EL CARBON COMO MATERIA PRIMA. Clasificación de los Combustibles

EL CARBON COMO MATERIA EL CARBON COMO MATERIA PRIMAPRIMA

Clasificación de los CombustiblesClasificación de los Combustibles

Combustibles naturalesCombustibles naturales• Turbas

Son masas fibrosas de materia vegetal parcialmente descompuesta, que se ha acumulado en lugares inundados de agua. Generalmente se utiliza localmente como combustible pobre. • Lignitos

Bajo esta denominación se engloban muy diversos tipos de carbones,

aunque suelen agruparse en dos categorías: lignitos pardos y lignitos negros. Suelen consumirse en centrales térmicas situadas a

bocamina. • Hullas

Son los carbones que presentan un mayor interés, tanto como portadores de energía como por ser materia prima en la industria química y metalúrgica. Existen numerosas clasificaciones de las

hullas, motivado por los amplios límites en que se mueven sus

características. • Antracita

Es el carbón más duro y denso, tiene un contenido de calor elevado. Fuera de su combustión directa se utiliza para aplicaciones

metalúrgicas y gasificación.

Combustibles naturalesCombustibles naturales

CarbónCarbón

Evolución del CarbónEvolución del Carbón

• Turba• Lignito• Hulla• Antracita

Mayor reactividad

Mayor evolución(más carbonizados)

Además tendremos en cuenta:

• Temperatura de fusión de las cenizas• Reactividad del carbón

Tanto para el carbón como para el petróleo es interesante:

- Análisis Elemental- Análisis Inmediato- Poder Calorífico

¿Cómo caracterizar un carbón?¿Cómo caracterizar un carbón?

Análisis del tamaño de partículaAnálisis del tamaño de partícula Análisis elemental (C, H, O, S, N)Análisis elemental (C, H, O, S, N) Análisis inmediato o Técnico o Análisis inmediato o Técnico o

Aproximado. (Humedad, volátiles, Aproximado. (Humedad, volátiles, carbono fijo, cenizas)carbono fijo, cenizas)

Poder calorífico. (Inf. y Sup.)Poder calorífico. (Inf. y Sup.)

Análisis ElementalAnálisis Elemental

Proporciones de elementos (C, H, S, O y N)

ClavesC: Quemamos y analizamos CO y CO2

H: Quemamos y analizamos H2O

MedioambientalmenteS: Quemamos y analizamos SO2

N: Quemamos y analizamos NOx

El O por diferencia (no muy fiable)

Análisis InmediatoAnálisis InmediatoVolátiles, Carbono fijo, Humedad y Cenizas

Humedad: Poner a T que sepamos que se va el agua

Volátiles: Calentar en atmósfera inerte

Carbono fijo: Quemamos y lo que queda son cenizas

Los valores obtenidos se basan en unas Normas (fijamos condiciones)Para que podamos comparar

¡Estos valores no los podemos extrapolar al proceso!

Por ejemplo, un mismo carbón dependiendo de las condiciones no da los mismos Volátiles

% Volátiles% Carbono fijo

F( dp, T, )T

t Velocidad decalentamiento

Poder caloríficoPoder calorífico

PCSPCS PCIPCI PCS anhidroPCS anhidro PCI anhidroPCI anhidro

Poder Calorífico Superior

Poder Calorífico Inferior

A 25 ºC

Base (Carbón seco)

Experim

en

tale

s

Como realmente no estará seco, hemos de hacer transformaciones

Supongamos un carbón:

20 % Humedad30 % Humedad P.C. Distintos

Por este motivo se suele dar P.C. anhidro


PCS: “Calor liberado por 1 kg de PCS: “Calor liberado por 1 kg de combustible (a 25 ºC) para darcombustible (a 25 ºC) para dar

COCO22(g) + H(g) + H22O(l) (a 25 ºC).”O(l) (a 25 ºC).”

