gasificacion de carbon

Universidad de Magallanes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química

Gasificació n de Carbónes “Trabajo de investigación N°2”

Nombres: Romina Calisto. Juan Santiago Guzmán. Roxana Seguel. Profesor: Sr. Juan Carlos Moreno. Asignatura: Tópicos de Especialidad. Fecha de entrega: 19/05/2015

Gasificación de Carbones

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Índice

1. Introducción ................................................................................................................................. 3

2. Análisis fenomenológico haciendo énfasis en los efectos termodinámicos y cinéticos que ocurren en el proceso de gasificación de carbón. ............................................................................... 4

3. Catálisis inherente en la gasificación de carbón. ....................................................................... 10

4. Mecanismos de reacción en presencia de metales alcalinos. ................................................... 10

5. Dispersión catalítica en una gasificación de carbón. ................................................................. 13

6. Modelos de Gasificación ............................................................................................................ 14

7. Tipos de Gasificadores. .......................................................................................................... 1622

8. Análisis de las ventajas de un gasificador British Gas/Lurgi (BGL) slagging gasifier frente a un gasificador The Sasol-Lurgi dry bottom process ............................................................................... 24

9. Efectos de compensación en la gasificación de carbón ............................................................. 24

10. Bibliografía……………………………………………………………………………………………………………………………25


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1. Introducción

En su sentido más amplio, el término gasificación cubre la conversión de cualquier combustible con alto contenido en carbono a un producto gaseoso con un poder calorífico utilizable. Esta definición excluye la combustión, a causa de que los gases de combustión no tienen un poder calorífico residual. En cambio, la gasificación incluye las tecnologías de pirólisis, oxidación parcial e hidrogenación. Los principios de la gasificación dependieron en gran medida de la tecnología de la pirólisis (es decir, la aplicación de calor a la materia prima en ausencia de oxígeno), pero hoy en día es la que tiene menor importancia en la producción de gas. La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón desde su estado sólido, en un combustible gaseoso (compuesto fundamentalmente por CO e H2), también conocido como syngas, mediante una oxidación parcial, al que hay que retirar una serie de sustancias indeseables, como son los compuestos de S y la ceniza del carbón original, mediante técnicas bien desarrolladas. El resultado es una fuente energética gaseosa, limpia y transportable. El presente informe se expone la teoría termodinámica y cinética del proceso de gasificación, luego se describen los tipos de reactores existentes en la gasificación. A continuación se explican qué tipos y tecnologías de gasificadores son empleados para los tipos que usan carbón como materia prima, términos como catálisis inherente, efecto de compensación y dispersión catalítica en la gasificación de carbón.


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2. Análisis fenomenológico haciendo énfasis en los efectos termodinámicos y cinéticos que ocurren en el proceso de gasificación de carbón.

En la discusión teórica de cualquier proceso químico, es necesario estudiar tanto la termodinámica como la cinética química. La termodinámica nos permite conocer el estado final al que el proceso evolucionará bajo unas determinadas condiciones de presión y temperatura, dando el tiempo suficiente. En cambio, la cinética nos va a permitir conocer el conjunto de estados intermedios que se producen durante la reacción antes de llegar al estado final y a qué velocidad tienen lugar estas reacciones.

2.1 Termodinámica de la gasificación

Desde el punto de vista termodinámico, los fenómenos de la pirólisis o desvolatilización y gasificación del carbonizado son iguales para todos los combustibles que se han estudiado (carbón, biomasa, petróleo, etc.). Reacciones: El proceso de gasificación de carbón sólido, ya sea en forma de carbón, coque o char, involucra en las reacciones a los componentes de carbono, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, agua y metano. Las reacciones producidas son las siguientes: Reacciones de combustión: C + ½ O2 = CO (2.1) CO + ½ O2 = CO2 (2.2) H2 + ½ O2 = H2O (2.3) Reacción de Boudouard: C + 2H2 CH4 (2.4) Reacción de “water gas”: C + CO2 2CO (2.5) Reacción de metanización: C + H2O CO + H2 (2.6) Las reacciones en las que está involucrado el O2 (ecuación (2.1), (2.2) y (2.3)) son completas por lo que no son necesarias en la determinación del equilibrio en la composición del gas de síntesis.


