 
 
 CONCLUSIONES 66 
 RECOMENDACIONES 67 
 REFERENCIAS 68 
 APENDICES A 
PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN A 
DIFERENTES EXCESOS DE AIRE 
 
 
 APENDICE B 
PROGRAMA DEL CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN DE 
NOx DEL GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW 
 
 
 APENDICE C 
PUBLICACIONES REALIZADAS 
 
 
 
RELACION DE FIGURAS 
CAPITULO 1 FUNDAMENTOS GENERALES 
Figura 1.1 Capacidad efectiva instalada de Generación de electricidad en el país. 2 
Figura 1.2 Generación de energía eléctrica por fuente del combustible. 2 
Figura 1.3 Generación de energía eléctrica por fuente del combustible. 3 
Figura 1.4 Arreglo general de una Planta Termoeléctrica. 13 
Figura 1.5 Central Termoeléctrica Villa de Reyes. 13 
Figura 1.6 Arreglo general del generador de vapor de 350 MW. 14 
Figura 1.7 Hogar del generador de vapor de 350 MW. 15 
 
CAPITULO 2. METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR Y PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LA 
CONCENTRACIÓN DE NOX EN PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN. 
Figura 2.1 Factor de forma para pantallas de paredes de tubos de agua 29 
 
CAPITULO 3 CÁLCULO TÉRMICO Y FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR. 
Figura 3.1 Hogar del generador de vapor de 350 MW. (Cotas en mm.). 36 
Figura 3.2 Temperatura de los gases de combustión a la salida del hogar del generador de 
Vapor de 350 MW. 48 
Figura 3.3 Principales temperaturas en el generador de Vapor de 350 MW 49 
 
CAPITULO 4 CÁLCULO DE FORMACIÓN DE NOX EN EL HOGAR DEL GENERADOR 
DE VAPOR. PARA EL SISTEMA DE INYECCIÓN DE GASES DE RECIRCULACIÓN 
PROPUESTO 
Figura 4.1 Diagrama del ducto de inyección de gases de recirculación del sistema 
propuesto. 53 
 
CAPITULO 5 ANÁLISIS DE FORMACIÓN DE NOX DEL GENERADOR DE VAPOR DE 
350 MW. EN CONDICIONES ACTUALES 
Y CON UNA MODIFICACIÓN AL SISTEMA DE GASES DE RECIRCULACIÓN. 
Figura 5.1 Temperatura promedio en la ZCA a cargas parciales. 57 
Figura 5.2 Densidad de flujo de calor reflejado en la ZCA a cargas parciales. 57 
Figura 5.3 Coeficiente de Exceso de aire a cargas parciales 58 
Figura 5.4Tiempo de residencia de los productos de la combustión a cargas. 58 
Figura 5.5 Concentración de NOx a cargas parciales 58 
Figura 5.6 Temperatura promedio en la ZCA a cargas parciales. 59 
Figura 5.7 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales 59 
Figura 5.8 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales . 61 
Figura 5.9 Coeficiente de Exceso de aire a cargas parciales . 61 
Figura 5.10 Concentración de NOx a cargas parciales. 62 
Figura 5.11 Temperatura Promedio en la ZCA a cargas parciales con el sistema de 
recirculación actual y propuesto. 63 
Figura 5.12 Calor reflejado en la ZCA a cargas parciales con el sistema de recirculación 
propuesto y actual. 63 
Figura 5.13 Coeficiente de exceso de aire a cargas parciales con el sistema de recirculación 
propuesto y actual. 64 
Figura 5.14 Tiempo de residencia de los gases de combustión en la zona de combustión 
activa con el sistema de recirculación propuesto y actual. 
 
64 
Figura 5.15 Concentración de NOx a cargas parciales con el sistema de recirculación actual 
y propuesto. 65 
 
RELACIÓN DE TABLAS 
 
 
CAPITULO 1 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN MÉXICO 
Tabla 1.1 Principales centrales generadoras de Energía Eléctrica en el país. 4 
Tabla 1.2 Principales centrales Termoeléctricas. 6 
Tabla 1.3 Emisión de contaminantes del sector Energéticos de tres cada País 7 
Tabla 1.4 Emisión de NOx de las principales centrales Termoeléctricas del País. 8 
Tabla 1.5 Principales contaminantes emitidos por el uso de Combustóleo. 10
Tabla 1.6 Límites máximos permisibles de emisión para calderas con capacidad 
mayor a 110 000 MJ/h 11 
 
 
 
CAPITULO II Metodología del cálculo de la temperatura del hogar en el 
generador de vapor de 350 MW y Cálculo de la formación de NOx 
Tabla 2.1 Grado de Combustión 30
 
 
 
 
Capitulo III Cálculo térmico y formación de NOx en el hogar del generador de 
vapor de 350 mw. En condiciones actuales de operación. 
Tabla 3.1 Parámetros para el cálculo de la temperatura de los productos de la 
combustión a la salida del hogar a cargas parciales. 48
Tabla 3.2 Concentración de NOX en productos de la combustión para cargas parciales 
con el Sistema de recirculación actual 54
 
 
 
 
CAPITULO IV Cálculo térmico y formación de NOx en el hogar del generador de 
vapor de 350 MW. con el sistema propuesto de recirculación de gases. 
Tabla 4.1 Concentración de NOX en productos de la combustión para cargas parciales 
con el Sistema de recirculación propuesto. 56
 
 
 
 
 
 
NOMENCLATURA 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO IV 
NOMENCLATURA 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI 
 
a Largo de la zona de combustión activa m 
paredA Área de una pared del hogar del generador de vapor m2 
paredesA Área de las paredes del hogar 2m 
pfA Área de la pared frontal de hogar del generador de 
vapor m
2 
lpA . Área de la pared lateral de hogar del generador de vapor m2 
ppA Área de la pared posterior de hogar del generador de 
vapor m
2 
quemA Área ocupada por los quemadores m2 
radA Área de superficie radiada m2 
b Ancho del generador de vapor; Ancho de la ZCA m 
1 2 3 4, , ,B B B B Gasto de combustible por cada nivel de quemadores skg 
calcB Gasto de combustible skg 
Bo Número de Boltzman - 
Bu Número de Buger - 
uB~ Número de Buger efectivo - 
C Porcentaje de Carbono presente en la mezcla de combustóleo % 
x
combustoleo
NOC 
Concentración de óxidos de nitrógeno de productos de 
la combustión a la salida de la ZCA ppm 
,R g
ZCAC 
Altura de la zona de combustión activa con gases de 
recirculación m 
combc Calor específico del combustible kJ/kg 
ET Eficiencia térmica del generador de Vapor % 
vlG Caudales de vapor primario kg/s 
vIIG Caudales de vapor secundario kg/s 
purgaG Caudales de vapor de purga kg/s 
H Porcentaje de Hidrogeno presente en la mezcla de combustóleo % 
vlh Entalpías de vapor sobrecalentado kJ/kg 
aah Entalpías agua de alimentación kJ/kg 
calaireh . Entalpía del aire caliente kJ/kg 
extrgash . 
Entalpía de los gases en la zona de extracción de gases 
de recirculación kJ/kg 
h′ Entalpía de agua en el domo kJ/kg 
vIIh′ 
Entalpías del vapor secundario en salida del 
recalentador regenerativo kJ/kg 
"
hogarh 
Entalpía de los productos de la combustión a la salida 
del hogar kJ/kg 
vIIh ′′ 
Entalpías del vapor secundario en entrada del 
recalentador regenerativo kJ/kg 
NOMENCLATURA 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO V 
 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI 
 
k Coeficiente de adsorción del medio del hogar 1/m·MPa 
gask 
Coeficiente de disminución de los rayos en el hogar por 
gases triatómicos 1/m·MPa 
hollínk 
Coeficiente de disminución de los rayos por las 
partículas de hollín 1/m·MPa 
L Largo del generador de vapor m 
hogarL Altura total del hogar m 
quemadorl 
Altura promedio de los quemadores sobre el nivel del 
fondo del hogar m 
1, 2, 3, 4, , ,l l l l Altura de cada nivel de quemadores m 
M Parámetro M - 
0M 
0M =04 para combustión del combustóleo para 
quemadores instalados en las paredes o en esquinas de 
los hogares 
- 
n Exponente para el calculo de la temperatura en ecuación 235 - 
1 2, 3, 4,n n n n Nivel o altura de los quemadores m 
O Porcentaje de Oxigeno presente en la mezcla de combustóleo % 
P Presión en la cámara de combustión MPa 
PCI Poder calorífico inferior del combustóleo kJ/kg 
aireQ Calor físico con aire caliente kJ/kg 
extaireQ . Calor del aire calentado por una fuente externa kJ/kg 
combQ Calor de entrada con el combustóleo caliente kJ/kg 
dispQ Calor disponible en la cámara de la combustión kJ/kg 
gvQ Calor útil que absorbe el generador de vapor kJ/kg 
recQ Calor físico de los gases de recirculación kJ/kg 
hogarQ Calor útil en el hogar del generador de vapor kJ/kg 
refl
ZCAq 
Densidad de flujo de calor reflejado en la Zona de 
Combustión Activa MW/m
2s 
ZCAq Calor reflejado en la zona de combustión activa kJ/m2s 
q3 Perdidas de calor con combustión incompleta química kJ/kg 
q4 Perdidas de calor con combustión incompleta mecánica kJ/kg 
5q 
Pérdida de calor por el enfriamiento externo del 
generador de vapor kJ/kg 
R Porcentaje de los gases de recirculación - 
r Fracción de gases de recirculación - 
rgas 
Volumen relativo ocupada por los gases triatómicos en 
los productos de la combustión - 
OHr 2 
Volumen relativo ocupado por vapor de agua en los 
productos de la combustión - 
vr Factor de composición de los gases - 
NOMENCLATURA 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO VI 
 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI 
 
