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EL CARBON COMO MATERIA EL CARBON COMO MATERIA PRIMAPRIMA
Clasificación de los CombustiblesClasificación de los Combustibles
Combustibles naturalesCombustibles naturales• Turbas
Son masas fibrosas de materia vegetal parcialmente descompuesta, que se ha acumulado en lugares inundados de agua. Generalmente se utiliza localmente como combustible pobre. • Lignitos
Bajo esta denominación se engloban muy diversos tipos de carbones,
aunque suelen agruparse en dos categorías: lignitos pardos y lignitos negros. Suelen consumirse en centrales térmicas situadas a
bocamina. • Hullas
Son los carbones que presentan un mayor interés, tanto como portadores de energía como por ser materia prima en la industria química y metalúrgica. Existen numerosas clasificaciones de las
hullas, motivado por los amplios límites en que se mueven sus
características. • Antracita
Es el carbón más duro y denso, tiene un contenido de calor elevado. Fuera de su combustión directa se utiliza para aplicaciones
metalúrgicas y gasificación.
Combustibles naturalesCombustibles naturales
CarbónCarbón
Evolución del CarbónEvolución del Carbón
• Turba• Lignito• Hulla• Antracita
Mayor reactividad
Mayor evolución(más carbonizados)
Además tendremos en cuenta:
• Temperatura de fusión de las cenizas• Reactividad del carbón
Tanto para el carbón como para el petróleo es interesante:
- Análisis Elemental- Análisis Inmediato- Poder Calorífico
¿Cómo caracterizar un carbón?¿Cómo caracterizar un carbón?
Análisis del tamaño de partículaAnálisis del tamaño de partícula Análisis elemental (C, H, O, S, N)Análisis elemental (C, H, O, S, N) Análisis inmediato o Técnico o Análisis inmediato o Técnico o
Aproximado. (Humedad, volátiles, Aproximado. (Humedad, volátiles, carbono fijo, cenizas)carbono fijo, cenizas)
Poder calorífico. (Inf. y Sup.)Poder calorífico. (Inf. y Sup.)
Análisis ElementalAnálisis Elemental
Proporciones de elementos (C, H, S, O y N)
ClavesC: Quemamos y analizamos CO y CO2
H: Quemamos y analizamos H2O
MedioambientalmenteS: Quemamos y analizamos SO2
N: Quemamos y analizamos NOx
El O por diferencia (no muy fiable)
Análisis InmediatoAnálisis InmediatoVolátiles, Carbono fijo, Humedad y Cenizas
Humedad: Poner a T que sepamos que se va el agua
Volátiles: Calentar en atmósfera inerte
Carbono fijo: Quemamos y lo que queda son cenizas
Los valores obtenidos se basan en unas Normas (fijamos condiciones)Para que podamos comparar
¡Estos valores no los podemos extrapolar al proceso!
Por ejemplo, un mismo carbón dependiendo de las condiciones no da los mismos Volátiles
% Volátiles% Carbono fijo
F( dp, T, )T
t Velocidad decalentamiento
Poder caloríficoPoder calorífico
PCSPCS PCIPCI PCS anhidroPCS anhidro PCI anhidroPCI anhidro
Poder Calorífico Superior
Poder Calorífico Inferior
A 25 ºC
Base (Carbón seco)
Experim
en
tale
s
Como realmente no estará seco, hemos de hacer transformaciones
Supongamos un carbón:
20 % Humedad30 % Humedad P.C. Distintos
Por este motivo se suele dar P.C. anhidro
Poder caloríficoPoder calorífico
PCS: “Calor liberado por 1 kg de PCS: “Calor liberado por 1 kg de combustible (a 25 ºC) para darcombustible (a 25 ºC) para dar
COCO22(g) + H(g) + H22O(l) (a 25 ºC).”O(l) (a 25 ºC).”