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Bajo estas circunstancias las reacciones de Boudouard (ecuación (2.4)), “water gas” (ecuación (2.5)) y metanización (ecuación (2.6)) pueden ser reducidas a las siguientes dos ecuaciones: Reacción de desplazamiento de CO (CO shift) (a partir de las ecuaciones (2.4) y (2.5)): CO + H2O CO2 + H2 (2.7) Reacción de reformado de metano con vapor (a partir de las ecuaciones (2.5) y (2.6)): CH4 + H2O CO2 + 3H2 (2.8) Las ecuaciones (2.1), (2.4), (2.5) y (2.6) describen las cuatro formas en que el combustible carbonoso o hidrocarburo puede ser gasificado. Para combustibles reales la ecuación total puede ser escrita como: CnHm + n/2 O2 = nCO + m/2 H2 (2.9) Donde para gas, como metano puro: m = 4 y n = 1, por lo tanto m/n = 4 Para petróleo m/n≈2, por lo tanto m = 2 y n = 1 Para carbón m/n≈1, por lo tanto m = 1 y n = 1. Las temperaturas de gasificación son tan elevadas que, tanto termodinámicamente como en la práctica, aparte de metano, no hay presencia de hidrocarburos en una cantidad apreciable. Equilibrio termodinámico: Las ecuaciones (2.4), (2.5), (2.6), (2.7) y (2.8), como indica la doble flecha, es una reacción reversible, es decir, que puede suceder tanto de derecha a izquierda como de izquierda a derecha. En general, simultáneamente, la reacción sucede en los dos sentidos con diferentes velocidades de reacción. Para una temperatura dada, esas velocidades de reacción son proporcionales a la cantidad de reactantes disponibles. Por ejemplo, para el caso de la reacción de desplazamiento o CO shift (ecuación (2.7)), la velocidad de izquierda a derecha puede obtenerse mediante la siguiente ecuación: rf = kf[CO][H2O] (2.10) Mientras que de derecha a izquierda puede obtenerse a partir de esta otra ecuación: rr = kr[CO2][H2] (2.11) Tras pasar un periodo de tiempo, las dos velocidades de reacción alcanzan un valor común y la composición del gas tiende a alcanzar un estado de equilibrio. Bajo estas condiciones, para la reacción de desplazamiento o CO shift (ecuación (2.7)):

(2.12)


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Donde Kp es la constante de equilibrio (dependiente de la temperatura y la presión), P la presión absoluta del gas, PCO es la presión parcial. De forma similar, las constantes de equilibrio para el resto de ecuaciones pueden ser expresadas de forma similar. Para la reacción de Boudouard la constante de equilibrio es:

(2.13) Para la reacción “water gas” la constante de equilibrio es:

(2.14) Y para la reacción de reformado, la constante de equilibrio es:

(2.15) La dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura absoluta (en grados Kelvin) puede ser expresada con una relación del tipo:

2.2 Cinética de la gasificación La teoría cinética se encuentra a un nivel de ideas básicas, en contraste con la termodinámica. En la siguiente figura se puede apreciar es esquema simplificado para la gasificación de carbón o biomasa.

Figura 2.2.1: Secuencia de gasificación de carbón o biomasa.

(Fuente: Adaptado de Reimert and Schaud 1989)


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La cinética de la gasificación del carbón contempla una etapa inicial de carbón y una posterior. Cada una posee sus respectivas cinéticas y respuestas, pero debido a que la etapa inicial de gasificación se completa en segundos o menos (a elevadas temperaturas), la siguiente etapa de gasificación de carbón-char requiere minutos u horas para obtener una conversión significativa bajo condiciones prácticas.

Se pretende estudiar algún tipo de modelo cinético asociado a la gasificación del carbón con su respectiva respuesta.

Las reacciones más lentas de la gasificación, y que por tanto fijan la velocidad de conversión, son las reacciones heterogéneas del carbono, denominadas “water gas”, de Boudouard y de hidrogenación. Las reacciones “water gas” y de Boudouard son semejantes, y de varios órdenes de magnitud más rápido que las reacciones de hidrogenación.