Ejemplo: Un carbón contiene 78 % de C, 5 % de H, 8 % de O y 9 % de cenizas con un PCS anhidro = 6700 kcal/kg de carbón secoSi tenemos una humedad del 15 %, calcular:

PCI anhidroPCSPCI

0

0

*

*

La ecuación balanceada de combustión para una masa unitaria

de combustible, en la fase , puede expresarse como

12.01 1.008 16.0

v

c v

c v scomponente gas s

C H O

U Q Q

H Q M PV

H Q M RT

w w wC H

2 2

2 2 2

14.007 32.06

1 1( ) ( )

12.01 4 1.008 32.06 2 16.0 12.01

1 1( ) ( ) ( )

2 1.008 2 14.007 32.06

N S

C H S O C

H N S

w wO N S

w w w w wO g CO g

w w wH O l N g SO g

0

0

m

El calor de combustión para una masa unitaria del material fósil

estará dada por

1ˆ2 16.0 14.007 2 1.008

Btu33.3 38.05 264.3

lb

O N Hc v

c v O N H

RT w w wH Q

H Q w w w


húmedo carbón kgkcal

5695húmedo carbón kg

seco carbón kg85.0*

seco carbón kgkcal

6700 PCS

seco carbón kg

kcal 8.6451

O(l) Hkg

kcal 551.46

seco carbón kg

formada O(l) Hkg 0.45 -

seco carbón kg

kcal 6700 PCI

O(l) Hkg

kcal 551.46

kg

kJ 2305.1

seco carbón kg

forman se O Hkg 0.45

Hkg 2

O Hkg 18

seco carbón kg

Hkg 0.05 m

.m - PCS PCI

2

2ANHIDRO

2C25º

22OH

C25ºOHANHIDROANHIDRO

2

2

v

v


húmedo carbón kg

kcal 3.5401

O(l) Hkg

kcal 551.46

húmedo carbón kg

O Hde kg0.5325

- húmedo carbón kg

seco carbón kg0.85

seco carbón kg

kcal 6700 PCI

O(l) Hkg

kcal 551.46

kg

kJ 2305.1

húmedo carbón kg

O Hkg 0.5325

húmedo carbón kg

O Hkg0.15

húmedo carbón kg

seco carbón kg0.85

Hkg 2

O Hkg 18

seco carbón kg

Hkg 0.05 m

.m - PCS PCI

2

2

2C25º

22

2OH

C25ºOH

2

2

v

v

PCI a partir de PCSAnhidro


húmedo carbón kg

kcal 3.5401

O(l) Hkg

kcal 551.46

húmedo carbón kg

O Hde kg0.15

- húmedo carbón kg

seco carbón kg0.85

seco carbón kg

kcal 6451.8 PCI

O(l) Hkg

kcal 551.46

kg

kJ 2305.1

húmedo carbón kg

O Hkg0.15 m

.m - PCS PCI

2

2

2C25º

2OH

C25ºOH

2

2

v

v

PCI a partir de PCIAnhidro

Poder caloríficoPoder caloríficoSupongamos:Material A: 80% C(en peso); 20% HMaterial B: 90% C(en peso); 10% HEl material A tiene mayor poder calorífico pues el H tiene mayorpoder calorífico.Así, el gas natural tiene mayor poder calorífico que el carbón. Esto sedebe a que el gas natural tiene mayor cantidad de HPero ojo, en peso, las cosas cambian

C H

Hgkcal

9.282

57.7979 :H

C gkcal

84.712

94.052 :C

Hmolkcal

7979.57H , (g) HO O21

H

C molkcal

052.94H , (g)CO O C

2

2)(fHO222

)(fCO22

2

2

g

g

Fusibilidad de las cenizasFusibilidad de las cenizas Puede causarnos problemas operacionalesPuede causarnos problemas operacionales

Las cenizas tienen un punto de fusión

Si llegamos a la temperatura de fusión de las cenizasse transforman en líquido. Al enfriarse, se forman “tochos” que nos pueden obligar a parar.

En laboratorio se calculan Temperaturas de FusiónEl experimento se hace en atmósfera oxidante (aire)Estan en torno a 1300 ºC (condiciones oxidantes)

Si nosotros en el proceso tenemos atmósfera reductora (gas natural)La temperatura de fusión baja. Para atmósferas no oxidantes hemos de hacer la determinación en ese tipo de atmósferas.Si trabajamos a 2000 ºC, podemos hacerlo, tendremos cenizas fundidas.

