Utilización de la piedra caliza en la industria energética

5/10/2018 Utilizaci n de la piedra caliza en la industria energ tica - slidepdf.com

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UUttiilliizzaacciióónn ddee llaa ppiieeddrraa ccaalliizzaa eenn llaa iinndduussttrriiaa eenneerrggééttiiccaa

Carlos Baldasquín Cáceres

Óscar Carrillo Mateo

Alberto de Ramón Fernández

5º Ingeniero Industrial

Curso 2010/11



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Í Í NNDDIICCEE

LLaa ppiieeddrraa ccaalliizzaa………………………………………………………………………………………………

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LLaa ppiieeddrraa ccaalliizzaa

La caliza es una roca sedimentaria (formada por depósito de los productos de alteraciónquímica y física de rocas preexistentes, primitivas, como el feldespato cálcico) y porosa,formadas por carbonatos, principalmente carbonato de calcio (CaCO3).

Siendo el resultado de la transformación del Ca(HCO3) por ebullición:

Ca(HCO3)2 → CaCO3+ CO2 + H2O

dando lugar las calizas de origen químico, como son el alabastro calizo, el travertino(piedra de Tívoli), las calizas compactas (piedra litográfica, estalactitas). Hay tambiéncalizas de origen orgánico, que son las más frecuentes, formadas por acumulacionesconcrecionadas de restos (caparazones) de seres marinos.A este grupo pertenecen los mármoles, cuya estructura primitiva ha cambiado pormetamorfismo, las calizas arcillosas y silíceas, que contienen arcilla o sílice

uniformemente distribuida, y las calizas dolomíticas, caracterizadas por su mayor omenor contenido en carbonato magnésico.

La "piedra caliza” corriente contiene un 97% de carbonatos cálcico y magnésico; de 30-56% de CaO, 0,2-21% de MgO y hasta un 3% de óxidos de arcilla.

El del CaCO3 se funda pues, en:a) Descomposición por el calor: CaCO

3CO

2+ CaO – 42,5 kcal.

b) Descomposición por ácidos: CaCO3

+ HR CaR2

+ CO2

+ H2O

Cuando tiene alta proporción de carbonatos de magnesio se le conoce como dolomita.También puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc., que modifican el color y el grado de coherencia de la roca.

El carácter prácticamente monomineral de las calizas permite reconocerlas fácilmentegracias a dos características físicas y químicas fundamentales de la calcita: es menosdura que el cobre y reacciona con efervescencia en presencia de ácidos tales como elácido clorhídrico.

La roca caliza tiene una gran resistencia a la meteorización, eso ha permitido quemuchas esculturas y edificios de la antigüedad tallados en dichas rocas hayan llegadohasta nosotros. Sin embargo, la acción del agua de lluvia y ríos provoca la disolución dela caliza, creando un tipo de erosión característica denominada kárstica.

http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla

http://es.wikipedia.org/wiki/Hematita

http://es.wikipedia.org/wiki/Siderita

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Siderita

http://es.wikipedia.org/wiki/Hematita

http://es.wikipedia.org/wiki/Arcilla



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La industria química utiliza la caliza para movilizar de ella gran parte de los compuestosde calcio que necesita y para obtener la base relativamente fuerte que es el Ca(OH)2 endisolución.Por su parte, la industria de la construcción obtiene del carbonato cálcico la calconglomerante, aérea o hidráulica, y de las mezclas caliza-arcilla los cementos portland.

La roca caliza es un componente importante del cemento gris usado en lasconstrucciones modernas y también puede ser usada como componente principal, juntocon áridos, para fabricar el antiguo mortero de cal, pasta grasa para creación de estucoso lechadas para "enjalbegar" (pintar) superficies, así como otros muchos usos porejemplo en industria farmacéutica o peletera. Se encuentra dentro de la clasificación derecursos naturales (RN) entre los recursos no renovables (minerales) y dentro de estaclasificación, en los no metálicos, como el salitre, el aljez y el azufre.

Un resumen de las diferentes aplicaciones es el siguiente:-La fabricación de cal viva (óxido de calcio) y cal apagada (hidróxido de calcio).

-Se utiliza la piedra caliza pulverizada como acondicionador del suelo para neutralizarel suelo ácido.-Machacado para el uso como agregado formando la base sólida de muchos caminos.-Las formaciones geológicas de piedra caliza han formado los mejores depósitos depetróleo. -Como a reactivo en desulfurizaciones. -Fabricación del vidrio, en algunas circunstancias.-Crema dental.-Supresión de las explosiones del metano en minas de carbón subterráneas.-Agregado al pan como fuente del calcio.

La distribución de roca caliza en España es la siguiente:

http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento

http://es.wikipedia.org/wiki/Mortero_de_cal

http://es.wikipedia.org/wiki/Estuco

http://es.wikipedia.org/wiki/Salitre

http://es.wikipedia.org/wiki/Aljez

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Calcium_hydroxide

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Construction_aggregate

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Petroleum

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Reagent

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Flue_gas_desulfurization

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Flue_gas_desulfurization

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Reagent

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Petroleum

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Construction_aggregate

http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Calcium_hydroxide

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre

http://es.wikipedia.org/wiki/Aljez

http://es.wikipedia.org/wiki/Salitre

http://es.wikipedia.org/wiki/Estuco

http://es.wikipedia.org/wiki/Mortero_de_cal

http://es.wikipedia.org/wiki/Cemento



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UUttiilliizzaacciióónn ddee llaa ppiieeddrraa ccaalliizzaa eenn llaa ccoommbbuussttiióónn ddee

ccaarrbboonneess ccoonn aallttoo ccoonntteenniiddoo eenn aazzuuf f rree

Dentro de las actuaciones para conseguir la mayor eliminación posible de

contaminantes se torna muy importante las encaminadas a las emisiones en las plantasde combustión, y concretamente es primordial reducir los producidos por el azufre en lageneración de energía a partir del carbón.

Una gran parte del S emitido a la atmósfera se origina en forma de sulfuro de hidrógeno,procedente de la descomposición de la materia orgánica, estas emisiones se oxidanlentamente para formar SO2.

La combustión de combustibles fósiles que producen grandes cantidades de SO2 enporciones relativamente pequeñas de la atmósfera, crea problemas en el ecosistema quese encuentre en el recorrido de tales emisiones.Las emisiones mundiales anuales de SO2 se estiman en 200 millones de toneladas, casila mitad procedente de fuentes industriales, como la combustión de combustibles fósilesy el refino metalúrgico de minerales.

Cuando el SO2 gaseoso se combina con agua líquida, se forma una solución acuosadiluida de ácido sulfúrico SO4H2, que es el componente principal de la lluvia ácida,

junto con el ácido nítrico NO3H.

Las reacciones del SO2 se pueden poner en la forma:

El SO2 se puede también oxidar en la atmósfera para formar trióxido de azufre SO3

gaseoso. Este gas tiene una elevada afinidad por el vapor de agua, en la forma:



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Para reducir en gran cantidad las emisiones de SO2, y evitar, en la medida de lo posible,estos problemas ambientales, se puede actuar en tres puntos distintos del ciclo de la

utilización energética del carbón para reducir las emisiones:

- La eliminación de azufre o desulfuración del combustible supone la eliminación delmáximo contenido de azufre combustible del carbón antes de su combustión. Esteazufre puede encontrarse en forma orgánica o inorgánica, y solamente este último seelimina mediante el lavado del carbón. El carbón se tritura, separándolo posteriormentedel azufre por distintos métodos. La instalación de una planta de lavado en las centralesque queman lignitos, es una medida necesaria para reducir las emisiones de SO2, peronunca suficiente.

- La desulfuración durante la combustión se lleva a cabo mediante "lechos fluidizados"en los que se introducen adsorbentes (caliza o dolomía), consiguiendo la eliminación deuna parte del SO2, que queda en una capa de CaSO4. Los inconvenientes que presentaeste sistema se deben a que no puede aplicarse a plantas ya instaladas, sino en lasnuevas, y no de gran potencia, y que la desulfuración no es tan efectiva como cuando serealiza sobre los gases emitidos.

- En el caso de la de SO2 a partir de los gases emitidos, se aplican los procesos dedesulfuración de gases (FGD), que son los más eficaces en la reducción de estasemisiones. Así se consiguen disminuciones del 85-95 %, con la ventaja además de

poder aplicarse a grandes térmicas que ya están en funcionamiento. Las técnicas FGDson las más extendidas en centroeuropa y las más apropiadas para aplicar en las grandescentrales de nuestro país.

Desulfuración del carbón

Hay diversas formas de “lavar” el carbón antes de la combustión, los métodos utilizadospueden ser físicos o químicos.Entre los físicos se encuentran la separación gravimétrica, la separación electrostática yla flotación, y entre los métodos químicos está la oxidación por compuestos químicos, la

oxidación por calentamiento y el desplazamiento químico del metaloide.

También es posible la Biodesulfuración del carbón mediante la acción de unosmicroorganismos existentes de forma natural en los carbones, sobre todo hullas yantracitas, que son capaces de disolver el azufre inorgánico. Consiste en rociar el carbóncon una disolución con los microorganismos que separan el azufre inorgánico delcarbón y lo transforman en sulfatos de hierro, un compuesto soluble en agua.Aún es un método experimental pero los resultados obtenidos muestran una reduccióndel azufre inorgánico en un 50% en un mes de tratamiento. El sistema es más barato queotros aplicados actualmente en centrales térmicas.

El único método que conozcamos en el que interviene la caliza es en la gasificación delcarbón.



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Gasificación del carbón

La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón desde su estadosólido, en un combustible gaseoso (compuesto fundamentalmente por CO y 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 delcarbón original, mediante técnicas bien desarrolladas.El resultado es una fuente energética gaseosa, limpia y transportable.

Durante el proceso de gasificación hay dos etapas principales de reacción:-La de desprendimiento de volátiles-La de gasificación del subcoque (char)

La primera (pirólisis) es una etapa de transición, en la que se liberan los compuestosvolátiles de los compuestos orgánicos por debajo de 600ºC. El carbón se convierte ensubcoque de carbono fijo (char), conforme se eleva la temperatura los débiles enlaces

químicos se rompen y se forman breas, aceites, fenoles y también gaseshidrocarburados.

La segunda es una etapa en la que el subcoque (char) que queda tras ladesvolatilización, se gasifica por medio de una reacción con O2, H2O, CO2 e H2.

Los gases reaccionan entre sí para producir la mezcla final; el tipo de proceso degasificación tiene una notable repercusión sobre los productos de la desvolatilización:

Los procesos de gasificación del carbón se pueden clasificar según cuatro tipos dereactores:- Lecho agitado (fijo) o de contracorriente- Lecho fluidificado o de mezcla en contracorriente- Flujo arrastrado o suspendido (equicorriente)- Flujo Transport



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- En los gasificadores de lecho fijo y de lecho agitado, estos productos salen delgasificador con el gas producto objeto del proceso, debido a las bajas temperaturas y ala falta de O2 - En procesos de lecho fluidificado y de flujo arrastrado, las elevadas y uniformestemperaturas provocan el fraccionamiento térmico (craking) de los hidrocarburos,

fragmentando las moléculas más complejas en otras más simples- También hay O2 disponible para reaccionar con los productos de la desvolatilización,produciendo H2, CO y CO2, reacciones que, en un proceso de flujo arrastrado, son máscompletas.

El objetivo básico de la gasificación es convertir el carbón en gas combustible quecontenga el máximo poder calorífico. Si el gas producto se utiliza para la síntesisquímica, en lugar de usarse para la combustión, su composición tiene que ajustarse a laestequiometría del producto sintetizado.

Lecho fluidificado. Los gasificadores de lecho fluidificado utilizan un absorbente basto,

como la caliza o dolomía, para capturar parte del S. El diseño es similar al de loscombustores de las calderas de lecho fluido, siendo la alimentación del carbón atamaños menores de 6 mm.Es un reactor que mezcla en contracorriente las partículas del carbón alimentado, conlas partículas que se encuentran en gasificación.Aunque el gasificador tiene un lecho discreto, las partículas de carbón troceado semantienen en constante movimiento, por medio del flujo ascendente de gases.El lecho fluidificado se mantiene por debajo de la temperatura de fusión de la ceniza,para evitar aglutinaciones y solidificaciones, que podrían conducir a la pérdida de lafluidificación.Las partículas de subcoque (char) arrastradas por el gas bruto caliente, se recuperan yreciclan hacia el gasificador.

Los gasificadores de lecho fluidificado y ceniza seca operan más eficientemente concarbones de baja calidad.

Flujo arrastrado. Las unidades de flujo arrastrado se alimentan con óxido de hierro ocon dolomía para capturar el S de la escoria.



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También es llamado gasificador de lecho suspendido, es un reactor en equicorriente queconsiste en un sistema de dos fases de sólidos finamente divididos dispersos en un gas;las partículas de carbón pulverizado reaccionan con el vapor oxidante, en un tiempo deresidencia muy corto.

La combustión y el funcionamiento de un gasificador de flujo arrastrado conalimentación de carbón pulverizado, son similares a las de una caldera de carbónpulverizado. La temperatura de la zona de combustión es de 1870ºC, y el gas que salede la unidad tiene una temperatura de 982ºC, aproximadamente.

En la parte inferior de la unidad, que es la zona de gasificación, los tubos estánrecubiertos con refractario, a fin de soportar las altas temperaturas necesarias paramantener fluida la escoria.