Existen varios modelos que describen las reacciones “water gas” y Boudouard. Un modelo bastante utilizado para la reacción de Boudouard, es atribuido a Ergun; el cual es aplicable a temperaturas de reacción menores a los 1000 °C y diámetro de partícula pequeño (dP<300 µm), puesto que bajo estas condiciones la reacción toma lugar en la superficie interna de la partícula de carbón. Se propone un proceso de dos pasos:

Paso 1: Cfas + CO2 C(O) + CO Paso 2: C(O) CO + Cfas

En el primer paso, el CO2 se disocia con carbono libre del sitio activo (Cfas), liberando monóxido de carbono (CO) y formando un recubrimiento complejo (C(O)). En segundo lugar, el complejo carbono-oxigeno (C(O)) produce una molécula de CO y nuevo carbono libre en el sitio activo (Cfas). Un modelo para la reacción “water gas” es básicamente similar: Paso 1: Cfas + H2 O C(O) + H2 Paso 2: C(O) CO + Cfas

En este caso, el primer paso es la disociación de una molécula de agua con carbono libre del sitio activo (Cfas), liberando hidrógeno y formando un recubrimiento complejo (C(O)). En el segundo paso, el complejo carbono-oxigeno (C(O)) produce una molécula de CO y nuevo carbono en el sitio activo (Cfas). Otros modelos incluyen la posibilidad de hidrógeno de contención incluyendo un tercer paso: Paso 3a: Cfas + H2 C(H)2 Paso 3b: Cfas + ½ H2 C(H) A través del cual parte del sitio activo puede ser bloqueado.


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Reactividad: La reactividad (capacidad de reacción química que presenta ante otros reactivos) de los diferentes carbones y residuos carbonosos (chars) depende de un número de factores como:

x La porosidad del carbón, es decir, su estructura interna, superficie y sitio activo. x La estructura cristalina del carbono fijo. x Efectos catalíticos de los componentes de la ceniza en el carbón.

Los carbones jóvenes tienen una gran superficie específica y, por tanto, una alta reactividad. Por otra parte, los carbones antiguos, particularmente la antracita, tienen una menor reactividad. La reactividad se ve reforzada por álcalis, especialmente potasio. En la siguiente figura se pueden observar la reactividad en función de la temperatura para diferentes tipos de materias primas.

Figura 2.2.2: Reactividad de diferentes materiales en función de la temperatura.

(Fuente: Bürkle 1989)

Reactividad efectiva: En todos los casos es necesario distinguir entre las influencias químicas y las físicas y cuáles de estos efectos realmente controlan la velocidad de la reacción en diferentes zonas de temperatura:

x Zona I, la zona de baja temperatura, en la que las reacciones químicas controlan la velocidad y la energía de activación observada coincide con la calculada.

x Zona II, una zona de temperatura media, en la que la velocidad de la reacción química es más alta, pero está limitado por la difusión interna de los reactivos gaseosos a través de los poros de las partículas individuales. La energía de activación observada es la mitad de la calculada.

x Zona III, una zona de alta temperatura en la que externamente, la difusión de la mayor parte de la superficie de los reactivos gaseosos controlan la velocidad y la energía de activación observada es muy pequeña.


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Figura 2.2.3: Reactividad efectiva en diferentes zonas de temperatura.

(Fuente: Gasification, Christopher Higman, Maarten Van Der Burgt, (2003))

Además, en cualquier proceso de gasificación con un combustible sólido el fenómeno de la transferencia de masa es determinante en el progreso de la reacción. Un indicio de esta importancia es la influencia del tamaño de partícula en el tiempo necesario para la gasificación de combustibles sólidos.


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3. Catálisis inherente en la gasificación de carbón. La catálisis inherente en carbones, se produce debido a la presencia de catalizadores presentes de manera natural en los carbones, en forma de sales de elementos alcalinos y alcalinotérreos. La catálisis provocada por estas sale a demostrado aumentar la reactividad de los carbones de bajo rango.

4. Mecanismos de reacción en presencia de metales alcalinos. Los mecanismos de gasificación de carbón, en presencia de metales alcalinos ha sido un tema muy estudiado en las últimas décadas. Douglas W. Mckee, investigador de la "General Electric Corporate", en uno de sus múltiples trabajos resume la participación de metales alcalinos en la gasificación de carbón, y describe los dos mecanismos más aceptados para explicar la acción catalítica en estas reacciones: la transferencia electrónica y la transferencia de oxígeno.

4.1 Mecanismo de transferencia electrónica

Plantea que en presencia del catalizador, ocurre una transferencia hacia o desde el carbón, que debilita los enlaces C-C y fortalece los enlaces C-O durante la oxidación.

