FACULTAD DE ECOLOGA Y RECURSOS NATURALES ESCUELA DE INGENIERA AMBIENTAL

ESTIMACIN DE LA GENERACIN DE CENIZAS DE CENTRALES TRMICAS A CARBN Y SU REUSO EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO Y HORMIGN

CLAUDIA MARGARITA SALAZAR RIVERA

Proyecto de Ttulo para optar al Ttulo Profesional de Ingeniero AmbientalProfesor(a) Gua: CRISTIAN ARANEDA OYANEDER

Santiago, 2009

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DEDICATORIA

En primer lugar dedico todo mi trabajo a mis padres Bolvar y Mara Cecilia, y a mi hermana Cecilia, por el apoyo que prestaron durante toda mi carrera.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi profesor gua Cristin Araneda Oyaneder por su dedicacin, tiempo y apoyo para llevar a buen trmino el presente proyecto.

Tambin agradezco a mi familia y amigos por el apoyo y paciencia en la elaboracin del proyecto.

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NDICE GENERAL Pg. DEDICATORIA .......................................................................................................... 2 AGRADECIMIENTOS ............................................................................................... 3 NDICE DE CONTENIDOS ....................................................................................... 5 NDICE DE TABLAS ................................................................................................. 9 NDICE DE FIGURAS................................................................................................ 10 RESUMEN................................................................................................................... 12

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NDICE DE CONTENIDOS Pg. 1. INTRODUCCIN .......................................................................................... 13 1.1 Planteamiento del problema ...................................................................... 13 1.2 Objetivos ................................................................................................... 17 1.2.1 Objetivo general............................................................................... 17 1.2.2 Objetivos especficos ....................................................................... 17

2. REVISIN BIBLIOGRFICA .................................................................... 18 2.1 Generacin de energa elctrica a partir del carbn .................................. 18 2.1.1 Situacin a nivel mundial ................................................................ 18 2.1.2 Situacin en Chile............................................................................ 20 2.1.2.1 Generacin termoelctrica a carbn en Chile......................... 21 2.2 Clasificacin y caractersticas del carbn ................................................. 26 2.2.1 Tipos de carbn utilizado en la generacin elctrica....................... 27 2.3 Tecnologas utilizadas para la generacin elctrica a carbn ................... 29 2.3.1 Sistema combustin convencional................................................... 31 2.3.2 Combustin de lecho fluidizado (FBC ............................................ 33 2.3.3 Gasificacin ..................................................................................... 36 2.4 Tecnologas de captacin de cenizas volantes .......................................... 37 2.4.1 Separacin por electricidad: precipitador electroesttico ................ 37 2.4.2 Separacin por capa filtrante: filtro de manga................................. 38 2.4.3 Ciclones ........................................................................................... 40 2.5 Sub-productos residuales slidos producidos en la generacin elctrica a carbn ..................................................................................................... 41 2.5.1 Ceniza volante ................................................................................. 41 2.5.1.1 Caractersticas generales de las cenizas volantes ................... 42 2.5.1.2 Clasificacin de las cenizas volantes ..................................... 43 2.5.1.3 Propiedades de las cenizas volantes ...................................... 43

2.5.2 Ceniza de fondo ............................................................................... 47 2.5.3 Escoria de caldera ............................................................................ 48 5

2.5.4 Materiales de desulfurizacin .......................................................... 49 2.6 Manejo de cenizas volantes de centrales termoelctricas a carbn........... 49 2.6.1 Depsito de cenizas ......................................................................... 49 2.6.1.1 Etapa de construccin............................................................. 51 2.6.1.2 Etapa de operacin ................................................................. 52 2.6.1.3 Etapa de abandono y cierre .................................................... 53 2.6.1.4 Principales emisiones, descargas y residuos .......................... 54 2.6.1.5 Incidencias sobre el medio ambiente ..................................... 55 2.6.2 Reuso de cenizas volantes ............................................................... 56 2.6.2.1 Produccin y utilizacin de cenizas en Europa ...................... 56 2.6.2.2 Produccin y utilizacin de cenizas en Norteamrica............ 56 2.7 Normativa para las cenizas volantes ......................................................... 58 2.7.1 Normativa internacional .................................................................. 58 2.7.2 Normativa nacional.......................................................................... 60 2.8 Uso de cenizas volantes en cemento y hormign...................................... 62 2.8.1 Aspectos generales de la industria cementera ................................. 62 2.8.1.1 Proceso de fabricacin de cemento ........................................ 67 2.8.1.2 Aspectos generales del hormign........................................... 70 2.8.1.2.1 Proceso de fabricacin del hormign ............................. 71 2.8.2 Situacin del consumo de cemento y hormign a nivel mundial .... 73 2.8.3 Situacin del consumo de cemento y hormign en Chile................ 74 2.8.3.1 Cementos Bo Bo .................................................................. 76 2.8.3.2 Cementos Polpaico ................................................................. 76 2.8.3.3 Lafarge Cementos .................................................................. 76 2.8.4 Caractersticas de las cenizas volantes en la fabricacin de cemento y hormign ........................................................................ 79 2.8.4.1 Uso de cenizas volantes en cemento ...................................... 79 2.8.4.1.1 Ventajas de la utilizacin de cenizas volantes en la fabricacin de cemento ................................................. 81 2.8.4.2 Uso de cenizas volantes en hormign .................................... 81

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2.8.4.2.1 Ventajas de la utilizacin de cenizas volantes en la fabricacin de hormign ............................................... 82 2.8.4.2.1.1 Beneficios de las cenizas volantes en el hormign fresco ................................................ 82 2.8.4.2.1.2 Beneficios de las cenizas volantes en el hormign slido ................................................ 83 2.8.5 Edificaciones con agregado de cenizas volantes ............................. 85

3.

METODOLOGA ........................................................................................ 88 3.1 Estimacin generacin actual y futura de ceniza volante ......................... 88 3.1.1 Generacin actual ............................................................................ 88 3.1.2 Generacin futura ............................................................................ 88 3.2 Potencial uso cenizas volantes en Chile en industria de cemento y hormign y experiencia de utilizacin en nuestro pas ............................. 89 3.3 Identificar los costos correspondientes a la construccin y operacin de un depsito de ceniza y los costos correspondientes a la utilizacin de estas en cemento y hormign .................................................................... 90 3.4 Determinar las emisiones de CO2 y los efectos ambientales que produce la utilizacin de cenizas............................................................................. 93

4.

RESULTADOS ESPERADOS ................................................................... 95 4.1 Estimacin generacin actual y futura de cenizas volantes ...................... 95 4.1.1 Estimacin cenizas volantes que se generarn una vez aprobados y en funcionamiento los proyectos presentados que se encuentran en el SEIA........................................................................................ 95 4.1.2 Estimacin de cenizas volantes generadas en la actualidad ............ 100 4.2 Uso potencial de las cenizas volantes en Chile en la industria del cemento y hormign.................................................................................. 104 4.3 Costo alternativo ....................................................................................... 108 4.4 Determinacin de las emisiones de CO2 ................................................... 110

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5. 6. 7.