El problema esta en la fusión y posterior solidificación de las cenizas

Reactividad del carbónReactividad del carbón Medida de la velocidad de reacciónMedida de la velocidad de reacción

Hemos de tener en cuenta el tipo de carbón.Las propiedades pueden ser muy diferentes

Carbón

Volátiles

Sólidos carbonosos (Char), lo que va a reaccionar

Antracita

Hulla

Lignito

-

+

Mayor reactividad

¡Recordar que es elHidrógeno el que esMuy reactivo!

Antracita tiene muy pocos volátilesLignito tiene muchos volátiles, luego los sólidos carbonosos serán muyporosos (influye positivamente en la reactividad)

ProcesosProcesos

Gasificación (gas)Gasificación (gas) Combustión (energía)Combustión (energía) Licuefacción (líquido)Licuefacción (líquido) Pirogenación, coquización (sólido)Pirogenación, coquización (sólido)

Reacciones Sólido-Gas No catalíticas

Esto que vamos a ver para el carbón es aplicable a cualquier combustible sólido

Proceso con el carbónProceso con el carbón

GasificaciónGasificación CombustiónCombustión

Ambos se llevan a cabo a alta temperatura

El carbón se descompone por efecto de la temperatura

CarbónT

descomposición

• Volátiles

• Sólido carbonoso (Char)

Gases (CO, CO2, CH4, …)

Líquidos (alquitranes) “Tars”

(Carbono fijo y cenizas)

Esta distribución, para un mismo carbón no es siempre la misma,Depende de las condiciones.

F( dp, T, )T

t

El primer paso es el mismo para ambos

Proceso con el carbónProceso con el carbón

La segunda parte del proceso difiere La segunda parte del proceso difiere según sea Gasificación o Combustiónsegún sea Gasificación o Combustión

SólidoCarbonoso

+ Gas

O2 CombustiónH2O(v) Gasificación

“Reacciones Sólido-Gas No catalíticas”“Reactores Sólido-Gas”

Reacciones Sólido-GasReacciones Sólido-Gas Reactores S-G (gas, siempre continuo)Reactores S-G (gas, siempre continuo)a)a) Discontinuos para el sólidoDiscontinuos para el sólido

Lecho FijoLecho Fijo Lecho fluidizadoLecho fluidizado

b)b) Continuos para el sólidoContinuos para el sólido Lecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grandeLecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grande Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. dp intermedioLecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. dp intermedio Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp

pequeñopequeño Hornos rotatoriosHornos rotatorios

Los a) no suelen utilizarse, pues no son útiles

* En algunos libros al lecho móvil lo llaman lecho fijo

Diseño de reactoresDiseño de reactores

Hemos de tener en cuentaHemos de tener en cuenta

• A) Velocidad de reacción para partículasA) Velocidad de reacción para partículas

• B) Distribución de tamañosB) Distribución de tamaños

• C) Tipos de flujo en el reactorC) Tipos de flujo en el reactor

Gasificación del CarbónGasificación del CarbónIntenta transformar el carbón en gases valiosos.

Fundamentalmente son mezclas de CO, H2, CH4, …

Independientemente del proceso:

Carbón

Volátiles (gases)

Sólido carbonoso (principalmente C)

“PIROLÍSIS”

Gasificación del CarbónGasificación del Carbón¿Qué productos podemos buscar en una gasificación?

1. Se puede obtener un gas combustible de bajo, de medio y de alto poder calorífico.

2. Se pueden obtener materias primas como es el gas de síntesis y CH4.

3. Electricidad.

Se pueden obtener distintos productos con distintos gases reactantes

Gasificación del CarbónGasificación del Carbón

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) HRC25 31 38º .

kcal

gmol º C

“Gasificación”

Reacción endotérmica, hemos de aportar calor y la formade hacerlo es meter O2 (como aire o como O2).El O2 quema parte del C y la energía desprendida es la utilizada para la gasificación.