Ejemplo: Un carbón contiene 78 % de C, 5 % de H, 8 % de O y 9 % de cenizas con un PCS anhidro = 6700 kcal/kg de carbón secoSi tenemos una humedad del 15 %, calcular:
PCI anhidroPCSPCI
0
0
*
*
La ecuación balanceada de combustión para una masa unitaria
de combustible, en la fase , puede expresarse como
12.01 1.008 16.0
v
c v
c v scomponente gas s
C H O
U Q Q
H Q M PV
H Q M RT
w w wC H
2 2
2 2 2
14.007 32.06
1 1( ) ( )
12.01 4 1.008 32.06 2 16.0 12.01
1 1( ) ( ) ( )
2 1.008 2 14.007 32.06
N S
C H S O C
H N S
w wO N S
w w w w wO g CO g
w w wH O l N g SO g
0
0
m
El calor de combustión para una masa unitaria del material fósil
estará dada por
1ˆ2 16.0 14.007 2 1.008
Btu33.3 38.05 264.3
lb
O N Hc v
c v O N H
RT w w wH Q
H Q w w w
Poder caloríficoPoder calorífico
húmedo carbón kgkcal
5695húmedo carbón kg
seco carbón kg85.0*
seco carbón kgkcal
6700 PCS
seco carbón kg
kcal 8.6451
O(l) Hkg
kcal 551.46
seco carbón kg
formada O(l) Hkg 0.45 -
seco carbón kg
kcal 6700 PCI
O(l) Hkg
kcal 551.46
kg
kJ 2305.1
seco carbón kg
forman se O Hkg 0.45
Hkg 2
O Hkg 18
seco carbón kg
Hkg 0.05 m
.m - PCS PCI
2
2ANHIDRO
2C25º
22OH
C25ºOHANHIDROANHIDRO
2
2
v
v
Poder caloríficoPoder calorífico
húmedo carbón kg
kcal 3.5401
O(l) Hkg
kcal 551.46
húmedo carbón kg
O Hde kg0.5325
- húmedo carbón kg
seco carbón kg0.85
seco carbón kg
kcal 6700 PCI
O(l) Hkg
kcal 551.46
kg
kJ 2305.1
húmedo carbón kg
O Hkg 0.5325
húmedo carbón kg
O Hkg0.15
húmedo carbón kg
seco carbón kg0.85
Hkg 2
O Hkg 18
seco carbón kg
Hkg 0.05 m
.m - PCS PCI
2
2
2C25º
22
2OH
C25ºOH
2
2
v
v
PCI a partir de PCSAnhidro
Poder caloríficoPoder calorífico
húmedo carbón kg
kcal 3.5401
O(l) Hkg
kcal 551.46
húmedo carbón kg
O Hde kg0.15
- húmedo carbón kg
seco carbón kg0.85
seco carbón kg
kcal 6451.8 PCI
O(l) Hkg
kcal 551.46
kg
kJ 2305.1
húmedo carbón kg
O Hkg0.15 m
.m - PCS PCI
2
2
2C25º
2OH
C25ºOH
2
2
v
v
PCI a partir de PCIAnhidro
Poder caloríficoPoder caloríficoSupongamos:Material A: 80% C(en peso); 20% HMaterial B: 90% C(en peso); 10% HEl material A tiene mayor poder calorífico pues el H tiene mayorpoder calorífico.Así, el gas natural tiene mayor poder calorífico que el carbón. Esto sedebe a que el gas natural tiene mayor cantidad de HPero ojo, en peso, las cosas cambian
C H
Hgkcal
9.282
57.7979 :H
C gkcal
84.712
94.052 :C
Hmolkcal
7979.57H , (g) HO O21
H
C molkcal
052.94H , (g)CO O C
2
2)(fHO222
)(fCO22
2
2
g
g
Fusibilidad de las cenizasFusibilidad de las cenizas Puede causarnos problemas operacionalesPuede causarnos problemas operacionales
Las cenizas tienen un punto de fusión
Si llegamos a la temperatura de fusión de las cenizasse transforman en líquido. Al enfriarse, se forman “tochos” que nos pueden obligar a parar.
En laboratorio se calculan Temperaturas de FusiónEl experimento se hace en atmósfera oxidante (aire)Estan en torno a 1300 ºC (condiciones oxidantes)
Si nosotros en el proceso tenemos atmósfera reductora (gas natural)La temperatura de fusión baja. Para atmósferas no oxidantes hemos de hacer la determinación en ese tipo de atmósferas.Si trabajamos a 2000 ºC, podemos hacerlo, tendremos cenizas fundidas.