DISCUSIN ................................................................................................. 112 CONCLUSIN ............................................................................................ 113 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS....................................................... 116

ANEXOS .............................................................................................................. 123 ANEXO A: Clculo de cenizas volantes generadas en las centrales termoelctricas a carbn .................................................................. 124 ANEXOB: Cuestionario a empresas cementeras ............................................... 141 ANEXO C: Anlisis STATGRAPHICS 5.5 ....................................................... 142 ANEXO D: Estimacin distribucin regional de cemento para el ao 2016 en toneladas .......................................................................................... 144

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NDICE DE TABLAS Pg. Tabla 2.1 Resumen de datos de centrales termoelctricas a carbn.......................... 24 Tabla 2.2 Proyectos trmicos a carbn ingresados al SEIA en proceso de construccin y calificacin........................................................................ 25 Tabla 2.3 Norma ASTM D 388 82. Clasificacin de carbones minerales por rango.......................................................................................................... 28 Tabla 2.4 Clasificacin ASTM C 618 ....................................................................... 43 Tabla 2.5 Rango normal de la composicin qumica para cenizas volantes producida a partir de diferentes tipos de carbn ....................................... 44 Tabla 2.6 Composicin mineralgica de las cenizas volantes, en % peso................ 45 Tabla 2.7 Elementos traza en cenizas volantes ......................................................... 45 Tabla 2.8 Propiedades fsicas de cenizas volantes .................................................... 47 Tabla 2.9 Tipos de cemento y su composicin ......................................................... 66 Tabla 3.0 Componentes xidos del clnquer ............................................................. 68 Tabla 3.1 Principales componentes del cemento portland ........................................ 69 Tabla 3.2 Distribucin de hornos cementeros y plantas de molienda de cemento.... 77 Tabla 3.3 Composicin qumica cenizas volantes cemento ................................... 80 Tabla 3.4 Estimacin de cenizas volantes que generarn las centrales

termoelctricas que se encuentran actualmente aprobadas o en proceso de calificacin ........................................................................................... 96 Tabla 3.5 Informacin utilizada para la regresin lineal........................................... 101 Tabla 3.6 Estimacin cenizas volantes de centrales termoelctricas actualmente en funcionamiento a travs de la ecuacin y= 0,8795 * x ............................ 103 Tabla 3.7 Proyeccin de cenizas volantes generadas por regin, considerando el funcionamiento de todos los proyectos ingresados al SEIA u actualmente en funcionamiento................................................................. 104 Tabla 3.8 Distribucin de cemento y cenizas volantes en T/ao por regin para el ao 2016 .................................................................................................... 106 Tabla 3.9 Distribucin de los costos ......................................................................... 109

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NDICE DE FIGURAS Pg. Figura 2.0 Produccin de energa por combustible .................................................... 20 Figura 2.1 Capacidad instalada por sistema elctrico nacional .................................. 21 Figura 2.2 Tipos de centrales...................................................................................... 22 Figura 2.3 Mapa de recursos elctricos, SING ........................................................... 23 Figura 2.4 Mapa de recursos elctricos, SIC .............................................................. 23 Figura 2.5 Reservas mundiales recuperables de carbn ............................................. 27 Figura 2.6 Sistema de combustin convencional a carbn......................................... 32 Figura 2.7 Esquema lecho fluidizado ......................................................................... 36 Figura 2.8 Diagrama esquemtico del proceso de ciclo combinado de gasificacin integrado.................................................................................................... 37 Figura 2.9 Precipitador electroesttico ....................................................................... 38 Figura 3.0 Filtro de manga.......................................................................................... 40 Figura 3.1 Cicln.......................................................................................................... 41 Figura 3.2 Partculas de ceniza volante en aumento 200X ......................................... 46 Figura 3.3 Colores de ceniza ...................................................................................... 47 Figura 3.4 Ceniza de fondo......................................................................................... 48 Figura 3.5 Escoria de la caldera.................................................................................. 48 Figura 3.6 Material de desulfurizacin....................................................................... 49 Figura 3.7 Depsito de ceniza NORGENER, Tocopilla Chile................................... 54 Figura 3.8 Produccin y reutilizacin de ceniza volante ............................................ 57 Figura 3.9 Proceso de fabricacin de hormign ......................................................... 72 Figura 4.0 Aumento de consumo de cemento ............................................................ 74 Figura 4.1 Distribucin regional de los despachos de cemento ao 2008.................. 75 Figura 4.2 Distribucin regional de los despachos de hormign pre mezclado ao 2008........................................................................................................... 75 Figura 4.3 Presencia empresas cementeras................................................................. 78 Figura 4.4 Produccin de cemento y hormign.......................................................... 79 Figura 4.5 Ceniza volante mejora la trabajabilidad de hormign para pavimentos ... 83 Figura 4.6 Metro y edificacin Ronald Reagan.......................................................... 85 10

Figura 4.7 Big Did ...................................................................................................... 86 Figura 4.8 Hungry Horse Dam ................................................................................... 86 Figura 4.9 Torre Picasso ............................................................................................. 87 Figura 5.0 MW v/s toneladas de cenizas volantes generadas por da......................... 101

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RESUMEN

El siguiente proyecto busca dar a conocer los beneficios tanto econmicos como ambientales que genera la reutilizacin de cenizas volantes generadas en centrales termoelctricas que utilizan carbn como combustible en cemento y hormign, debido a las propiedades cementantes que estas poseen gracias al contenido de silicio, aluminio y fierro (Aljoe, 2007).

La utilizacin de cenizas volantes en cemento y hormign reduce la cantidad de materia prima para la elaboracin de cemento y mejora las propiedades del hormign tanto fresco como endurecido (Garca, 2003).

De igual forma el promover la reutilizacin de cenizas volantes ayuda a disminuir las emisiones de dixido de carbono (CO2) producidas en la elaboracin del cemento ya que las cenizas han pasado por un proceso trmico de oxidacin a alta temperatura, y por lo tanto el dixido de carbono que podran eliminar es mucho menor que el liberado por la caliza (CaCO3), que corresponde a una de las principales materias primas del cemento. Por otra parte la reutilizacin de las cenizas entrega una alternativa segura y sustentable para la disposicin de las cenizas generadas, ya que hoy en da se necesitan de grandes terrenos cercanos a las centrales conocidos con el nombre de depsitos de cenizas. Estos depsitos para su construccin deben considerar diversos factores para su diseo, como disponibilidad de terrenos, condiciones climatolgicas, costo de transporte de cenizas, entre otros (Proyersa, 2008).

El uso industrial de las cenizas volantes permite a las empresas elctricas contar con una alternativa sustentable para las cenizas generadas por las centrales termoelctricas a carbn.