C(s) + O2(g) CO2(g) HRC25 94 05º .

kcal

gmol º C

Interesa meter poco O2(g)El CO2 no va a ser un producto valioso

Gasificación del CarbónGasificación del CarbónReacciones Secundarias

C(s) + CO2(g) 2CO(g) HRC25 41 22º .

kcal

gmol º C

C(s) + 2H2(g) CH4(g) HRC25 17 9º .

kcal

gmol º C

CO + H2O(g) CO2(g) + H2(g) HRC25 9 8º .

kcal

gmol º C

“Shift”Intercambio

Muy favorecida con la presión

Gasificación del CarbónGasificación del Carbón

1.- Agente reactante: aire + vapor de H2O

el producto obtenido sería con mucho N2 y el gas obtenido será de bajo poder calorífico o bajo contenido energético. CO, H2, CH4, N2

Hay distintos tipos de gasificación

1500 kcal

m3N

2.- Agente reactante: O2 + vapor de H2O

Se obtiene gas de síntesis y un gas combustible de medio contenido energético. Inconvenientes: necesitamos una planta de O2

Poder calorífico: 2500 - 3000 kcal

m3N

3.- Agente reactante: H2 + vapor de H2O

Va hacia CH4 y un combustible de alto contenido energético

C(s) + 2H2(g) CH4(g)

Se conoce como “SNG” sustituto del gas naturalEconómicamente no salen las cuentas

Gasificación del CarbónGasificación del CarbónLos dos primeros son procesos similares utilizados industrialmente

¿Cómo llevar a cabo la gasificación y que tipo de reactor utilizaríamos?

Es una reacción S-G no catalítica, en la cual el sólido se va consumiendo y necesitaré un proceso continuo

• Lecho móvil. U < Umf. dp grandeLecho móvil. U < Umf. dp grande• Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. Dp intermedioLecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. Dp intermedio• Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp

pequeñopequeño• Hornos rotatoriosHornos rotatorios

• Lecho móvil. (proceso Lurgi) a presiónLecho móvil. (proceso Lurgi) a presión• Lecho fluidizado.(proceso Winkler)Lecho fluidizado.(proceso Winkler)• Lecho de arrastre o de transporte.(Koppers-Lecho de arrastre o de transporte.(Koppers-

Totzek)Totzek)

De estos cuatro hay tres que se utilizan

Lecho móvilLecho móvilTambién conocido como Lecho Fijo, continuo para el sólido

En un mismo equipo debido al perfil de temperaturas y a los distintosproductos que se forman, tenemos cuatro procesos diferentes

U < Umf•Secado •Pirólisis-Descomposición•Gasificación•Combustión

Problemas:

• Con las cenizas. Tenemos una zona de alta temperatura donde puedenfundir las cenizas y luego, pasada esta zona volver a solidificarse¿Es importante conocer la Temperatura de Fusión de las cenizas!

• En este tipo de gasificador se forman gran número de productos secundarios (Alquitranes: hidrocarburos oxigenados que condensan entre 200 y 300 ºC). Son parte de los volátiles.

Lecho móvilLecho móvil

Que se formen más o menos alquitranes depende de: dp, T, T

t

dpTendencia a formar alquitranesEn el sólido tenemos un perfil de temperaturas

T Contenido de alquitranes

T

tContenido de alquitranes

En el gasificador de lecho móvil, dp grandes (hacemos que los sólidos bajen lentamente, aumentando el tiempo de residencia), La Temperatura no es excesivamente alta (pirólisis a 400 ºC), y

es lenta y progresivaT

t

Grande

Distribuidor de sólido

Parrilla giratoriapara sacarlas cenizas

Sólido

400 ºC

Lecho FluidizadoLecho Fluidizado

(U > Umf) (aumentar la velocidad ó disminuir el tamaño de partícula)

Para el tiempo de residencia hemos de tener en cuenta:

• W: Peso de sólido, Aumentando FSólido

•Puede que parte del carbón sea arrastrado por los gases(elutriación) luego el tiempo de residencia puede ser menor.

tW

FSólido

TDH, altura suficiente para que el sólido vuelva aCaer al lecho“Arrastre” (debida al empuje de las burbujas)(U < Utransporte)

Para partículas muy pequeñas (U > UT), la partículase va con el gas. “Elutriación”.