Lecho agitado. En el gasificador de lecho agitado, o gasificador de lecho fijo, una

columna o lecho de carbón triturado se soporta por medio de una parrillacomprendiendo el proceso una serie de reacciones en contracorriente, como:- En la parte superior del gasificador, el carbón se calienta y seca, a la vez que serefrigera el gas producto- A medida que el carbón desciende, se calienta más y se desprende de los volátiles en lazona de carbonización- Por debajo de la zona de carbonización el carbón desvolatilizado se gasifica mediantesu reacción con vapor y con CO2. La reacción entre el subcoque (char) y el vapor, juntocon la presencia de vapor en exceso, mantiene la temperatura en la zona de combustiónpor debajo de la temperatura de fusión de la ceniza. La reacción entre el subcoque (char)y el vapor, mantiene la temperatura en la zona de combustión por debajo de latemperatura de fusión de la ceniza.

Desulfuración de gases

Globalmente, en plantas termoeléctricas los depuradores totalizan 1/3 de la reducción

del SO2.



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Los procesos comercializados incluyen:-procesos húmedos.-procesos semisecos (pulverización de lodos con secado).-procesos totalmente secos.

Los depuradores tienen las siguientes ventajas:- La planta energética puede continuar empleando su fuente normal de suministro decombustible, como una alternativa a cambiar el combustible por otro con menos S.Algo esencial, pues las plantas que utilizan carbón suelen instalarse a pie de mina y elcombustible que monopoliza su suministro es el que es, no es posible exigir unasustitución. Además en España se incentiva el carbón nacional por lo que nosencontraremos con altos contenidos de azufre.- Los depuradores húmedos proporcionan una eficiencia de eliminación de SO2 elevada,como alternativa a los métodos tradicionales y emergentes de desulfuración de humos(FGD)

De la potencia total mundial con sistemas de desulfuración de humos (FGD), el 85%corresponde a depuradores húmedos y el 15% restante a depuradores secos.

Los procesos de depuración se clasifican teniendo en cuenta los reactivos que seemplean en los mismos, y éstos son:

Cal:-Con reguladores inorgánicos (como óxido de Mg)-Sin reguladores

Caliza:-Con ningún inhibidor de oxidación natural-Con oxidación inhibida-Con oxidación forzada in situ-Con oxidación forzada ex situ-Con reguladores solubles orgánicos o inorgánicos

Alcali dual:-Carbonato de Na/hidróxido de Ca-Carbonato de Na/carbonato de Ca

Ceniza de sosa:-Con regeneración por desmenuzado con vapor-Sin regeneración-Óxido de magnesio con regeneración térmica

Siendo el más utilizado el que usa caliza.

Depuración húmeda

El tipo más sencillo de depurador de gases que limpia por fricción es la torre de rocío,donde discretas gotas de agua al caer colectan partículas de polvo. Este dispositivo sólo

es efectivo para partículas bastante grandes, por lo que es frecuente su uso comoprelimpiador, en particular donde un incremento en la humedad y enfriamiento de los



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gases puede auxiliar al proceso de limpieza subsecuente, como se aplica con losprecipitadores electrostáticos.Las torres empaquetadas se pueden utilizar para la limpieza de partículas porfrotamiento, pero por lo general no son muy eficientes para la captura de partículas detamaño medio (0,5 a 10 mm de diámetro)

En los depuradores dinámicos de gas, una película de agua se rocía sobre una superficieen movimiento.En un depurador de rocío centrífugo, los gases se introducen en forma tangencial haciadentro de un ciclón en donde las gotas se proyectan hacia la periferia del rociador que seencuentra en el centro.Las gotas adquieren un movimiento en espiral, ya que son relativamente grandes einterceptan las partículas de polvo. En la pared, la película húmeda evita lareincorporación de las partículas después de su captura.

Los colectores de polvo de alta eficiencia, utilizados en todos los precipitadoreselectrostáticos, se sustituyeron por depuradores Venturi.

En esta disposición, el colector de polvo se coloca aguas arriba del depurador húmedo;el ventilador de tiro inducido se ubica entre el colector de polvo y el depurador,permitiendo así que el ventilador funcione con humos secos y libres de partículas. Ellíquido se pone en contacto, mediante rociadores, con el gas sucio que se mueve a altasvelocidades a través de la garganta del Venturi, 30 a 120 m/seg y caídas de presión entre0,5 a 1,5 m.c.a., lo que requiere de una energía considerable debido a la necesidad deempujar los gases a alta velocidad a través del sistema.

La torre se diseña de forma que a carga máxima, la velocidad media de los humos seade 2,4 a 4 m/s y no sobrepase la velocidad de diseño dependiendo de las condicionesexteriores al depurador; para un depurador húmedo que opera con caliza la velocidad dediseño es de 3,1 m/s.El diseño del absorbedor incorpora una bandeja con un tamiz o chapa perforada, quereduce la mala distribución del flujo de humos, la bandeja actúa como un dispositivo

para el contacto humos-líquido, siendo la caída de presión a través de la misma de0,2 a 0,7 kPa



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El diseño de la torre depende de:-El reactivo que se utilice (cal o caliza)

-La relación de potencias Ventilador/Bomba de recirculación de lechada-El nivel deseado de eliminación de SO2

El parámetro predominante en el diseño de depuradores húmedos de desulfuración dehumos (FGD) Siendo la relación para los depuradores que emplean caliza:



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Los humos contienen algo de SO2 residual y el suficiente oxígeno para oxidar algo deSO2 a SO3.Como el gas se encuentra saturado con vapor de agua, es inevitable la condensaciónsuperficial.Este condensado puede llegar a ser muy ácido (pH < 1) y, por tanto, las sales de Ca se

pueden depositar sobre las paredes. Para minimizar estos efectos, se utiliza un nuevorecalentamiento de los humos revestido de los conductos y de la chimenea.

Los humos penetran lateralmente en el módulo del depurador a una temperatura de121 a 177ºC y se refrigeran en fase de vapor hasta su temperatura de saturación pormedio de una lechada atomizada.



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La entrada de los humos al depurador se diseña para evitar la deposición de sólidos de lalechada, en la interface húmeda-seca. Los humos circulan verticalmente, hacia arriba, através del depurador.

Por encima de la bandeja, los humos pasan a través de varios niveles de nebulizadores o

pulverizadores, en los que se produce un contacto adicional humos-líquido. Cada nivelde atomización se compone de un conjunto de colectores y toberas nebulizadoras, queproducen una atomización basta, estando en contacto con los humos durante unos 3 seg,en contracorriente, teniendo lugar en este tiempo la absorción de la mayor parte de SO 2.

Por encima de la zona de atomización, antes de que los humos lleguen a loseliminadores de humedad, se dispone de una zona en la que se rompe el contacto paraque las gotas de lechada mayores se desprendan y vuelvan a la zona de atomización.

En todos los procesos con caliza y con cal, el reactivo se consume en el proceso y setiene que reponer continuamente, por lo que son procesos no regenerativos. Cada uno de

estos procesos comprende cuatro etapas:-Preparación del reactivo-Absorción de SO2 -Deshidratación de la lechada-Colocación final

Preparación del reactivo

En el caso de la caliza la mayoría se los sistemas (FGD) por vía húmeda cuentan conuna molienda húmeda in situ para la preparación de la lechada; el sistema es un molinode bolas en circuito cerrado. La energía requerida para alcanzar un tamaño dado demolienda se estima mediante la ecuación propuesta por Bond:



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El índice de trabajo Bond para calizas varía entre 815 kWh (micras)1/2 / tPara los sistemas con molienda en la planta, el diámetro medio de la caliza que se recibees igual o menor de 1” y se alimenta al molino de bolas a través de un alimentador

gravimétrico de cinta.En el conducto de alimentación se añade agua fresca o reciclada, en proporción a lapiedra caliza.El efluente del molino se dirige al tanque de producto molido, desde el que se bombeahacia un conjunto de hidrociclones en los que se separan los finos de las fracciones

bastas.La fracción basta se retorna al molino de bolas y el material fino se envía al tanquealimentador de caliza.El balance de agua hay que mantenerlo, de forma que en el tanque alimentador sealcance entre un 25/35% de sólidos suspendidos.La caliza molida más basta, utilizada en los sistemas (FGD), es aquélla que su 70% pasaa través de un tamiz con 200 mallas por pulgada (75 micras).El material más fino facilita una mayor utilización de la caliza mejor reactividad con elSO2 mayor eliminación para una estequiometría dada.

La estequiometría se define como la relación molar entre el reactivo CaCO3 para los

sistemas con caliza, y el SO2.Se prefiere la molienda fuera de la planta. La caliza se muele seca, en una determinadaubicación y después se transporta en camiones hasta los sistemas (FGD). En la planta, lacaliza pulverizada se transporta neumáticamente hasta un silo de almacenamiento, paraalimentar los tanques de preparación de lechada, que están llenos de agua. Este sistemarequiere menos espacio que las instalaciones de molienda in situ y reduce algunos de losgastos generales de funcionamiento.

b) Secado y colocación de la lechada.El método más común se compone de dos deshidrataciones (primaria y secundaria), yde un vertido posterior como relleno.



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Todos los depuradores húmedos necesitan siempre agua fresca, para lavar el eliminadorde vahos.

Planteamos a continuación la transformación de caliza en yeso.

El sistema de preparación de reactivo incluye un bucle de molino, en circuito cerrado,que produce caliza molida de 44 micras o menos. La lechada formada con este materialmolido contiene un 30% en peso de materiales sólidos en suspensión.El agua utilizada en el sistema de molienda se recicla a partir del sistema dedeshidratación de la lechada gastada. La lechada de alimentación (1) se bombea hacia eltanque reactor absorbedor, a un régimen controlado, para que el pH de la lechada en el

tanque se mantenga en 5,5.

El aire se inyecta en el tanque reactor, y se distribuye convenientemente por medio de

rociadores situados en el fondo. El oxígeno reacciona con cualquier sulfito presente paraformar yeso (sulfato de calcio hidratado).



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La lechada se bombea desde el tanque reactor hacia los colectores nebulizadores (2), sereintroduce de nuevo en el reactor, se atomiza en contracorriente dentro del flujo dehumos ascendente, donde absorbe el SO2 y cae hacia la bandeja de placa perforada, endonde absorbe el SO2 que lleva la espuma creada por la interacción de los humos y lalechada.

A continuación se purga hacia la parte inferior del tanque reactor. Una pequeña fracciónde la lechada que se está bombeando hacia las toberas nebulizadoras, se deriva hacia elsistema deshidratador. Para concentrar la lechada se utiliza un hidrociclón.

Mencionar que las torres absorbedoras utilizadas en el proceso con cal, son menores quelas correspondientes al proceso con caliza, porque la relación “Flujo lechada/Flujohumos” es un 20% menor.

Química del depurador húmedo.

La absorción de SO2 en un depurador húmedo y su reacción con materialesalcalinotérreos, como la caliza, constituye una reacción ácido-base elemental.- El SO2 es un gas relativamente insoluble en el agua- El carbonato de calcio (CaCO3) tiene una baja solubilidad en el agua- Los productos principales de la reacción son sulfito de calcio semihidratado(CaSO3 1/2 H2O) y sulfato de calcio dihidratado (CaSO4 2H2O) o yeso- Estas dos sales tienen bajas solubilidades

En un sistema con caliza de oxidación inhibida se pueden utilizar las siguientesreacciones:

En un depurador húmedo con caliza, las reacciones limitadoras de la tasa, en la zona decontacto gas-líquido, son las reacciones:

La tasa de reacción para la disolución de la caliza se puede expresar en la forma:



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La reacción global en el tanque reactor es:

En la zona de contacto gas-líquido del depurador, se produce alguna oxidación desulfito a sulfato:

En los sistemas de depuradores con cal/caliza, el tanque reactor se dimensiona paraproporcionar el tiempo suficiente de forma que el yeso disuelto cristalice y precipite; eltanque se diseña para un tiempo de residencia de 610 minutos, según sea la tasa derecirculación.

Como principales ventajas destacamos los bajos costes de inversión y operación y elposeer una eficacia del 90%. Los principales inconvenientes son los depósitos de cal yla abrasión.

Depuradores secos

La depuración por vía seca es la alternativa a la depuración por vía húmeda, para elcontrol del SO2 de las calderas de plantas termoeléctricas convencionales. Se puedeaplicar a instalaciones pequeñas y en el control combinado de HCl y SO2, en el caso de

unidades transformadoras de basura en energía y en unidades que queman combustiblescon bajos contenidos en S.

Vemos un módulo para la dispersión de los gases, donde con el atomizador rotatorio seasegura una distribución uniforme de la mezcla y prevé el contacto íntimo de los gasespara optimizar la eficacia y la sequedad de la absorción en la cámara de pulverización.



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Los gases entran en la zona seca del pulverizador según dos ubicaciones. El atomizadorrotativo del gas por arriba y el dispersor central del gas por abajo.

Las principales ventajas de la depuración por vía seca, en comparación con la víahúmeda, son:

- Materiales de construcción más baratos- Productos residuales secos- Aplicación a unidades menores- Simplicidad operativa

La depuración en seco implica la aspersión de un reactivo alcalino para absorber el SO 2 en el flujo de humos calientes, como lechada muy atomizada solución acuosa.

El depurador seco se posiciona aguas arriba del colector de polvo, a diferencia de lo queocurre en una instalación de depuradores húmedos.Los humos salen del calentador de aire a una temperatura de 121 a 177ºC y entran en eldepurador seco a través de un conjunto de atomizadores horizontales o de atomizadores

verticales.

La cantidad de agua atomizada en la aspersión se limita a la que se pueda evaporarcompletamente en suspensión.La absorción tiene lugar mientras la aspersión se evapora, refrigerándoseadiabáticamente los humos por la aspersión.

El reactivo predominante utilizado en depuradores secos es la cal apagada.



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Química del depurador seco.