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1. INTRUCUCCIN 1.1 Planteamiento del problema Los problemas energticos existentes en la actualidad en Chile han puesto nuevamente al carbn como un actor relevante en la produccin de energa, esto debido a diversos factores dentro de los cuales destaca el aumento constante de la demanda energtica, los altos precios del petrleo y el gas, el difcil suministro de gas natural Argentino y la falta de consenso que sigue provocando la energa nuclear como opcin de produccin de energa, entre otros, a posicionado al mineral dentro de los combustibles de mayor importancia en el sector energtico tanto en nuestro pas como en el mundo. Las centrales termoelctricas que usan carbn como combustible para producir energa generan una serie de subproductos de la combustin de carbones. Dentro de estos se encuentran las cenizas volantes, las que estn compuestas por partculas que debido a su pequeo tamao son arrastradas por el flujo de los gases quemados; y por otro lado estn las cenizas de fondo, que corresponden a las partculas que no pueden ser arrastradas por dicho flujo y caen depositadas en el fondo de la cmara de combustin (Querol et al., 1996). En la actualidad existen en Chile, segn antecedentes recopilados a travs del Sistema de Evaluacin de Impacto Ambiental (SEIA) y la Comisin Nacional de Energa (CNE), 19 proyectos trmicos a carbn aprobados, de los cuales 9 se encuentran en funcionamiento. Estos proyectos generan cantidades considerables de cenizas las cuales dependen del tipo de carbn, la tecnologa utilizada para la quema de combustible y el sistema de retencin de partculas. Uno de los problemas que las empresas elctricas deben resolver es el destino de las cenizas ya que, si bien son consideradas un residuo slido no peligroso necesitan una correcta disposicin. Los depsitos de cenizas alteran el medio ambiente ya que ocupan importantes superficies con la consiguiente inutilizacin de stos terrenos, generando pasivos ambientales que deben ser monitoreados por largo tiempo (Garca, 2003). 13

En la actualidad en Chile las cenizas son depositadas en terrenos cercanos a las centrales termoelctricas conocidos con el nombre de depsito de cenizas. La construccin de estos depsitos requieren de un estudio previo debido a dificultades en su diseo y los aspectos medio ambientales a considerar. El diseo de un depsito de cenizas debe considerar al menos la topografa, hidrologa y geologa de la zona, el manejo de aguas lluvia, caminos de acceso, entre otros. Asi mismo hay que considerar que eventualmente en el rea destinada al depsito de cenizas pueda existir vegetacin en estado de conservacin, elementos arqueolgicos, entre otros, lo cual acota los terrenos cercanos a las centrales, ya que a mayor distancia aumentan los costos de transporte. De igual forma hay que tener en cuenta los aspectos ambientales, ya que este tipo de proyectos segn lo dispuesto en el artculo 10 de la ley 19.300, sobre Bases Generales del Medio Ambiente y el artculo 3 del D.S. N 30/97 del Ministerio Secretaria General de la Presidencia (modificado por el D.S. 95/01 del Ministerio Secretaria General de la Presidencia), Reglamento del Sistema de Evaluacin de Impacto Ambiental (RSEIA) es susceptible de causar impacto ambiental. El uso industrial de cenizas volantes permite a las empresas elctricas economizar en terrenos destinados al almacenamiento de cenizas, reducir costos de disposicin otorgando un posible ingreso adicional por su venta y lo que es ms importante evitar generar pasivos ambientales. Por este motivo se plantea el aprovechamiento industrial de este residuo. En el presente proyecto se analizar la importancia de la utilizacin de las cenizas volantes en la industria del cemento y hormign debido a sus propiedades cementantes gracias al contenido de slice, almina y fierro (Aljoe, 2007). La incorporacin de cenizas volantes en cemento es utilizada comnmente como sustituto de cemento portland o como clnquer para la produccin de cemento portland (ACAA, 2008), lo cual genera ahorros en cemento portland, mejora la maniobrabilidad del hormign, produce una menor segregacin, menor calor de hidratacin, mayor extensibilidad y mayor impermeabilidad (Garca, 2003). 14

La inclusin de cenizas volantes en el hormign mejora las propiedades del hormign fresco y endurecido. Las propiedades ms valoradas de los hormigones con cenizas volantes en estado fresco son una mayor docilidad, lo que permite relaciones agua/cemento ms bajas, y la reduccin en el calor de hidratacin por la disminucin del contenido de cemento. Al endurecer desarrollan bajas resistencias a edades tempranas, pero su resistencia a largo plazo suele ser igual o mayor a la de los hormigones equivalentes sin cenizas (Molina, 2008). La adicin de cenizas volantes al hormign reemplazando parte de cemento produce evidentemente un ahorro, no solo por el cemento reemplazado, sino tambin por que aporta al hormign caractersticas especiales, mejora su trabajabilidad, reduce la demanda de agua, reduce el calor de hidratacin, aumenta la dureza final y reduce la permeabilidad (ACAA, 2003). Otro de los principales incentivos de la reutilizacin de cenizas volantes en cemento y hormign es la reduccin de emisiones de gases de efecto invernadero. Por cada tonelada de cemento producido, se generan aproximadamente 900 kg de dixido de carbono (CO2) (UKQAA, 2008). Por lo tanto, para lograr reduccin de emisiones de dixido de carbono a la atmsfera se promueve la sustitucin de cemento por cenizas volantes en el mayor volumen posible ya que de esta forma disminuirn las emisiones de CO2 por descarbonatacin en la produccin de cemento, ya que las cenizas son compuestos que ya fueron oxidados en el proceso de combustin de carbn. A nivel mundial existen agrupaciones que promueven el uso de productos procedentes de la combustin de carbn (CCPs por su sigla en ingls Coal Combustion Products), los que incluyen las cenizas volantes. Dentro de estas agrupaciones se encuentra la Asociacin Europea para el Uso de Subproductos procedentes de Centrales Trmicas (ECOBA, por su sigla en ingls European Coal Combustion Products Association e.V), en EEUU la American Coal Ash Association (ACAA) y en Canad la Association of Canadian Industries Recycling Coal Ash (CIRCA).

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En Chile la inclusin de cenizas volantes en la produccin de cemento y hormign no es una prctica comn, debido a diversos factores en los que podra incidir el costo de transporte de las cenizas y la disponibilidad de materias primas para la produccin de cemento existente en nuestro pas, lo cual dificulta su reuso.

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1.2 Objetivos

1.2.1

Objetivo general

Determinar la generacin de cenizas volantes de las centrales termoelctricas a carbn en Chile analizando su manejo actual y evaluar la factibilidad de utilizarlas en la industria del cemento y hormign. 1.2.2 Objetivos especficos Estimar la generacin actual y futura de cenizas volantes de centrales termoelctricas a carbn en las diferentes regiones de Chile. Estimar el uso potencial de las cenizas volantes en Chile en la industria del cemento y hormign. Revisar si existe experiencia de utilizacin de las cenizas volantes en nuestro pas. Calcular el costo alternativo para el manejo de las cenizas volantes, correspondiente a la construccin y operacin de un depsito de cenizas. Determinar los efectos ambientales de la utilizacin de cenizas volantes orientado a la reduccin de CO2 equivalente.