Lecho de ArrastreLecho de Arrastre(U >> UTerminal) (aumentar la velocidad ó disminuir la UT)

Tiempos de residencia del sólido muy pequeños, es de segundos

tL

u u: velocidad de gas (5 m/s)

Si el tiempo de residencia es tan pequeño, para que el sólido reaccione¿qué variables hemos de modificar?

•Aumentar la Temperatura, para que la cinética aumente

•Disminuir el tamaño de partícula (dp < 100 m)

Rendimientos de GasificadoresRendimientos de GasificadoresFundamentalmente hay tres definiciones

1. Rendimiento en materia2. Rendimientos basados en la energía3. Rdto que considera todo la entrada y la salida

Cantidad de C en el Gas

Cantidad de C en el Carbón

Calor Químico en el Gas

Calor Químico en el Carbón

m N gas x PCI gas a 25 º C

kg carbón x PCI carbón a 25 º C

3

Energía de Salida Disponible

Energía de Entrada

m N x PCI + m c (T - 25)

kg carbón x PCI + H

3g P

Vapor de agua

1.-

2.-

3.-

Rendimientos de GasificadoresRendimientos de GasificadoresEn la actualidad el aprovechamiento de los gases está en laObtención de Electricidad

Esta basado en los Ciclos Combinados

Cogeneración: Se produce vapor que necesitamos y además seproduce electricidad que aprovecharemos o venderemos

Ciclo Combinado

Se produce electricidad utilizando

• Turbina de Gas (Expansión de gas)

• Turbina de vapor (Combustión del gas)

Gasificación/Combustión Diferencias desde el punto de vista medioambiental

Carbón

Combustión

Gasificación

SO2, NOx (problemas)

SH2, NH3 SO2, NOx

Combustión

Fig. 2

Ciclo Combinado a Presión

CombustiónCombustión

Carbón + O2(g) CO2(g) + H2O

En general nos olvidamos del O2 que lleva el carbón y,si luego es reactivo, mejor

Tomamos como base 1 kg de carbón

C: C + O2 CO2

H: H2 + 1/2O2 H2OS: S + O2 SO2

Calcularemos el O2 estequiométrico necesarioPodemos encontrarnos con:

•Estequiometría local ()•Exceso de aire•Relación de equivalencia ()


étrico EstequiomAireAire

100étrico EstequiomAire

étrico EstequiomAire - Airex

Aireétrico EstequiomAire1

Estequiometría local ()

= 1.2; Exceso = 20%

Exceso de aire

Relación de equivalencia (); = 0.83 → = 1.2 →Exceso = 20%

Fuel Lean (Exceso de aire) : >1, 1<<0Fuel Rich (defecto de aire) :0<< 1, >1


AireFuel

AireFuel

AireFuel

.Estequi

1

AireFuel

AireFuel

1 .

Estequi

= 0.5 Condiciones Estequiométricas

Fuel Lean (Exceso de aire) : 0 < < 0.5

Fuel Rich (defecto de aire) :0.5 < < 1

Se define también un parámetro ()

CombustiónCombustión• Descomposición Térmica del Carbón

VolátilesCarbón

Sólido Carbonoso

• Combustión de Volátiles (Rápida) podemos suponer que se quema completamente• Combustión del Sólido (Reacción S-G No Catalítica) Es una reacción lenta. Nos va a controlar la situación

Factores a analizar:

• Eficacia de la combustión (conversión y energía disponible)• Aprovechamiento de la Energía• Factores Medioambientales

CombustiónCombustiónLa eficacia de la Combustión depende:

• Tipo de Carbón- análisis elemental- análisis inmediato- Poder calorífico- Reactividad- Tamaño de partícula

• Cantidad de Aire- el exceso de aire influye en la temperatura

• Temperatura- que se consigue con el aire

• Distribución de tiempos de Residencia- Tiempo medio- Flujo- Idéntico a la gasificación