El problema esta en la fusión y posterior solidificación de las cenizas
Reactividad del carbónReactividad del carbón Medida de la velocidad de reacciónMedida de la velocidad de reacción
Hemos de tener en cuenta el tipo de carbón.Las propiedades pueden ser muy diferentes
Carbón
Volátiles
Sólidos carbonosos (Char), lo que va a reaccionar
Antracita
Hulla
Lignito
-
+
Mayor reactividad
¡Recordar que es elHidrógeno el que esMuy reactivo!
Antracita tiene muy pocos volátilesLignito tiene muchos volátiles, luego los sólidos carbonosos serán muyporosos (influye positivamente en la reactividad)
ProcesosProcesos
Gasificación (gas)Gasificación (gas) Combustión (energía)Combustión (energía) Licuefacción (líquido)Licuefacción (líquido) Pirogenación, coquización (sólido)Pirogenación, coquización (sólido)
Reacciones Sólido-Gas No catalíticas
Esto que vamos a ver para el carbón es aplicable a cualquier combustible sólido
Proceso con el carbónProceso con el carbón
GasificaciónGasificación CombustiónCombustión
Ambos se llevan a cabo a alta temperatura
El carbón se descompone por efecto de la temperatura
CarbónT
descomposición
• Volátiles
• Sólido carbonoso (Char)
Gases (CO, CO2, CH4, …)
Líquidos (alquitranes) “Tars”
(Carbono fijo y cenizas)
Esta distribución, para un mismo carbón no es siempre la misma,Depende de las condiciones.
F( dp, T, )T
t
El primer paso es el mismo para ambos
Proceso con el carbónProceso con el carbón
La segunda parte del proceso difiere La segunda parte del proceso difiere según sea Gasificación o Combustiónsegún sea Gasificación o Combustión
SólidoCarbonoso
+ Gas
O2 CombustiónH2O(v) Gasificación
“Reacciones Sólido-Gas No catalíticas”“Reactores Sólido-Gas”
Reacciones Sólido-GasReacciones Sólido-Gas Reactores S-G (gas, siempre continuo)Reactores S-G (gas, siempre continuo)a)a) Discontinuos para el sólidoDiscontinuos para el sólido
Lecho FijoLecho Fijo Lecho fluidizadoLecho fluidizado
b)b) Continuos para el sólidoContinuos para el sólido Lecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grandeLecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grande Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. dp intermedioLecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. dp intermedio Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp
pequeñopequeño Hornos rotatoriosHornos rotatorios
Los a) no suelen utilizarse, pues no son útiles
* En algunos libros al lecho móvil lo llaman lecho fijo
Diseño de reactoresDiseño de reactores
Hemos de tener en cuentaHemos de tener en cuenta
• A) Velocidad de reacción para partículasA) Velocidad de reacción para partículas
• B) Distribución de tamañosB) Distribución de tamaños
• C) Tipos de flujo en el reactorC) Tipos de flujo en el reactor
Gasificación del CarbónGasificación del CarbónIntenta transformar el carbón en gases valiosos.
Fundamentalmente son mezclas de CO, H2, CH4, …
Independientemente del proceso:
Carbón
Volátiles (gases)
Sólido carbonoso (principalmente C)
“PIROLÍSIS”
Gasificación del CarbónGasificación del Carbón¿Qué productos podemos buscar en una gasificación?
1. Se puede obtener un gas combustible de bajo, de medio y de alto poder calorífico.
2. Se pueden obtener materias primas como es el gas de síntesis y CH4.
3. Electricidad.
Se pueden obtener distintos productos con distintos gases reactantes
Gasificación del CarbónGasificación del Carbón
C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) HRC25 31 38º .
kcal
gmol º C
“Gasificación”
Reacción endotérmica, hemos de aportar calor y la formade hacerlo es meter O2 (como aire o como O2).El O2 quema parte del C y la energía desprendida es la utilizada para la gasificación.