S Porcentaje de Azufre presente en la mezcla de combustóleo % 
S Espesor de la capa de los gases que iluminan m 
combt Temperatura del combustóleo ºC 
aT Temperatura adiabática K 
'
adT 
Temperatura adiabática de la combustión incompleta 
del combustible K 
''
hogarT 
Temperatura de los productos de la combustión a la 
salida del hogar K 
ZCAT Temperatura promedio en la zona de combustión activa K 
0
aireV 
Volumen del aire estequiométrico para la combustión 
de 1 Kg de combustóleo m
3 
0
gasV 
Volumen del los productos de la combustión 
estequiométrica m
3 
0
2N
V Volumen del nitrógeno en productos de la combustión 
estequiométrica m
3/kg 
( )promedioVc Calor específico promedio de los productos de la combustión kgkJ 
gasV 
Volumen de los productos de la combustión de 1 kg de 
combustóleo en condiciones de referencia (P=01 MPa, 
T=273 K) 
m3/k 
2RO
V Volumen de los gases RO2 (suma de volúmenes de 
gases CO2 y SO2) 
m3/kg 
hogarV Volumen del hogar del generador de vapor m3 
,R g
gasV 
Volumen de los productos de la combustión con 
volumen de gases de recirculación m
3 
ZCAV Volumen de los productos de la combustión en la Zona de combustión Activa m
3 
quemadx Posición relativa delnúcleo de la llama - 
ZCA Zona de Combustión Activa - 
 
 
 
ALFABETO GRIEGO 
 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI 
 
.prec aireα Exceso de aire en el precalentador de aire - 
gasrecα Exceso de aire en los gases de recirculación - 
hogarα Exceso de aire en el hogar del generador de vapor - 
ZCAα Exceso de aire en la Zona de Combustión Activa - 
β Grado de combustión - 
NOMENCLATURA 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO VII 
 
 
SIMBOLO DESCRIPCIÒN UNIDAD SI 
 
ζ Coeficiente de ensuciamiento - 
"
hogarθ Temperatura relativa de los gases en salida del hogar - 
ξ Coeficiente de llenado con flujo ascendente de productos de la combustión - 
paredAΣ Suma de las superficies de las paredes del hogar m2 
1
n
i
i
ψ
=
∑ 
Coeficientes de eficiencia térmica de las paredes del 
hogar - 
ZCAτ Tiempo de residencia de los gases en la ZCA s 
χ Factor de forma de la pared de tubos de agua - 
φ Coeficiente de conservación de calor en el hogar - 
ψ Coeficiente de eficiencia térmica de las paredes de 
tubos de agua - 
pfψ 
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared frontal de 
tubos de agua - 
lp.ψ 
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared lateral de 
tubos de agua - 
ppψ 
Coeficientes de eficiencia térmica de la pared posterior 
de tubos de agua - 
promedioψ 
Valor promedio del coeficiente de eficiencia térmica de 
las paredes del hogar 
ZCAψ 
Eficiencia térmica promedio en la zona de combustión 
activa - 
 
 
RESUMEN 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO VIII 
 
 
 
 
 
RESUMEN 
 
 
 
 
 
En esta tesis se presenta el análisis de la formación de óxidos de Nitrógeno ( )xNO en el 
generador de vapor de 350 MW instalado en la planta termoeléctrica “Villa de Reyes” 
en ciertas condiciones de operación: combustión de combustóleo, carga térmica MRC 
(Máximo Régimen de Carga), 100%, 75%, 50% y 25% y con dos sistemas de 
recirculación de los gases al hogar (actual y propuesto). 
 
Se propuso un nuevo sistema de inyección de los gases de recirculación al hogar del 
generador de vapor que consiste en modificar los ductos de inyección de gases de 
recirculación; actualmente instalados en la parte baja del hogar del generador de vapor, 
para suministrar los gases de recirculación en el ducto de aire caliente. Con esto se 
obtuvieron cambios en los parámetros principales en la zona de combustión activa 
(ZCA) que influyen a la formación de óxidos de nitrógeno. 
 
Para este análisis se desarrollo el procedimiento del cálculo de la temperatura de los 
productos de la combustión a la salida del hogar, el procedimiento del cálculo de los 
parámetros principales en la ZCA y de la concentración de óxidos de nitrógeno 
formados en el proceso de la combustión de combustóleo. En base de los 
procedimientos del cálculo se desarrollo un programa computacional en Excel. 
 
El programa computacional desarrollado permite analizar la dependencia de los cuatro 
parámetros fundamentales para la formación de NOx en la ZCA del generador de vapor 
de 350 MW; temperatura en la ZCA ( ZCAT ), densidad de flujo de calor reflejado ( reflZCAq ), 
exceso de aire en la ZCA ( ZCAα ) y tiempo de residencia de los productos de la 
combustión en ZCA ( ZCAτ ). A las condiciones actuales de operación y con la 
modificación del sistema de inyección de gases de recirculación propuesto. 
 
Se demostró que con el sistema propuesto de inyección de gases de recirculación se 
disminuye en 25 % la formación de NOx para 100 % de carga y en un 62 % para el 
50 % de carga del generador de vapor bajo las mismas condiciones de operación. 
 
ABSTRACT 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 
 
IX
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
 
 
 
In this thesis shows up the analysis of the nitrogen oxides (NOx) formation in the steam 
generator of 350 MW installed in the thermoelectric plant "Villa of Reyes" under 
certain operation conditions: fuel oil burning, thermal load MRL (Maximum Regime of 
Load), 100 %, 75 %, 50 % and 25 % with two systems of recirculation gases to the 
furnace (current and proposed). 
 
It was proposed a new system of injection for recirculation gases to the furnace in the 
steam generator that consists on modifying the ducts of injection of recirculation gases; 
at the currently installed in the low part of the furnace in the steam generator, to inject 
the recirculation gases in the duct of hot air. With this, were obtained changes in the 
main parameters in the active burning zone (ABZ) that influence to the formation of 
nitrogen oxides. 
 
For this analysis it was developed the calculation procedure of the combustion 
temperature at the exit of the furnace, the procedure of the calculation of the main 
parameters in ABZ and the concentration of nitrogen oxides formed in the process of 
the fuel oil combustion. In base of calculation procedures it was developed a computer 
program in Excel. 
 
The developed program allows to analyze the dependence of the four fundamental 
parameters for the formation of NOx in ABZ in the power boiler of 350 MW; 
temperature in the ABZ ( ZCAT ), density of reflected heat flow ( reflZCAq ), air excess in the 
ZCA ( ZCAα ) and time of residence of the combustion products in the ABZ ( ZCAτ ). To 
the current conditions of operation and with the modification of the injection system of 
recirculation gases proposed. 
 
It was demonstrated that with the proposed system of recirculation gases injection it is 
diminished in 25 % the formation of NOx for 100 % thermal load and until 62 % for 50 
% of thermal load of the steam generator under the same operation conditions. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO X 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
La producción mundial de electricidad implica la combustión de gran cantidad de 
hidrocarburos. Esto contribuye a la emisión de grandes volúmenes de contaminantes a 
la atmósfera como bióxido de carbono ( 2CO ), óxidos de azufre ( 2SO ), óxidos de 
nitrógeno ( xNO ) y partículas sólidas suspendidas. Contaminación que determina la 
calidad del aire e impactan en la salud de la población. La contaminación del aire por 
NOx ha sido causa de numerosos problemas de salud incluyendo asma y cáncer [1] 
 
 
La generación de energía eléctrica en nuestro país proviene en un 68.8% de centrales 
termoeléctricas. [2, 3] y más de la mitad de estas queman combustóleo. La combustión 
de combustóleo genera grandes cantidades de contaminantes antes mencionados. El 
estudio de las emisiones contaminantes de los generadores de vapor que queman 
combustóleo toma gran importancia ya que el sector de producción de electricidad del 
país es responsable del 55% de las emisiones de 2SO , 27 % de xNO , y 30 % de 2CO 
[3,4]. 
 
 
En la planta termoeléctrica “Villa de Reyes” se encuentran instalados dos generados de 
vapor de 350 MW tipo Mitsubishi Heavy Industries [5] que queman combustóleo. En el 
año 2002 la planta “Villa de Reyes” produjo 2 925 900 MWh de energía eléctrica y 
contaminó 2 882 toneladas de NOx [5]. 
 
 
El generador de vapor de 350 MW de la planta “Villa de Reyes” tiene un sistema de 
recirculación de los gases en fondo del hogar para controlar la temperatura de vapor 
recalentado. El análisis de la literatura [6] indica que éste lugar de inyección de los 
gases de recirculación no influye a la disminución de óxidos de nitrógeno en la ZCA. 
 
 
El objetivo de este trabajo es determinar la formación de óxidos de Nitrógeno ( )xNO en 
el generador de vapor de 350 MW con sistema de recirculación actual y desarrollar en 
base de estudios de procesos térmicos en ZCA un nuevo sistema de recirculación de los 
gases para disminuir la formación de xNO en proceso de la combustión. 
 
 
El capitulo I contiene informaciónreferente a la producción de energía eléctrica 
mexicana, las principales centrales de generación de electricidad del país, información a 
cerca de la contribución del sector eléctrico a la contaminación atmosférica y se 
presentan los datos técnicos de operación y construcción del generador de vapor de 350 
MW tipo Mitsubishi Heavy Industries instalado en la planta termoeléctrica “Villa de 
Reyes”. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO XI 
 
 
 
 
 
 
En el capitulo II se presentan dos metodologías de calculo; cálculo térmico del hogar 
del generador de vapor y calculo de la concentración de xNO en los productos de la 
combustión. Los cuales son la base del programa computacional presentado en el 
apéndice B. 
 
 
En el capitulo III se presentan los cálculos térmicos del hogar del generador de vapor de 
350 MW a diferentes regimenes de operación: Máximo Régimen de Carga (MRC), 100 
%, 75 %, 50 % y 25 % con su sistema de recirculación de los gases actual. En este 
capitulo también se presentan los cálculos de concentraciones de NOx en productos de 
la combustión para los cinco regímenes de operación. 
 
 
En el capitulo IV se presenta los cálculos de la concentración de los óxidos de nitrógeno 
en los productos de la combustión con el sistema de recirculación propuesto para los 
cinco regímenes de operación. 
 