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2. REVISIN BIBLIOGRFICA

2.1 Generacin de Energa Elctrica a partir de Carbn

2.1.1 Situacin a nivel mundial A comienzos del siglo XX el uso de energas fsiles comienza a tener importancia dentro de la matriz energtica debido al aumento de poblacin y un incremento en la tasa de urbanizacin. Hoy en da la poblacin mundial supera los 6.600 millones de personas, en donde la base energtica renovable es claramente residual, y el grueso de las necesidades en esta materia se garantiza con los combustibles fsiles (crudo, carbn y gas), aunque es el petrleo la fuente principal que mantiene un mundo crecientemente industrial, urbano metropolitano y motorizado en funcionamiento (Fernndez, 2006). Sin embargo este mundo urbano-industrial se enfrenta a un gran reto, el cambio de la matriz energtica ya que nos encontramos en el inicio del fin de la era de los combustibles fsiles (Fernndez, 2006). La Agencia Internacional de Energa (AIE), seala un posible escenario para el ao 2030, con una poblacin mayor a 8.000 millones de habitantes, que supone un incremento del 60% del consumo energtico global actual, produciendo un aumento de utilizacin de combustibles fsiles (Fernndez, 2006). Debido a lo mencionado anteriormente, existe una gran preocupacin sobre el futuro de los combustibles fsiles. Desde los aos 80 se consume ms petrleo del que se descubre, por lo cual se esta viviendo a costas de los macro-yacimientos encontrados en el pasado. Por esta razn se acepta la existencia de un techo del petrleo (el cual se producir cuando se hayan extrado ms o menos la mitad del crudo mundial). La AIE seala que este no ser antes del ao 2030, pero muchos afirman que el techo de extraccin esta bastante ms cercano, en torno al ao 2010. De igual forma existir un techo del gas, probablemente unos 20 aos despus del petrleo dependiendo de su velocidad de extraccin. Bastante ms tarde ocurrir el desabastecimiento del carbn, 18

pues sus reservas probadas se sitan sobre los 200 aos, al ritmo actual de consumo (Fernndez, 2006). Por estos motivos, al ser el petrleo la mayor fuente energtica y el que ms temprano asegura su desabastecimiento y el gas una fuente de energa mas cara, existe una necesidad de buscar otras formas de energa, en la cual el carbn ha vuelto a posicionarse en el escenario energtico a nivel mundial cuya principal aplicacin se emplea como combustible de centrales termoelctricas. El mineral es econmicamente accesible, esta presente en muchos pases del mundo y su transporte es fcil y seguro. En la actualidad los mayores depsitos de importancia comercial estn en Europa (12,5%), Asia (44%), Amrica del Norte (38,5%), frica (4%) y Austria (1%) (Reyes, 1999). Es importante destacar que el 40% de la electricidad mundial se produce en instalaciones que utilizan carbn como combustible. De la misma forma, la generacin elctrica a carbn alcanza el 84% en Australia, 78% en China y 50% en Estados Unidos. En la figura 2.0 se muestra la historia hasta el ao 2007 y proyeccin hasta el ao 2030 de la produccin de energa por combustible, en la cual el carbn presenta una mayor proyeccin.

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30,00

Historia25,00 cuatrilln de BTU

Proyeccin

Petrleo Gas Natural

20,00 Carbn 15,00 10,00 5,00 0,00 Nuclear Hidroelctrica Renobable excluyendo hidrulica

Figura 2.0 Produccin de energa por combustible. Fuente:EIA, 2008.

2.1.2 Situacin en Chile El consumo de energa en Chile ha tenido un constante crecimiento durante la ltima dcada impulsada por la industria y el mayor consumo en los hogares. Los recursos energticos en Chile son limitados producto de fluctuaciones hidrolgicas, escasa diversidad de fuentes primarias actualmente en explotacin, los problemas de suministro de gas de Argentina, los altos precios del petrleo y el gas, lo cual a llevado a volver la mirada hacia otras energas ms econmicas. Por este motivo, el carbn ha vuelto al escenario energtico chileno. De acuerdo a antecedentes de la Comisin Nacional de Energa (CNE), el carbn trmico mayoritariamente llega a los principales centros de consumo en Chile a travs de

19 80 19 85 19 90 19 95 20 00 20 05 20 10 20 15 20 20 20 25 20 30aos

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importaciones, constituyendo ms del 80% de la oferta. En su mayora procedente de Australia, Canad e Indonesia, y es de dos tipos, bituminoso y sub-bituminoso. Segn la CNE, el 100% de la produccin nacional de carbn se produce entre la VIII y XII regiones, con reservas que se estiman en 155 millones de toneladas. La primera es rica en bituminoso, mientras que las zonas australes son fuente principal de carbn subbituminoso. 2.1.2.1 Generacin termoelctrica a carbn en Chile En Chile existen cuatro sistemas elctricos interconectados. El sistema elctrico del norte grande (SING), que corresponde al territorio comprendido entre las ciudades de Arica y Antofagasta con un 28% de la capacidad instalada del pas; el sistema interconectado central (SIC), que se extiende entre las localidades de Taltal y Chilo con un 71% de la capacidad instalada del pas; el sistema de Aysn que atiende el consumo de la XI regin con un 0,4% de la capacidad; y el sistema de Magallanes, que abastece la regin XII con un 0,6% de la capacidad instalada del pas. En la figura 2.1 se muestra la distribucin de la capacidad instalada en Chile.

Figura 2.1 Capacidad Instalada por Sistema Elctrico Nacional. Fuente: CNE, 2007.

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Existen distintos tipos de fuentes energticas en Chile, dentro de estas se encuentran la energa termoelctrica, hidroelctrica y en menor cantidad energa renovable. En la figura 2.2 se indica en porcentaje los distintos tipos de centrales existentes en el sistema elctrico interconectado.

Figura 2.2 Tipos de centrales Fuente: CNE, 2007.

Segn la CNE, existen actualmente en Chile 9 centrales trmicas que utilizan carbn como combustible, que suman en total 2.043,34 MW. La figura 2.3 y figura 2.4 muestran un mapa de Chile que seala (en rojo) la ubicacin de las centrales termoelctricas a carbn de relevancia para la CNE en su estudio del ao 2007 de capacidad instalada por sistema elctrico.

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Figura 2.3 Mapa de recursos elctricos, SING (en rojo, centrales trmicas a carbn). Fuente: CNE.

Figura 2.4 Mapa de recursos elctricos, SIC (en rojo, centrales trmicas a carbn). Fuente: CNE.

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En la siguiente tabla se detallan las centrales trmicas a carbn existentes en nuestro pas. Tabla 2.1: Resumen de datos de centrales termoelctrica a carbn. Fuente: CNE, 2007.Nombre de la central Termoelctrica Tarapac Termoelctrica Mejillones Termoelctrica Tocopilla Termoelctrica Norgener Huasco Bocamina Laguna verde Ventanas Guacolda Titular CELTA EDELNOR ELECTROANDINA NORGENER ENDESA ENDESA GENER S.A. GENER S.A. GUACOLDA S.A. Estado En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento En funcionamiento Regin I II II II III VIII IV V III MW 158 340,9 429,4 277,34 16 125 54,7 338 304

Del total de la energa producida en Chile, un 61,65% se genera a travs de centrales termoelctricas equivalente a 7.920,4 MW. Dentro de estas las que utilizan carbn como combustible corresponden a un 26% repartido en el SIC y SING. Segn la CNE, a diciembre de 2007, un 9,19% de la potencia bruta instalada del SIC, equivale a 837,7 MW, mientras que en el SING, el mineral represent el 33,5% de la potencia total, equivalente a 1.205,6 MW. Solo en el ltimo ao, ha ingresado al Sistema de Evaluacin de Impacto Ambiental (SEIA) una serie de grandes proyectos termoelctricos que emplearn carbn como combustibles de manera pulverizada. En la tabla 2.2 se presentan proyectos de centrales termoelctricas que utilizan carbn como combustible, que han ingresado al SEIA y han sido aprobadas para su construccin en los prximos aos y de igual forma se presentan proyectos que se