• Presión- Al aumentar la presión aumenta la cinética- Permite la utilización de ciclo combinado

CombustiónCombustiónAprovechamiento de la Energía

Una vez que hemos quemado bien el carbón:Gas Caliente

• Energía TérmicaVapor de Agua

• Energía Eléctrica

Energía Térmica• Rendimientos cercanos a la unidad• Rendimientos de combustión (Total) con respecto al producto final

aIntroducidEnergía (Producto)Obtenida Energía

Energía Eléctrica• Los Rendimientos bajan mucho

33.0carbónkW

adelectricidkW


Factores Medioambientales

Problemas: SO2, NOx, CO2, Partículas

Partículas: Utilizar separadores

CO2: Es el producto de la reacción

SO2: Si el carbón tiene S se nos forma SO2 seguro

NOx: Dos procedencias:

- N del carbón → NOx del combustible

- N2 + O2 aire → NOx térmico (> 1300 ºC)

El gas natural no lleva N pero se forma bastante NOx térmico

CombustiónCombustiónSO2

Legislación: emisión (mg SO2/m3N) y para cada País ( Ton SO2/año)

Para un carbón con Azufre tenemos soluciones:• Antes• Después• Durante

Antes: Eliminar S antes de la combustión. Lavaderos de Carbón.La eficacia del lavado depende de cómo este el S

• Orgánico: Dentro de las moléculas del carbón. Se puede eliminarpor Hidrogenación pero se trata de un proceso CARO que no

se suele hacer. No hay forma de eliminarlos en un lavadero• Inorgánico: Mineral. No forma parte de la estructura del carbón.

Este es el que se elimina en los lavaderos. (parte importante)

Después: Tenemos SO2 que hemos de eliminar antes de mandarlo por la chimenea. FGD “Flue Gas Desulfuration”. Procesos muy eficaces pero muy caros.

CombustiónCombustiónSO2

Durante: Hemos de actuar en la propia cámara de combustión

Durante el proceso se añade caliza (CaCO3), que se va a descomponera alta Tª para dar CaO + CO2, luego

CaO + SO2 +1/2O2 → CaSO4 (yeso)

Lo que intentamos es que el SO2 formado se transforme en CaSO4.Otro tipo de reacción sólido-gas no catalítica.Lo que reacciona con el SO2 es el CaO, no el CaCO3.Este proceso se analiza en base a:

• Tipo de caliza• Temperatura• Granolumetría• Tiempo de residencia• Presión

CombustiónCombustiónTipo de caliza

Descomponemos CaCO3 y medimos la superficie específica del CaO

CaO de muy alta superficie específica no funciona tan bien como otras de menor

CaCO3 → CaO + CO2 Endotérmica

Alta superficie específica implica muchos porosComo el Volumen molar del CaSO4 es > Vmolar del CaOEste CaSO4 tapona el poro del CaO y lo inutiliza

CaO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 Exotérmica

Temperatura

Al aumentar la temperatura del sólido (CaO) se sinteriza, se taponanlos poros del sólido.

Este máximo corresponde siempre a la misma temperatura (850 ºC) independientemente de la caliza utilizada.

CombustiónCombustiónPresiónAhora tiene mayor importancia.Trabajando a una 10 atm las calizas van peor

CaCO3 → CaO + CO2 (g)Al aumentar la presión se desplaza a la izquierdaPara trabajar a presión tenemos dos posibilidadesA presión: CaCO3 + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 + CO2

a) Esta reacción es mucho menos importante debido a quela porosidad del CaCO3 es menor que la del CaOPodemos utilizar CaCO3 pero con un diámetro de partícula muypequeño para disponer de mayor superficie específica (dp 50 – 60A )b) Hemos de buscar otro material que funcione a alta presión:Dolomita (CaCO3 MgCO3)Si estudiamos termodinámicamente MgCO3→ MgO + CO2

A 850 ºC y alta P el equilibrio esta muy desplazado a la derechaA alta Presión: CaCO3.MgCO3 → CaCO3MgO + CO2