 
En el capitulo V se presenta el análisis y discusión de los resultados obtenidos en el 
cálculo térmico y de las emisiones de NOx en el generador de vapor quemando 
combustóleo con sistemas de recirculación actual y propuesto para los cinco regímenes 
de operación. 
 
Finalmente se presenta en las conclusiones que con el sistema propuesto de inyección 
de gases de recirculación se disminuye en 25 % la formación de NOx para 100 % de 
carga. 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FUNDAMENTOS GENERALES. 
 
 
 
 
En este capitulo se presenta información de la producción de energía eléctrica 
mexicana, las principales centrales generadora de electricidad del país, datos sobre su 
contribución a la contaminación atmosférica y se presentan los datos técnicos de 
operación y construcción del generador de vapor de 350 MW de la planta 
termoeléctrica “Villa de Reyes”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 1 
 
1.1. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN MÉXICO. 
 
1.1.1 Tipos de generación de energía eléctrica. 
 
TERMOELÉCTRICA. Una central termoeléctrica de tipo vapor es una instalación 
industrial en la que la energía química del combustible se transforma en energía calorífica 
para producir vapor, éste se conduce a la turbina donde su energía cinética se convierte en 
energía mecánica, la que se transmite al generador, para producir energía eléctrica. 
Una clasificación de las centrales termoeléctricas según el combustible primario para la 
producción de vapor, es [7]: 
• Vapor (combustóleo, gas natural y diesel) 
• Carboeléctrica (carbón) 
• Dual (combustóleo y carbón) 
• Geotermoeléctrica ( vapor extraído del subsuelo) 
• Nucleoeléctrica (Uranio enriquecido) 
NUCLEAR. La energía nuclear en la generación de electricidad, ha tenido gran aplicación 
en países desarrollados que pueden obtener el material radiactivo para cubrir la demanda de 
sus centrales. En nuestro país casi no tiene aplicación esta forma de generación de 
electricidad. 
 
La única central nucleoeléctrica del país “Laguna Verde” consta de 2 unidades, cada una 
con capacidad de 682.44 MW, equipadas con reactores del tipo Agua Hirviente. El sistema 
nuclear de suministro de vapor fue adquirido a General Electric y el Turbogenerador a 
Mitsubishi Heavy Industries. Ambas Unidades representan el 2.74% de la capacidad 
instalada de la Comisión Federal de Electricidad (CFE)(incluye productores independientes 
de energía); con una contribución a la generación del 4.61%. [8,9]. 
 
HIDROELÉCTRICAS. Las centrales hidroeléctricas utilizan la energía potencial del agua 
como fuente primaria para generar electricidad. Estas plantas se localizan en sitios en donde 
existe una diferencia de altura entre la central eléctrica y el suministro de agua. De esta 
forma, la energía potencial del agua se convierte en energía cinética que es utilizada para 
impulsar el rodete de la turbina y hacerla girar para producir energía mecánica. Acoplado a 
la flecha de la turbina se encuentra el generador que finalmente convierte la energía 
mecánica en eléctrica. 
 
EÓLICA Este tipo de central convierte la energía del viento en energía eléctrica, mediante 
una aeroturbina que hace girar un generador. La energía eólica está basada en aprovechar 
un flujo dinámico de duración cambiante y con desplazamiento horizontal. 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 2 
 
1.1.2. Generación eléctrica en el país. 
 
Según la CFE al cierre del mes de junio de 2007, la CFE contó con una capacidad efectiva 
instalada para generar energía eléctrica de 49,834.29 Megawatts (MW), de los cuales: 
11,456.90 MW son de productores independientes (termoeléctricas); 11,044.98 MW son de 
hidroeléctricas; 22,322.56 MW corresponden a las termoeléctricas de CFE; 2,600.00 MW a 
carboeléctricas; 959.50 MW a geotermoeléctricas; 1,364.88 MW a la nucleoeléctrica, y 
85.48 MW a la eoloeléctrica. [7,10]. 
 
 
Fig. 1.1. Capacidad efectiva instalada de Generación de eléctrica en el país. [9]. 
 
 
 
 
Fig.1.2. Generación de energía eléctrica por fuente del combustible [9]. 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 3 
 
En las figuras anteriores podemos notar que la producción de energía electricidad 
mexicana se realiza en termoeléctricas en 46.12 %, el 22.16% proviene de hidroeléctricas y 
las demás fuentes de producción eléctrica suma el 31%, estos datos sin considerar a los 
productores independientes de energía. Con ellos en México el 66.8% de la energía 
eléctrica provienen de centrales termoeléctricas [3]. 
 
Cabe denotar que la fuente primaria de energía para la generación de electricidad del país 
son los hidrocarburos con una aportación de casi el 43.51%, seguida de la energía 
hidráulica con 10.81 % [9]. 
 
 
1.1.3. Principales centrales generadoras de electricidad en el país. 
 
En la siguiente figura se indican las principales centrales generadoras del país que destacan 
por su tamaño, tecnología o importancia regional. Su nombre y su capacidad se presentan 
en la tabla 1.1. 
 
 
Fig.1.3 Generación de energía eléctrica por fuente del combustible [7]. 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.1 Principales centrales generadoras de Energía Eléctrica en el país [7]. 
 NOMBRE DE LA CENTRAL MUNICIPIO ESTADO TECNOLOGÍA COMBUSTIBLE
NUMERO 
DE 
UNIDADES
CAPACIDAD 
EFECTIVA 
MW 
GENERACIÓN 
BRUTA 
GWh 
FACTOR 
DE 
PLANTA
% 
1 Angostura (Belisario Domínguez) V. Carranza Chiapas HID 5 900 1,358 17.5 
2 Chicoasén(Manuel Moreno Torres) Chicoasén Chiapas HID 8 2,400 3169 22.6 
3 Malpaso Tecpatán Chiapas HID 6 1,080 2,34924.8 
4 Peñitas Ostuacán Chiapas HID 4 420 1243 33.7 
5 Temazcal San Miguel Oaxaca HID 6 354 1,321 42.5 
6 Caracol (Carlos Ramirez Ulloa) Apaxtla Guerrero HID 3 600 1,348 25.6 
7 Infiernillo La Union Guerrero HID 6 1,000 3,469 39.5 
8 Villita (José Maria Morelos) Lázaro C. Michoacán HID 4 280 1,423 57.8 
9 Necaza (LyFC) J. Galindo Puebla HID 10 107 348 37.0 
10 El Novillo ( Plutarco Elias Calles) Soyota Sonora HID 3 135 174 14.7 
11 Comedero (Raúl J. Marsal) Cosalá Sinaloa HID 2 100 136 15.5 
12 Bacurato Sinaloa de L. Sinaloa HID 2 92 131 16.2 
13 Aguamilpa Solidaridad Tepic Nayarit HID 3 960 2,445 29.0 
14 Huites (Luis Donaldo Colosio) Choix Sinalo HID 2 422 610 16.4 
15 Agua Prieta ( Valentín Gómez Farías) Zapopan Jalisco HID 2 240 249 11.8 
16 Zimapán (Fernando Hiriart Balderrama) Zimapán Hidalgo HID 2 292 1,687 65.8 
17 Tula (Francisco Pérez Ríoz) Tula Hidalgo TC/CC COM Y GAS 11 1,989 11,090 63.5 
18 Valle de Mexico Acolman México TC Y CC GAS 7 999 3,774 43.0 
19 Jorge Luque (LYFC) Tultitlán México TC/TG GAS 8 362 581 18.3 
20 Manzanillo (Manuel Alvarez Moreno) Manzanillo Colima TC COMB 4 1,200 5,355 50.8 
20 Manzanillo II Manzanillo Colima TC COMB 2 700 4,069 66.2 
21 Salamanca Salamanca Guanajuato TC COM Y GAS 4 866 3,183 41.8 
22 Villa de Reyes 
Villa de 
Reyes San Luis P. TC COM 2 700 3,579 58.2 
23 Altamira Altamira Tamaulipas TC COM Y GAS 4 800 3,955 56.3 
24 Tuxpan Tuxpan Veracruz TC/TG COMB Y GAS 7 2,263 14,327 72.1 
25 Monterrey S.N. Garzas Nuevo Leon TC COMB Y GAS 6 465 287 7.0 
26 Rio Bravo (Emilio Portes Gill) Rio Bravo Tamaulipas TC/TG COMB Y GAS 4 520 1,101 24.1 
27 Francisco Villa Delicias Chihuahua TC COMB Y GAS 5 399 1,677 47.9 
28 Samalayuca Cd. Juarez Chihuahua TC COMB Y GAS 2 316 1,300 46.8 
29 Lerdo (Guadalupe Victoria) Lerdo Durango TC COM 2 320 2,335 83.1 
30 Puerto Libertad Pitiquito Sonora TC COM 4 632 3,081 55.5 
31 Guaymas II (Carlos Rodríguez R.) Guaymas Sonora TC COM 4 484 2,044 48.1 
32 Mazatla II (José Acevez Pozos) Mazatlán Sinaloa TC COM 3 616 3,280 60.6 
33 Presidente Juarez Rosalito 
Baja 
California TC/CC/TG COMB Y GAS 11 1,326 3,724 32.0 
34 Lerma (Campeche) Campeche Campeche TC COM 4 150 784 59.5 
35 Mérida II Mérida Yucatán TC COMB Y GAS 3 198 953 54.8 
36 Topolobampo II (Juan de Dios Bátiz) Ahome Sinaloa TC COM 3 360 1,951 61.7 
37 Valladolid (Felipe Carrillo Puerto) Valladolid Yucatán TC/CC COMB Y GAS 5 295 1,524 58.8 
38 Rios Escondido ( José López Portillo) 
Rios 
Escondido Coahuila CAR K 4 1,200 8,999 85.4 
39 Carbon II Nava Coahuila CAR K 4 1,400 8,884 72.2 
40 Cerro Prieto Mexicali 
 Baja 
California GEO 13 720 4,916 77.7 
41 Laguna Verde Alto Lucero Veracruz Nuc UO2 2 1,365 9,194 76.7 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.1 Continuación 
 NOMBRE DE LA CENTRAL MUNICIPIO ESTADO TECNOLOGÍA COMBUSTIBLE
NUMERO 
DE 
UNIDADES
CAPACIDAD 
EFECTIVA 
MW 
GENERACIÓN 
BRUTA 
GWh 
FACTOR 
DE 
PLANTA
% 
42 San Carlos (Agustin Olachea A.) San Carlos 
Baja 
California 
Sur 
CI COM Y DIE 3 104 515 56.3 
43 Petacalco (Plutarco Elías Calles) La Unión Guerrero Dual COM Y K 6 2,100 7,915 42.9 
44 Samalayuca II Cd. Juárez Chihuahua CC GAS 6 522 3,853 84.1 
45 Huinalá I y II Pesqueria Nuevo Leon CC/TG GAS 8 968 3,451 40.6 
46 Campeche (PIE) Palizada Campeche CC GAS 1 252 1,772 79.9 
47 Dos Bocas Medellín Veracruz CC GAS 6 452 3,086 77.7 
48 El sAUZ P. Escobedo Queretaro CC GAS 7 597 3,139 59.9 
49 Gómez Palacio Gómez Palacio Durango CC GAS 3 200 757 43.1 
50 Poza Rica Tihuatlán Veracruz TC COM 3 117 441 42.9 
51 Punta Prieta La Paz 
Baja 
California 
Sur 
TC COM 3 113 623 63.0 
52 Azufres Cd. Hidalgo Michuacán GEO 14 190 1,336 80.3 
53 Mazatepec Tlatlauquitepec Puebla HID 4 220 577 29.8 
54 Cupatitzio Uruapan Michuacán HID 2 72 431 67.7 
55 El fuerte (27 Septiembre) El fuerte Sinaloa HID 3 59 113 21.6 
56 Nachi-Cocom Mérida Yucatán TC/TG COM Y DIE 3 79 234 33.7 
57 Cóbano G. Zamora Michoacán HID 2 52 250 54.7 
58 Humeros Chignautla Puebla GEO 8 40 295 84.0 
59 Humaya Bediraguato Sinaloa HID 2 90 141 17.8 
60 Lerma (Tepuxtepec) Contepec Michuacan HID 3 67 329 55.9 
61 Santa Rosa (Manuel m. Diéguez) Amaatitlán Jalisco HID 2 61 291 54.2 
62 Patia (LYFC) Zihuateutla Puebla HID 3 39 145 42.2 
63 Merida III (PIE) Mérida Yucatán CC GAS 1 484 3,469 81.6 
64 Hermosillo (PIE) Hermosillo Sonora CC GAS 1 250 1,253 57.1 
65 
Tres Visrgenes Comondú 
Baja 
California 
Sur 
GEO 2 10 30 33.7 
66 La Amistad Acuña Coahuila HID 2 66 3 0.5 
67 El Encino (Chihuahua II) Chihuahua Chihuahua CC GAS 4 554 2,327 47.8 
68 Tuxpan II (PIE) Tuxpan Veracruz CC GAS 1 495 3,596 82.7 
69 Tuxpan III y IV (PIE) Tuxpan Veracruz CC GAS 1 983 7,029 81.4 
70 Saltillo (PIE) Ramos Arizpe Coahuila CC GAS 1 248 1,298 59.7 
71 Colimilla Tonalá Jalisco HID 4 51 58 12.8 
72 Rio Bravo II (PIE) Valle Hermoso Tamaulipas CC GAS 1 495 3,098 71.3 
73 Rio Bravo III (PIE) Valle Hermoso Tamaulipas CC GAS 1 495 2440 74.7 
74 Monterrey III (PIE) S.N. GARZA Nuevo Leon CC GAS 1 449 2,892 73.3 
75 Altamira II (PIE) Altamira Tamaulipas CC GAS 1 495 3,155 72.6 
79 OTROS 294 2,437 3,505 16.4 
TOTAL 607 46,552 208,634 81.2 
PIE: Productores Independientes de Energía, HID: hidroeléctrica, TC: Termoeléctrica convencional, CC: 
Ciclo Combinado, TG: Turbo gas, CAR: Carboeléctrica, DUAL: Dual, NUC: Nucleoeléctrica, CI: 
Combustión Interna, COM: Combustóleo, GAS: Gas, K: Carbón, UO2: Uranio, DIE: Diesel. 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 6 
 