C(s) + O2(g) CO2(g) HRC25 94 05º .
kcal
gmol º C
Interesa meter poco O2(g)El CO2 no va a ser un producto valioso
Gasificación del CarbónGasificación del CarbónReacciones Secundarias
C(s) + CO2(g) 2CO(g) HRC25 41 22º .
kcal
gmol º C
C(s) + 2H2(g) CH4(g) HRC25 17 9º .
kcal
gmol º C
CO + H2O(g) CO2(g) + H2(g) HRC25 9 8º .
kcal
gmol º C
“Shift”Intercambio
Muy favorecida con la presión
Gasificación del CarbónGasificación del Carbón
1.- Agente reactante: aire + vapor de H2O
el producto obtenido sería con mucho N2 y el gas obtenido será de bajo poder calorífico o bajo contenido energético. CO, H2, CH4, N2
Hay distintos tipos de gasificación
1500 kcal
m3N
2.- Agente reactante: O2 + vapor de H2O
Se obtiene gas de síntesis y un gas combustible de medio contenido energético. Inconvenientes: necesitamos una planta de O2
Poder calorífico: 2500 - 3000 kcal
m3N
3.- Agente reactante: H2 + vapor de H2O
Va hacia CH4 y un combustible de alto contenido energético
C(s) + 2H2(g) CH4(g)
Se conoce como “SNG” sustituto del gas naturalEconómicamente no salen las cuentas
Gasificación del CarbónGasificación del CarbónLos dos primeros son procesos similares utilizados industrialmente
¿Cómo llevar a cabo la gasificación y que tipo de reactor utilizaríamos?
Es una reacción S-G no catalítica, en la cual el sólido se va consumiendo y necesitaré un proceso continuo
• Lecho móvil. U < Umf. dp grandeLecho móvil. U < Umf. dp grande• Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. Dp intermedioLecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. Dp intermedio• Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp
pequeñopequeño• Hornos rotatoriosHornos rotatorios
• Lecho móvil. (proceso Lurgi) a presiónLecho móvil. (proceso Lurgi) a presión• Lecho fluidizado.(proceso Winkler)Lecho fluidizado.(proceso Winkler)• Lecho de arrastre o de transporte.(Koppers-Lecho de arrastre o de transporte.(Koppers-
Totzek)Totzek)
De estos cuatro hay tres que se utilizan
Lecho móvilLecho móvilTambién conocido como Lecho Fijo, continuo para el sólido
En un mismo equipo debido al perfil de temperaturas y a los distintosproductos que se forman, tenemos cuatro procesos diferentes
U < Umf•Secado •Pirólisis-Descomposición•Gasificación•Combustión
Problemas:
• Con las cenizas. Tenemos una zona de alta temperatura donde puedenfundir las cenizas y luego, pasada esta zona volver a solidificarse¿Es importante conocer la Temperatura de Fusión de las cenizas!
• En este tipo de gasificador se forman gran número de productos secundarios (Alquitranes: hidrocarburos oxigenados que condensan entre 200 y 300 ºC). Son parte de los volátiles.
Lecho móvilLecho móvil
Que se formen más o menos alquitranes depende de: dp, T, T
t
dpTendencia a formar alquitranesEn el sólido tenemos un perfil de temperaturas
T Contenido de alquitranes
T
tContenido de alquitranes
En el gasificador de lecho móvil, dp grandes (hacemos que los sólidos bajen lentamente, aumentando el tiempo de residencia), La Temperatura no es excesivamente alta (pirólisis a 400 ºC), y
es lenta y progresivaT
t
Grande
Distribuidor de sólido
Parrilla giratoriapara sacarlas cenizas
Sólido
400 ºC
Lecho FluidizadoLecho Fluidizado
(U > Umf) (aumentar la velocidad ó disminuir el tamaño de partícula)
Para el tiempo de residencia hemos de tener en cuenta:
• W: Peso de sólido, Aumentando FSólido
•Puede que parte del carbón sea arrastrado por los gases(elutriación) luego el tiempo de residencia puede ser menor.
tW
FSólido
TDH, altura suficiente para que el sólido vuelva aCaer al lecho“Arrastre” (debida al empuje de las burbujas)(U < Utransporte)
Para partículas muy pequeñas (U > UT), la partículase va con el gas. “Elutriación”.