La absorción en un depurador seco es similar a la de la depuración por vía húmeda,teniendo lugar la mayoría de las reacciones en fase acuosa.El SO2 y los componentes alcalinos se disuelven en la fase líquida, en la que lasreacciones iónicas dan lugar a productos relativamente insolubles. Las reacciones deldepurador seco son las siguientes:

Los depuradores secos se dimensionan normalmente para un cierto tiempo de residenciade la fase gas, que depende del diseño adoptado para la temperatura de aproximación elgrado de atomización

Para grandes calderas de plantas termoeléctricas, la aplicación de depuradores secos selimita a las que queman carbones con bajos contenidos de S, lo que se debe al mayorcoste de los reactivos para la depuración por vía seca.Para calderas de pequeñas unidades termoeléctricas e industriales, la depuración en secoconstituye una alternativa atractiva, por su simplicidad y menor inversión.



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Los aditivos usados en depuradores secos (cloruro cálcico) son sales que, añadidas a lacal, reducen la tasa de secado y aumentan el contenido de humedad en equilibrio; conestos aditivos se puede eliminar el SO2 por encima del 95%. También se aumenta deforma significativa la eliminación de SO2 inyectando amoníaco gaseoso aguas arriba deldepurador seco.

Vía semihúmeda

Para este proceso no se utiliza caliza sino se inyecta cal o Na2CO3 en suspensiónmediante atomizadores.Se producen dos fenómenos, la absorción y formación de sulfatos y la evaporación delas gotas, lo que ocasiona la retirada de polvo secoLa principal ventaja es que no es necesario ningún tratamiento del agua.



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Señalar que estos procesos se utilizan de manera muy similar para las refinerías depetróleo con sus correspondientes lavados de chimenea.

Otras tecnologías en el campo de la desulfuración de humos (FGD) son:- Inyección de un absorbente en el hogar- Inyección de nacolita/trona (mezcla natural de sal y sosa)- Lechos móviles de carbono activado



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HHoorrnnooss ddee ccoommbbuussttiióónn eenn lleecchhoo f f lluuiiddiizzaaddoo.. CCaarraacctteerriizzaacciióónn yy uussoo..

La tecnología de combustión de lecho fluidizado es parte de las “Tecnologías de Carbón

Limpias” (Clean Coal Technologies), que nacieron en respuesta a los altos niveles de

contaminación que inherentemente produce la combustión en las centrales a carbón

convencionales (carbón pulverizado). Estas tecnologías buscan, al mismo tiempo,alcanzar una alta eficiencia y obtener mínimas emisiones sin tener que para elloimplementar filtros de contaminantes externos al proceso de combustión.

La combustión en lecho fluido (CLF), aunque conocida desde hace tiempo, sólo se haaplicado a la producción de vapor en las últimas tres décadas, desarrollándose dosfamilias de lechos, según que la combustión tenga lugar a presión atmosférica (lechofluido burbujeante y lecho fluido circulante) o a una determinada sobrepresión, en estecaso se denomina combustión en lecho fluido a presión o presurizado. Las presionessuelen situarse en el rango de 5 a 20 bar, siendo normal 10- 12 bar.

Las instalaciones de combustión en lecho fluido a presión son más compactas,ocupando mucho menos volumen para igual capacidad.

En las calderas de lecho fluido, la combustión se produce de forma controlada en todo elhogar y sistema de recirculación (ciclones) de forma que el tiempo de residencia de laspartículas en ignición es muy superior al de las calderas convencionales de carbónpulverizado, con temperaturas que no suelen superar los 850 ºC, mucho más bajas quelas que se dan en el interior del hogar de las calderas convencionales.Al no alcanzarse las temperaturas de ablandamiento y fusión de cenizas, no se producenfenómenos de formación de escorias en el hogar.

Esto permite la utilización de combustibles de bajo poder calorífico y asegura una granflexibilidad desde el punto de vista de utilización de otros combustibles distintos del dediseño.



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Además, la temperatura de combustión se encuentra por debajo de la de formación deóxidos de nitrógeno de origen térmico, lo que limita la producción de este agentecontaminante (NOX) que es uno de los responsables de la lluvia ácida.En el proceso de combustión, el azufre presente en el combustible se oxida paraproducir SO2, que en las calderas convencionales se escapa con los humos.

En este tipo de calderas, el SO2 se combina en la propia caldera con un sorbente,generalmente caliza, para producir yeso, que se elimina con las cenizas, no siendonecesario, por tanto, añadir una instalación de desulfuración de gases para cumplir conla normativa, como ocurre con las calderas convencionales. En consecuencia, losvalores de emisión de agentes contaminantes atmosféricos (SO2, NOX, y polvo)garantizados son inferiores a los exigidos.

El nombre de lecho fluidizado se debe a que en las calderas de este tipo la combustióndel carbón se produce sobre corrientes de aire ascendente generadas por inyectores deaire ( jets) en la base del horno. Así, el carbón ardiente dentro del horno quedasuspendido en el aire formando una “cama” que está en constante movimiento, es decir,tiene un comportamiento fluido.

El fenómeno de fluidización

Si un fluido en movimiento ascendente a baja velocidad atraviesa un lecho de finaspartículas, en principio el fluido se filtra a través de los espacios entre éstas, quepermanecen estacionarias; este estado se denomina de lecho fijo. Con un incremento enla velocidad del fluido, las partículas se mueven de forma independiente por medio depequeñas vibraciones.

Si se sigue aumentando la velocidad, se alcanza un punto donde todas las partículas seencuentran suspendidas por el flujo ascendente de gas o líquido. En este punto la fuerzade fricción entre el fluido y las partículas se equilibra con el peso de éstas,desapareciendo entonces la componente vertical de la fuerza de compresión entrepartículas adyacentes. De este modo, la pérdida de carga a través de un volumendeterminado de lecho es igual al peso de las partículas existentes por unidad de área.

Este estado se denomina de lecho en comienzo de fluidización y marca la transiciónentre el lecho fijo y el lecho plenamente fluidizado. La velocidad superficial del fluido

en este punto se denomina velocidad de mínima fluidización, U mf .



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En sistemas fluidizados por líquido, un incremento en la velocidad por encima de lacorrespondiente a la mínima fluidización, normalmente da lugar a una suave yprogresiva expansión del lecho. Las posibles inestabilidades provocadas por un flujoirregular se amortiguan y, en condiciones normales, no se observan heterogeneidades niformación de burbujas en el lecho. Un lecho con estas características se denomina de

fluidización particulada, no burbujeante u homogénea.En sistemas fluidizados por gas resulta poco frecuente observar este comportamiento defluidización homogénea, teniendo lugar sólo en ciertos casos de partículas muy ligerascon gas denso a alta presión.

Generalmente, el comportamiento de los sistemas fluidizados por gas es bastantediferente. Así, al producirse un incremento en la velocidad del gas por encima de lacorrespondiente a la mínima fluidización, se observan grandes inestabilidades conaparición de burbujas y canales. A mayores velocidades, la agitación pasa a ser másviolenta y el movimiento de las partículas más vigoroso. Un lecho con estecomportamiento se denomina de fluidización agregativa, burbujeante o heterogénea.

En sistemas fluidizados por gas, a velocidades por encima de la de mínima fluidización,se produce la coalescencia de burbujas de gas y crecimiento de éstas a medida queascienden por el lecho. En ocasiones, en lechos de elevada longitud y pequeño diámetro,las burbujas pueden llegar a ser lo suficientemente grandes como para extenderse a loancho del depósito. Se produce entonces lo que se conoce como fenómeno de slugging,caracterizado por la aparición de burbujas de diámetro próximo al del depósito,denominadas slugs.

Puede ser de dos tipos, dependiendo del tamaño de las partículas del lecho.En el caso de partículas más finas, éstas caen suavemente hacia abajo por la pared querodea las burbujas, dando lugar a burbujas de tamaño elevado, con slugs axiales.Para partículas de mayor grosor, la fracción de lecho por encima de las burbujas esempujada aguas arriba, como si lo hiciera un pistón. Las partículas caen desde el slug,que finalmente se desintegra. A partir de dicho instante aparece un nuevo slug,repitiéndose continuamente este movimiento inestable. El comportamiento se llamaslugging con slugs de pared. El fenómeno de slugging se debe tener especialmente encuenta en el diseño de lechos fluidizados largos y estrechos.

En la fluidización de partículas finas a una velocidad del gas suficientemente alta, sesupera el valor de la velocidad terminal de los sólidos. En este momento, el arrastre de

partículas llega a ser apreciable con lo que desaparece la superficie superior del lecho y,en lugar de burbujas, se observa un movimiento turbulento de grupos de sólidos yespacios de gas de varios tamaños y formas. Este estado se denomina de lechofluidizado turbulento. Con un aumento en la velocidad del gas aún mayor, las partículasabandonan el lecho con el gas, en este caso se tiene un lecho fluidizado de fase dispersacon transporte neumático de partículas.

Tanto en la fluidización turbulenta como en la de fase dispersa se arrastran grandescantidades de partículas, que es necesario recuperar y devolver al lecho. Esto se lleva acabo con la ayuda de ciclones, que son elementos de sedimentación por fuerzacentrífuga.



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En los lechos fluidizados turbulentos con arrastre moderado de partículas se utilizanciclones internos. En los lechos fluidizados de fase dispersa, donde el arrastre departículas es mayor, normalmente se emplean grandes ciclones fuera del lecho.

Otro modo de contacto gas-sólido es el lecho de chorro. En su operación, un chorro de

gas a alta velocidad penetra a través de un lecho de partículas, transportando así algunasde ellas hasta la parte alta del lecho. El resto de partículas caen lentamente alrededor delchorro y entre el gas que se filtra con suavidad hacia arriba. En ocasiones se observa uncomportamiento entre burbujeante y de chorro, y al sistema se le suele denominar lechofluidizado de chorro.

Normalmente, los sistemas de líquido-sólido fluidizan de manera homogénea, mientrasque los sistemas de gas-sólido suelen mostrar heterogeneidades. A pesar de ello, esposible observar comportamientos atípicos con partículas de baja densidad en gases dedensidad elevada, o partículas de alta densidad en líquidos poco densos.

Existen otros factores que pueden afectar a la calidad de fluidización, como son lageometría del lecho, los dispositivos de alimentación de gas, el tipo de partículautilizada, o el hecho de que los sólidos puedan fluir libremente o tiendan a aglomerarse.

Hasta ahora las aplicaciones industriales de fluidización más importantes son consistemas de gas-sólido, sobre todo para el caso tratado en este trabajo, el carbón.

.

Propiedades de las partículas de fluidización

El término con el que se determina la masa de las partículas es la densidad de partícula,ρp, definida como la relación entre la masa de una partícula, mp, y su volumenhidrodinámico, Vh.

En partículas no porosas, se puede medir la densidad de partícula fácilmente con laayuda de aparatos como el picnómetro, pero éstos no se pueden utilizar con partículas

porosas porque dan el valor de la densidad absoluta, ρabs (masa de partícula entrevolumen de material sólido que compone la partícula).Existe otro término que permite caracterizar el lecho de partículas. Éste es la densidadaparente del lecho, ρb, que define el cociente entre la masa de todas las partículas que

forman el lecho, mb, y el volumen que ocupan incluyendo los espacios vacíos entreellas, denominado volumen aparente, Vap.



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A partir de la fracción de vacío del lecho fijo, ε, que representa la relación entre el

volumen de espacios que separan las partículas del lecho y el volumen aparente de éstese puede establecer la dependencia entre las densidades de lecho y partícula.

Generalmente, el término empleado para definir el tamaño de las partículas es eldiámetro de partícula, dp. En caso de no ser éstas esféricas representa el diámetro de unaesfera con la misma relación superficie a volumen que la partícula no esférica encuestión.

Existe una correlación empírica que define la velocidad de ascenso de una burbuja detamaño grande y forma esférica en un líquido, que es aplicable a una burbuja en unlecho fluidizado.

Se emplean lechos fluidizados en diversos procesos físicos como intercambiadores decalor, recubrimientos de objetos metálicos, adsorción de componentes u operaciones desecado. Además, se usan en procesos químicos de distinta naturaleza como reaccionesde síntesis, craqueo de hidrocarburos, combustión e incineración, gasificación,

calcinación o tratamiento de minerales.

Otros aspectos como los fundamentos hidrodinámicos de la fluidización, ya sea lapérdida de carga en el lecho o el cálculo teórico de la velocidad de mínima fluidización,se escapan un poco de nuestro propósito en el trabajo, pero, en cualquier caso, puedeconsultarse en el anexo “Estudio Hidrodinámico de un Lecho Fluidizado”.

En el proceso se alcanza un punto donde el empuje que el gas ejerce sobre las partículasse iguala con el peso aparente de éstas en el lecho. En este punto las partículas se

encuentran sustentadas por el gas, de modo que la separación entre ellas aumenta y ellecho comienza a fluidizar.



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Por lo tanto, el comienzo de la fluidización está asociado a una pérdida de carga del gasa lo largo del lecho que es igual al peso aparente de todas sus partículas, por unidad deárea de lecho perpendicular a la dirección del peso.

Vemos en el gráfico siguiente como varía la pérdida de carga respecto a la velocidad del

gas. Se observan dos tramos bien diferenciados: un tramo definido por los segmentosO’A/OD, que corresponde al estado de lecho fijo, donde la pérdida de carga aumenta

con la velocidad superficial del gas; otro tramo determinado por los segmentos BC/DC,para el estado de lecho fluidizado, donde la pérdida de carga permanece constante frenteal aumento de velocidad del gas.

El proceso de combustión en lecho fluido

La combustión en lecho fluido comprende entre otros los siguientes procesos:Fluidización de sólidos, combustión propiamente dicha, transferencia de calor;extracción de material agotado, reducción del tamaño de las partículas, emisiones decontaminantes, calcinación, etc.



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En un combustor de lecho fluido el combustible se alimenta continuamente al lecho y laceniza producida en la combustión se extrae también continuamente, de modo que elvolumen se mantiene constante. Debido a la rápida mezcla y homogeneización del lechoy la alta eficacia de la combustión, la cantidad de inquemados en el lecho esnormalmente baja. El aire es inyectado a través de una parrilla distribuidora, por el

fondo del lecho, regulándose la velocidad de fluidización. Los gases de la combustiónsalen por la parte superior.