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encuentran en estado de calificacin que de ser aprobados aportarn en la generacin de energa en nuestro pas. Tabla 2.2: Proyectos trmicos a carbn ingresados al SEIA en proceso de construccin y calificacin. Fuente: Sistema de Evaluacin de Impacto Ambiental (SEIA). (Fecha consulta: 15-12-2008).Nombre de Central Titular Estado Regin MW Ao estimado de puesta en marcha 2011 Mediados 2009 Mediados 2009 al Enero 2011 Construccin no antes del 2008 primer semestre 2010 al Primer semestre 2011 Mediados 2010 al 2011 2010 aproximadamente 2010 al 2013. 2009 aproximadamente 2012 aproximadamente 2012 aproximadamente 2012 aproximadamente 2011 al 2012 2011 aproximadamente 2012 aproximadamente Finales 2010 2012 al 2016 2010 aproximadamente

Central Trmica Campiche Central Nueva Ventanas Incremento de generacin y control de emisiones del complejo generador central trmica Guacolda Central Termoelctrica Angamos Central Kelar Central Trmica Andino Ampliacin Central Termoelctrica Bocamina Complejo Termoelctrico Coronel Central Nueva Ventanas (LFC) Central Termoelctrica Los Robles Central Termoelctrica Cochrane Central Termoelctrica Energa Minera Central Termoelctrica Cruz Grande Central Trmica RG Generacin Central Trmica Barracones Central Patache II Central Termoelctrica Castilla Central Patache

AES Gener AES Gener Guacolda S.A.

Aprobado Aprobado Aprobado

V V III

270 250 304

Norgener S.A Newcoal Generacin S.A. Suez Energy Andino S.A. Endesa Chile S.A. Colbn S.A. AES Gener AES Gener Norgener Energa Minera S.A. Abastecimientos CAP S.A. Ro Corriente S.A. Central Trmica Barracones S.A. Central Patache S.A. MPX Energa de Chile Ltda. Central Patache S.A

Aprobado Aprobado Aprobado Aprobado Aprobado Aprobado Aprobado En calificacin En calificacin En calificacin En calificacin En calificacin En calificacin En calificacin En calificacin

II II II VIII VIII V VIII II V IV V IV I III I

600 500 200 350 700 250 750 560 1.050 300 700 540 110 2.100 100

25

Si todos los proyectos presentados en la tabla 2.2 fueran aprobados por el SEIA y se autorice su construccin y funcionamiento, la generacin de energa termoelctrica a carbn proporcionara al pas 9.534 MW repartidos entre el SIC y SING, aportando 7.564 MW y 1.970 MW respectivamente. Es decir se aumentara la oferta de energa termoelctrica en base a carbn en ms de 4 veces.

2.2

Clasificacin y caractersticas del carbn

El carbn corresponde a un combustible fsil, compuesto mayoritariamente por carbono, producido por la acumulacin de materia orgnica que a causa de variaciones de presin y temperatura ha sufrido un proceso de carbonizacin. Los tipos principales de carbn, de menor a mayor edad geolgica, contenido de carbono y poder calorfico son la turba, el lignito, la hulla y la antracita (Castells, 2005).

En Estados Unidos las reservas de carbn estima este recurso en ms de 3 trillones de toneladas, con aproximadamente 300 billones de toneladas de estas recuperables con tecnologa presente. Las reservas recuperables en el mundo estn estimadas en 1.080 billones de toneladas, suficientes para durar los siguientes 210 aos al actual ritmo de consumo (Hinrichs, 2006).

En la figura 2.5 muestra las reservas mundiales recuperables del carbn.

26

Figura 2.5 Reservas mundiales recuperables de carbn, 2003. Fuente: Hinrichs, 2006.

2.2.1

Tipos de carbn utilizados en la generacin elctrica

Existen diferentes tipos de carbones minerales en funcin del grado de carbonificacin que haya experimentado la materia vegetal que origino al carbn. La evolucin de este mineral depende de la edad del carbn, as como de la profundidad y condiciones de presin, temperatura, entorno, etc. Los carbones se clasifican por rango dependiendo de la cantidad de materia voltil, carbono fijo, humedad y contenido de oxgeno. Normalmente el rango del carbono se incrementa con la cantidad de carbono fijo y la disminucin de los voltiles y de la humedad (Botero, 2000). Segn la American Society for Testing and Materiales (ASTM) establece un estndar en la clasificacin de carbones, que utiliza el contenido de carbn fijo y materia voltil en base seca, en los carbones de alto rango. El contenido de carbn fijo y material voltil usado en la clasificacin ASTM es seco libre de material mineral. (Elard, 2006). En la tabla 2.3 se muestra la clasificacin de carbones ASTM. 27

Tabla 2.3 Norma ASTM D 388 - 82. Clasificacin de carbones minerales por rango. Fuente: Elard, 2006.Tipo Clase C.F % M.V % Poder Calorfico BTU/Lb Carcter Aglomerante Carbones no aglomerantes Carbones aglomerantes / 14000 13000 - 14000 11500 - 13000 10500 - 11500 10500 11500 9500 10500 8300 9500 6300 8300 < 6300

I. Antracita

II. Bituminoso

1. Meta antracita 2. Antracita 3. Semi antracita 1. Bajo voltil 2. Medio voltil 3. Alto voltil A 4. Alto voltil B 5. Alto voltil C 1. Clase A 2. Clase B 3. Clase C 1. Clase A 2. Clase B

/ 98 92 - 98 86 - 92 78 - 86 69 78 < 69

2 28 8 14 14 22 22 31 > 31

III. Sub bituminoso IV. Ligntico

Carbones no aglomerantes

Notas: Los contenidos de carbono fijo (CF) y materias voltiles (MV) se determinan sobre muestras secas, libres de otras materias minerales. El poder calorfico se determina sobre muestras con humedad natural inherente. Los carbones de ms de 69% CF se clasifican segn el contenido de carbono fijo, sin tener en cuenta su valor calorfico.

La antracita es la mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto poder calorfico, seguido de la hulla que corresponde al carbn mineral bituminoso medio y alto en voltiles, es rica en carbono y tiene un alto poder calorfico por lo que es muy usada en platas de produccin de energa. Uno de los principales componentes que restan valor al carbn y que obligan a su posterior tratamiento, lo constituye el contenido de cenizas. La ceniza es el material inorgnico e inerte que acompaa al carbn, su presencia por tanto, rebaja el poder calorfico y afecta el funcionamiento de los hornos. Los elementos principales que componen al carbn son: carbono, hidrgeno y oxgeno, junto con pequeas cantidades de azufre, nitrgeno y otros elementos caractersticos de la materia inorgnica (Elard, 2006).

28

Aunque cada elemento afecta en distintas formas las caractersticas del carbn, en la prctica el elemento ms importante a controlar es el contenido de azufre. Cuando se quema carbn, las emisiones de azufre corroen los tubos de las calderas y eventualmente escapan al medio ambiente. En Chile existen importantes reservas de carbn, que corresponden al tipo de antracitosos y carbones bituminosos sub bituminosos. Las complicaciones geolgicas que enmarcan la explotacin de carbones antracitosos, as como una inadecuada prospeccin han impedido una evaluacin de estas reservas. Por esta razn no se consideran dentro de la reserva nacional. Segn la CNE, los carbones bituminosos y sub bituminosos constituyen la principal reserva del pas, que es posible distribuir en tres zonas carbonferas: zona de Arauco, zona de Valdivia y zona de Magallanes.