Lecho de ArrastreLecho de Arrastre(U >> UTerminal) (aumentar la velocidad ó disminuir la UT)
Tiempos de residencia del sólido muy pequeños, es de segundos
tL
u u: velocidad de gas (5 m/s)
Si el tiempo de residencia es tan pequeño, para que el sólido reaccione¿qué variables hemos de modificar?
•Aumentar la Temperatura, para que la cinética aumente
•Disminuir el tamaño de partícula (dp < 100 m)
Rendimientos de GasificadoresRendimientos de GasificadoresFundamentalmente hay tres definiciones
1. Rendimiento en materia2. Rendimientos basados en la energía3. Rdto que considera todo la entrada y la salida
Cantidad de C en el Gas
Cantidad de C en el Carbón
Calor Químico en el Gas
Calor Químico en el Carbón
m N gas x PCI gas a 25 º C
kg carbón x PCI carbón a 25 º C
3
Energía de Salida Disponible
Energía de Entrada
m N x PCI + m c (T - 25)
kg carbón x PCI + H
3g P
Vapor de agua
1.-
2.-
3.-
Rendimientos de GasificadoresRendimientos de GasificadoresEn la actualidad el aprovechamiento de los gases está en laObtención de Electricidad
Esta basado en los Ciclos Combinados
Cogeneración: Se produce vapor que necesitamos y además seproduce electricidad que aprovecharemos o venderemos
Ciclo Combinado
Se produce electricidad utilizando
• Turbina de Gas (Expansión de gas)
• Turbina de vapor (Combustión del gas)
Gasificación/Combustión Diferencias desde el punto de vista medioambiental
Carbón
Combustión
Gasificación
SO2, NOx (problemas)
SH2, NH3 SO2, NOx
Combustión
Fig. 2
Ciclo Combinado a Presión
CombustiónCombustión
Carbón + O2(g) CO2(g) + H2O
En general nos olvidamos del O2 que lleva el carbón y,si luego es reactivo, mejor
Tomamos como base 1 kg de carbón
C: C + O2 CO2
H: H2 + 1/2O2 H2OS: S + O2 SO2
Calcularemos el O2 estequiométrico necesarioPodemos encontrarnos con:
•Estequiometría local ()•Exceso de aire•Relación de equivalencia ()
CombustiónCombustión
étrico EstequiomAireAire
100étrico EstequiomAire
étrico EstequiomAire - Airex
Aireétrico EstequiomAire1
Estequiometría local ()
= 1.2; Exceso = 20%
Exceso de aire
Relación de equivalencia (); = 0.83 → = 1.2 →Exceso = 20%
Fuel Lean (Exceso de aire) : >1, 1<<0Fuel Rich (defecto de aire) :0<< 1, >1
CombustiónCombustión
AireFuel
AireFuel
AireFuel
.Estequi
1
AireFuel
AireFuel
1 .