Para el control de la temperatura, entre 800 y 900 ºC, se pueden introducir tubosvaporizadores en el lecho, que extraen una gran parte del calor producido en lacombustión, lo que permite un menor tamaño de las calderas. Este tipo de combustoresadmite un amplio rango de tamaños de carbón de distintas características así como deposibles residuos combustibles disponibles.

Cuando se alimenta combustible al lecho, las partículas adquieren alta temperaturarápidamente, debido a su rápido proceso de mezclado y a la buena transmisión de calor

que se da en el mismo. El tiempo de residencia de las partículas de carbón en el lechovaría de fracciones de minuto a pocos minutos, dependiendo del tipo de combustible ydel tamaño de las partículas. En el proceso de calentamiento se desprenderá primero lahumedad y luego las materias volátiles (hidrógeno, metano, monóxido de carbono, etc... ), quedando finalmente el carbono.

Tanto las materias volátiles como el carbono queman con el aire suministrado al lechofluido dando los productos de combustión usuales, de acuerdo con las siguientesreacciones típicas de combustión:

El oxígeno que toma parte en las reacciones procede fundamentalmente del aire defluidización, pero también del oxígeno que aporta el combustible.En condiciones normales de operación, las materias volátiles producidas se quemancompletamente por encima del lecho. La reacción en el lecho fluido, entre el oxígeno ylas partículas de carbono existentes después de desprenderse las materias volátiles, tiene

lugar siguiendo los tres mecanismos siguientes:1. Transferencia del oxígeno de las burbujas de aire a la partícula.2. Difusión del oxígeno a través de la superficie de la partícula y difusión del dióxido decarbono procedente de la superficie de las partículas.3. Reacción química en la superficie de la partícula.

En general, no toda la combustión de las partículas sólidas tiene lugar en el lecho, si noque las burbujas del aire de fluidización arrastran y proyectan partículas inquemadashacia la corriente de gases por encima del lecho, las cuales, al igual que ocurre con lasmaterias volátiles, se queman en la región situada por encima del lecho. Una parte deeste calor vuelve al lecho en forma de calor sensible de las partículas que caencontinuamente al mismo. Esta postcombustión hace que, en muchos casos, la



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temperatura de los gases en la zona superior sea sensiblemente más alta que la del lecho,lo que puede ser aprovechado para el calentamiento del vapor producido en esta zona.

Eficiencia de la combustión

La eficiencia de la combustión depende de diversos factores:1. Temperatura del lecho.2. Exceso de aire.3. Reactividad del combustible.4. Tamaño de las partículas del material.5. Velocidad de fluidización.6. Tiempo de residencia.7. Grado de reciclado del material.

Observamos la relación entre el exceso de aire con los inquemados y las pérdidas de

calor.

El coeficiente de transmisión convectiva de calor, es tanto mayor cuanto menor es eltamaño medio de las partículas del lecho. El rendimiento aumenta con la temperatura enel lecho y con la reactividad del combustible. El rendimiento de la combustión aumentaigualmente con el tiempo de residencia, el índice de recirculación y la densidad depuntos de alimentación del combustible.

Tipos de combustión en lecho fluidizado

Clasificación según la velocidad de fluidización

Para el caso de un lecho fluido a presión atmosférica, puede hacerse la clasificación que



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se muestra en la figura, en la que se representa en ordenadas la velocidad de fluidizacióny en abscisas la expansión del lecho. El tipo de lecho fluido depende de la diferencia develocidades del gas y los sólidos.

En el segundo gráfico se indica en ordenadas el logaritmo de la diferencia de presión

entre el aire de alimentación y los gases por encima del lecho (logP), y en abscisas ellogaritmo de la velocidad de fluidización (log U), llegándose a una clasificación similar.

Cuando la velocidad de trabajo se sitúa por debajo de la mínima de fluidización, ellecho es fijo, cuando la velocidad del flujo supera a la mínima de fluidización, de 1 a 3m/s, se tiene la fluidización heterogénea clásica. Siempre hay un arrastre de partículas ypuede haber recirculación de cenizas, no muy elevada.

Cuando se trabaja en la zona media-alta de las curvas de fluidización, con velocidadesde 2 a 6 m/s., se tiene la fluidización turbulenta. En este caso el arrastre de partículas seincrementa y se precisa de una fuerte recirculación de cenizas al lecho, que puede llegar

a 10 o 15 veces la carga de alimentación.Al llegar a valores de 5 a 10 m/s., se tiene un gran arrastre del material, del orden de 30a 100 veces la carga de alimentación. En este caso, se necesita un ciclón y un sistema decontrol de alimentación especiales y se trataría del lecho fluido circulante.Finalmente, si se continúa incrementando la velocidad, se llega al grado de transporteneumático, desapareciendo la fluidización. Como ya comentamos para el caso general.



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Combustión en lecho fluidizado a presión atmosférica

Lecho fluido burbujeante

En este tipo de calderas el lecho se mantiene fluido en suspensión en una corriente deaire inyectado en el fondo del hogar a través de una rejilla provista de boquillasorientadas. Las burbujas de aire ascienden a través del lecho, provocando en el mismoun movimiento turbulento similar al de un líquido en ebullición, de aquí ladenominación "lecho fluido burbujeante".Cuando se alimenta poco a poco el combustible sólido en un lecho fluido y caliente departículas sólidas de material inerte, el combustible se seca y entra casiinstantáneamente en ignición porque se alcanza rápidamente la temperatura suficiente(alrededor de 550 ºC).

Como el lecho está fluido, el combustible se distribuye en el mismo uniformemente, yse quema eficientemente y por completo al combinarse con el oxígeno del aire a lo largodel tiempo de residencia relativamente largo de que dispone. Es decir, en este tipo decalderas pueden utilizarse incluso combustibles de baja calidad, cuya utilización nosería posible mediante métodos clásicos.

Operan con una velocidad superficial de humos, a plena carga, comprendida entre 2,4-5m/s., aunque habitualmente la velocidad de fluidificación es de 3 m/s, el lecho semantiene como tal con baja proporción de material arrastrado por los gases decombustión.El tamaño máximo de material del lecho corresponde al que pasa por el tamiz de 600micras.

Incluye un sistema de recirculación que separa los sólidos de los gases que salen deleconomizador y los recircula hacia el lecho, esta operación maximiza la eficiencia de lacombustión y la captura de S. Para ello se dispone de uno o varios ciclones para

recircular al lecho las partículas que llevan esos gases recombustión.



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La recirculación de sólidos se limita al 25% del peso de humos, y para combustiblesmuy reactivos se suele suprimir.

El diseño térmico de la caldera incluye tubos de evaporación en el lecho, esto hace quela mayor demanda de calor para el ciclo se dé en él, manteniéndolo a esa temperatura de

850 ºC, los gases de combustión llegan a la zona convectiva de la caldera a esatemperatura.

La superficie de transferencia de calor de haz tubular, se coloca en el lecho, para lograr:- El balance energético- La temperatura de operación que se desee alcanzar

Para combustibles de bajo poder calorífico, esta superficie se reduce a un mínimo e,incluso, puede que no exista. En cualquier caso, la temperatura del lecho es uniforme ysiempre se mantiene dentro de un margen de ±14ºC, como consecuencia de la mezcla degases y sólidos que tiene lugar.

Todo ello hace que se pueda conseguir un vapor de alto título y el rendimiento térmicode la caldera y el ciclo sea mejor al de las centrales con calderas de carbón pulverizadoen el supuesto de que estas dispongan de sistemas de reducción de emisiones de óxidosde azufre y de óxidos de nitrógeno.

La retención de azufre se sitúa en valores entre 96 y 98%, y las emisiones de óxidos denitrógeno entre 200 y 300 mgr/Nm3. Es un proceso adecuado para quemar carbones demedia o buena calidad, no muy alto contenido en azufre, hasta 3% y con buenareactividad, hullas, carbones subituminosos o lignitos, pero no parece apropiada paraantracitas.



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Lecho fluido circulante

La velocidad de fluidificación es más elevada, en torno a 7 m/s. Con estos valores, ellecho se convierte en un "lecho rápido", una nube turbulenta de sólidos en suspensiónque "llena" la cámara de combustión. Esto da lugar a un arrastre de la masa del lecho

por la corriente de los gases de combustión, que llega a uno o varios ciclones desdedonde se retorna al lecho a través de un enfriador también fluidificado de cenizas queregula la temperatura del conjunto del reactor. La recirculación de material supone unvolumen del orden de cien veces más elevado que el flujo de alimentación de carbón ycaliza.

Nos encontramos más ante un reactor químico que una caldera propiamente dicha, lamayor parte de la transferencia térmica se ha de realizar en una caldera convectivaasociada al reactor de combustión, en este sólo se dispone de una pequeña superficie detubos de agua. Se obtiene así un vapor que no alcanza los mejores parámetros de lascalderas de carbón pulverizado.

De otro lado hay consumos energéticos adicionales en los ventiladores que hacenposible la elevada recirculación de material. Esto hace que el rendimiento final de lossistemas de lecho fluido circulante sea algo menor que los de lecho burbujeante osimilares a los que disponen de calderas de carbón pulverizado equipados con sistemasde reducción de emisiones.

La retención de azufre es muy buena en estas calderas, puede llegar al 99,8% del totalcontenido en el combustible, adicionalmente las emisiones de óxidos de nitrógeno sonmenores que en el caso anterior, se pueden llevar a valores de 100 mgr/Nm3 o poco más.

En este sentido es un proceso de combustión adecuado para quemar carbones u otroscombustibles muy sucios, tanto en su contenido en azufre como en cenizas. De hechoexisten numerosas instalaciones con carbones residuales e incluso con fraccionespesadas del refino del petróleo.

El combustible, el material del lecho y el sorbente viajan juntos en la corriente de gases,

y se reciclan juntos. Esto no solo asegura la mejor utilización del combustible, gracias algran tiempo de residencia, sino que permite a las reacciones calcio-azufre-oxígeno tener



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lugar de forma más completa, reteniendo una mayor proporción del azufre contenido enel combustible.Además, al tener lugar el proceso de combustión en todo el hogar, el aire necesario sesuele suministrar por la parte inferior de dicha cámara, para aprovechar mejor la partemás densa del lecho para su ignición y la máxima altura de la cámara para completar la

combustión, aunque también se puede a niveles superiores, lo que permite reducir elexceso de oxígeno disponible en la parte baja del hogar y disminuir la formación óxidosde nitrógeno. La cámara de combustión u hogar está constituida por paneles de tubossoldados entre sí, formando paredes vaporizadoras que constituyen una envolventeestanca. En él se integran los sistemas de alimentación de combustible y sorbente, laparrilla de aire de fluidización o aire primario bajo el lecho y los distintos niveles de airesobre el lecho o aire secundario.

Cabe plantearse si la alta velocidad de fluidización y el gran contenido de sólidos ensuspensión no causarán erosiones inaceptables en el hogar o el sistema de recirculación.La preocupación por esta posibilidad es el motivo por el que los fabricantes evitan situar

serpentinas o superficies adicionales de intercambio de calor en el seno del lecho.Superficies que, por otra parte, no son necesarias, no tiene ningún banco tubular desuperficie termointercambiadora, ya que el intercambio de calor es suficiente sin ellas,al aprovecharse mejor toda superficie expuesta del hogar y el sistema de recirculación.

La absorción de calor se realiza por las paredes del hogar por la superficie interior de losmuros y paredes divisorias, ésto es posible debido a la gran cantidad de sólidos querecirculan por el interior y por el exterior del hogar.

El aire forma corrientes sensiblemente paralelas, llevando los sólidos lamiendo lasparedes del hogar, desde la rejilla hasta el techo.La densidad media resultante es inferior, si se la compara con la de los lechosburbujeantes, y decrece más o menos uniformemente de abajo a arriba.A pesar de las altas velocidades de fluidización, una parte importante de las cenizasproducidas suele acumularse en el fondo del hogar, que debe incorporar un sistema deextracción adecuado, como el mencionado en las calderas de lecho fluido burbujeante.



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Lecho fluido a presión

Un lecho fluido presurizado es, en esencia, un lecho fluido burbujeante confinado enuna vasija presurizada, de modo que la combustión tiene lugar a una presión superior ala atmosférica. El interior de la vasija está a una presión entre 12 y 16 bar según

potencias.

Según este método se consigue una fijación de azufre en el lecho entorno al 99%, y lasemisiones de óxidos de nitrógeno son menores de 300 mgr/Nm3.

Utilizando aire a presión como aire de fluidización o aire primario, se suministra másoxígeno por unidad de volumen.Por tanto, a igualdad de velocidades de fluidización, el lecho fluido presurizado (LFP)es capaz de sostener una combustión más intensa por unidad de superficie del lecho. Enconsecuencia, una unidad de LFP resulta físicamente más pequeña que una unidadatmosférica similar, ahorrando espacio y coste de primera inversión.

En contrapartida, la alimentación de combustible y sorbente, y la extracción de cenizasha de hacerse a través de dispositivos provistos de cierres presurizados, lo que resultabastante más complejo (y caro) que los sencillos sistemas de alimentación y manejo decenizas en las unidades atmosféricas.

La principal ventaja de la combustión en LFP radica en el hecho de que los gases decombustión, a alta temperatura, salen a presión de la cámara de combustión. Si lapresión es lo suficientemente alta, y los gases están suficientemente limpios, puedenllevarse directamente a una turbina de gas. Las turbinas de gas son relativamentebaratas, compactas, se construyen en plazos relativamente cortos y, además, se arrancany se paran en tiempos muy cortos.



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Los gases de escape de la turbina de gas, todavía a una temperatura próxima a los 450ºC, se llevan a una caldera de recuperación de calor, y el vapor producido alimenta unturboalternador. Así también se recupera una parte del latente de los gases de escape.Se llega así a un ciclo combinado de características especiales.