CaCO3MgO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4MgO + CO2

Obtenemos así un CaCO3 más poroso que reacciona con el SO2

A Presión atmósferica la dolomita funciona malCaCO3.MgCO3 → CaO.MgO + 2CO2

La descomposición es tan violenta que rompe las partículas y son elutriadas


Para retener el SO2 dentro del combustor a 850 ºC

• A Presión atmosférica: CaCO3 CALIZA

• A alta presión: DOLOMITA

CombustiónCombustiónNOx

Legislación: Normalmente se engloban NO y NO2

Dentro del combustor tenemos NO, pero conforme los gases seenfrían se forma NO2

La legislación viene en mgNO2/m3N, no es lo mismo tener NO que NO2

Si medimos, el equipo nos da: 500 ppmv NOx ¿Cuántos mgNO2/m3N son?

En la atmósfera todo el NO se va a transformar en NO2 que el que da problemas medioambientales.Deforma aproximada: mgNO2/m3N ~ 2*ppmv NOx

CombustoresCombustoresSon reactores sólido-gas luego tenemos las mismas posibilidadesde siempreNos interesa los sistemas continuos (para el sólido)En España la mayoría de los combustores son calderasCaldera convencional (carbón pulverizado)Clásica, entra el carbón con pequeño tamaño de partícula 70 AºEl aire arrastra la partículas•Desde el punto de vista de la combustión (eficacia) funciona bien.(Antracitas precisa mayor tiempo de residencia)• Según el aprovechamiento de la energía, no es la mejor pues latransmisión de calor G-S no es muy buena

↓UA. TSe suelen utilizar turbinas de vapor (rendimiento suele ser del 33 %)El rendimiento de la turbina depende de la temperatura del vaporEn condiciones supercríticas (33% → 38%)

CombustoresCombustoresEn la caldera

Si se nos forma SO2, es muy dificil eliminarlo dentro de la calderapues tenemos unos perfiles de temperatura tremendos(1400 – 400 ºC), luego es muy dificil que la caliza sea activa (850 º)Tenemos una zona en la cual tenemos 850 ºC pero si inyectamosaquí caliza el tiempo de residencia es muy pequeño (parte superior)y no funciona bien.Lo mismo sucede con el NOx

Estos problemas dieron lugar a:-Lechos fluidizadosPodemos trabajar a 850 ºC luego la reducción de SO2 es importanteEl NOx a esta temperatura no se forma (el térmico), del otro se forma menos*La eficacia de combustión es menor pues la temperatura es mas baja(hemos de trabajar a 850 ºC)* Aprovechamiento de energía UAT (U, ↓ T)

CombustoresCombustoresDe lecho fluidizado existen:• Burbujeante atmosférico• Circulante (el más utilizado)• A presión

Burbujeante (Fig. 7)Ventajas: Los tubos para formar vapor están dentro del lecho U y Aluego tenemos un mayor aprovechamiento de la energíaProblemas de erosiónEn estos combustores fijamos:• Temperatura = 850 ºC• dp carbón = 8 – 20 mm

Al fijar dp carbón, fijamos el dp caliza (para evitar la segregación)Como dentro del lecho el dp carbón disminuye

• dp caliza = 4 mmLa cantidad de átomos de Ca idealmente sería igual al número de átomosde S. Realmente, esto es insuficiente pues existen centros activos del CaOno aprovechados con lo cual Ca/S = 3• Velocidad del gas (u) = 1-2 m/s

Diseño de lecho fluidizado Diseño de lecho fluidizado burbujeanteburbujeante

Lo primero que nos tenemos que plantear es la potencia necesaria1.- Concretar la potencia

* Térmica (MWT)* Eléctrica (MWE)

Los rendimientos son distintos:

45.033.0MW

MW Eléctricoendimiento

95.090.0MW

MW Térmico endimiento

ecombustibl

E

ecombustibl

T

R

R

2.- Determinar el caudal másico de Carbón ( )carbónm

PCImMW carbónecombustibl *


3.- Determinar Caudal de aire Alimentado (kmol/h)Necesitamos:

* Exceso de aire (15-20%)* Análisis elemental (para aire estequiométrico)

4.- Determinar la sección del combustorCondiciones de operación: P = 1 atm y T = 850 ºC → Caudal (m3/s)Con lo cual calculamos la Sección conocida la velocidad del gas (u)

5.- Determinar la cantidad de calizaCalculamos el S del carbón → SO2

Como Ca/S = 3 → Ca → Caliza

Si nosotros tenemos un lecho fluidizado ya diseñado y nos pidenla potencia de este lecho:


1.- Conocemos : * Sección (m2)* Velocidad (u, m/s)

Caudal de aire (m3/s)

2.- Con:* % exceso de aire* Análisis elemental

Cantidad de carbón

3.- Con:* Rendimiento* PCI

Potencia

CombustoresCombustores¿Cómo podemos aumentar la potencia de un lecho fluidizado?Para una sección dada: por ejemplo 1 m2 → 20 MWT

• Lógicamente, hemos de aumentar la cantidad de carbón, lo que implica aumentar el caudal de aire (kmol aire/h), pero un aumento del caudal de aire → un aumento de la velocidad (u)Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE

• Otra posibilidad es aumentar la presión (P.Q = n R T). Podemos tener el mismo caudal (misma velocidad) a la misma temperatura, pero aumentando la presión.Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO A PRESIÓN

Ambos nos permiten aumentar la cantidad de carbón tratado

CombustoresCombustoresCIRCULANTE (Fig. 5) El más utilizado

u = 8 – 10 m/s .Podemos procesar 10 veces más de carbón.Tª = 850 ºCPodemos utilizar un tamaño de partícula de carbón pequeño puesno importa la elutriacióndp < 2 mm.Como el dp del cabón es bajo también el dp de la caliza será bajodp de caliza = 200 – 300 ALuego Ca/S = 1.7Limitante: “Aprovechamiento de la energía del carbón”Los tubos se encuentran en la pared para evitar la corrosión

CombustoresCombustoresA PRESIÓN (fig. 1)Ventajas:-Permite aprovechar mayor cantidad de carbón/m2

-Podemos ir hacia un ciclo combinado.-Podemos utilizar también una turbina de gasFig. 1.- Ptrabajo = 10 – 20 atm; Tª = 850 ºC; u = 1-2 m/sLos tubos están en el interior del lechoSe utiliza una vasija a presión para “separar” los efectos de alta temperatura y alta diferencia de presiónUna turbina de gas tiene mayor rendimiento cuanto mayor es latemperatura de entrada del gasInicialmente los gases de salida de la caldera no iban directamentea la turbina (separación de partículas) con lo cual disminuye latemperatura de entrada y baja el rendimientoActualmente los gases a alta temperatura van directamente a laturbina de gas. (ciclones adiabáticos aislados).¿cómo podemos alimentar sólidos en un lecho a presión?

CombustoresCombustoresLock Hoppers: Dispositivo para alimentar sólidos a presión

1º) venteamos para asegurar que la cámara esta a P atmosférica2º) Introducimos el carbón y cerramos 1 y 3, abrimos 2 y presurizamos3º) Introducimos en el lecho a presión abriendo 4.

Aire VenteoCarbón

1

2 3

4 Alta presión

CombustoresCombustoresLos rendimientos (eléctricos) que se suelen tener en estos procesos

1) Combustión a presión atmósferica (Ciclo de vapor)El rendimiento depende de la temperatura de vapor a la entrada de la turbinaNormalmente Rdto = 33 %Para aumentarlo: turbinas en condiciones supercríticas: Rdto = 38 %Incremento importante

2) Combustión a presión (ciclo combinado)Se aumenta el rendimiento considerablemente: Rdto = 42 %Para obtener mayores rendimientos, la clave esta en la “turbina de gas”.La temperatura de entrada ha de ser lo mayor posibleLos mejores resultados se encuentran para gas natural (Rdto = 50 %).

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EL CARBON COMO MATERIA PRIMA. Clasificación de los Combustibles