Estequi
= 0.5 Condiciones Estequiométricas
Fuel Lean (Exceso de aire) : 0 < < 0.5
Fuel Rich (defecto de aire) :0.5 < < 1
Se define también un parámetro ()
CombustiónCombustión• Descomposición Térmica del Carbón
VolátilesCarbón
Sólido Carbonoso
• Combustión de Volátiles (Rápida) podemos suponer que se quema completamente• Combustión del Sólido (Reacción S-G No Catalítica) Es una reacción lenta. Nos va a controlar la situación
Factores a analizar:
• Eficacia de la combustión (conversión y energía disponible)• Aprovechamiento de la Energía• Factores Medioambientales
CombustiónCombustiónLa eficacia de la Combustión depende:
• Tipo de Carbón- análisis elemental- análisis inmediato- Poder calorífico- Reactividad- Tamaño de partícula
• Cantidad de Aire- el exceso de aire influye en la temperatura
• Temperatura- que se consigue con el aire
• Distribución de tiempos de Residencia- Tiempo medio- Flujo- Idéntico a la gasificación
• Presión- Al aumentar la presión aumenta la cinética- Permite la utilización de ciclo combinado
CombustiónCombustiónAprovechamiento de la Energía
Una vez que hemos quemado bien el carbón:Gas Caliente
• Energía TérmicaVapor de Agua
• Energía Eléctrica
Energía Térmica• Rendimientos cercanos a la unidad• Rendimientos de combustión (Total) con respecto al producto final
aIntroducidEnergía (Producto)Obtenida Energía
Energía Eléctrica• Los Rendimientos bajan mucho
33.0carbónkW
adelectricidkW
CombustiónCombustión
Factores Medioambientales
Problemas: SO2, NOx, CO2, Partículas
Partículas: Utilizar separadores
CO2: Es el producto de la reacción
SO2: Si el carbón tiene S se nos forma SO2 seguro
NOx: Dos procedencias:
- N del carbón → NOx del combustible
- N2 + O2 aire → NOx térmico (> 1300 ºC)
El gas natural no lleva N pero se forma bastante NOx térmico
CombustiónCombustiónSO2
Legislación: emisión (mg SO2/m3N) y para cada País ( Ton SO2/año)
Para un carbón con Azufre tenemos soluciones:• Antes• Después• Durante
Antes: Eliminar S antes de la combustión. Lavaderos de Carbón.La eficacia del lavado depende de cómo este el S
• Orgánico: Dentro de las moléculas del carbón. Se puede eliminarpor Hidrogenación pero se trata de un proceso CARO que no
se suele hacer. No hay forma de eliminarlos en un lavadero• Inorgánico: Mineral. No forma parte de la estructura del carbón.
Este es el que se elimina en los lavaderos. (parte importante)
Después: Tenemos SO2 que hemos de eliminar antes de mandarlo por la chimenea. FGD “Flue Gas Desulfuration”. Procesos muy eficaces pero muy caros.
CombustiónCombustiónSO2
Durante: Hemos de actuar en la propia cámara de combustión
Durante el proceso se añade caliza (CaCO3), que se va a descomponera alta Tª para dar CaO + CO2, luego
CaO + SO2 +1/2O2 → CaSO4 (yeso)
Lo que intentamos es que el SO2 formado se transforme en CaSO4.Otro tipo de reacción sólido-gas no catalítica.Lo que reacciona con el SO2 es el CaO, no el CaCO3.Este proceso se analiza en base a:
• Tipo de caliza• Temperatura• Granolumetría• Tiempo de residencia• Presión
CombustiónCombustiónTipo de caliza
Descomponemos CaCO3 y medimos la superficie específica del CaO
CaO de muy alta superficie específica no funciona tan bien como otras de menor
CaCO3 → CaO + CO2 Endotérmica
Alta superficie específica implica muchos porosComo el Volumen molar del CaSO4 es > Vmolar del CaOEste CaSO4 tapona el poro del CaO y lo inutiliza
CaO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 Exotérmica
Temperatura
Al aumentar la temperatura del sólido (CaO) se sinteriza, se taponanlos poros del sólido.
Este máximo corresponde siempre a la misma temperatura (850 ºC) independientemente de la caliza utilizada.
CombustiónCombustiónPresiónAhora tiene mayor importancia.Trabajando a una 10 atm las calizas van peor
CaCO3 → CaO + CO2 (g)Al aumentar la presión se desplaza a la izquierdaPara trabajar a presión tenemos dos posibilidadesA presión: CaCO3 + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 + CO2
a) Esta reacción es mucho menos importante debido a quela porosidad del CaCO3 es menor que la del CaOPodemos utilizar CaCO3 pero con un diámetro de partícula muypequeño para disponer de mayor superficie específica (dp 50 – 60A )b) Hemos de buscar otro material que funcione a alta presión:Dolomita (CaCO3 MgCO3)Si estudiamos termodinámicamente MgCO3→ MgO + CO2
A 850 ºC y alta P el equilibrio esta muy desplazado a la derechaA alta Presión: CaCO3.MgCO3 → CaCO3MgO + CO2
CaCO3MgO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4MgO + CO2
Obtenemos así un CaCO3 más poroso que reacciona con el SO2
A Presión atmósferica la dolomita funciona malCaCO3.MgCO3 → CaO.MgO + 2CO2
La descomposición es tan violenta que rompe las partículas y son elutriadas
CombustiónCombustión
Para retener el SO2 dentro del combustor a 850 ºC
• A Presión atmosférica: CaCO3 CALIZA
• A alta presión: DOLOMITA
CombustiónCombustiónNOx
Legislación: Normalmente se engloban NO y NO2
Dentro del combustor tenemos NO, pero conforme los gases seenfrían se forma NO2
La legislación viene en mgNO2/m3N, no es lo mismo tener NO que NO2
Si medimos, el equipo nos da: 500 ppmv NOx ¿Cuántos mgNO2/m3N son?