2.3 Tecnologas utilizadas para la generacin elctrica a carbn

Las centrales termoelctricas clsicas o convencionales producen energa elctrica a partir de la combustin de carbn, fuelil o gas en una caldera diseada al efecto. Independiente de cul sea el combustible fsil que utilicen, el esquema de funcionamiento de todas las centrales termoelctricas clsicas es prcticamente el mismo. Las diferencias se basan en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseo de los quemadores de la misma, que varan segn sea el tipo de combustible empleado. Por ltimo, las centrales termoelctricas clsicas cuyo diseo les permite quemar indistintamente combustibles fsiles diferentes (carbn o gas, carbn o fuel-oil, etc.), recibiendo el nombre de centrales termoelctricas mixtas o ciclo combinado. Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustin del carbn, fuel-oil o gas, generando energa calorfica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una extensa red formada por numerosos tubos que tapizan las paredes de la caldera. Este vapor entra a gran presin en la turbina de la central, la cual 29

consta de tres cuerpos -de alta, media y baja presin, respectivamente- unidos por un mismo eje. El vapor de agua generado en la caldera acciona los labes de las turbinas de vapor, haciendo girar el eje de estas turbinas que se mueve solidariamente con el rotor del generador elctrico. En el generador, la energa mecnica rotatoria es convertida en electricidad de media tensin y alta intensidad. Con el objetivo de disminuir las prdidas del transporte a los puntos de consumo, la tensin de la electricidad generada es elevada en un transformador, antes de ser enviada a la red general mediante las lneas de transporte de alta tensin (UNESA, 2004).

Despus de accionar las turbinas, el vapor de agua se convierte en lquido en el condensador. El agua que refrigera el condensador proviene de un ro o del mar, y puede operar en circuito cerrado, es decir, transfiriendo el calor extrado del condensador a la atmsfera mediante torres de refrigeracin o, en circuito abierto, descargando dicho calor directamente a su origen (UNESA, 2004). Las centrales termoelctricas mixtas o de ciclo combinado producen energa por la coexistencia de dos ciclos termodinmicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustin. La centrales ciclo combinado utilizan gas natural, gasleo o carbn preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de escape de la turbina de gas todava tienen una elevada temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de vapor. Cada una de estas turbinas est acoplada a su correspondiente alternador para generar la electricidad como en una central termoelctrica clsica (UNESA, 2004). Las centrales termoelctricas que usan carbn como combustible para producir energa generan una serie de subproductos de su combustin. Los componentes orgnicos son oxidados y volatilizados durante este proceso mientras que una gran parte del material mineral es transformado en subproductos residuales slidos.

30

Existen tres tipos primarios de centrales trmicas que utilizan carbn como combustible, estas son:

Sistema combustin convencional Combustin de lecho fluidizado Gasificacin

A continuacin se presenta la descripcin de cada una de las tecnologas y los subproductos resultantes.

2.3.1

Sistema combustin convencional

Las centrales termoelctricas convencionales producen energa elctrica a partir de combustibles fsiles, como son el carbn, el fuelleo o el gas, utilizando tecnologas de tipo convencional para la produccin de electricidad, es decir, mediante un ciclo termodinmico de agua/vapor (UNESA, 2004).

La figura 2.6 muestra el funcionamiento de una central trmica convencional a carbn.

31

Figura 2.6 Sistema de combustin convencional a carbn. Fuente: UNESA, 2004.

El funcionamiento de una central convencional a carbn (ver figura 2.5) se basa en lo siguiente (UNESA, 2004):

El carbn almacenado en el parque cerca de la central es conducido mediante una cinta transportadora hacia una tolva que alimenta al molino. Aqu el carbn es pulverizado finamente para aumentar la superficie de combustin y as mejorar la eficiencia de su combustin. Una vez pulverizado, el carbn se inyecta en la caldera, mezclado con aire caliente para su combustin.

Hay varias configuraciones usadas para hornos de carbn pulverizado (PC por su sigla en ingls Pulverizad coal) que puede afectar la formacin de la ceniza, pero las ventajas primarias de la combustin del PC es la naturaleza fina de la ceniza volante producida. En general, la combustin de PC resulta en aproximadamente 65%- 85% ceniza volante, y el resto ms grueso ceniza de fondo (parte seca de la caldera) o escoria de la caldera (parte mojada de la caldera) (Aljoe, 2007).

32

Las empresas de generacin elctrica usan una variada tecnologa para el control de emisiones al aire de SO2 y NOx, de igual forma tecnologas de control de mercurio y otros contaminantes. Estas tecnologas afecta en cantidad y calidad la generacin de productos de la combustin de carbn (Aljoe, 2007).

Por otra parte, para controlar emisiones de SO2 se utilizan dos estrategias: la primera es el uso de combustible de buena calidad (quemando un carbn bajo en azufre o carbn mezclado). La segunda es instalar un sistema de desulfuracin (FGD, por su sigla en ingls flue gas desulfurization), el que puede ser clasificado en mojado o seco, y ambos producen un subproducto designado material FGD (Aljoe, 2007).

El control de emisiones de NOx es complicado ya que estas emisiones son relacionadas con el contenido de nitrgeno del combustible y con la formacin de varias especies de NOx durante el proceso de combustin. Las tecnologas de reduccin de NOx han tenido un impacto negativo sobre la calidad de cenizas volantes producidas, obteniendo cenizas volantes con altas concentraciones de carbn no quemado (Aljoe, 2007).

2.3.2

Combustin de lecho fluidizado (FBC)

El sistema FBC usa un lecho de calor de material suspendido parecido a la arena (fluidizado) dentro de una columna creciente de aire para quemar diversos tipos y clases de combustibles. El aire es introducido desde abajo a un estrato compuesto de combustible, arena, ceniza y cal, de tal forma que el estrato se convierte en un flujo vorticial y fluido (Mnchener, 2008). El resultado es una mezcla turbulenta de gases y slidos, que proporciona reacciones qumicas eficaces y la transferencia de calor. La tecnologa quema el combustible a temperaturas de 760 C - 927 C, debajo de la temperatura donde se forma NOx (en aproximadamente 1.371 C) (Aljoe, 2007).

La caliza se incorpora para el control de emisiones desde la combustin, para propiciar procesos de desulfuracin y amonaco en solucin acuosa para la reduccin selectiva no cataltica de los xidos de nitrgeno generados en la combustin (Serman, 2008). 33

Desulfuracin con cal: CaO + SO2 + O2 -

CaSO4 + calor

Reduccin de xidos con amonio a temperaturas reguladas menores a 1500 C: NO2 + NH4+

N2 + 2 H2O (reduccin selectiva no-cataltica)

Los residuos de la combustin en lecho fluidizado se caracterizan por el contacto entre el combustible y las partculas no combustibles, que se mantiene en suspensin mediante un flujo ascendente del aire, a travs del lecho. Su alta capacidad para la retencin in situ del azufre depende fundamentalmente de la relacin calcio/azufre, temperatura del lecho, tipo y granulometra de la caliza y tiempo de residencia. Por tanto, las cenizas que producen este tipo de combustin presentan un elevado contenido en calcio (Umaa, 2002).