4.2 Mecanismo de transferencia de oxígeno

Propuesto ya desde 1931 es quizás el más aceptado en la actualidad y considera al catalizador como un portador de oxígeno que promueve la trasferencia de éste desde el gas hacia la superficie del carbón, mediante la formación de compuestos intermediarios. Estudios de gasificación de carbón impregnado con Ca, que combina el uso de oxígeno marcado y la espectrometría másica de ion secundario (SIMS), demuestran la formación de especies superficiales CaO(O) que se generan por la quimisorción disociativa del O2 (g) sobre el CaO. El mecanismo de transferencia de oxígeno, asociado a este proceso se describe a través de las siguientes reacciones:

( ) (3.1)

( ) (3.2)

( ) (3.3)

( ) ( ) (3.4)

( ) (3.5)

( ) (3.6)

( ) (3.7)


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( ) (3.8)

Las reacciones (3.1 – 3.3) representan la oxidación del catalizador y la quimisorción disociativa del oxígeno, ya sea sobre el catalizador o sobre los sitios de carbón. Se proponen dos tipos de sitios de carbón: Ce, que representa sitios activos en los bordes del carbón ya sea libres o en la interface catalizador-carbón, Cb, que representa los átomos inactivos de carbón en la interface catalizador-carbón. La reacción (3.4) representa la difusión superficial de oxígeno desde un átomo inactivo de carbón hacia un átomo activo, en la interface catalizador- carbón. Las reacciones (3.5) y (3.6) reflejan la formación de los gases CO y CO2, mientras que (3.7) y (3.8) representan la reducción del catalizador por el carbón, completándose así el ciclo redox. Las reacciones (3.2) y (3.4 - 3.6) sugieren la presencia de un mecanismo spillover del oxígeno. Con relación al mecanismo de transferencia de oxígeno arriba descrito, se conoce que la facilidad de los metales alcalinotérreos para formación de óxidos superiores (peróxidos y superóxidos) es directamente proporcional al tamaño de su catión , es decir, Ba > Ca > Mg. Esto resulta coherente con la poca actividad mostrada por el Mg en reacciones de gasificación, mientras que el Ba y el Ca han demostrado ser excelentes catalizadores en este tipo de procesos. Otra forma de describir este mecanismo de transferencia de oxígeno, coherente con la arriba descrita, plantea que primero se produce la quimisorción disociativa del O2 sobre las partículas de CaO, formando la especie CaO(O). El oxígeno activo de esta especie migra rápidamente hacia la superficie del carbón para formar el complejo C(O), el cual se descompone liberando CO (g). Cuando todos los sitios vacantes activos (Cf) alrededor del CaO son remplazados por compuestos superficiales C(O), ya el oxígeno activo no puede migrar, sino que reacciona con los grupos superficiales C(O) de la interfase entre el carbón y el CaO, formando el CO2 [19]. Esta última reacción es más rápida que la descomposición del C(O), lo que explicaría la mayor generación de CO2 en la reacción catalizada. Se plantea que la adición de calcio no provoca un cambio en la naturaleza del sitio C(O), sino que aumenta su cantidad en la superficie. Además, mediante la combinación de experimentos TPD con la espectroscopia másica de ion secundario (SIMS) se constató que la oxidación de carbón en presencia de CaO no se limitó al área de contacto C-CaO, sino que se extendió hacia áreas más distantes de esta zona. Esta observación, es una importante evidencia de que en presencia de CaO se desarrolla un mecanismo "spillover", donde el oxígeno puede desplazarse sobre la superficie del catalizador.


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Mediante estudios de Desorción Térmica Programada (TPD) asociados a Espectroscopia Másica (MS), se ha obtenido valiosa información acerca del mecanismo que rige la gasificación del carbón en presencia de CaO y la desactivación del mismo. Se propone un modelo para la quimisorción del CO2 sobre partículas de CaO soportadas sobre carbón (Figura 3.2.1).

Figura 3.2.1: Modelo propuesto para partículas de CaO soportadas en carbón.

Este modelo considera la existencia de 3 zonas asociadas al CaO. Las zonas a y b, que contienen la interfase catalizador-carbón y son responsables de la actividad catalítica observada y la zona c, donde se encuentra el CaO inactivo por no estar en contacto con el carbón. Respecto a la gasificación de carbón con oxígeno en presencia de metales alcalinos, Mckee concluye que los óxidos y peróxidos de los metales alcalinos son las especies activas durante la gasificación C-O2. Basado en evidencias experimentales y cálculos termodinámicos propone la siguiente secuencia de reacciones:

(3.9)

(3.10)

(3.11)

Donde M = Li, Na, K; y la reacción (3.11) sería el paso más lento de la reacción.