Es una instalación compleja que tiene algunos aspectos críticos. Conseguir unaalimentación a presión del carbón y la caliza, se puede hace por vía seca o ensuspensión acuosa, la primera es la más extendida y se han conseguido condicionesoperativas muy aceptables. Siendo la cámara de combustión más pequeña y elrendimiento más elevado que en el caso de las atmosféricas.

Los gases de combustión han de limpiarse de partículas antes de llegar a la turbina degas. Se dispone de una batería de multiciclones dentro de la vasija a presión, que si bienretienen las partículas de tamaño superior a 2 micras en su recirculación a la caldera seproducen a veces atascos, sobre todo cuando los carbones son de alto contenido encenizas. Se pueden disponer filtros cerámicos fuera de la vasija, han de operar a más de

800 ºC y sus resultados han sido buenos pero no excelentes en lo que respecta a ladisponibilidad de la instalación.

Hay distintos tipos de ciclos combinados para esta aplicación.

-En el Sistema Supercarga los gases de combustión, a una temperatura superior a los800 ºC, se expanden en la turbina de gas y, posteriormente, ceden su calor remanente enuna caldera de recuperación de calor que se integra en el ciclo agua-vapor. La turbina degas trabaja a alta temperatura y está expuesta a erosión y corrosión a consecuencia delas partículas que arrastran los gases, por eso es preciso limpiarlos, mediante ciclones encascada, y últimamente, se intenta hacerlo mediante filtros cerámicas.La turbina de gas mueve el compresor y un alternador, en el que se generaaproximadamente un 25 % de la energía generada en el sistema. El resto se obtiene en elturboalternador accionado por el vapor generado en la caldera. El rendimiento bruto delciclo puede alcanzar el 40 %.



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-En el Sistema Turbocarga los gases de combustión abandonan la caldera a unos 450°C. La turbina de gas trabaja, pues, en condiciones menos severas, y es más sencilla laoperación de limpieza de los gases. Sin embargo, la turbina sólo genera energíasuficiente para mover el compresor. El rendimiento global del ciclo puede alcanzar el 37%.

-En el Sistema de Ciclo de Aire el aire suministrado por el compresor se divide en doscorrientes, 1/3 del total constituye el aire de fluidización y combustión (aire primario) yel resto es aire que se caliente en serpentines contenidos en el lecho y luego se mezclacon los gases ya depurados, pasando la mezcla a la turbina de gas a unos 800 ºC. Losgases de escape de la turbina ceden el calor remanente en una caldera de recuperaciónde calor. El vapor generado en la misma alimenta un turboalternador. Aproximadamenteel 60 % de toda la energía del sistema se genera en la turbina de gas, que mueve elcompresor y un alternador. El rendimiento global del ciclo alcanza el 35%.



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PPrreeppaarraacciióónn ddee llaa ggrraavvaa ccaalliizzaa ppaarraa

llooss ccoommbbuussttoorreess ddee lleecchhoo f f lluuiiddiizzaaddoo

El lecho está compuesto de cenizas de caliza o dolomía, aportadas al lecho únicamente

como agentes desulfurantes y partículas de carbón como elemento combustible. Lagranulometría varía siguiendo las condiciones de operación (velocidad del gas,temperatura del lecho) y la naturaleza de los productos introducidos en el lecho (calidaddel carbón y de la caliza).El agente desulfurante del lecho está compuesto principalmente de caliza triturada,calcinada y parcialmente sulfatada. La reacción de desulfuración se realiza en dosetapas: en primer lugar la caliza se calcina:

CO3Ca CaO + CO2

después la cal formada, que tiene una estructura porosa, reacciona con el óxido de

azufre y el oxígeno para dar sulfato:

CaO + SO2 + ½ O2 SO4Ca - 491 kJ/mol

Dado que el sulfato cálcico tiene un volumen molar más importante que el carbonato, lareacción es incompleta y la conversión es del orden del 40%. Esto significa que para uncarbón conteniendo 3% de azufre, es preciso:

0,03 1

· · 100 = 0,23 Kg. caliza/Kg. de carbón

32 0,40

La combustión en lecho fluidizado presenta dos importantes novedades respecto a lascombustiones convencionales en lecho fijo: por una parte el aprovechamiento decarbones pobres y de alto contenido en azufre, y por otra parte la sensible reducción delas emisiones de SO2 mediante la adición de un agente desulfurante como la caliza.

Naturalmente, la proporción de caliza a aportar al lecho debe ser función del contenidoen azufre del carbón a quemar, ya que su única misión es mejorar parámetros

ambientales de las emisiones de gases de escape. La cantidad de caliza a aportar al lechodependerá del contenido de azufre del carbón y de la proporción de recirculación(CLFC).

Desulfuración

Una de las más destacadas características de la CLF, es su alta capacidad para laretención "in situ" del azufre; lo que supone una considerable ventaja frente a losprocedimientos convencionales de carbón pulverizado o de parrilla, en los cuales esnecesario disponer de instalaciones de depuración de los gases de combustión si se

quiere eliminar el SO2 producido (FGD=Flue gas desulfuration).



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En la CLF puede retenerse el SO2 producido, mediante la adición de caliza, o enalgunos casos también dolomía. Las reacciones habidas dependen de las condiciones deoperación y de la presión. A la presión atmosférica, la caliza y la dolomía se calcinan deacuerdo con las reacciones:

CO3Ca + 42,9 Kcal/mol CaO + CO2

CO3Ca . CO3 Mg + 70,1 Kcal/mol CaO . MgO + 2CO2

Los óxidos de calcio y magnesio, reaccionan con el dióxido de azufre producido en lacombustión, formando sulfatos; los cuales son eliminados con las cenizas.

CaO + SO2 + ½ O2 SO4Ca + 92,4 Kcal/mol

CaO . MgO + SO2 + ½ O2 SO4Ca . MgO

La caliza y la dolomía también reaccionan directamente con el dióxido de azufre:CO3Ca + SO2 + ½ O2 SO4Ca + CO2 + 49,5 Kcal/mol

CO3Ca . MgO + SO2 + ½ O2 SO4Ca . MgO + CO2

Como se ve, en ningún caso se forma sulfato de magnesio solamente, esto es debido aque no es estable a la temperatura del lecho. Por lo que a presión atmosférica espreferible la caliza a la dolomía, ya que se requiere menor cantidad para retener unadeterminada cantidad de azufre dado. Sin embargo a alta presión la caliza es menosreactiva y no calcina, mientras que la presencia de los componentes de la calcinación de

la dolomía favorecen la ruptura de la estructura de la caliza y la desulfuración no selimita a los poros de la superficie; por lo que se utiliza dolomía en CLF a presión.



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La captura del azufre depende de cierto número de variables de operación y diseño,además del absorbente empleado, fundamentalmente son las siguientes:- Relación Ca/S: Cuanto mayor es esta relación tanto mayor será la retención delazufre.- De la temperatura del lecho, siendo óptima alrededor de los 850ºC

- Del tipo y tamaño de la caliza. La eficiencia de la caliza será mayor cuanto mayorcontacto tenga con el SO2, mayor superficie, mayor porosidad, mayor reactividad.- Tiempo de residencia. Cuanto mayor es el tiempo de residencia de los gases y de laspartículas sólidas en el lecho, tanto mayor será la probabilidad de que tengan lugar lasreacciones de desulfuración.

Se aprecia la tendencia para la captura de SO2 respecto la razón Ca/S para variastemperaturas del lecho.Al aumentar la razón Ca/S se incrementa la captura de azufre, pero es deseable minimizar laadición de calcio, ya que esto representa un costo mayor del absorbente, calor perdido através de la calcinación y problemas con el aumento de los desechos.

Otras variables que pueden afectar la captura de azufre incluyen la profundidad del lecho yla velocidad del gas. Un lecho más profundo permite mayor tiempo de residencia del gas, loque proporciona mayor tiempo de contacto con el absorbente y ayuda al incremento en lacaptura de azufre.Estas variables, además de la razón Ca/S, pueden ser equilibradas para alcanzar la eficienciaen la captura del azufre.

En la figura se presentan curvas calculadas que ilustran esta eficiencia de eliminación deazufre contra la razón Ca/S.En la curva A, el comportamiento de una baja velocidad a través del lecho, muestra la altacaptura de azufre a una velocidad relativamente baja.La curva B indica que son necesarias altas razones Ca/S para capturar cantidadesimportantes de azufre con velocidades grandes en el lecho.



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Dióxido de azufre, SO2 Cuando se queman combustibles que contienen S, la mayor parte de éste se oxida y pasaa SO2 formando parte de los gases de combustión. Cuando se añade caliza al lecho,tiene lugar un proceso endotérmico (calcinación) para formar la cal CaO:

CaCO3 ( sól ) + 766 ( Btu/lb) de CaCO3 ⇒ CaO( sól ) + CO2 ( gas )

la cual una vez formada reacciona con el SO2 de los gases y con el O2, según un

proceso exotérmico, formando sulfato cálcico CaSO4, según la reacción:

SO2 + 12O2 + CaO( sól)⇒ CaSO4 ( sól ) + 6733 Btu/lb( de S)

Para las temperaturas de operación de un lecho fluidificado el sulfato cálcico CaSO4 esquímicamente estable, se elimina en forma sólida, y se puede vender.Las primeras instalaciones de combustión en lecho fluidificado se realizaron en calderasde proceso directo (de un paso), en las que el carbón y la caliza alimentaban la cámarade combustión, reaccionaban en la misma, y salían del sistema.

La eficiencia de la combustión y de la captura de S quedaban por debajo de los valores

esperados en el diseño. Para mejorar la instalación, una parte de los sólidos que salíandel hogar (ceniza, CaSO4, C y cal) se separaba de los gases mediante un colector depolvo situado entre el economizador y el calentador de aire, y se recirculabainyectándolos en el hogar para facilitar otras reacciones.

El efecto de la recirculación de sólidos sobre la captura de S en un lecho fluidificadoburbujeante, limita los valores del recirculado a un máximo de 2,5 veces el decombustible, como resultado de consideraciones de tipo práctico relativas al tamaño ydisposición de los equipos.

En el lecho fluidificado circulante, aguas abajo del hogar, se coloca un colector-

separador primario, diseñado especialmente para la recirculación de todos los sólidos



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capturados, por lo que la captura de S y la eficiencia de la combustión se mejoran, conrelación a los lechos fluidificados burbujeantes.

Algunos diseños incluyen un segundo colector-separador situado aguas debajo de lazona de convección, debido al incremento de la concentración de partículas finas en el

hogar.Todas estas mejoras son consecuencia de los mayores tiempos de contacto sólido-gases

y de la mayor superficie de las partículas finas, que están en contacto con los gases.

En el lecho fluidificado circulante es normal una reducción del 90% de SO2 para unarelación molar 2 < Ca/S< 2 ,5 según sea el contenido en S del combustible y lareactividad de la caliza.

En el lecho fluidificado burbujeante se precisan relaciones Ca/S ligeramente superioresa 2,5.

Para una mejor eficiencia en el proceso de captura y de forma tal de favorecer laincorporación de la cal al sistema, se debe cumplir con la siguiente distribucióngranulométrica en el material a ser alimentado:

Óxidos de nitrógeno NOx. Tienen dos orígenes distintos:-N2 que contiene el combustible-N2 que contiene el aire comburente

Normalmente, a los óxidos de nitrógeno en los humos se les considera como NOxsiendo el subíndice representativo de varios compuestos.El óxido que procede del combustible se denomina NOx del combustible, mientras queel formado por la oxidación del nitrógeno del airecomburente se llama NOx térmico,puesto que es el resultado de un proceso a alta temperatura, superior a 1482ºC.



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Como el lecho fluidificado opera a baja temperatura, el NOx térmico es mínimo, en elglobal de los NOx formados.Una caldera de lecho fluidificado puede suprimir o minimizar el NOx del combustible,disminuyendo la dosificación de airecomburente a través de la placa distribuidora, porlo que parte de los compuestos de N2 del combustible se descomponen en nitrógeno

molecular, en lugar de contribuir a la formación de los NOx. Este proceso decombustión estratificada se usa también en otros métodos de combustión, para lograr elmismo fin.

La combustión estratificada se usa en:-Lechos fluidificados burbujeantes que no tengan superficies termointercambiadorassumergidas en el lecho-Todos los lechos fluidificados circulantes

Este tipo de combustión no se emplea con haces tubulares sumergidos en el lecho,porque con combustión subestequiométrica los gases tienen muchos componentes

reductores, que suelen provocar rápidas pérdidas de metal en los tubos del hogar. En lacombustión estratificada, las paredes del hogar se protegen en toda la altura de la zonareductora del hogar, con una delgada capa de refractario.

Un valor normal de emisión de NOx para lechos fluidificados de unidades que quemancarbones, está entre 100÷ 200 ppm de volumen seco.

DDoossiif f iiccaacciióónn ddee llaa ccaalliizzaa eenn eell hhoorrnnoo f f lluuiiddiizzaaddoo

El carbón sale de la mina en trozos de diferente tamaño mezclados con buena cantidadde otros productos minerales y con un contenido variable en agua. Se hace necesarioeliminar la ganga y el agua, para evitar el transporte de materia inútil desde bocaminahasta lugar de empleo, y realizar una separación por tamaños que elimine materiasestériles.

La preparación previa del carbón comprende las operaciones mecánicas declasificación, lavado y secado del mismo y en algunas circunstancias la de aglomeracióny suspensión cálcica.

El carbón se alimenta molido a tamaño de unos pocos milímetros junto con caliza

también molida al reactor en el cual una corriente ascendente de aire los mantiene ensuspensión mientras se desarrolla el proceso de combustión, éste tiene lugar a bajatemperatura, en torno a 850 ºC. En el lecho el carbón representa una proporción dematerial inferior al 5% del total, el resto es caliza y cenizas del proceso. En estascondiciones operativas.

