Combustión del Carbón

Termodinámica y cinética de la combustión del carbón.Procesos de combustión.

– Lecho fijo – Lecho fluidizado

– Quemadores de carbón pulverizado

Generación de electricidad. Aspectos ambientales.

Tecnologías limpias para el control de emisiones y

aprovechamiento eficiente de la energía.

El Carbón en el aumento mundial de la demanda de energía

Participación del carbón en emisiones

Precios comparativos de la electricidad a partir de diferentes fuentes de energía (USA)Fuente Energética Costo Relativo

Carbón 1,9Gas 2,0Fuel 2,5

Eólica 4,0Biomasa 7,0

Térmica Solar 16,0

Carbón 19,7 $Nuclear 21,6 $Gas 34,0 $Fuel 34,0 S

Precio del Mwh por fuenteUSA (1995)

Abundancia y Distribución del Carbón.

El carbón mineral...Un combustible fósil con ventajas

competitivas:Abundante: Reservas extensamente distribuidas en mas de 100 países. Seguro: Estable, fácil transporte, almacenamiento y utilización. Suministro Garantizado: Precios competitivos que garantizan la generación de electricidad. Limpio: Disponibilidad de tecnologías limpias. Económico: Principal combustible para generación temoeléctrica.

Reacciones de combustión del carbónCalor de Combustión

REACCIÓN Btu/lb kcal/kgC(S) + O2(g) → CO2(g) -169.290 - 94,42 C(S) + O2(g) → 2 CO(g) -95.100 - 52,8C(S) + CO2(g) → 2 CO(g) - 74.200 - 41,22 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) -243.490 - 135,32 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) -208.070 - 115,6C(S) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) 56.490 31,4C(S) + 2 H2O(g) → CO2(g) + 2 H2(g) 38.780 21,5CO(S) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g) - 17.710 - 9,8

Mecanismo de combustión del carbón.Modelo de Grano

Partícula estancadaRe < 100

Partícula suspendida por gas de arrastre

Re > 100

Combustión del carbón en lecho fijo.

Variación de la composición del gas a través de lecho empacado.

Quemadores de carbón de lecho móvil

Sistemas adaptados a características del carbón y sus cenizas.

Principales contaminantes en la producción de energía a partir de combustibles fósiles

Especie Efectos Fuentes antropogénicas Fuentes naturalesSO2 Tóxico

Lluvia ácidaCombustiónRefino de petróleo

Oxidación de sulfurosorgánicos

NO TóxicoLluvia ácida

Combustión Acción bacteriana

NO2 TóxicoLluvia ácidaElecto invernadero

Combustión

CO2 Efecto invernadero Combustión Volcanes

CO Tóxico Combustión Oxidación de metano y otroshidrocarburos

H2S Tóxico GasificaciónRefinación de petróleoHornos de coqueIndustria papelera

Volcanes y descomposición demateria orgánica

NH3 Tóxico Gasificación Acción bacteriana

HAP Tóxico (Cáncer ymutaciones genéticas)

Combustión

Carbón pulverizado para generación de electricidad

Quemadores de carbón pulverizado

Reacciones de la materia mineral durante la combustión del carbón

Especies Reacción Intervalo deTemperatura (°C)

KaolinitaAl2Si2O5(OH)4 Al2Si2O5(OH)4 → Al2O3 + 2 SiO2 + 2 H2O 480PiritasFeS2 2 FeS2 + 11/2 O2 → Fe2O3 + 4 SO2

FeS2(s) → FeS(s) + ½ S2 (g)

400 – 500200 – 700 (atm. inerte)

SulfatosCaSO4MgSO4Fe2(SO4)Na2SO4

CaSO4 → CaO + SO3MgSO4 → MgO + SO3

Fe2(SO4)3 → Fe2O3 + 3 SO3Na2SO4 (l) → Na2SO4 (g)

11801124480884

CarbonatosCaCO3CaMg(CO3)2

CaCO3 → CaO + CO2CaMg(CO3)2 → CaO + MgO + 2 CO2

750 – 850730 – 760

ClorurosNaCl NaCl(s) → NaCl(l)

NaCl(l) → NaCl(g)NaCl(g) + H2O(g) → NaOH(g) + HCl(g)

8001465

1030 – 1230

De gran importancia en la combustión de carbón pulverizado

Lecho fluidizadoUna corriente de fluido en sentido ascendente atraviesa un lecho de partículas, causando que

éstas se mantengan en suspensión por el empuje. Esto hace que el lecho de partículas sólidas

adquiera un comportamiento similar a un fluido.