 
Como podemos apreciar en la tabla anterior existen diferentes tecnologías para la 
generación de electricidad y específicamente en el presente trabajo nos enfocaremos a las 
centrales termoeléctricas. 
 
 
Donde las centrales termoeléctricas de mayor importancia en el país son: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El presente trabajo se centra en el estudio de centrales termoeléctricas convencionales dado 
que en nuestro país aproximadamente el 66.8 % de la electricidad se genera en este tipo de 
centrales [3, 9] Cabe mencionar que la mayoría de estas instalaciones consumen 
combustóleo, que es un combustible que produce importantes emisiones de bióxido de 
azufre (SO2), óxidos de nitrógeno (NOX) y partículas suspendidas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.2 Principales centrales Termoeléctricas [3]. 
NOMBRE UBICACIÓN COMBUSTIBLE 
CAPACIDAD 
EFECTIVA 
INSTALADA (MW) 
P. Elías Calles Petacalco, Guerrero Carbón 2,100 
A López Mateos Tuxpan, Veracruz Combustóleo 2,100 
E Pérez Ríos Tula, Hidalgo Combustóleo 1,500 
Carbón II Nava, Coahuila Carbón 1,400 
J. López Portillo 
(Rios Escondido) 
Nava, Coahuila Carbón 1,200 
Manzanillo I Manzanillo, Colima Combustóleo 1,200 
Valle de México Acolman, México Gas Natural 999.3 
Salamanca Salamanca 
Guanajuato 
Combustóleo 800 
Altamira Altamira Tamaulipas Combustóleo 800 
Manzanillo II Manzanillo Colima Combustóleo 700 
Villa de Reyes San Luís Potosí Combustóleo 700 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 7 
 
 
1.2. CONTRIBUCIÓN DEL SECTOR ENERGÉTICO A LA CONTAMINACIÓN 
ATMOSFÉRICA 
 
La contaminación atmosférica proviene de diferentes fuetes de emisión debido a las 
diferentes actividades económicas que el hombre desarrolla, el usodel automóvil, la 
industria química, refinerías de petróleo y fabricas, son ejemplo de ello. Es de nuestro 
interés particular conocer la contribución de la industria energética a la generación de 
contaminantes peligrosos como son el Bióxido de Azufre ( 2SO ), Óxidos de Nitrógeno 
( xNO ), Mercurio (Mg), Bióxido de Carbono ( 2CO ). 
 
La contribución de la industria eléctrica a la totalidad de las emisiones atmosféricas de los 
países Canadá, México y Estados Unidos es [11,12]: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Como podemos apreciar el sector energético de México y Estados Unidos poseen una 
mayor aportación en su contaminación comparado con el sector energético de Canadá. El 
sector energético de Estados Unidos contamina mas que el sector energético Mexicano esto 
a que relativamente el sector energético Mexicano es mas joven que el de Estados Unidos y 
por ende su tecnología en las plantas de generación eléctrica contamina menos, en contra 
parte a las plantas de Estados Unidos que en promedio tiene mas años de operación que las 
planta Mexicanas. 
 
La industria Energética de México contribuye a la aportación del 55% de Bióxido de 
Azufre ( 2SO ), 27% de Óxidos de Nitrógeno ( xNO ), 30% de Bióxido de Carbono ( 2CO ) y 
el 3% de Mercurio (Hg) [11] de las emisiones contaminantes totales del país a la atmósfera. 
Sin embargo la mayor parte de 2SO y xNO provenientes del sector energético son 
producidas en plantas termoeléctricas que utilizan combustóleo y diesel como materia 
prima en 79% y 35%, respectivamente [13,14]. 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.3 Emisión de contaminantes del sector Energéticos de tres Países [11]. 
CONTAMINANTE CANADÁ MÉXICO ESTADOS 
UNIDOS 
Bióxido de azufre ( 2SO ) 20% 55% 69% 
Oxido de Nitrógeno( xNO ) 11% 27% 22% 
Mercurio (Hg) 25% 3% 40% 
Bióxido de Carbón ( 2CO ) 22% 30% 39% 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 8 
 
1.2.1. Emisión anual de NOx de las principales centrales generadoras del país. 
 
En la siguiente tabla se muestra las emisiones contaminantes de NOx de las principales 
centrales generadoras de electricidad del país [12]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla 1.4. Emisión de NOx de las principales centrales Termoeléctricas del País [12]. 
 Generación 
de 
Electricidad 
MWh 
 
Emisión 
de 
,xNO ton
 
Emisión 
de xNO 
en 
/kg MWh
 
Combustible 
Primario. 
1 C.T. José López Portillo (RíoEscondido) 7,515,560 45,932 6.11 Carbón 
2 C.T. Carbón II 8,636,350 40,099 4.64 Carbón 
3 C.T. Plutarco Elías Calles (Petacalco) 13,879,470 30,931 2.23 Carbón 
4 C.T. PDTE. A. López Mateos (Tuxpan) 15,030,690 
15,899 
 
1.06 Combustóleo 
5 C.T. Francisco Pérez Ríos (Tula) 9,734,170 10,949 
1.12 Combustóleo 
6 C.T. Altamira 4,655,850 
6,899 
 