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5. Dispersión catalítica en una gasificación de carbón. La dispersión de un catalizador, es una de sus características principales para poder determinar su utilización en un proceso específico. Tiene que ver con la distribución del tamaño de la partícula catalizadora en contacto con los átomos metálicos expuestos mediante contacto directo superficial. En otras palabras, un alto/bajo grado de dispersión equivale a una alta/baja concentración de metales activos, que permite interacciones directas entre el catalizador y el material que se quiera acelerar la reacción. En el punto de vista de la gasificación del carbón, los aspectos más importantes de la catálisis en la gasificación del carbón son los siguientes:

x Los carbones de más baja categoría son más reactivos que los de alta categoría. x La reactividad de los coques de carbones de baja categoría disminuye fuertemente con la

rigurosidad de las condiciones de pirolisis. x Es posible aumentar la producción de CH4 (para producir gas combustible) mediante la

adición de catalizadores al carbón o coque en una “catálisis inducida”. Es bien conocido que la dispersión del catalizador en una matriz carbonosa (relacionada con el grado de contacto catalizador-carbón), juega un papel importante en la explicación de su actividad catalítica en las reacciones de gasificación. Consecuentemente, la identificación de la fase activa del catalizador y su estado de dispersión, han sido objeto de numerosos estudios en los que se han utilizado técnicas tan diversas como: quimisorción de gases, DRX, MET, DTP, XPS, EXAFS, etc. En este sentido, cabe destacar la investigación llevada a cabo recientemente en el sistema calcio-carbón mediante quimisorción de CO2. El estudio, basado en el hecho de que el CO, se quimisorbe en los óxidos de los metales I a y II a, analiza los resultados de la gasificación catalizada de muestras calcio-carbón en CO2 y vapor de agua. Los aspectos más relevantes del estudio realizado en esta área pueden resumirse en los siguientes puntos:

a) La cantidad de CO2 que se quimisorbe sobre las partículas de CaO es función de la temperatura de quimisorción.

b) A 573°K, el CO, se quimisorbe irreversiblemente sobre el CaO, y su presencia está restringida a la superficie de las partículas, como muestra la elevada coincidencia encontrada en los resultados obtenidos mediante quimisorción selectiva de CO2 y DRX.

c) 573°K es también la temperatura más apropiada para determinar el tamaño medio de las partículas de catalizador mediante quimisorción de CO2, en el sistema CaO-carbón ya que es lo suficientemente alto como para evitar la adsorción física del CO2.

d) Los resultados de la quimisorción selectiva de CO2 a 573oK nos permiten interpretar la actividad del catalizador en las reacciones carbón-gas, así como la variación de la actividad durante la reacción.

Por la novedad de los resultados obtenidos, en la interpretación de la actividad catalítica del calcio en las reacciones carbón- CO2 y carbón-v.H2O, y por la importancia que presenta la presencia de calcio en las reacciones de gasificación del carbón (en particular en los lignitos donde aparece de forma natural en una elevada proporción), la interacción CaO-CO2, sin la presencia del carbón, debe ser más estudiada.


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6. Modelo de gasificación Las reacciones de gasificación de carbón son complejas, pero se puede considerar un sistema general de reacción gas-sólido, como caso especial. Dicha reacción es heterogénea y consiste en que un gas se pone en contacto con un sólido, reaccionando con él, y lo transforman en producto. Para la reacción antes mencionada, se pueden considerar las tres etapas siguientes, que transcurren sucesivamente: Etapa 1: los reactivos se difunde a la superficie. Etapa 2: reacción química en la superficie. Etapa 3: los productos se difunden desde la superficie. Ahora, se expondrá las etapas controlantes de la velocidad.

x La reacción química como etapa controlante: el transcurso de la reacción es independiente de la presencia de cualquier capa de ceniza, la cantidad de sustancia reactante es proporcional a la superficie disponible del núcleo sin reaccionar. Por lo tanto la velocidad de reacción está dado por:

( ) (6.1)

Por otro lado, el tiempo τ necesaria para la reacción completa se obtiene cuando rc = 0, es decir:

(6.2)

La disminución del radio o el aumento de la conversión fraccional de la partícula en función de τ, se calcula utilizando la siguiente ecuación:

( ) (6.3)

x La difusión a través de la película gaseosa como etapa controlante: esto depende de tres

factores principales; la velocidad relativa entre la partícula y el gas, el tamaño de la partícula y las propiedades del gas. Estos factores han sido correlacionados para varios métodos de contacto sólido-gas, uno de ellos, es el que presenta Ranz y Marshall (1952) para sólidos en caída libre:

( )

( )

(

) (

) (6.4)

Durante la reacción las partículas disminuyen de tamaño, por consiguiente kg también variará. En general kg aumenta al aumenta la velocidad del gas y al disminuir el tamaños de las partículas.