El sistema FBC se encuentra en dos grupos: lecho fluidizado de combustin atmosfrica (AFBCs) y lecho fluidizado de combustin presurizada (PFBCs) y dos menores sub grupos, lecho fluidizado de burbujeo o circulacin (CFB). A continuacin se describen los grupos de FBC:

AFBCs: Utiliza un absorbente como la caliza o la dolomita para capturar el

azufre. Los motores de aire suspenden la mezcla de absorbente y combustible durante la combustin, convirtiendo la mezcla en una suspensin de partculas al rojo vivo que fluye como un lquido. Estos sistemas operan a presiones atmosfricas (Aljoe, 2007).

PFBCs: Tambin usan un absorbente y motores de aire para suspender la mezcla

de absorbente y combustible. Opera a elevadas presiones y produce altas presiones de gas que puede conducir una turbina de gas. El aire comprimido usado contiene ms

34

oxgeno por unidad de volumen y por tanto sostiene una alta intensidad de combustible, permitiendo el diseo de un combustor ms pequeo (Aljoe, 2007).

CFB: El combustor usa altos flujos de aire para arrastrar y mover el material del

lecho, recirculando casi todo el material con el volumen grande adyacente, separadores de cicln caliente. El gas relativamente limpio contina al transformador de calor. Este acercamiento simplifica el diseo de alimentador, ampla el contacto entre absorbente y gas de conducto, reduce la probabilidad de erosin del tubo de transformador de calor, y mejora la captura de SO2 y la eficiencia de combustin (Aljoe, 2007).

Los residuos slidos FBCs son tpicamente ceniza de combustible, material de lecho, absorbentes usados para controlar agentes contaminadores y productos formados por la captura de azufre y otros absorbentes. Las caractersticas de los subproductos slidos producidos en FBCs dependen del material del lecho, combustible, composicin de ceniza, no combustin de carbn, sub-productos de desulfurizacin y no reaccin de absorbentes (Aljoe, 2007).

En la figura 2.7 se presenta un esquema de lecho fluidizado de una central termoelctrica carbn.

35

Figura 2.7 Esquema lecho fluidizado. Fuente: Serman, 2008.

2.3.3

Gasificacin

En el proceso de gasificacin, basado en carbn como materia prima, en donde este es convertido en el gasificador- en la presencia de vapor y aire u oxgeno a altas temperaturas y moderada presin- en gas de sntesis, el cual es comprendido principalmente de monxido de carbono (CO) y gas hidrgeno (H2); sin embargo, depende de la tecnologa de gasificacin usada, la generacin de una cantidad significativa de agua, CO2 y metano (CH4), tambin pueden estar presentes en el gas de sntesis. Estos gases son extrados usando solventes qumicos y fsicos, y una vez que el gas de sntesis es purificado existen varias opciones para su utilizacin, una de ellas es la generacin de electricidad (Aljoe, 2007).

En el proceso de generacin de electricidad, el gas de sntesis limpio es enviado a una turbina de combustin, donde es sometido a combustin para producir la electricidad.

En la figura 2.8 se presenta un esquema de una central de gasificacin. 36

Figura 2.8 Diagrama esquemtico del proceso de ciclo combinado de gasificacin integrado Fuente: Ruddy, 1997.

2.4 Tecnologas de captacin de cenizas volantes

Los sistemas captadores de partculas permiten un control adicional de emisiones de material particulado proveniente de la combustin de carbn. Los ms utilizados en centrales trmicas son:

2.4.1

Separacin por electricidad: precipitador electroesttico

Los precipitadores electroestticos o electrofiltros son equipos captadores de partculas slidas o liquidas que utilizan las fuerzas electroestticas para separarlas de una corriente de gas, quedando retenidas en una placa colectora (Castells, 2005).

El gas cargado de partculas, y a una velocidad muy baja, atraviesa uno o varios campos elctricos. Las partculas adquieren cargas elctricas al ser obligadas a atravesar una regin donde hay un elevado flujo de iones, llamado corona. El campo elctrico obliga a las partculas cargadas elctricamente que se dirijan desde el electrodo hacia el sentido contrario, mantenindose una elevada diferencia de potencial sobre la corriente de gas. 37

Estas se depositan sobre el electrodo colector, siendo eliminadas de la corriente de gas (Castells, 2005).

Una vez atrapadas las partculas en las placas, deben eliminarse evitando su reintroduccin en la corriente de gas. Las partculas se retiran de las placas mediante una secuencia de golpeo al electrodo colector, desprendindose las partculas que caen en una tolva, realizndose este proceso de forma intermitente (Castells, 2005).

La eficiencia de remocin de los precipitadores electroestticos es variable. Solo para partculas muy pequeas la eficiencia de remocin es de aproximadamente 99% (Inche, 2004). En la figura 2.9 se muestra un diagrama del funcionamiento del precipitador electroesttico.

Figura 2.9 Precipitador electroesttico. Fuente Inche, 2004.

2.4.2

Separacin por capa filtrante: filtro de manga

El filtro de manga es considerado como uno de los equipos ms representativos de la separacin slido-gas mediante un medio poroso. En este el gas pasa por el material del filtro el cual retira las partculas slidas (Inche, 2004).

38

El filtro de mangas es eficiente para retener partculas finas y puede sobrepasar el 99% de remocin en la mayora de las aplicaciones (Inche, 2004).

El gas a depurar se hace circular a travs de una tela, de forma que las partculas que arrastran quedan retenidas en la superficie de la misma. Las partculas impactan contra las fibras de tela formando un tupido entramado y se origina una coagulacin de partculas en la superficie cuyo espesor va en aumento, de manera que contribuye a su vez en el filtrado, quedando retenidas las partculas con un tamao inferior a la abertura del tamiz. (Castells, 2005). Por este motivo, la filtracin comienza a efectuarse de manera efectiva cuando se han acumulado una cierta cantidad de partculas sobre la superficie de la bolsa en forma de torta filtrante. Por lo tanto, el medio filtrante lo constituye el propio filtro y el espesor formado por el polvo captado.

Los filtros de mangas constan de una serie de bolsas con forma de mangas, normalmente de fibra sinttica o natural, colocadas en soportes para darles consistencia y encerrados en una carcasa. El gas sucio, al entrar al equipo, fluye por el espacio que est debajo de la placa a la que se encuentran sujetas las mangas y hacia arriba para introducirse en las mangas. A continuacin el gas fluye hacia afuera de las mangas dejando atrs los slidos. El gas limpio fluye por el espacio exterior de los sacos y se lleva por una serie de conductos hacia la chimenea de escape. Contienen adems una serie de paneles para redireccionar el aire, dispositivos para la limpieza de las mangas y una tolva para recoger las partculas captadas.

Ya que el medio filtrante se puede saturar rpidamente con las partculas retenidas dadas las altas concentraciones que suelen tratar, es necesario regenerarlo peridicamente, eliminando parte del polvo acumulado. Por ello, estos aparatos incorporan un dispositivo de limpieza y otro de descarga del polvo (Castells, 2005).