Velocidad de gas y sólidos en función de la expansión del lecho

Combustores de lecho fluidizado: Condiciones de operación

Parámetro Convencional Circulante A presiónT (°C) 800 – 950 800 – 950 800 – 950dp (mm) 5 – 30 0,5 – 1 0,5 – 1P (atm) 1 1 5 – 15U (m/s) 1,5 – 3,5 3 – 6 1 – 2U / Umf 2 30 2C quemado (%) 90* - 99 99 99Ca/S 3 1,5 1,7Retención de S (%) 90 90 90NOx (ppm) 300 – 400 100 – 200 10 – 50* Sin recirculación

Posibles zonas para la recuperación de calor

Combustión en lecho fluidizado atmosférico

Ciclo combinado basado en combustión de carbón en lecho fluidizado a presión

Combustión en lecho fluidizado presurizado

Ciclo combinado: Vapor-Lecho fluidizado a presión

Ciclo combinado: Gas-Lecho fluidizado a presión

Formación de compuestos de azufre (SO2 y H2S)

Oxidación del azufre contenido en el combustibleS (orgánico/pirítico) + O2 → SO2

Menos del 10% se transforma en SO3 / H2SO4 y sulfatos (Na, Ca, etc)

Emisiones a nivel mundial: 90.000 kT/año (60% generado en centrales eléctricas) Principales emisores: China 25%

USA 20%Rusia 17%Alemania 6%

Condiciones reductoras transforman el S en H2S

70%

Formación de óxidos de nitrógeno

Especie Tipo Lugar deformación

Mecanismo Factores de formación de NOx

Térmico Llama ZeldovichN2 + O ↔ NO + NN + O2 ↔ NO + O

↑ Concentración de O2 (O)↑ Temp > 1300°C↑ Tiempo de residencia

Combustión LlamaCarbón-N.. →..HCN → ... NO

↑ Concentración de O2 (O)NOprompt Llama Fenimore

CH + N2 ↔ HCN + NHCN →.. →... NO

↑ Concentración de CH

Llama FenimoreNO + H2O → NO2 + OH

Conductos /Calderas

2 NO + O2 → 2 NO2 ↑ Concentración de O2 (O)↑ Tiempo de residencia

NO2

Atmósfera NO + O3 → NO2 + O2

N2O Caldera (↓ T) .. → HCN + O → NCO + HNCO + NO → N2O + CO

↑ al disminuir Temp de combustión

Formación de NOx a partir del combustibleMecanismo simplificado de formación

Control de emisiones de NOx

Modificaciones en la combustiónACCIÓN DE CONTROL Reducción (%)

– Disminución de la temperatura ---– Bajo exceso de aire 5 - 25– Aire en etapas 25 - 60– Recirculación de gases de combustión 10 - 15

Control Post-Combustión– Reducción catalítica no selectiva (SCNR) 50 - 70 – Reducción catalítica selectiva (SCR) 70 - 90 – Sistemas combinados reducción NOx/SO2 70 - 90

Control de emisiones de NOx por reducción catalítica selectiva (SCR)

OH 6 N 4 O NO 4 NH 4 2223 +→++

Catalizador comercial “anatase”depositado sobre monolitos cerámicos de cordierita

Catalizadores más usuales:V2O5-MoO3/TiO2V2O5-WO3/TiO2ACTIVO - PROMOTOR Y ESTABILIZADOR / SOPORTE

Costos de técnicas de remoción de NOx

0

1020

30

40

5060

70

80

0 20 40 60 80 100

% Retención NOx

Cos

to ($

/kW

) SCR

Inyección de agua

SNCRFLGR OFA

Reburning convencional (gas natural)

Procesos de captura de CO2

FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html

Fuentes bibliografía consultadas

J. Tomeczek. Coal combustion. Krieger Publishing Company, 1994. N. Berkowitz. An introduction to coal technology. Academic Press, 1979.J. Speight. The chemistry and tecnology of coal. Ney York, 1994.G. Marbán. Control de emisiones de NOx derivadas de la utilización de combustibles fósiles. INCAR, CSIC, 2002. J. Pis. Carbón como fuente de energía. INCAR, CSIC, 2009. J. Pis. Combustión del carbón. INCAR, CSIC, 2000. S. Ferrer Mur, F Soler Preciado, D. Mateos Fernández. ATMOSFERIS and all content en: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.htmlhttp://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/combustion-carbon