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Las siguientes ecuaciones, corresponden a partículas en régimen de la ley de Stokes:

kg ≈ 1/dp para dp y u pequeños (6.5) kg ≈ u1/2/dp

1/2 para dp y u grandes (6.6)

Régimen de Stokes para partículas pequeñas, cuando una partícula de tamaño original R0 se reduce con el tiempo hasta un tamaño R, podemos escribir:

[ (

) ] (6.7)

El tiempo necesario para la desaparición completa de la partícula será:

(6.8)

Combinando ambas expresiones, obtenemos:

(

) ( ) (6.9)


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7. Tipos de Gasificadores Análisis detallado de las diferentes alternativas de gasificación de carbón, para posteriormente hacer un análisis crítico entre las ventajas de los sistemas de lecho fijo frente a los de transporte.

Es probable que sea más provechoso presentar los procesos de gasificación de carbón con una visión amplia y no de detalles de cada uno. Existen ciertas características independientes de los procesos que, una vez elegidas fijan un sinnúmero de otras características dependientes. Características independientes de Gasificadores:

a) Medio de gasificación (gases reactantes). - H2O/aire. - H2O/oxígeno. - H2O/catalizador (se requiere calor externo). - H2 (se requiere calor externo).

b) Método de suministro de calor.

- Directo: combustión de parte del carbón. - Indirecto: (fluido o sólidos inertes)

c) Tipo de reactor.

- Lecho móvil (o fijo). - Lecho fluidizado. - Reactor de transporte o de arrastre.

Los diferentes tipos de reactores se muestran en la Figura 4.1.

Figura 4.1: Esquemas simplificados de los distintos tipos de reactores.

Gasificador de Lecho Fijo Gasificador de Lecho Fluidizado Reactor de Transporte o de Arrastre


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Estas tres características generales de los procesos fijan una serie de otras: - Tiempo de residencia. - Temperatura (alta, baja, media). - Características del gas “crudo”. - Eficiencia del gasificador. - Cantidad y calidad de residuo sólido (carbón no reaccionado y cenizas).

¾ Gasificador de Lecho Fijo o Móvil: Se muestra en la figura 4.2 y se caracteriza por:

- Flujo contracorriente (buen intercambio de calor y posiblemente alta eficiencia térmica).

- Tamaño del carbón (puede ser incluso húmedo) Diámetro de partícula: > 10 mm (para evitas canalización y alta caída de presión). < 50 mm (disminuir efectos disfuncionales). El ideal es una distribución de tamaños estrecha.

- Movimiento del lecho: aprox. 0,5 m/h (P=1 atm) Aprox. 5 m/h (P>>1 atm)

- Las cenizas se retiran sólidas o líquidas. En el primer caso la temperatura se mantiene bajo el punto de fusión de las cenizas aumentando la razón H2O/O. la ventaja de los procesos que retiran las cenizas fundidas son:

1. La reacción C/H2O es más rápida a alta temperatura. 2. El gas sale menos diluido con el exceso de H2O.

- Problemas del reactor del lecho móvil: x Aglomeración de carbones que se funden durante la pirólisis (bituminosos). x No acepta finos.

- Para evitar la aglomeración se puede recurrir a : x Agitación mecánica (para romper “tacos”). x Pre-oxidación de carbón, pues eso destruye las propiedades plásticas del

carbón. x Impregnación con sales de álcalis que, además de destruir las propiedades

plásticas, son excelentes catalizadores. Las condiciones típicas de operación de algunos de los procesos más conocidos y que utilizan gasificadores de lecho fijo o móvil, son las que se muestran en la tabla 4.1.

Figura 4.2: Gasificador de Lecho fijo o móvil


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Tabla 4.1: Condiciones de operación típicas de procesos de lecho fijo o móvil. Fuente: Procesos de conversión de carbón, Prof. José A. Parés Peréz, (1988).