El tamaño ideal del absorbente con que se alimenta la caldera debe ser el necesario ysuficiente para formar un lecho estable. Durante los procesos de calentamiento,calcinación y sulfatación, el tamaño del absorbente (que entra a formar parte delmaterial del lecho) varía, así como sus propiedades físicas y químicas, por lo que enmuchos casos no se puede predecir con fiabilidad su tamaño.



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Las calizas muy blandas se degradan con más rapidez que otras, por lo que durante laoperación inicial de un lecho fluidificado hay que comprobar sus características yrealizar los tanteos necesarios para establecer su tamaño adecuado y régimen de aporte.

Para la combustión en lechos fluidificados, el tamaño del combustible se sitúa entre el

del carbón pulverizado y el del hogar mecánico; para un lecho fluido, el carbón setrocea a un tamaño menor de 6,4 mm, pudiéndose utilizar según las propiedades delcarbón tamaños superiores a 31,8 mm e inferiores a 3,18 mm.

El sistema de alimentación de sólidos que se utiliza normalmente es el de alimentadoresde dispersión, bien mecánicos o asistidos neumáticamente. Este tipo de alimentadores,que inyectan por encima del lecho, presenta ventajas sobre la alimentación porinyección debajo del lecho, reduciendo considerablemente el número de puntos dealimentación. Otra ventaja de estos alimentadores es su fiabilidad.

La alimentación del sorbente (caliza) se realiza por gravedad, o neumáticamente, desdeel silo de almacenamiento, mediante una válvula rotativa.Los tamaños de alimentación del combustible suelen ser menores de 5 mm., mientrasque la caliza no suele exceder 2 ó 3 mm.La rejilla distribuidora de aire está dotada de boquillas direccionales para dirigir las decenizas, material gastado, piedras alimentadas con el combustible, etc. hacia el oportunodrenaje del lecho. Es necesario ir eliminando estos materiales para evitar suacumulación en el fondo del lecho, lo que conduciría a la defluidización del mismo oformación de aglomeraciones en el fondo del hogar.

Sistema de alimentación del absorbente. Para capturar el SO en la caldera de lechofluidificado, se añade caliza o dolomía, por la parte inferior del hogar.El diseño del sistema de alimentación del absorbente debe tener en cuenta:

-El punto de inyección de este material en el hogar-La presión del hogar en dicho punto-El procedimiento a utilizar para la inyección



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Cuando se trata de lechos con alimentación inferior, el absorbente se mezcla e inyectacon el combustible, ya que por su finura no se puede alimentar adecuadamente con unalimentador independiente.

Sistema de evacuación de la ceniza del lecho. Cuando en una caldera de lechofluidificado se quema un combustible con una cierta cantidad de ceniza, ésta se liberadel carbón dentro del hogar de la caldera al tiempo que se alimentan el absorbente y losmateriales inertes, por lo que hay que proveer los medios necesarios para la evacuaciónde sólidos del sistema.

En una caldera de lecho fluidificado, hay dos ubicaciones desde las que se evacuan lossólidos:-La constituida por el drenaje del lecho-La que corresponde al filtro de sacos o al colector-precipitador electrostático

Cuando se trata de combustibles con ceniza con gran cantidad de álcalis, resultaimprescindible drenar el material del lecho de la caldera, para evitar una concentraciónalcalina en el lecho; si la concentración de álcalis sobrepasa el 5÷ 6% del peso dellecho, la probabilidad de que se formen aglomerados de escorias aumenta de formanotable.

Otro caso se presenta cuando el combustible tiene elevados contenidos de:-Materia rocosa (pizarra)-Ceniza de tamaño superior a 12,7 mm

ya que existe una cierta tendencia a que ese material incombustible se acumule en ellecho, lo que implicaría una pérdida de fluidificación; para evitar esta situación, elmaterial acumulado se remueve hacia el drenaje del lecho, para su evacuación.

Un diseño típico es el basado en un lecho fluidizado burbujeante a presión atmosférica.En éste, se fluidiza en primer lugar un lecho de partículas de caliza o dolomita medianteaire y, posteriormente, se inyectan partículas pequeñas de carbón (3−6 mm). Debido a

las elevadas velocidades del gas con que operan estas unidades, se produce una pérdidaconsiderable de partículas.Estas partículas, que suelen contener carbono sin quemar, bien se atrapan y queman en

celdas diseñadas para ello o se devuelven al lecho fluidizado con la ayuda de ciclones.

Debido a que las partículas de caliza y dolomita capturan mejor los componentes deazufre si el lecho se mantiene a 850 ºC aproximadamente, los intercambiadores de calorsuelen ir en el propio lecho.Además existen intercambiadores en las paredes del mismo y en la sección de salida degases, para lograr un mejor rendimiento del proceso.

Caracterización y medida de las partículas En los hogares de calderas de lechofluidificado, el movimiento de las partículas viene afectado por:- Las fuerzas gravitatorias- Los impactos de las partículas entre sí

- Los impactos de las partículas con las paredes de la caldera



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Las características más importantes de una partícula son: su tamaño, densidad ygeometríaLa forma de la partícula puede ser desde esférica hasta plana, y determina cómoreacciona frente a las fuerzas presentes en el hogar. La partícula ideal sería una esferahomogénea, y la mezcla ideal estaría constituida por un conjunto de esferas homogéneas

de igual diámetro.

En la práctica, las mezclas que se presentan son conjuntos de partículas con diferentestamaños, densidades y formas.

En los lechos fluidificados los cálculos de transferencia de calor y pérdidas de presión,presuponen que las mezclas de partículas se caracterizan por:-Un diámetro y densidad promedio de partícula-Una densidad aparente de la mezcla

Cálculo del tamaño de las partículas

Para calcular el diámetro medio de las partículas éstas se suponen esféricas. Para teneren cuenta que las partículas reales no son esféricas, se introduce un factor de correccióndel diámetro medio calculado.Al ser una mezcla, se utiliza el cribado de la muestra representativa de la misma,mediante una serie de tamices en columna con mallas cada vez más finas. También hayque comprobar el peso de las cantidades de mezcla cribada que han quedado retenidasen cada uno de los tamices de la columnaEn lechos fluidificados se usan dos diámetros característicos, el gravimétrico y elSauter.

El diámetro Sauter para una mezcla de partículas, se calcula a partir de la relaciónVolumen medio/Superficie media del lote de partículas y se utiliza para predecir elcomportamiento hidrodinámico de mezclas, calculándose a partir de las fraccionesgravimétricas de las mezclas de partículas, por la ecuación:

El diámetro gravimétrico medio se calcula a partir de la fracción en peso de cada

tamaño de la mezcla de partículas, mediante la expresión:

Calcinación

Las partículas de caliza y dolomita se pueden calcinar de forma sencilla en un lechofluidizado quemando directamente combustible en el lecho. La reacción es altamenteendotérmica por lo que supone un elevado derroche de combustible. Para recuperar gran

parte del calor se suelen emplear sistemas multietapa, donde el material bruto seintroduce por la etapa superior y va cayendo de etapa en etapa. En la etapa de



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calcinación, que es una de las inferiores, se inyecta combustible que se mezcla con elaire de fluidización quemando las partículas de material. El calor residual sirve paraaumentar la temperatura de las partículas de las fases superiores y los restos calcinadosabandonan el lecho por la parte inferior.

Composición y profundidad del lecho.

La materia constitutiva del lecho está formada, como consecuencia del efecto de laLa profundidad del lecho puede variar desde 15-20 cm (delgado o superficial) hasta 0,8-1,0 m o más (profundo), dependiendo del grado de desulfuración requerido. Uncombustible con poco azufre, no requiere caliza para alcanzar las exigenciasmedioambientales y puede utilizarse material inerte (arena por ejemplo) sólo paraconseguir las condiciones de fluidización, con lo que el lecho será poco profundo o"superficial". Cuando los combustibles utilizados son de alto contenido en azufre, serequiere una cierta cantidad de caliza para capturar el SO2 a la vez que convieneaumentar el tiempo de residencia de los gases en el lecho, por lo que éste ha de ser másprofundo. Si además el carbón es de alto contenido en cenizas, ellas mismasincrementarán la profundidad del lecho.

Balance de materia

Cuando se utiliza caliza como absorbente tienen lugar unas reacciones que afectan albalance de sólidos:



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Durante la calcinación hay una pequeña pérdida de sólidos, consecuencia de laformación endotérmica del CO2 a partir del CaCO3 y, posteriormente, se presenta unaganancia similar en la sulfatación exotérmica del CaSO4

Hay que tener en cuenta que dentro de la caldera se produce una cantidad importante de

sólidos en recirculación. Desde el punto de vista del balance global de materia, lossólidos que entran en el hogar pueden salir:- Como material relativamente grueso a través del drenaje del lecho, ó- Como material fino que se evacúa tras su paso por el área de convección

Las partículas finas que salen del lecho y se recirculan, abandonan el sistema trasrecorrer el área de convección de la unidad, a través de un separador colector de polvo ode un multiciclón.

En lo que sigue, se supondrá que en la caldera entra un absorbente que experimentareacciones complejas de calcinación y sulfatación y que el combustible se quema por

completo formando sólo cenizas.

Estos flujos no se deben confundir con el de absorbente no utilizado y con el decombustible que alimenta la caldera. Las fracciones Ea, Es y Ei dependen de la cenizadel combustible, del absorbente y de la materia inerte que haya en el sistema, valoresque se determinan siempre de forma experimental.



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Los valores de NUB, NMC y E, tanto para los componentes entrantes como para el totalde sólidos, están relacionados entre sí, por el siguiente balance de materia:

ESF(1 - N UB ) ( 1 - N MC ) + MCP = E( ISF )

Los pasos para establecer un balance de materia en un lecho fluidificado circulante, son:ISF se define con las entradas de combustible y caliza; la entrada de caliza esproporcional a la de combustible y se calcula para que efectúe la retención deseada de SE se define con datos experimentalesESF se adopta por consideraciones de diseño del hogarNMC y NUB se fijan por la experiencia

Se observa que la pérdida correspondiente al filtro de sacos (BHC) se consideradespreciable.Con los valores de E, NMC y NUB adecuados, el máximo flujo de sólidos en el paso deconvección (CPSF) no es superior a la mayor carga de sólidos en el paso de convección.Casi siempre se puede diseñar una caldera (CFB) con purga (MPC) nula delmulticiclón.

Balance de materia en lecho burbujeante. Para estas calderas se tiene:ISF igual que en lecho circulanteE se selecciona sobre datos empíricos

BDF = (1 - E) ISF



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La capacidad del sistema multiciclón (MCRC) se define por datos empíricos y siempreproporcionalmente al combustible.NMC se fija experimentalmente y según la utilización deseada del absorbente y laconversión de C

PPrroobblleemmaass eenneerrggééttiiccooss yy eeccoonnóómmiiccooss qquuee iimmpplliiccaa llaa uuttiilliizzaacciióónn ddee ccaalliizzaa eenn llaa ccoommbbuussttiióónn ddee ccaarrbbóónn eenn lleecchhoo f f lluuiiddiizzaaddoo

Como desventaja más sobresaliente hay que citar el mayor coste de instalación, quedebe construirse específicamente para este fin y el mayor cuidado con la naturaleza delos residuos para evitar que se formen eutécticos que puedan fundir o colapsar el lecho.

Además el uso de este tipo de combustores implica algunas desventajas más:

- El almacenamiento de los residuos (1Tn de carbonato cálcico por cada 5Tn de carbón)es un grave problema (especialmente si el agua de lluvia puede arrastrar estos depósitosal subsuelo).El sulfato cálcico producido en el proceso es un producto de desecho seco cuyaeliminación puede plantear problemas.

-Necesidad de ciclones para evitar inquemados. Además con altos caudales de finospuede dar lugar a atascos debido a la formación de aglomerados y problemas con las

líneas de transporte de cenizas y generar problemas en la extracción de cenizas de estosciclones.



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-Es necesario un exhaustivo control del arrastre de carbón inquemado (que no se hapodido evitar) por los gases de combustión.

-Como consecuencia del manejo de arena de sílice, se produce mayor cantidad depolvos en los humos, lo que implica la necesidad de eliminarlos mediante filtros de

mangas posteriores.

-Alimentación compleja del carbón triturado y del absorbente calizo.Además de poseer menor capacidad horaria.

-Necesidad de molienda. En la mayoría de los casos se necesita una trituraciónhomogénea de los residuos de la combustión, ya que de otra forma se pueden produciratascos en los sistemas de alimentación y problemas en los hornos.

-Grandes problemas económicos y técnicos, debidos al alto coste de mantenimiento deestas plantas.

- Mayor consumo de energía eléctrica, por la incidencia que representa la soplante dellecho.

- La erosión en depósitos y tuberías debida a la abrasión por las partículas puede serpronunciada. Por otra parte, las partículas finas en ocasiones son arrastradas por el gas ydeben ser reemplazadas.

-Necesidad de la extinción de la combustión mediante tubos refrigeradores de aguasumergidos en el lecho.

-Gran dificultad para el funcionamiento con carga variable.

- Para la combustión en lecho fluido atmosférico se necesitan ventiladores tanto de tiroforzado como inducido. Con los lechos fluidos a presión se requieren compresores queproporcionen al aire de combustión una sobrepresión. También se emplean filtroselectrostáticos, separadores de cenizas volantes, precalentadores de aire y otroselementos auxiliares.

- En lechos con fluidización burbujeante de partículas finas, la dificultad para definir elflujo de gas supone un mezclado ineficiente. Esto puede ser de especial importancia

cuando se requiere una conversión elevada de reactantes gaseosos o una altaselectividad para una reacción intermedia.