En la figura 3.0 se muestra un diagrama de funcionamiento del filtro de manga.

39

Figura 3.0 Filtro de manga. Fuente: Inche, 2004.

2.4.3

Ciclones

Los ciclones usan el principio de la fuerza centrifuga para remover el material particulado. En un cicln, el flujo contaminante es forzado a un movimiento circular. Este movimiento ejerce fuerza centrifuga sobre las partculas y las dirige a las paredes exteriores del cicln. Las paredes del cicln se angostan en la parte inferior de la unidad, lo que permite que las partculas sean recolectadas en una tolva (Inche, 2004). Un inconveniente de los ciclones, es que separan principalmente las fracciones de polvo grueso, dejando fracciones respirables de polvo fino. El grado de separacin de partculas que experimentan los ciclones, alcanzan valores del 60% -70% (BMZ, 1996). En la figura 3.1 se muestra un esquema del funcionamiento de un cicln.

40

Figura 3.1 Cicln, relacin de corrientes en un cicln de gases: 1 entrada de gas bruto, 2 slido separado, 3 slido acumulado, 4 torbellino secundario, 5 torbellino primario, 6 tubo buzo de descarga, 7 desempolvado. Fuente: Gunt Hamburg, 2008.

2.5 Sub productos residuales slidos producidos en la generacin elctrica a carbn

La utilizacin de carbn como combustible genera sub-productos slidos llamados Productos de la Combustin del Carbn conocidos como CCPs. Los CCPs corresponden a cenizas de fondo, cenizas volantes, escoria de caldera y material de desulfurizacin.

2.5.1

Ceniza volante

La ceniza volante corresponde al residuo fino resultante de la combustin de carbn pulverizado arrastrado de la cmara de combustin por gases de escape (ACAA, 2003).

Las cenizas volantes fluyen con los gases de combustin hacia los sistemas captadores de partculas, desde donde sern retiradas y depositadas en silos de ceniza para su acopio temporal y su posterior disposicin.

41

2.5.1.1 Caractersticas generales de las cenizas volantes Las cenizas volantes son la porcin inorgnica del carbn finamente pulverizado, esto es llevado hacia fuera de la caldera con el flujo de gases y colectados por un sistema de captacin. Dependiendo de la eficiencia del dispositivo de control de partculas, una pequea porcin de la fraccin mas pequea de las cenizas volantes tiene la consistencia de polvo fino y el color vara de tostado a gris oscuro. La composicin qumica de las cenizas depende de las caractersticas qumicas del carbn quemado pero tambin del equipo de control de emisiones usado. La composicin qumica primaria de las cenizas volantes, incluye silicio, aluminio, hierro, y calcio presente en variadas asociaciones en ambas fases amorfas (vidrioso) y cristalinas. La composicin qumica es usualmente divulgada como xidos y generalmente cuanto mas alto es el contenido de carbn, ms oscura es la ceniza volante (Aljoe, 2007). Las cenizas volantes generalmente estn compuestas por un aglomerado de microesferas (cenoesferas y pleuroesferas) y poseen un tamao entre 10 y 100 micrones (ACAA, 2003). Estas microesferas estn constituidas principalmente por silicio y aluminio con cantidades menores de Fe, Na, K, Ca, P, Ti, y S. Los principales compuestos minerales son aluminosilicatos amorfos (vtrios), pero de igual forma estn presentes otros minerales como la mullita, cuarzo, hematita, magnetita, cal, anhidrita, y feldespatos (Umaa, 2002). Las cenizas volantes pueden ser de color bronceadas a gris oscuro, dependiendo de los constituyentes qumicos o minerales que posean. El bronceado y colores claros son asociados tpicamente con el alto contenido de cal. Un color cafesoso es asociado con el contenido de hierro mientras que color gris oscuro a negro es atribuido a un contenido elevado de carbn no quemado (ACAA, 2003).

42

2.5.1.2 Clasificacin de las cenizas volantes Cuando las cenizas se utilizan como una mezcla de minerales en el concreto, estas se clasifican segn la ASTM, en dos categoras, clase F y clase C. En la clase F la ceniza volante es puzolnica y se compone principalmente de silicio, aluminio y hierro. El material puzolnico se endurecer con agua pero slo despus de una activacin con sustancia alcalina como la cal. La clase C de las cenizas volantes, es material cementante que tambin contiene silicio, aluminio y hierro pero es alto en calcio (CaO) y endurecida con agua (Aljoe, 2007). En la tabla 2.4 se muestra la clasificacin de las cenizas volantes segn la norma ASTM C618. Tabla 2.4 Clasificacin ASTM C618. Fuente: Umaa, 2002.Clase F 70% mn.* 5% mx.* 5% mx. 3% mx. 6% mx. Clase C 50% mn. 5% mx. 5% mx. 3% mx. 6% mx.

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 MgO SO3 Humedad Prdidas a la incineracin (LOI)

mn: mnimo; mx: mximo.

Las cenizas volantes que renen las especificaciones ASTM C618, tienen una alta demanda en productos de concreto, las cenizas volantes de baja calidad que no renen estas especificaciones son usadas tpicamente en volmenes muy altos para la aplicacin de rellenos estructurales. El uso de la ceniza volante varia dependiendo de la calidad del producto, la proximidad de la planta al mercado y la disponibilidad del producto (Aljoe, 2007). 2.5.1.3 Propiedades de las cenizas volantes Las propiedades fsicas y qumicas de los productos de combustin del carbn dependen principalmente del tipo de carbn utilizado y de la tcnica de combustin empleada. Las cenizas clase F son normalmente producidas de la quema de la antracita o de carbones 43

bituminosos y generalmente poseen un contenido bajo de calcio. Las cenizas de clase C son producidas cuando se queman carbones sub- bituminosos y poseen tpicamente propiedades puzolnicas. En la tabla 2.5 se muestra composicin qumica para ceniza volante producida a partir de diferentes tipos de carbn. Tabla 2.5 Rango normal de la composicin qumica para ceniza volante producida a partir de diferentes tipos de carbn. Fuente: Federal Highway Administration, 2006Componente SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Bituminoso 20 60 5 35 10 40 1 12 05 04 04 03 Porcentaje por peso Sub- bituminoso 40 60 20 30 4 10 5 30 16 02 02 04

Lignito 15 45 10 25 4 15 15 40 3 10 0 10 06 04

Como muestra la tabla 2.5 los componentes bsicos de las cenizas volantes son: slice (SiO2), almina (Al2O3), xidos de hierro (F2O3), de calcio (CaO), y en menores proporciones de magnesio (MgO), sulfatos (SO42-), carbono (C) y lcalis (Na2O y K2O). En la tabla 2.6 se muestra la composicin mineralgica de las cenizas volantes, en porcentaje en peso.

44

Tabla 2.6 Composicin mineralgica de las cenizas volantes, en % peso (Fly Ash Resource Center, 2001).Fase Vidrio alumino silicatado Mullita (Al6Si2O13) Cuarzo (SiO2) Magnetita (Fe3O4) Hamatita (Fe2O3) Cal libre (CaO) Anhidrita(CaSO4) Calcita (CaCO3) Feldespato % 50 - 90 3 40 3 15 0,1 3,5 < 0,3 6