1.48 Combustóleo 
7 C.T. Gral. Manuel Álvarez (Manzanillo I) 6,449,140 
6,146 
 
0.95 Combustóleo 
8 C.T. Salamanca 4,841,380 5,393 1.11 Combustóleo 
9 C.T. Manzanillo II 5,034,400 4,555 0.90 Combustóleo 
10 C.C.C. Benito Juárez (Samalayuca II) 3,901,950 4,140 
1.06 Gas Natural 
11 C.C.C. FCO. Pérez Ríos (Tula) 3,260,940 4,088 1.25 Gas Natural 
12 C.T. José Acevez Pozos (Mazatlan II) 3,284,120 4,056 1.23 Combustóleo 
13 C.C.C. Dos Bocas 2,428,890 3,712 1.53 Gas Natural 
14 C.TG. Portes Gil (Río Bravo) 1,031,400 3,437 3.33 Gas Natural 
15 C.T. Monterrey 2,538,090 3,429 1.35 Combustóleo 
16 C.T. Puerto Libertad 3,349,740 3,289 0.98 Combustóleo 
17 C.C.C. Chihuahua II (El Encino) 2,949,700 3,264 1.11 Gas Natural 
18 C.T. Valle de México 3,894,120 3,096 0.80 Gas Natural 
19 C.C.C. Huinala 2,331,460 3,009 1.29 Gas Natural 
20 C.T. Carlos Rodríguez Rivero (Guaymas II) 2,259,290 2,958 
1.06 Carbón 
21 C.T. Villa De Reyes (San Luís Potosí) 2,925,990 2,882 0.98 Combustóleo 
22 C.T. Francisco Villa (Delicias) 1,919,730 2,871 1.50 Combustóleo 
23 C.T. Juan De Díos Batis P. (Topolobampo) 1,996,550 2,775 
1.39 Combustóleo 
24 C.T. Presidente Juárez (Tijuana) 1,488,840 2,392 1.61 Combustóleo 
25 C.C.C. Presidente Juárez (Rosarito) 2,077,250 2,242 1.08 Gas Natural 
26 C.TG. El Sauz 1,495,570 2,221 1.49 Gas Natural 
27 C.C.C. Felipe Carrilo P. (Valladolid) 1,517,600 2,025 1.33 Gas Natural 
28 C.C.C. El Sauz 1,370,540 1,955 1.43 Gas Natural 
29 C.T. Guadalupe Victoria (Lerdo) 1,980,460 1,892 0.96 Combustóleo 
30 C.T. Benito Juárez (Samalayuca I) 1,232,800 1,814 1.47 Combustóleo 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.4 Continuación. 
 Generacion 
de 
Electricidad
, MWh 
 
Emisión 
de xNO 
Emisión de 
xNO en 
/kg MWh 
Combustible 
Primario. 
31 C.C.C. Gómez Palacio 1,045,260 1,668 1.60 Natural gas 
32 C.T. Emilio Portes Gil (Río Bravo) 1,745,990 1,634 0.94 Oil 
33 C.C.C. Huinala II 1,333,060 1,418 1.06 Natural gas 
34 C.TG. Presidente Juárez (Tijuana) 648,420 1,222 1.88 Natural gas 
35 C.T. Mérida II 1,099,710 1,151 1.05 Oil 
36 C.CI. Puerto San Carlos 470,680 1,148 2.44 Oil 
37 C.T. Poza Rica 654,040 1,124 1.72 Oil 
38 C.T. Campeche II (Lerma) 812,720 1,005 1.24 Oil 
39 C.CI. Guerrero Negro 36,390 903 24.80 Diesel 
40 C.TG. Hermosillo 507,150 875 1.73 Natural gas 
41 C.T. Jorge Luque (LFC) 497,160 847 1.70 Natural gas 
42 C.T. Punta Prieta II 621,830 833 1.34 Oil 
43 C.T. Felipe Carrilo P. (Valladolid) 414,970 709 1.71 Oil 
44 C.CI. Santa Rosalía 26,220 667 25.42 Diesel 
45 C.TG. Chihuahua II (El Encino) 329,140 582 1.77 Natural gas 
46 C.TG. Cancún 77,770 508 6.54 Diesel 
47 C.TG. Huinala 259,700 427 1.64 Natural gas 
48 C.T. Guaymas I 186,750 403 2.16 Oil 
49 C.CI. Villa Constitución 17,170 386 22.51 Diesel 
50 Pueblo Nuevo (Movil) 12,050 355 29.49 Diesel 
51 C.T. Nachi-Cocom 249,470 332 1.33 Oil 
52 
C.TG. Jorge Luque (Lechería) 
(LFC) 145,390 
326 2.24 
 
Natural gas 
53 C.TG. Las Cruces 46,400 309 6.66 Diesel 
54 C.T. La Laguna 179,590 303 1.69 Natural gas 
55 C.TG. Nonalco (LFC) 131,470 281 2.13 Natural gas 
56 C.TG. Ciudad Constitución 33,690 267 7.91 Diesel 
57 C.TG. Valle de México (LFC) 104,780 242 2.31 Natural gas 
58 C.T. San Jerónimo 222,010 219 0.99 Natural gas 
59 Nuevo Nogales (Movil) 7,730 219 28.28 Diesel 
60 C.TG. Monclava n/a 217 n/a Natural gas 
61 C.TG. Los Cabos 30,900 209 209 Diesel 
62 C.TG. Caborca Industrial 26,140 171 171 Diesel 
63 C.TG. La Laguna 62,260 159 159 Natural gas 
64 C.TG. Nizuc 27,630 156 156 Diesel 
65 C.TG. El Verde 29,110 114 114 Natural gas 
66 C.TG. Culiacan 17,550 98 98 Diesel 
67 C.TG. Parque 15,580 96 96 Diesel 
68 C.TG. Tecnológico 13,400 89 89 Diesel 
69 C.TG. Ciudad Obregón 10,780 83 83 Diesel 
70 C.TG. Punta Prieta I (La Paz) 9,870 79 79 Diesel 
71 C.TG. Cipres 10,120 70 70 Diesel 
72 C.TG. Chávez 25,250 65 65 Natural gas 
73 C.TG. Arroyo De Coyote 6,540 63 63 Diesel 
74 C.TG. Xul-Ha 8,770 63 63 Diesel 
75 C.TG. Chihuahua I 7,980 57 57 Diesel 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.3 COMBUSTÓLEO 
 
El uso del combustóleo, el cual es un producto de los residuos de la refinación, es 
indispensable para la generación eléctrica. Casi el 68 por ciento de la producción de 
electricidad en México se realiza en centrales termoeléctricas que usan hidrocarburos para 
su funcionamiento; entre las termoeléctricas, las que utilizan combustóleo aportan el 58 por 
ciento de la generación total. [3] 
 
En particular,la composición del combustóleo utilizado depende de dos factores: la 
naturaleza del crudo y el proceso de refinería del cual proviene. Así, durante la operación 
de destilación, la composición química no se altera y la calidad del combustóleo o aceite 
residual es principalmente determinada por la calidad del petróleo crudo y puede ser 
expresada por medio de diversos factores (densidad, peso molecular medio, relación 
carbono/hidrógeno, contenido de metales, entre otros). 
 
El combustóleo producido en nuestro país está constituido por carbón (84 a 87 por 
ciento), hidrógeno (10 a 14 por ciento), oxígeno y nitrógeno (2.6 por ciento), azufre (2.5 a 4 
por ciento) y pequeñas cantidades de vanadio, níquel y sodio. [15]. La quema de 
combustóleo en las centrales termoeléctricas generadoras de electricidad contribuye a la 
emisión de contaminantes como: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla.1.4 Continuación.
 Generación 
de 
Electricidad
, MWh 
 
Emisión 
de xNO 
Emisión de 
xNO en 
/kg MWh 
Combustible 
Primario. 
76 C.TG. Universidad, Nuevo León 17,220 50 2.93 Natural gas 
77 C.TG. Leona, Nuevo León 16,570 48 2.91 Natural gas 
78 C.CI. Yecora, Sonora 1,890 41 21.83 Diesel 
79 C.TG. Mexicali, Baja California 5,330 41 7.67 Diesel 
80 C.TG. Esperanzas, Coahuila 4,590 35 7.66 Diesel 
81 
C.TG. Industrial (Juárez), 
Chihuahua 1,980 
29 14.66 Diesel 
82 C.TG. Fundidora, Nuevo León 4,810 13 2.79 Natural gas. 
Tabla.1.5 Principales contaminantes emitidos por el uso de Combustóleo. [11] 
COMBUSTIBLE CONTAMINANTE EMITIDO. 
Monóxido de carbono 
Plomo 
Óxidos de nitrógeno 
Partículas suspendidas primarias 
Óxidos de azufre 
Benceno 
Berilio y sus compuestos 
Metales pesados (cadmio, cromo, 
cobalto, mercurio) y sus compuestos 
Dioxinas y furanos 
Etilbenceno 
Formaldehído 
Combustibles pesados 
(combustóleo) 
 
Manganeso y sus compuestos 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 11 
 
 
1.4. NORMA APLICADAS A LA EMISIÓN DE CONTAMINANTES EN MÉXICO 
 
En México existen límites máximos permisibles para la emisión de contaminantes 
provenientes de equipos de combustión industriales. Entre estos equipos, los de mayor 
tamaño son los que se utilizan en la generación de energía eléctrica. La Norma Oficial 
Mexicana NOM-085-ECOL-1994 establece estos límites máximos permisibles, de acuerdo 
con el tamaño de los equipos de combustión [16]. En el caso de las calderas usadas en la 
generación de energía eléctrica, los parámetros vigentes son los que se indican en la tabla 
1.6; los requisitos para la medición de estos parámetros se encuentran en la misma norma 
tabla 1.7. Esta normatividad está en revisión debido a que, según las autoridades federales, 
los límites máximos permisibles (LMP) de emisión de SO2 establecidos en la NOM-085 
[16] son entre 4 y 15 veces superiores en comparación con los valores establecidos para 
casos similares en Estados Unidos. Asimismo, los LMP mexicanos para partículas 
Suspendidas Totales (PST) son entre 2 y 10 veces superiores en comparación con la misma 
norma de EUA [32]. De acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecológico y la 
Protección al Ambiente (LGEEPA) y a su Reglamento para la Prevención y el Control de la 
Contaminación Atmosférica [14], las fuentes fijas de jurisdicción federal, entre las que se 
encuentran las plantas generadoras de energía, están obligadas a cumplir con estos límites 
máximos permisibles y a reportar anualmente a la Secretaría de Medio Ambiente y 
Recursos Naturales (Semarnat) sus emisiones contaminantes, a través de la Cédula de 
Operación Anual (COA). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tabla 1.6 Límites máximos permisibles de emisión para 
 calderas con capacidad mayor a 110 000 MJ/h[14] 
Límites máximos permisibles de emisión para calderas con capacidad mayor 
a 110 000 MJ/h, establecidos en la NOM-085-ECOL-1994 
Tipo de 
combustible 
empleado 
Partículas (PST) 
mg/m3 (kg/106 kcal) 
Dióxido de azufre 
combustible 
ppmV (kg/106 kcal) 
Óxidos de nitrógeno 
ppmV (kg/106 kcal) 
 