- La rápida mezcla de partículas en el lecho provoca tiempos de residencia variables. Enel tratamiento continuo de sólidos, se tiene un producto no uniforme y un rendimientobajo, especialmente a altos niveles de conversión. Para reacciones catalíticas elmovimiento de partículas catalizadoras porosas, que continuamente capturan y liberanmoléculas de gas reactante, contribuye al mezclado posterior de reactantes gaseososdisminuyéndose así el rendimiento del sistema.

- En operaciones no catalíticas a alta temperatura, la aglomeración y sinterización de las

partículas finas puede requerir un descenso en la temperatura de trabajo, reduciéndoseasí la velocidad de la reacción de forma considerable



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-Es necesario tomar precauciones frente a la concentración de metales alcalinos en ellecho, ya que podrían provocar incrustaciones, especialmente en el sobrecalentador, loque sugiere elegir una temperatura de operación para el hogar del lecho fluidificado de816ºC, para aquellos combustibles que tengan cenizas con alto contenido en metales

alcalinos. Lo que implica mayores esfuerzos para el mantenimiento de esta temperaturaidónea.

-Cuando se queman combustibles con un alto grado de humedad, es necesario tener encuenta el peso que adquieren los humos por el vapor de agua que llevan, situación quehay que prever en el diseño de los pasos de convección y otros componentes de launidad.

-La velocidad de flujo del gas debe estar relacionada con las propiedades de laspartículas sólidas del lecho (tamaño y densidad).

- Exige un diseño depurado que contemple todos y cada uno de los parámetros críticosdel proceso y de la caldera en sí, aprovechando la experiencia adquirida en las distintasunidades en funcionamiento.

SSiittuuaacciióónn aaccttuuaall eenn EEssppaaññaa ddee llaass aapplliiccaacciioonneess ““eenneerrggééttiiccaass”” ddee llaa ppiieeddrraa ccaalliizzaa..

Desde principios del decenio de 1.980, existen en el mundo numerosos generadores devapor con combustión en lecho fluido de carbón. Inicialmente, los parámetros del vapor

vivo eran de unos 170 bar y 540 ºC, con capacidades de unos 50 kg/s.A finales de ese mismo decenio en España a entró en funcionamiento la central dedemostración de lecho fluido a presión de Escatrón, en Zaragoza, buscando unaalternativa para el uso limpio de los carbones subituminosos de Teruel. Se recuperóparte del grupo nº 4 de la antigua central de Escatrón, la turbina de vapor e instalacionescomplementarias, que tenían treinta años de vida.

La central con combustor de lecho fluidizado a presión entró en funcionamiento en1990 y ha estado operativa durante quince años funcionando en ciclo combinado con unlecho fluido a 12 bar de presión y 860 ºC El vapor de agua se genera a 88 bar y 510 ºC,y desarrolla 63 MWe. Los gases de combustión, con un caudal de 88 kg/s a 10,2 bar,

tras pasar por un separador de ciclón, generan otros 17 MWe en la turbina de gas.



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Hubieron problemas operativos en el inicio fueron, como es lógico, importantes, peroaún así se consiguió sobrepasar las 1.300 horas de combustión de carbón en ese primeraño; en el segundo se llegó a las 3.500 horas y a partir de ahí se opera a ritmo de unas5.000 horas anuales.

La experiencia, en definitiva, no ha sido todo lo positiva que se deseaba, sobre todo ensu valoración, hay que señalar algunas causas y resultados obtenidos:

-Se utilizó continuamente un carbón distinto al de diseño que era subituminoso de lacuenca AndorraSe quemó casi continuamente lignito de Mequinenza con elevado contenido en cenizastipo carbonato con presencia elevada de álcalis y baja temperatura de fusión; losproblemas de fusión de escorias fueron frecuentes. Los carbones subituminosos deTeruel tienen cenizas de tipo silicato que a la temperatura de 850 ºC no presentanproblemas de fusión.

-La potencia a régimen de plena carga resultó de algo menos de 70 MW, mientras que lade diseño era de 82 MW; hubo un empecinamiento en llevar la central a esa potenciacon lo cual se incrementaron los problemas operativos.

-La indisponibilidad en conjunto fue alta, bien por fusión de escorias bien, por atascosen las patas de ciclones de retorno de cenizas al lecho, o por fallos en la turbina de gas,e incluso por problemas en los equipos antiguos recuperados.

-El rendimiento energético fue bueno, llegó a más de 36% referido al poder caloríficoinferior del combustible, hay que tener en cuenta que el ciclo de vapor condicionado porla turbina recuperada era de bajo rendimiento.

-Los parámetros ambientales en general fueron buenos, la retención de azufre fue mayordel 98% funcionando con combustible que llegaba al 8% de contenido de azufre; hayque señalar que de los óxidos de azufre emitidos un 5% pasaban a ser SO3 en vez deSO2, esto está condicionado al trabajo a presión.Las emisiones de óxidos de nitrógeno fueron inferiores a 300 mgr/Nm3.

Ha habido algunos problemas más, como los referentes a la alimentación, pero todosellos se han ido subsanando con las modificaciones de diseño oportunas.La planta ha llegado a operar a la potencia de diseño, pero se ha visto que en esta

situación estaba sobrecargada.



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Como ejemplo de utilización de caldera de lecho fluidizado circulante tenemos enEspaña una planta de 50 MW de potencia conectada a red, la Central térmica de LaPereda (Hunosa) en Asturias, que opera desde 1994.Puede funcionar con carbón de la zona, pero que habitualmente quema estérilesantiguos de lavaderos y otros residuos, en mezclas que llegan a tener hasta un 70% de

cenizas, concretamente 59,8% estériles de escombrera, 35,3% carbón bruto y 4,9%residuos de madera. Utiliza como absorbente caliza (95,5% CaCO3)

Contribuye claramente a realizar una buena labor ambiental al eliminar estos residuos.La planta funciona con muy buena disponibilidad y parámetros ambientales. Por elcontrario, el rendimiento energético es moderado, como corresponde a esta tecnología,en torno al 30% sobre el poder calorífico inferior, acorde con calidad del combustible yel propio diseño de la instalación.

Cabe mencionar otro uso “energético” de la caliza además de la desulfuración: Separación de CO2 con CaODesde hace algún tiempo se han planteado las reacciones de carbonatación del óxido decalcio y su inversa como una opción para separar el CO2 de humos de combustión a altatemperatura.

En el carbonatador entra una corriente de humos de combustión con CO2 donde se poneen contacto con el absorbente, CaO, a unas temperaturas típicas entre 600ºC y 750ºC.La reacción de carbonatación produce carbonato cálcico (CaCO3). La reacción de



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calcinación, reacción inversa a la carbonatación y que es la regeneración del absorbente,se lleva a cabo en el calcinador, donde se obtiene una corriente de CO2. Para que elsistema funcione en continuo, debe suministrarse constantemente una cantidad deabsorbente fresco para contrarrestar la pérdida de capacidad del absorbente debido a sudesactivación.

Uno de los principales problemas del LCCC es que la reacción de calcinación esaltamente endotérmica, 0.168 MJ/(mol Ca) a 900ºC, esto supone por ejemplo que, paraun sistema basado en combustión de carbón, el calor necesario para la calcinación de lacaliza formada por la captura del CO2 producido en la combustión del carbón seríasuperior a un tercio de la potencia térmica suministrada a la cámara de combustión. Unmétodo propuesto para evitar un aporte adicional de energía es suministrar el calornecesario para mantener la reacción de calcinación desde la cámara de combustióngeneradora del CO2.

Por ello se plantea realizar la calcinación en un reactor de combustión de carbón en

lecho fluidizado con O2 /CO2.Otro de los problemas importantes del LCCC es la desactivación del absorbente porsinterización interna, ya que impide la reversibilidad de la reacción con los ciclos. el

Endesa, en colaboración con Hunosa y el CSIC, ha iniciado el proyecto de construcciónde una planta experimental de 1 megavatio (MW) para la captura de CO2 en La Pereda(Mieres-Asturias), junto a la actual central termoeléctrica de La Pereda ya mencionada.

Este proyecto se enmarca dentro del acuerdo de colaboración firmado por Endesa,Hunosa y el CSIC para el desarrollo de la tecnología de captura de CO2 mediante el usode caliza como absorbente.

El objetivo del proyecto es construir una planta piloto que servirá para validartécnicamente esta tecnología de captura, de menor coste económico que otrasalternativas. La planta consistirá en dos reactores de lecho fluido circulante de 15metros de altura interconectados.La planta está diseñada para tratar hasta 2.600 m3 /h de gases de combustión y poseerá

una capacidad de captura de 8 toneladas de CO2 día con eficiencias de alrededor del90%. La puesta en marcha de la misma está prevista para el inicio de 2011.



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RReeccoommeennddaacciioonneess

El uso de la caliza a priori es recomendable debido al bajo coste de la caliza, su grandisponibilidad geográfica y su nula peligrosidad.

La normativa medio-ambiental, cada vez más estricta, en el sector de la generación deenergía va marginando importantes recursos de combustibles, debido a su altocontenido en azufre, o creando cantidades considerables de rechazos de lavadero queson inutilizables según los métodos clásicos, como la combustión en calderas de carbónpulverizado. La Combustión en Lecho Fluido es una alternativa en auge en todo elmundo, dada su capacidad para la reducción "in situ" de los óxidos de azufre y paraquemar combustibles pobres sin el apoyo de hidrocarburos.

El objetivo que se persigue en las normativas europeas ya es que las emisiones de SO2 en las grandes instalaciones de combustión se sitúen por debajo de 200 mgr/Nm3, éstosupondría bajar de 0,1 gr/kWh.

Con los carbones de comercio internacional, con un contenido en azufre de 0,7%, lasemisiones son de unos 800 mgr/Nm3; si nos vamos a carbones de contenidos máshabituales, por ejemplo de algo más de 2% de azufre las emisiones se sitúan en torno a3.000 mgr/Nm3.

Obliga a que, para la mayor parte de dichos recursos (casi un 70 %), el carbón haya desometerse a una desulfuración, ya sea antes de su combustión, durante la misma odespués de la combustión como ya hemos comentado.

Y ya sabemos que la combustión en lecho fluido permite reducir las emisiones deóxidos de azufre en un 90 %, o incluso más, en comparación con las unidadesconvencionales.

Sin embargo, el pretratamiento del carbón puede eliminar sólo de un 5 a un 30% delazufre. Por tanto, los esfuerzos se han concentrado en procesos en los cuales el azufre seelimina con la ceniza en el sistema de combustión.Aunque la realidad es que más del 97% de todos los controles de emisiones de SO 2 secumplimentan mediante las depuraciones convencionales por vía húmeda y por vía seca.

En la actualidad hay instaladas en todo el mundo más 1.300 grandes centrales eléctricasque usan carbón como combustible primario, de la cuales 15 se encuentran en España.

En el caso español y, en parte en la Europa Comunitaria, en el momento actual existeuna sobrecapacidad de potencia instalada frente a la demanda.Ello implica que en España no existan proyectos a corto plazo de construcción denuevas plantas de generación de energía eléctrica.

Es previsible que la demanda siga incrementándose y a mediados de la presente décadase precisará en España la puesta en operación de nuevas plantas de forma continuada enel tiempo, entre otras razones porque las actualmente en operación estarán másobsoletas.

El carbón parece pues llamado a ser la fuente energética básica para suplir la nueva

potencia a instalar junto con el gas natural. Se estima que en la próxima década en elconjunto de la Europa Occidental se podrían instalar unos 75000 MW a partir de



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carbón. Para España, se estima que de promedio la demanda puede crecer anualmentecerca de un 3%.

A partir de mediados de la década se precisará nueva potencia, que teniendo en cuentala finalización de la vida de grupos actualmente en operación, será del orden de unos1000 MW anuales, alcanzando entre 10.000 y 15.000 MW de nueva instalación en lasdos próximas décadas.

Por otra parte Bruselas ha autorizado recientemente las ayudas al carbón en Españahasta 2014 lo que asegura la utilización del carbón nacional durante 4 años más.En España los principales yacimientos de hulla y antracita están en León, Asturias,Palencia, Córdoba y Ciudad Real.

En la vertiente mediterránea española se encuentran los yacimientos de lignito negros

que constituyen la reserva de carbones explotables más importante de España.Estos carbones, tienen un alto contenido en azufre, entre 3 y 7%.Por ello se hace preciso disponer en plazo breve de una tecnología limpia y competitivay si la demanda eléctrica lo permite construir nuevos grupos en función de las reservas.

Más concretamente los carbones que más se aprovecharían en un horno de lecho fluidocirculante serían:-La Antracita de la Cuenca de El Bierzo tiene un contenido en azufre medio de 1%; enparticular las zonas de Gaiztarro y Fabero pueden llegar al 2-3%.-El Lignito Negro de la Cuenca de Teruel Norte constituye una de las reservasnacionales de carbón más importantes (Mayor de 800 M de toneladas) tiene uncontenido en cenizas variable del 30 al 40% y un alto contenido en azufre (6%)-El Lignito Negro de la Cuenca de Mequinenza es similar al de Teruel Norte, peropresenta dos características diferenciales con respecto a éste: un alto contenido de óxidode calcio en las cenizas (20%) lo que supone una retención previa de SO2 en la propiacombustión y como consecuencia menor aportación de caliza y un bajo punto de fusiónde las cenizas (1100ºC). En este caso la tecnología de lecho fluido circulante tiene comoventaja el eliminar el problema de escorificación, ya que opera a temperaturas pordebajo del punto de fusión (850ºC), a los que hay que añadir su alto rendimiento decombustión (99,5%) debido a la alta reactividad y una baja aportación de caliza (Ca/S =2) para altos rendimientos de separación de azufre (98%) por la presencia de óxido de

calcio en las cenizas.