En la atmósfera todo el NO se va a transformar en NO2 que el que da problemas medioambientales.Deforma aproximada: mgNO2/m3N ~ 2*ppmv NOx
CombustoresCombustoresSon reactores sólido-gas luego tenemos las mismas posibilidadesde siempreNos interesa los sistemas continuos (para el sólido)En España la mayoría de los combustores son calderasCaldera convencional (carbón pulverizado)Clásica, entra el carbón con pequeño tamaño de partícula 70 AºEl aire arrastra la partículas•Desde el punto de vista de la combustión (eficacia) funciona bien.(Antracitas precisa mayor tiempo de residencia)• Según el aprovechamiento de la energía, no es la mejor pues latransmisión de calor G-S no es muy buena
↓UA. TSe suelen utilizar turbinas de vapor (rendimiento suele ser del 33 %)El rendimiento de la turbina depende de la temperatura del vaporEn condiciones supercríticas (33% → 38%)
CombustoresCombustoresEn la caldera
Si se nos forma SO2, es muy dificil eliminarlo dentro de la calderapues tenemos unos perfiles de temperatura tremendos(1400 – 400 ºC), luego es muy dificil que la caliza sea activa (850 º)Tenemos una zona en la cual tenemos 850 ºC pero si inyectamosaquí caliza el tiempo de residencia es muy pequeño (parte superior)y no funciona bien.Lo mismo sucede con el NOx
Estos problemas dieron lugar a:-Lechos fluidizadosPodemos trabajar a 850 ºC luego la reducción de SO2 es importanteEl NOx a esta temperatura no se forma (el térmico), del otro se forma menos*La eficacia de combustión es menor pues la temperatura es mas baja(hemos de trabajar a 850 ºC)* Aprovechamiento de energía UAT (U, ↓ T)
CombustoresCombustoresDe lecho fluidizado existen:• Burbujeante atmosférico• Circulante (el más utilizado)• A presión
Burbujeante (Fig. 7)Ventajas: Los tubos para formar vapor están dentro del lecho U y Aluego tenemos un mayor aprovechamiento de la energíaProblemas de erosiónEn estos combustores fijamos:• Temperatura = 850 ºC• dp carbón = 8 – 20 mm
Al fijar dp carbón, fijamos el dp caliza (para evitar la segregación)Como dentro del lecho el dp carbón disminuye
• dp caliza = 4 mmLa cantidad de átomos de Ca idealmente sería igual al número de átomosde S. Realmente, esto es insuficiente pues existen centros activos del CaOno aprovechados con lo cual Ca/S = 3• Velocidad del gas (u) = 1-2 m/s
Diseño de lecho fluidizado Diseño de lecho fluidizado burbujeanteburbujeante
Lo primero que nos tenemos que plantear es la potencia necesaria1.- Concretar la potencia
* Térmica (MWT)* Eléctrica (MWE)
Los rendimientos son distintos:
45.033.0MW
MW Eléctricoendimiento
95.090.0MW
MW Térmico endimiento
ecombustibl
E
ecombustibl
T
R
R
2.- Determinar el caudal másico de Carbón ( )carbónm
PCImMW carbónecombustibl *
Diseño de lecho fluidizado Diseño de lecho fluidizado burbujeanteburbujeante
3.- Determinar Caudal de aire Alimentado (kmol/h)Necesitamos:
* Exceso de aire (15-20%)* Análisis elemental (para aire estequiométrico)
4.- Determinar la sección del combustorCondiciones de operación: P = 1 atm y T = 850 ºC → Caudal (m3/s)Con lo cual calculamos la Sección conocida la velocidad del gas (u)
5.- Determinar la cantidad de calizaCalculamos el S del carbón → SO2
Como Ca/S = 3 → Ca → Caliza