 ZMCM ZC* RP ZMCM ZC* RP ZMCM ZC** RP 
Sólidos 60 
(0.090) 
250 
(0.375) 
350 
(0.525) 
550 
(2.16) 
1,100 
(4.31) 
2,200 
(8.16) 
110 
(0.309) 
110 
(0.309) 
375 
(1.052) 
Líquidos 60 
(0.085) 
250 
(0.355) 
350 
(0.497) 
550 
(2.04) 
1,100 
(4.08) 
2,200 
(8.16) 
110 
(0.294) 
110 
(0.294) 
375 
(1.0) 
Gaseosos NA NA NA NA NA NA 110 
(0.281) 
110 
(0.281) 
375 
(0.959) 
ZMCM: zona metropolitana de la Ciudad de México. 
ZC: se refiere únicamente a las zonas metropolitanas de Monterrey y Guadalajara y a las ciudades de 
Tijuana, Baja California y Ciudad Juárez, Chihuahua. 
RP: resto del país. NA: no es aplicable 
Fuente: NOM-085-ECOL-1994 [9]. 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 12 
 
 
Tabla 1.7. Requisitos de medición y análisis de gases de combustión [14] 
Parámetro 
 
Frecuencia mínima 
de medición 
Tipo de evaluación/ 
Medición 
Tipo de 
Combustible 
PST Una vez cada 6 
Meses 
Isocinética (mínimo 
durante 60 minutos); 
2 muestras 
definitivas 
Sólido, 
líquido 
 
NOx Permanente* Continua**; 
quimiluminiscencia 
O equivalente 
Sólido, 
líquido y gas 
 
O2 Permanente Continua; campo 
magnético o 
equivalente, 
con registrador como 
mínimo o equivalente 
Líquido y 
gas 
 
SO2 Una vez por año Indirecta a través 
de certificados de 
calidad de 
combustibles que 
emita el proveedor 
Sólido, 
líquido 
 
*El monitoreo continuo de NOx será permanente en las zonas metropolitanas de la Ciudad de 
México, Guadalajara y Monterrey; con una duración de cuando menos 7 días una vez cada 3 meses 
en las zonas críticas; y con una duración de cuando menos 7 días una vez cada seis meses en 
el resto del país. 
**Monitoreo continuo: el que se realiza con equipo automático con un mínimo de 15 lecturas en un 
periodo no menor a 60 minutos y no mayor a 360 minutos. El resultado del monitoreo es el 
promedio del periodo 
muestreado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 13 
 
1.5. GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW INSTALADO EN LA CENTRAL 
TERMOELECTRICA “VILLA DE REYES” 
 
Para el presente estudio solo se considerará el combustóleo que es el empleado en la planta 
termoeléctrica VILLA DE REYES. 
 
El siguiente diagrama muestra de manera general el arreglo de una planta termoeléctrica: 
 
 
Figura 1.4. Arreglo general de una Planta Termoeléctrica. 
 
La planta termoeléctrica “Villa de Reyes” se encuentra ubicada en el municipio de Villa de 
Reyes, San Luís Potosí, México. 
 
 
FIG. 1.5. Central Termoeléctrica Villa de Reyes [5]. 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 14 
 
1.5.1. Arreglo general del generador de vapor de 350MW 
 
En la siguiente figura se muestra el arreglo general del generador de vapor de 350 MW. 
Instalado en la planta termoeléctrica Villa de Reyes, se aprecia la zona de 
sobrecalentadores, los ductos de agua de alimentación y de gases de recirculación, así como 
el hogar del generador de vapor. 
 
VENTILADORES
RECIRCULADORES
DE GASES.
PRECALENTADOR.
DOMO DE
SUMINISTRO.
QUEMADORES.
QUEMADORES.
QUEMADORES.
QUEMADORES.
AIRE
+ 2850
+ 3710
+ 9050
+ 11300+ 11760
+ 12950
+ 14600
+ 16710
+ 20950
+ 23150
+ 25350
+ 30750
+ 33450
+ 36150
+ 37650
(PROF)
(ANCHO)
+ 9350
+ 16250
+ 17550
+ 19400
+ 14650
+ 21050
+ 23850
+ 26850
+ 27350
CAMARA T.V.
+ 28050
[T]
1ER S.C. 2do. S.C. 3er. S.C. 2do. R.C.
1er. R.C.
1er. R.C.
+ 32750
+ 33250
+ 37750
+ 40250
ECONOMIZADOR.
VAPOR PRINCIPAL
SALIDA VAPOR
RECALENTADO
DESCRIPCION DEL GENERADOR.
TIPO. MITSUBISHI-CE. DE CIRCULACION FZDA. 
CAPACIDAD. 1171.767 t / h
P Y T DEL
GEN. DE VAP. 18240 K Pag (186 Kg/cm2g), 541 °C
TEMP. AGUA DE
ALIMENT. 257 °C
FLUJO DE VAP.
RECALENT. 1038.952 t / h
T Y P DEL 
VAPOR 
RECALENTADO
ENTRADA
SALIDA.
4540 Kpa (46.3 Kg/cm2g) 345 °C
4344 Kpa (44.3 Kg/cm2g) 541 °C
MAX. PRES. DE
DISEÑO
20104 Kpa (205 Kg/cm2g) 
COMBUSTIBLE. COMBUSTOLEO Y GAS NATURAL.
SIST. DE TIRO TIRO BALANCEADO.
CONTRO TEMP.
S.C. Y R.C.
S.C = DOS PASOS DE ATEMP. E INCLINACION
R.C.= RECIRCULACION DE GASES
PAREDES DE 
AGUA
45.0 D.E X 58 DE SEPARACION SOLDADURA P/FUSION
PAREDES ENF.
POR VAPOR
50.8 D.E X 116 DE SEPARACION, CON ALETA SOLDADA.
8040
25°
800010500
1769
8500
860
12000
10500
 
FIG. 1.6. Arreglo general del generador de vapor de 350 MW. [17, 18] 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 15 
 
1.5.2. Diagrama simplificado del “hogar” del generador de vapor de 350 MW 
 
En la siguiente figura se muestra el hogar del generador de vapor de una manera 
simplificada con cotas principales, indicando los niveles de quemadores y la Zona de 
combustión activa (ZCA). 
 
 
FIG. 1.7. Hogar del generador de vapor de 350 MW [19] 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 16 
1.5.3. Características del generador de vapor 
 
El generador de vapor de 350 MW tiene las siguientes características de operación [5]. 
 
UNIDADES UNO Y DOS 
 
 
Fabricante del generador de 
vapor y tipo 
Mitsubishi – CE circulación forzada – recalentador radiante 
– convectivo, tiro balanceado, tipo intemperie. 
Presión de vapor 
Domo de vapor 183.5 kg / cm2 
Salida del sobrecalentador 174.5 kg / cm2 
Entrada al recalentador 34.5 kg / cm2 
Salida del recalentador 32.8 kg / cm2 
Temperatura de vapor 
Salida del sobrecalentador 541°C 
Salida del recalentador 541°C 
Entrada al recalentador 314°C 
Temperatura del agua de alimentación 
Entrada al economizador 238°C 
Temperatura del aire 
Aire del ambiente 20°C 
Entrada al calentador de aire 
regenerativo 
88°C 
Salida del calentador de aire 
regenerativo 
293°C 
Temperatura de gases 
Salida del hogar 1174°C 
Entrada al economizador 512°C 
Salida del economizador 321°C 
Salida del calentador de aire 
regenerativo 
146°C 
Flujo de vapor 
Salida del sobrecalentador 1191.3 t / h 
Entrada al recalentador 1060.0 t / h 
Sistema de combustión Combustóleo con quemadores tangenciales basculantes. 
Sistema de tiros Hogar balanceado 
Control de temperatura del 
vapor 
Recirculador de gases, atemperación e inclinación de 
quemadores 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 17 
 
ESPECIFICACIONES DEL COMBUSTOLEO 
 
Carbón C 83.64 % en peso 
Hidrógeno H 11.3 % en peso 
Azufre 4.2 % en peso 
Nitrógeno + Oxígeno N+O 0.86 % en peso 
Cenizas 0.06 % en peso 
Vanadio Va 300 ppm 
Sodio Na 40 ppm 
Níquel 25 ppm 
Acero 10 ppm 
Potasio 5 ppm 
Densidad especifica a 20 / 4°C 0.987 
 
 
 
ESPECIFICACIONES DEL DIESEL 
Azufre 1.8 % en peso 
Poder calorífico superior 9350 Kcal. / kg 
 
 
 
COMPONENTES DEL GENERADOR DE VAPOR 
 
DOMO DE VAPOR (SUPERIOR) 
Número de domos Uno 
Diámetro del domo (interior) 1775 mm 
Longitud total 17.94 metros 
Espesor 183 / 177 mm
Material SA 299 
Numero de separadores ciclónicos 68 
Presión de diseño 201 bar 
 
DOMO DE ALIMENTACIÓN (INFERIOR) 
Número de domos Uno 
Diámetro del domo (interior) 864 mm 
Longitud total 14.3 metros
Espesor 105 mm 
Material SA 229 
 
 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 18 
PAREDES DE AGUA 
 
Tipo Paredes enfriadas por agua, soldadas por fusión.
Volumen del hogar 4650 metros cúbicos 
Superficie de calefacción del hogar 2860 metros cuadrados 
Dimensiones del hogar 
Ancho 13,224 mm 
Fondo 11,600 mm 
 
 
SOBRECALENTADOR 
 
Tipo Paredes enfriadas por vapor, radiante – convectivo. 
Superficie de calefacción 
Paredes enfriadas por vapor 920 m2 
Primario 1000 m2 
Secundario 2170 m2 
Terciario 2520 m2 
Total 6610 m2 
Temperatura de vapor a la 
salida 
541°C 
Rango para control de 
temperatura 
50 % MCR 
Método de control de 
temperatura 
Inclinación de quemadores, recirculación de gases y 
atemperación. 
Presión de diseño 201 bar 
 
 
RECALENTADOR 
 
Tipo Radiante – convectivo 
Superficie de calefacción 
Primario 7960 m2 
Secundario 1520 m2 
Total 9480 m2 
Temperatura de vapor a la 
salida 
541°C 
Rango para control de 
temperatura 
50 % MCR 
Método de control de 
temperatura 
Inclinación de quemadores, recirculación de gases y 
atemperación. 
 