Características Lurgi (cenizas sólidas)

Lurgi (cenizas fundidas) Wellman-Galusha

Reactantes H2O/O2 H2O/O2 H2O/aire P (MPa) 2,5 2,1 0,1 T (°C) Comb. 1000-1400 2000 1300 Gasif. 650-800 1475 Gas 370-540 350-450 590-650 H2O/oxid. (kg/kg) 4 1 0,12 Oxidante (kg/GJgas) 17 20 130 Capacidad (t/m2/h) 2,9 5,9 0,44 Velocidad lecho (m/h)

4,0 8,2 0,61

Tiempo residencia (h)

1 0,4 3

EGF* (%) 80 90 75 Composición típica gas (% mol) CO 18 61 29

CO2 30 3 3 H2 40 28 15 CH4 9 7 3 N2 1 1 50 Otras 2 PCS (MJ/m3) 11,3 13,8 6,3 *EGF = Eficiencia Gas frío = energía calórica en el gas * 100 Energía calórica en el carbón

¾ Reactores de arrastre: se muestra en la figura 4.3 y se caracterizan por: - Requieren carbón pulverizado arrastrado con gas reactante en cocorriente. - Tiempo de residencia corto, luego trabajan a alta temperatura y producen cenizas

fundidas. - Gran consumo de O2 para la oxidación incluso de los volátiles por la alta temperatura. - Concentración de CH4 despreciable, razón CO/CO2 alta y conversión mayor de 90%. - Gas producto relativamente limpio porque los alquitranes se craquean en el reactor. - Razón H2/CO baja por la alta producción de CO. - Usa cualquier tipo de carbón, pues hay pocas posibilidades de aglomeración. - Alcanza altas capacidades.

La tabla 4.2 resume las características de los procesos con mayor avance entre los que utilizan reactores de arrastre.


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Tabla 4.2: Condiciones de operación típicas de procesos de lecho de arrastre. Fuente: Procesos de conversión de carbón, Prof. José A. Parés Peréz, (1988).

Características Kopper-Totzek Texaco Combution Enginnering

Reactantes H2O/O2 H2O/O2 aire P (MPa) 0,13 4,0 0,1 T (°C) Reactor 1900 1500 1750 Salida gas 1480 230 925 H2O/oxid. (kg/kg) 0,4 0,5 0 Oxidante (kg/GJgas) 52 37 139 Tiempo residencia (s)

1 3 2,5

EGF (%) 75 75 69 Composición típica gas (% mol) CO 53 52 23

CO2 10 12 5 H2 36 35 12 CH4 9 7 3 N2 59 Otras 1 1 1 PCS (MJ/m3) 11,3 11,1 4,2

Figura 4.3: Reactor de arrastre


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¾ Gasificador de lecho fluidizado: se muestra en la figura 4.4 y se caracterizan por: - La fluidización con gas reactante y/o producto. - Temperatura uniforme en el lecho no produciéndose “puntos calientes” que en lecho

móvil producían fusión y aglomeración de cenizas. - Al igual que en reactores de lecho móvil, aunque en grado menor de aglomeración.

Aquí las partículas se juntan y caen al fondo del lecho por su mayor tamaño. - No acepta finos pues significan fuertes pérdidas por arrastre.

La tabla 4.3 resume las características de los procesos más desarrollados y que utilizan este tipo de gasificadores. Tabla 4.3: Condiciones de operación típicas de proceso de lecho fluidizado. Fuente: Procesos de conversión de carbón, Prof. José A. Parés Peréz, (1988).

Características Winkler Westinghouse Reactantes H2O/O2 H2O/aire P (MPa) 0,1 1,5 T (°C) Gasificación 980 1000 Gas producto 790 650 H2O/oxid. (kg/kg) 0,4-0,6 0,18 Oxidante (kg/GJgas) 28 105 Tiempo residencia (h)

3 0,3

EGF (%) 72 84 Composición típica gas (% mol) CO 48 19

CO2 14 9 H2 35 15 CH4 2 3 N2 1 54 Otras PCS (MJ/m3) 10,7 5,0

Figura 4.3: Gasificador de Lecho Fluidizado


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Los reactores de Lecho Móvil tienen grandes ventajas con respecto a los reactores de Arrastres, éstas son:

- Los reactores de Lecho Móvil tienen una alta eficiencia térmica, sin embargo, los de Arrastre, su eficiencia es relativamente baja, ya que al ser cocorriente, el gas sale muy caliente.