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-La Hulla de la Cuenca de Puertollano, cuyas reservas se estiman en 250 M detoneladas, alto contenido en cenizas (45%) y medio en azufre (1,3%) impide suutilización en la tecnología de carbón pulverizado,-El Lignito Pardo de la zona de Arenas del Rey, cuyas reservas se estiman en 60 M detoneladas, azufre, 3%,

Para los que no sería muy necesario son el Lignito Pardo de Guinzo de Limia puesposee bajo contenido en azufre (0,3%), y la Hulla y Antracita de la Cuenca dePeñarroya tienen como característica especial su alto contenido en cenizas (mayor del50%) y bajo en azufre (0,4-0,5%).

Varios son los condicionantes tenidos en cuenta a la hora de realizar la selección

tecnológica. Por un lado los requisitos medioambientales ya citados. El incremento delrendimiento es importante teniendo en cuenta que tanto el lignito negro como otroscarbones de producción interna en España y otros países europeos tienen un precio enun 30% superior a los de importación puestos ya en consumidor.

Todo lo anterior hacía que la tecnología de combustión en lecho fluido a presión fuerala alternativa de mayor interés, sin olvidar que la combustión en lecho fluido circulantea presión atmosférica puede ser la solución más adecuada para los carbones marginales,de alto contenido en cenizas y heterogéneos, lo que permitiría que la combustión enlecho fluido a presión trabaje con carbones homogéneos.

La tecnología de combustión en lecho fluido a presión es una alternativa en desarrolloque no cuenta con ninguna planta industrial en operación, solo instalaciones piloto. Apesar de que se encuentra plenamente disponible y operativa a nivel comercial, hastatamaños superiores a 250 MWe y mayores, existe hoy en día, una demanda crecientepor parte de las empresas de generación eléctrica de grupos con potencia unitaria de 300MWe o incluso superiores.

Por todas las razones mencionadas anteriormente, los lechos fluidizados son idealespara ciertas operaciones industriales.La versatilidad en lo relativo a combustibles y los buenos resultados de emisiones hacenque sea una solución en la cual se apuesta para el futuro. De un lado se mejoran losparámetros térmicos de diseño y operación, incluso llevándolas a diseños supercríticos



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Los costos de operación dependen del precio de la piedra caliza y del uso que se leasigne al yeso, que es un subproducto de poco valor. En la mayoría de los casos, loscostos anuales de caliza y de disposición del yeso son ligeramente superiores a 10 porciento de la inversión. Los servicios auxiliares para la operación de este procesotambién representan alrededor de 10 por ciento. Los otros costos, con excepción de la

depreciación, son muy pequeños.

Como opinión personal decir que quizás el momento de haber explotado esta tecnologíafue hace unos años, cuando aún quedaba mucho carbón español que utilizar. De todasformas sí es una opción de futuro y debería seguir impulsándose, aunque si bien escierto que las plantas ya instaladas no han dado los mejores resultados.

Veamos las ventajas de la utilización de los lechos fluidificados frente a los habituales:

-Las temperaturas son bastante menores que las existentes en las otras calderas, con loque se evitan problemas con la fusión de escorias, facilitándose su evacuación y manejo,

en determinados carbones y se restringe la emisión de óxidos de nitrógeno.Reducción de los problemas de escoriación "fouling" y "slagging". Las cenizas puedenextraerse por la base del lecho (cenizas de fondo), en los ciclones y en los filtros delimpieza de los gases (cenizas volantes).

-Admiten combustibles de bajo rango, con alto contenido en cenizas, sin que sea unproblema la presencia de azufre.El proceso de combustión en lecho fluidificado sirve para quemar combustibles quetengan poderes caloríficos bajos, debido al rápido calentamiento de las partículas delcombustible debido a la gran masa de material caliente que configura el lechofluidificado y al gran tiempo de residencia del combustible en el lecho circunstanciasque compensan los efectos derivados de la menor temperatura de combustión.Un alto grado de fijación del Cloro y del Flúor en las cenizas.

-Tienen gran flexibilidad a la hora de consumir combustibles distintos del de diseño.Además de todo tipo de carbones, también coque de petróleo, residuos de madera ycortezas, residuos industriales combustibles, lodos de reciclado la fabricación de papel,lodos de depuradora, combustibles derivados de neumáticos…

-Tienen un buen índice de utilización del sorbente, habitualmente caliza triturada.

-Son simples en cuanto a diseño y operación. Las instalaciones son más compactas yposee reducidas dimensiones en comparación con las instalaciones convencionales degeneradores de vapor con desulfuración de humos postconectada.



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-Alcanzan buenas disponibilidades, superiores al 90 %.

-El coste de primera inversión es moderado. Las inversiones en centrales de lecho fluidoson similares a las de las centrales de carbón pulverizado que cuentan con sistemas delimpieza de gases. Para las que operan a presión atmosférica algo menores a los

1.800€/kW de potencia neta, y en las que operan a presión algo por encima de esa cifra.

-Permite la eliminación de desechos combustibles, evitando los gastos y riesgos devertidos o almacenamiento de los mismos.-No necesita de un combustible muy selectivo, aceptando todo tipo de tamaños, hasta50 mm. Además el tamaño de partículas es de un orden de magnitud menor que en unlecho fijo o móvil, aumentando la superficie de contacto gas-sólido y disminuyendo laresistencia a la difusión de los productos sólidos.

-No es necesario pulverizar el combustible que alimenta la caldera, solo se necesitamachacarlo.

-Mejora de la transferencia de calor, al poder disponer de tubos vaporizadores en ellecho y/o en las paredes de la cámara de combustión.

-Debido a la intensa agitación existente en un lecho gas-sólido, la distribución detemperaturas es mucho más uniforme que en un lecho fijo o móvil, llegando acondiciones casi isotérmicas, lo que optimiza la eficiencia térmica.

-Operación sencilla, flexible y estable, fácilmente controlable.

-Reducción de los choques térmicos, debido a la baja temperatura.

-No hay partes móviles en el sistema y hay menos temperatura en el hogar, con lo que elmantenimiento es mucho más reducido.

-Bajo coste de operación, debido a la utilización de combustibles pobres y a la facilidadde automatización.

-El carácter de comportamiento similar a un líquido que presenta un lecho fluido haceque sea muy fácil la incorporación o extracción de sólidos.



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-La posibilidad de circulación de sólidos entre dos lechos fluidos hace posibletransportar grandes cantidades de calor, que permiten compensar el calor consumidoproducido en grandes reactores.

- Un lecho con partículas bien mezcladas resiste con eficacia las rápidas variaciones detemperatura, responde lentamente a los cambios bruscos en las condiciones deoperación y ofrece un gran margen de seguridad, evitando pérdidas de temperatura enreacciones altamente exotérmicas.

-Menor exceso de aire de combustión, con lo que el rendimiento de la combustión serámayor.

- La circulación de sólidos entre dos lechos fluidizados hace posible conservar (osuministrar) grandes cantidades de calor que se puedan producir (o necesitar) en reactoresde gran tamaño.

- Las velocidades de transferencia de calor y masa entre el gas y las partículas son mayoresque en otros sistemas de mezclado.

- La capacidad de transferencia de calor entre un lecho fluidizado y un objeto inmerso en éles alta, por lo que los intercambiadores de calor dentro de los lechos fluidizados requierenuna superficie de transferencia relativamente baja.-Debido a que el ciclo termodinámico es esencialmente el mismo que el de las centralesa carbón convencionales, las centrales tienen una eficiencia similar de 38%.

-Existe una gran experiencia en aplicaciones de esta tecnología y hay varias de

empresas dedicadas a su implementación.

-Gracias a la gran inercia térmica del lecho admite grandes fluctuaciones en el caudal deresiduos o en su poder calorífico.

-Posibilidad de introducir catalizadores en el lecho. Esto se suele llevar a cabo a base deinyectar carbonato cálcico con la propia carga, de este modo se abaten los gases ácidosin situ.

-La reducción del contenido de SO2 en los gases de combustión permite una menortemperatura de los gases en la chimenea, ya que se producen menos ácidos al alcanzarse

el punto de rocío. Este menor calor sensible de los gases de combustión a la salida, setraduce en un incremento del rendimiento global de la planta.

En cuanto a la problemática del lavado de gases digamos que reduce el impactoambiental pero consumen energía reduciendo en 2-3% la eficacia de la instalación eincrementando del 10-15% la inversión sobre el inmovilizado del procedimientoconvencional.A veces las plantas de lavado no recuperan yeso, y se quedan en un lodo que contienesulfato cálcico, éste se envía a una balsa de estériles; es una solución que implica elvertido de un producto potencialmente contaminante pues en los lodos se encuentrantambién metales arrastrados por los gases de combustión, así como sulfuros cálcicos si



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las reacciones de oxidación no han sido completas. En este supuesto es preciso sercuidadoso con la construcción de esas balsas y su vigilancia.Las plantas de lavado de gases conllevan el enfriamiento de estos en el reactor y antesde la entrada en él, a temperaturas del orden de los 50 ºC, y adicionalmente estáncargados de humedad, tanto en forma de vapor de agua como pequeñas gotas de agua en

suspensión. En estas condiciones no se pueden llevar a la chimenea, es precisorecalentarlos para que estén en condiciones de dispersión como en cualquier chimenea yno den lugar a un penacho húmedo que caería en el entorno; ello supone la necesidad deemplear vapor para subir la temperatura por encima de los 100 ºC.El proceso de lavado en todas sus fases supone un consumo energético importante, tantoen este vapor como en energía eléctrica de accionamiento de los diferentes equipos. Seestima que todo ello supone reducir un punto porcentual el rendimiento de la centraltérmica. Se consigue no obstante eliminar más de un 99,5% del azufre contenido en losgases de combustión.La inversión en una planta de este tipo se sitúa en torno a los 250 €/kW instalado,

variando como es lógico con la calidad del carbón utilizado, con su contenido en azufre.

Por último observamos que dependiendo del tipo obtenemos distintas desulfuraciones:-DGC húmeda: 11% al 14%-DGC semiseca: 9% al 12%DGC con agua de mar: 7% al 10%

En cuanto a la elección entre lecho fluido circulante y lecho fluido burbujeante veamoslas diferencias:

Comparación entre LF Burbujeante y Circulante

Criterio CLFB CLFC

Superficie intercambio Superficies sumergidas Paredes membrana

Carga parcial 70% 30%

Variación de carga Lenta Rápida

Eficiencia de Combustión 85-90% 99%

Rendimiento de Caldera 80-85% 85-90%

Exceso de aire 1,2 a 1,4 1,1 a 1,2

Relación Ca/S para el 90% deretención de azufre

3-4 1-2

Emisiones de NOx 300-400 ppm 50-200 ppm

Combustible:

* Reactividad Alta Baja

* Granulometría Gruesa Fina



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-Para unos costes tecnológicos de implantación no evaluados, el rendimiento de CLFCes superior.-La CLFC permite la utilización de carbones de baja reactividad, lo que mejora el factorde diversidad de combustibles.-El coste social (ambiental) de la implantación de las CLFC es sensiblemente más bajo

que el de CLFB.-El lecho circulante tiene mayor rendimiento de la combustión y menor consumo decaliza, además se consiguen mayores reducciones en la formación de NOx.-También posee mayor tiempo de residencia de los sólidos, menor carga de sólidosarrastrados a la zona de recuperación de calor y equipos aguas abajo, menor erosiónpotencial en hogar y ciclones, como consecuencia de la menor carga de sólidos sobre ellecho.

Por otra parte, como ya se ha visto, la tecnología de lecho fluido presurizado suponebastante complejidad y una problemática aún no totalmente resuelta, que puederesumiese como sigue:

1. Alimentación de combustible y sorbente al reactor.2. Desgaste en los tubos inmersos en el lecho.3. Erosión y corrosión en la turbina de gas: limpieza de los gases.4. Extracción de las cenizas producidas.

No obstante, sus altos rendimientos y buen control de emisiones la hacen sumamenteatractiva, encontrándose actualmente en pleno desarrollo.

En cuanto a la comparación de las tecnologías de generación termoeléctrica, vemosbastantes diferencias que tendremos que tener en cuenta para cada caso concreto.



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La mayor parte de la información de este trabajo proviene de los anexos enviados y deambos documentos facilitados por usted en clase. También han sido consultados lassiguientes fuentes:

Tema III.1. El carbón. Apuntes de Tecnología Energética de 5º Ingeniero Industrial.UPCT. Autor: Juan Pedro Solano Fernández.

Tema IV. La caliza como materia. Apuntes de Química Industrial. 5º IngenieroIndustrial. UPCT.

http://es.wikipedia.org/wiki/Caliza

http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/publicaciones/publi_rocas/oto_2004/caliza.htm

http://www.ecoticias.com/co2/31800/noticias-medio-ambiente-medioambiente-medioambiental-ambiental-definicion-contaminacion-cambio-climatico-calentamiento-global-ecologia-ecosistema-impacto-politica-gestion-legislacion-educacion-responsabilidad-tecnico-sostenible-obama-greenpeace-co2-naciones-unidas-ingenieria-salud-Kioto-Copenhague-Mexico

http://web.ing.puc.cl/~power/alumno06/GNLalternatives/alternativas%20gnl.htm

http://www.fundacionenergia.es/PDFs/Carb%C3%B3n%20Futuro/Cap%C3%ADtulo%205.pdf

http://libros.redsauce.net/CentralesTermicas/PDFs/16CT.pdf

http://teide.cps.unizar.es:8080/pub/publicir.nsf/codigos/0186/$FILE/cp0186.pdf

http://www.santacruz.gov.ar/ambiente/audiencia/CD%20EIA%20CTRT/Cap%2004%20-%20Descripci%C3%B3n%20del%20Proyecto/EIA%20CTRT-Cap04%20Descripci%C3%B3n%20del%20Proyecto_Rev2.pdf

http://digital.csic.es/bitstream/10261/5416/1/TesisCelaya.pdf

Documents

Utilización de la piedra caliza en la industria energética