 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 19 
ECONOMIZADOR 
 
Tipo Aletado en forma de espiral (dos aletas por pulgada), de tubo continuo
Superficie de calefacción 
Tubos aletados 17540 m2 
Tubos colgantes 250 m2 
Total 17790 m2 
 
 
CALENTADOR DE AIRE REGENERATIVO 
 
Tipo Ljungstrom regenerativo
Número Dos 
Flecha Vertical 
Superficie de calefacción 58700 m2 
Velocidad de giro 0.3 rpm 
 
 
1.5.4. Datos comportamiento establecidos del generador de vapor 
 
En la siguiente tabla se muestran los datos de operación establecidos para el generador de 
vapor de 350 MW. Instalado en la central termoeléctrica Villa de Reyes [5]. 
MCR= Máximo régimen continuo. ECR= Régimen continuo eficiente. 
 
 
CONCEPTOS MCR 100 % ECR 
75 % 
ECR 
50 % 
ECR 
25 % 
ECR 
25 % ECR 
PRES. 
VARIABLE 
CON 
CAP 
F/S 
Presión kg/cm2 
Salida del 
sobrecalentador 186.0 174.5 171.6 170.0 169.5 90.0 186.0 
Del domo de 
vapor 196.4 183.5 176.5 172.5 170.2 91.4 196.2 
Entrada al 
recalentado 39.5 34.5 25.4 17.4 8.0 8.0 39.5 
Salida del 
recalentador 37.9 32.8 24.1 16.5 7.6 7.6 37.6 
Entrada al 
economizador 199.4 186.3 178.8 174.4 172.1 93.3 199.3 
Temperatura ° C. 
Entrada agua de 
alimentación al 
eco. 
245 238 222 203 182 183 174 
Salida agua de 308 306 305 304 260 262 260 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 20 
alimentación del 
eco. 
Salida de vapor 
del 
sobrecalentador 
541 541 541 541 497 497 541 
Entrada de vapor 
al recalentador 330 314 289 278 232 232 330 
Salida de vapor 
del recalentador 541 541 541 541 450 450 541 
Flujo T / H 
Flujo de vapor 
sobrecalentado 1191.3 1037.9 760.88 523.58 261.79 261.79 1191.3 
Flujo de vapor 
recalentado 
caliente 
1060.0 932.9693.4 482.4 241.2 241.2 1060.0 
Flujo de agua de 
alimentación 1203.2 1048.3 742.68 516.58 272.65 258.54 1161.5 
Flujo de agua de 
1ª atemperación 
SC 
0.0 0.0 15.7 9.2 0.0 0.0 0.0 
Flujo de agua de 
2ª atemperación 
SC 
0.0 41.1 41.5 25.3 0.3 14.4 29.77 
Flujo de 
atemperación 
recalentador 
0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 
Flujo de aire T / H 
Descarga de aire 
VTF 1314.7 1218.3 940.6 737.2 404.1 419.2 1448.2 
Entrada de aire al 
calen. 
regenerativo 
1314.7 1218.3 940.6 737.2 404.1 419.2 1448.2 
Salida de aire del 
calentador 
regenerativo 
1227.8 1135.2 865.5 668.6 347.5 362.6 1363.4 
Fugas (pérdidas 
en CRA) 86.9 83.1 75.1 68.6 56.6 56.7 84.8 
Temperatura de aire ° C 
Aire del ambiente 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0 
Entrada al 
calentador 
regenerativo 
86 88 91 95 103 103 93 
Salida del calentador 
regenerativo 301 293 284 269 222 221 258 
Flujo de gases T / H 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 21 
Salida del hogar 1614.4 1528.7 1369.9 1189.8 600.0 596.6 1556.9 
Recirculación de 
gases 276.7 290.0 419.4 453.8 208.1 188.7 74.1 
Entrada al 
calentador 
regenerativo 
1337.7 1238.7 950.5 736.0 392.0 407.9 1482.7 
Salida del 
calentador 
regenerativo 
1424.6 1321.8 1025.6 804.6 448.6 464.6 1567.5 
Temperatura de gases ° C 
Salida del hogar 1202.0 1174.0 1074.0 948.0 732.0 741.0 1230.0 
Entrada al 
economizador 525.0 512.0 486.0 466.0 369.0 368.0 524.0 
Entrada al 
calentador 
regenerativo 
332.0 321.0 306.0 288.0 230.0 229.0 283.0 
Salida del CRA 
sin corregir por 
perdidas 
148.0 146.0 142.0 139.0 130.0 130.0 141.0 
Salida del CRA 
corregida por 
perdidas 
144.0 142.0 139.0 136.0 127.0 127.0 139.0 
Exceso de aire % 
Salida del hogar 5.0 5.0 5.0 15.0 30.0 30.0 5.0 
Entrada al 
economizador 5.0 5.0 5.0 15.0 30.0 30.0 5.0 
Salida del 
calentador 
regenerativo 
12.3 12.5 13.9 26.6 50.8 49.9 11.4 
Perdida de presión lado aire mm / H2O 
Silenciador del 
VTF 31 26 16 10 3 3 37 
Calentador aire 
vapor 31 26 16 10 3 3 37 
Compuertas de 
ductos y venturi 
flujo. 
48 40 23 13 3 4 54 
Calentador de aire 
regenerativo 95 83 51 32 10 10 111 
Cajas de aire de 
quemadores 210 210 210 180 180 180 210 
Caída de presión 
total en aire 415 385 316 245 199 200 449 
Perdida de presión gases mm / H2O 
CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMENEZ GARCIA JUAN ANTONIO 22 
Presión en el 
hogar mm / H2O -15 -15 -15 -15 -15 -15 -15 
Sobrecal., 
recalent. y 
economizador 
206 183 145 108 31 31 190 
Calentador de aire 
regenerativo 132 116 74 47 17 18 147 
Ductos de gas y 
chimenea 36 31 18 11 3 4 43 
Caída de presión 
total lado gases 359 315 222 151 36 38 365 
Caída de presión 
total aire y gases 774 700 538 396 235 238 814 
Flujo de 
combustóleo T/H 86.22 77.42 59.24 41.97 2064 21.48 95.47 
Perdida total de 
calor % 11.0 10.98 10.84 11.13 12.36 12.3 11.04 
Eficiencia del 
generador de 
vapor % 
89.0 89.02 89.16 88.87 87.64 87.70 88.96 
 
 
1.5.5. Particularidades de la construcción del generador de vapor de 350 MW 
 
El generador de vapor esta diseñado para trabajar con un sistema de recirculación; la 
fracción de gases de recirculación a cargas térmicas parciales es de 0.23 para 100% y 0.62 
para el 50% de carga. Los gases de recirculación se inyectan en el fondo del hogar e 
influyen en el gasto de gases en los ductos del generador de vapor, para controlar el 
recalentamiento del vapor secundario. La inyección de gases de recirculación al hogar del 
generador de vapor no influye significativamente a la formación de NOx. En la zona de 
combustión activa. En este trabajo necesario investigar el trabajo térmico del hogar y la 
zona de combustión activa, la formación de NOx y desarrollar un nuevo sistema de 
recirculación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR DE 350 MW Y DEL CÁLCULO DE LA 
FORMACIÓN DE xNO EN LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN. 
 
 
 
 
 
 
 
 
En este capitulo se presenta la metodología para el cálculo térmico del hogar 
del generador de vapor de 350 MW basado en la ecuación empírica de Gurvich [1], 
que relaciona el numero de Boltzman ( Bo ) que caracteriza la transferencia de calor 
por radiación, el número de Buger ( uB~ ) y el parámetro M que considera la 
distribución de temperaturas en toda la altura del hogar y depende de la posición 
relativa del núcleo de la llama. 
 
 Se presenta el procedimiento del cálculo de la concentración de xNO en los 
productos de la combustión del generador de vapor de 350 MW; que depende de 
cuatro parámetros significativos: Temperatura en la zona de combustión ( ZCAT ), 
Densidad de flujo de calor reflejado ( reflZCAq ), Coeficiente de exceso de aire ( ZCAα ) y 
Tiempo de residencia de los productos de la combustión en la zona de combustión 
activa. 
 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 23 
 2.1 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO TÉRMICO DEL HOGAR DEL 
GENERADOR DE VAPOR QUE QUEMA COMBUSTÓLEO. 
 
La ecuación principal para el cálculo de intercambio de calor en hogares, conocida como 
ecuación de Gurvich [20], se obtiene de la relación entre la temperatura relativa de los 
gases en salida del hogar ( "hogarθ ), el número de Boltzman ( Bo ), el número de Buger ( uB~ ) 
y el parámetro M que considera la distribución de temperaturas en toda la altura del hogar y 
depende de la posición relativa del núcleo de la llama. Para el cálculo se utiliza ecuación 
empírica [20, 21]: 
 
6.03.0
6.0"
"
~ BouBM
Bo
T
T
a
hogar
hogar +⋅
==θ (2.1) 
 
En esta ecuación "hogarθ es la temperatura relativa a la salida del hogar ( 9.0
" ≤hogarθ ), 
''
hogarT es 
la temperatura de los productos de la combustión a la salida del hogar en K; aT es la 
temperatura adiabática en grados Kelvin, K; Bo es el número de Boltzman y uB~ es número 
de Buger efectivo. La ecuación (2.1) está desarrollada en base a investigaciones 
experimentales de generadores de vapor con combustión en el volumen de la cámara de 
combustión. 
 