Si nosotros tenemos un lecho fluidizado ya diseñado y nos pidenla potencia de este lecho:
Diseño de lecho fluidizado Diseño de lecho fluidizado burbujeanteburbujeante
1.- Conocemos : * Sección (m2)* Velocidad (u, m/s)
Caudal de aire (m3/s)
2.- Con:* % exceso de aire* Análisis elemental
Cantidad de carbón
3.- Con:* Rendimiento* PCI
Potencia
CombustoresCombustores¿Cómo podemos aumentar la potencia de un lecho fluidizado?Para una sección dada: por ejemplo 1 m2 → 20 MWT
• Lógicamente, hemos de aumentar la cantidad de carbón, lo que implica aumentar el caudal de aire (kmol aire/h), pero un aumento del caudal de aire → un aumento de la velocidad (u)Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE
• Otra posibilidad es aumentar la presión (P.Q = n R T). Podemos tener el mismo caudal (misma velocidad) a la misma temperatura, pero aumentando la presión.Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO A PRESIÓN
Ambos nos permiten aumentar la cantidad de carbón tratado
CombustoresCombustoresCIRCULANTE (Fig. 5) El más utilizado
u = 8 – 10 m/s .Podemos procesar 10 veces más de carbón.Tª = 850 ºCPodemos utilizar un tamaño de partícula de carbón pequeño puesno importa la elutriacióndp < 2 mm.Como el dp del cabón es bajo también el dp de la caliza será bajodp de caliza = 200 – 300 ALuego Ca/S = 1.7Limitante: “Aprovechamiento de la energía del carbón”Los tubos se encuentran en la pared para evitar la corrosión
CombustoresCombustoresA PRESIÓN (fig. 1)Ventajas:-Permite aprovechar mayor cantidad de carbón/m2
-Podemos ir hacia un ciclo combinado.-Podemos utilizar también una turbina de gasFig. 1.- Ptrabajo = 10 – 20 atm; Tª = 850 ºC; u = 1-2 m/sLos tubos están en el interior del lechoSe utiliza una vasija a presión para “separar” los efectos de alta temperatura y alta diferencia de presiónUna turbina de gas tiene mayor rendimiento cuanto mayor es latemperatura de entrada del gasInicialmente los gases de salida de la caldera no iban directamentea la turbina (separación de partículas) con lo cual disminuye latemperatura de entrada y baja el rendimientoActualmente los gases a alta temperatura van directamente a laturbina de gas. (ciclones adiabáticos aislados).¿cómo podemos alimentar sólidos en un lecho a presión?
CombustoresCombustoresLock Hoppers: Dispositivo para alimentar sólidos a presión
1º) venteamos para asegurar que la cámara esta a P atmosférica2º) Introducimos el carbón y cerramos 1 y 3, abrimos 2 y presurizamos3º) Introducimos en el lecho a presión abriendo 4.
Aire VenteoCarbón
1
2 3
4 Alta presión
CombustoresCombustoresLos rendimientos (eléctricos) que se suelen tener en estos procesos
1) Combustión a presión atmósferica (Ciclo de vapor)El rendimiento depende de la temperatura de vapor a la entrada de la turbinaNormalmente Rdto = 33 %Para aumentarlo: turbinas en condiciones supercríticas: Rdto = 38 %Incremento importante
2) Combustión a presión (ciclo combinado)Se aumenta el rendimiento considerablemente: Rdto = 42 %Para obtener mayores rendimientos, la clave esta en la “turbina de gas”.La temperatura de entrada ha de ser lo mayor posibleLos mejores resultados se encuentran para gas natural (Rdto = 50 %).