- Los reactores de Arrastre apenas producen metano, esta producción se ve favorecida generalmente con Gasificadores de Lecho Móvil, menos temperatura y mayor presión.

- Para un reactor de Lecho Móvil, se necesita combustible grueso, contrario a lo que se necesita en un reactor de Arrastre, el cual el combustible se debe pulverizar.

- Los reactores de Arrastre precisan de una gran cantidad de oxidante, sin embargo los de Lecho Móvil no.


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8. Análisis de las ventajas de un gasificador British Gas/Lurgi (BGL) slagging gasifier frente a un gasificador The Sasol-Lurgi dry bottom process.

Entre los gasificadores de lecho fijo se encuentran The Sasol-Lurgi dry bottom process (Gasificador de Lurgi) clásico y British Gas/Lurgi (BGL) slagging gasifier de segunda generación. El corazón del proceso de Lurgi se encuentra en el reactor, en el cual los agentes gasificantes (oxígeno y vapor) y el gas de síntesis ascienden en contracorriente a la alimentación del carbón. Se utiliza oxigeno (agente gasificante) el cual sirve para enfriar las cenizas a una temperatura de 300ºC – 400ºC. Estos gasificadores comerciales operan a presiones entre 25-30 bares aunque existe algún plan de demostración que ha trabajado a 100 bares. Una de las características del gasificador de Lurgi es su baja demanda de oxígeno y su elevado consumo de vapor. British Gas/Lurgi slagging gasifier es un progreso del gasificador de Lurgi en el que las cenizas llegan a fundirse y fue desarrollado por British Gas y Lurgi. En comparación, se consigue una disminución considerable del consumo de vapor y algo menos de oxigeno resultando una mayor producción de gas de síntesis por unidad de carbón y una menor producción de productos de pirolisis. Además, el contenido de CO2 en el gas es menor y el de metano es la mitad. Las ventajas del desarrollo de una versión del gasificador de Lurgi son las siguientes:

x Incrementa la producción de CO e H2 y disminuye el contenido de CO2 y CH4.

x Mejora el rendimiento específico del reactor.

x Tiene un reactor para carbones con un bajo punto de fusión de las cenizas.

x Tiene un reactor apropiado para aceptación de finos.

x Produce escoria vítrea no lixiviable en lugar de ceniza seca.

x Reduce el consumo de vapor y la producción de gas condensado consecuente. x Alcanza temperaturas mucho más altas (más de 3600 ° F o 2000 ° C) en la zona del fondo

del gasificador, que se funde la ceniza a la escoria.


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Figura 5.1: Sasol-Lurgi dry bottom process. Figura 5.2: British Gas/Lurgi slagging gasifier


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9. Efecto de compensación en la gasificación de carbón. Muchas de las velocidades de procesos que proceden a una interfaz de gas-sólido obedecen la ecuación de Arrehenius,

( ) (7.1)

La comparación de esta expresión teórica de la constante cinética con la ley Arrhenius en forma logarítmica, permitió identificar las formas teóricas del logaritmo neperiano dela constante pre exponencial (lnA) y la forma teórica de la energía de activación (Ea). Para una reacción dada, sobre catalizadores diferentes, A aumenta linealmente con Ea, de modo que k permanece constante:

( ) ( ) (7.2)

Donde es una constante y es la temperatura isocinética. Cuando las velocidades de todos los catalizadores son iguales, una gráfica de A vs Ea da una línea recta con pendiente positiva, este resultado permite demostrar el efecto de compensación.

Gráfica 7.1: del factor pre-exponencial (A) vs energía de activación aparente (ΔE)


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10. Bibliografía

x Tesis “Catálisis de la gasificación del carbón por calcio: mecanismos de reacción”, Diego Cazorla Amorós, Universidad de Alicante, (1991).

x Tesis “Estudio de la gasificación para diferentes tipos de combustible”, José Ramón Janeiro

Martin, Universidad de Zaragoza, (2009).

x Tesis “Catalizadores basados en mezclas CaO-MgO para la combustión catalítica del hollín”, Romel M. Jiménez Concepción, Universidad de Concepción, (2005).

x Gasification, Christopher Higman, Maarten Van Der Burgt, (2003).

x Procesos de conversión de carbón, Prof. José A. Parés Peréz, (1988).

x Gasification Technologies: A primer for Engineers and Scientists, Rezaiyan and

Cheremisinoff, (2005).

x Ingeniería de las reacciones químicas, Octave Levenspiel, (1986).

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