2.1.1. PARÁMETRO M 
 
Para hogares con combustión en el volumen del hogar, el parámetro M está determinado 
por la relación entre la posición relativa de la temperatura máxima de la llama y la altura 
del hogar. Al quemar combustóleo se tiene [20]: 
 
( )30 4.01 vquemad rxMM ⋅−= (2.2) 
 
Donde 0M =0.4 para combustión del combustóleo en quemadores instalados en las paredes 
o en esquinas de los hogares [17, 20]; quemadx es la posición relativa del núcleo de la llama; 
vr es un factor de composición de los gases que depende del exceso de aire y la 
recirculación de los gases en hogar. 
 
2.1.1.1. Factor de composición de los gases 
 
El factor de composición de los gases se calcula [17, 20]: 
 
22
0
)1(
RON
gas
v VV
rV
r
+
+
= (2.3) 
 
Donde: gasV es el volumen de los productos de la combustión de 1 kg de combustóleo en 
condiciones de referencia (P=0.1 MPa, T=273 K), m3/k; 0
2N
V es el volumen del nitrógeno 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING.JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 24 
en productos de la combustión estequiométrica de 1 kg de combustóleo en condiciones de 
referencia, m3/kg; 
2RO
V es el volumen de los gases RO2 (suma de volúmenes de gases CO2 
y SO2) en productos de la combustión de 1 kg de combustóleo en condiciones de referencia, 
m3/kg; r es el coeficiente de recirculación. 
 
 
2.1.1.2. Posición relativa del núcleo de la llama 
 
La posición relativa del núcleo de la llama ( quemadx ) se define como la relación entre las 
alturas en que están instalados los quemadores y la altura total del hogar hogarL [20, 21]: 
 
hogar
quemador
quemad L
l
x = (2.4) 
 
 
2.1.1.2.1. Altura promedio de los quemadores. 
 
En la fórmula (2.4) para un solo nivel de quemadores quemadorl se calcula como la altura de 
los quemadores sobre el nivel del fondo del hogar. Si los quemadores están situados en 
varios niveles, el valor de quemadorl se calcula de la fórmula [20]: 
 
nn
nnn
quemador BnBnBnBn
BlnBlnBlnBlnl
++++
++++
=
...
...
332211
333222111 (2.5) 
 
En la fórmula (2.5) nnn ...1 es el número de quemadores en niveles 1...n; nll ...1 son las 
alturas de cada nivel de quemadores desde el fondo del hogar en m; nBB ...1 es el consumo 
de combustible de cada quemador por cada uno de los niveles en skg . 
 
 
2.1.2. Número de Boltzman 
 
El número de Boltzman caracteriza la transferencia de calor por radiación y se define con la 
ecuación [20, 21]: 
 
( )
311-1067.5 aparedespromedio
promediocalc
TA
VcB
Bo
ψ
ϕ
⋅⋅
⋅⋅
= (2.6) 
 
En la ecuación (2.6) el n 111067.5 −⋅ es la constante de Boltzman en 42KmkJ ; calcB es el 
gasto de combustible en el generador de vapor con 100% de carga en skg ; φ es el 
coeficiente de conservación de calor en el hogar; ( )promedioVc es el calor específico promedio 
de los productos de la combustión para 1 kg de combustóleo en kgkJ ; promedioψ es el valor 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 25 
promedio del coeficiente de eficiencia térmica de las paredes del hogar; paredesA es el área de 
las paredes del hogar en 2m . 
 
 
2.1.2.1. Gasto de combustible 
 
El gasto de combustible en el generador de vapor en la ecuación (2.6) se calcula con la 
ecuación [20, 22]: 
 
s
kg
ETQ
Q
B
disp
gv
calc ,⋅
= (2.7) 
 
Donde ET representa la eficiencia térmica del generador de vapor (datos de la planta 
termoeléctrica). 
 
2.1.2.1.1. Calor útil que absorbe el generador de vapor 
 
La cantidad total de calor útil que absorbe el generador de vapor ( gvQ ) en la ecuación (2.7) 
se obtiene con la fórmula [20, 22]: 
 
kg
kJhhGhhGhhGQ aapurgavIIvIIvIIaavlvlgv ),-()()-( ′+′−′′+= (2.8) 
 
Donde: vlG , vIIG , purgaG son caudales de vapor primario, de vapor secundario y de purga 
respectivamente en kg/s; vlh y aah son entalpías de vapor sobrecalentado y agua de 
alimentación, kJ/kg; h′ es entalpía de agua en el domo, kJ/kg; vIIh ′′ y vIIh′ son entalpías del 
vapor secundario en entrada y en salida del recalentador respectivamente, kJ/kg. 
 
 
2.1.2.1.1. Calor disponible en la cámara de la combustión 
 
El calor disponible en la cámara de la combustión ( dispQ ) se define como la energía de entra 
con el combustóleo, con el aire, con gases de recirculación y se calcula con la ecuación 
[20]: 
 
extairecombdisp QQPCIQ .++= , kJ/kg (2.9) 
 
Donde: PCI es el poder calorífico inferior del combustóleo (energía química del 
combustible), kJ/kg; combQ es la energía física del combustóleo caliente, kJ/kg; extaireQ . es 
la energía física del aire calentado por una fuente externa (por ejemplo, en serpentín), kJ/kg; 
 
El poder calorífico inferior de la ecuación (2.9) se calcula con la ecuación [6, 20]: 
 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 26 
)-9(25-)-(1091256338 WHSOHCPCI ⋅⋅−⋅+⋅= , kJ/kg (2.10) 
 
El calor de una fuente externa que precalienta el aire frío ( |.extaireQ ) se calcula con la fórmula 
[20, 23]: 
 
. . .( - )aire ext prec aire aire aire frioQ I Iα= ⋅ , kJ/kg (2.11) 
 
El calor físico suministrado al combustible líquido ( combQ ) se calcula con la ecuación [20, 
24]: 
 
combcombcomb tcQ ⋅= , kJ/kg (2.12) 
 
El calor específico del combustible ( combc ) se define por [25]: 
 
Kkg
kJtc combcomb ⋅⋅+= ,0025.074.1 (2.13) 
 
 
2.1.2.2. Coeficiente de conservación de calor en el hogar 
 
El coeficiente de conservación de calor en el hogar (ϕ ) en la ecuación (2.6) se calcula con 
[20, 26]: 
 
5
51
qET
q
+
−=ϕ (2.14) 
 
Donde 5q es la pérdida de calor por el enfriamiento externo del generador de vapor [27] 
ET es la eficiencia térmica del generador de vapor (datos de la planta termoeléctrica). 
 
 
2.1.2.3 Calor específico promedio 
 
El calor específico promedio de los productos de la combustión de 1 kg de combustible 
líquido ( )promedioVc en la ecuación (2.6) se calcula [20]: 
 
( ) kgKkJTT
hQ
Vc
hogara
hogarhogar
promedio ,-
-
"
"
= (2.15) 
 
La aT en las ecuaciones (2.6) y (2.15) se determina en base a los cálculos de las 
propiedades de los productos de la combustión como función de ( )hogara QfT = de acuerdo 
a que el valor de hogarQ es equivalente al valor de la entalpía de los productos de la 
combustión en el proceso adiabático [20]. 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 27 
 
La "hogarT es la temperatura de los gases a la salida del hogar, la cual es una incógnita. Para 
determinar la temperatura "hogarT se usa el método de iteraciones. Para la primera iteración 
de los cálculos se recomienda el valor de KThogar 1323
" = (para combustóleo) [20]. 
 
En la ecuación (2.15) el calor útil en el hogar ( hogarQ ) se determina con la ecuación [20, 
28]: 
 
kg
kJQQQ
q
qqQQ recaireextairedisphogar ,--100
--100
4
43 ++⋅= (2.16) 
 
Donde: q3 y q4 son perdidas de calor con combustión incompleta química y mecánica, se 
obtiene bajo recomendaciones [20]; aireQ es el calor físico con aire caliente, kJ/kg; recQ es el 
calor físico de los gases de recirculación, kJ/kg. 
 
El calor que lleva al hogar el aire caliente ( aireQ ) en la ecuación (2.16) se calcula con la 
fórmula [20]: 
 
calairehogaraire hQ .⋅= α , kJ/kg (2.17) 
 
donde calaireh . es la entalpía del aire caliente, kJ/kg. 
 
El calor físico con gases de recirculación ( recQ ), se calcula [20]: 
extrgasrec hrQ .⋅= , kJ/kg (2.18) 
 
 Donde: extrgash . es la entalpía de los gases en la zona de extracción de gases de 
recirculación, kJ/kg; r es la fracción de los gases que se recirculan. 
 
La entalpía de los productos de la combustión a la salida del hogar ( "hogarh ) en la ecuación 
(2.15) corresponde a la temperatura de los gases a la salida del hogar ( "hogarT ). 
 
 
2.1.2.4 Coeficiente de eficiencia térmica 
 
En la ecuación (2.6) el coeficiente de eficiencia térmica de las paredes de tubos de agua 
(ψ ) se calcula con la ecuación [20]: 
 
ζχψ ⋅= , (2.19) 
Donde χ es el factor de forma. El factor de forma nos muestra que parte del flujo de 
radiación emitido por una superficie cae sobre otra. Este factor depende de la forma de la 
Capítulo 2 METODOLOGÍA DEL CÁLCULO 
 
 
 
TESIS DE GRADO ING. JIMÉNEZ GARCÍA JUAN ANTONIO 28 
superficie