Combustión del carbón

Elaborado por A Requena para el curso PS5216: Tecnología del Carbón

1. Combustión del
Carbón
z
Termodinámica y cinética de
la combustión del carbón.
z
Procesos de combustión.
–Lecho fijo
–Lecho fluidizado
–Quemadores de carbón
pulverizado
z
Generación de electricidad.
z
Aspectos ambientales.
Tecnologías limpias para el
control de emisiones y
aprovechamiento eficiente de
la energía.

2. El Carbón en el aumento mundial de
la demanda de energía

3. Participación del carbón en emisiones

4. Precios comparativos de la electricidad a
partir de diferentes fuentes de energía (USA)
Fuente Energética
Costo Relativo
Carbón
1,9
Gas
2,0
Fuel
2,5
Eólica
4,0
Biomasa
7,0
Térmica Solar
16,0
Carbón
19,7 $
Nuclear
21,6 $
Gas
34,0 $
Fuel
34,0 S
Precio del Mwhpor fuente
USA (1995)

5. Abundancia y Distribución del Carbón.

6. El carbón mineral...
Un combustible fósil con ventajas
competitivas:
z
Abundante: Reservas extensamente distribuidas en mas de
100 países.
z
Seguro:Estable, fácil transporte, almacenamiento y
utilización.
z
Suministro Garantizado:Precios competitivos que
garantizan la generación de electricidad.
z
Limpio:Disponibilidad de tecnologías limpias.
z
Económico:Principal combustible para generación
temoeléctrica.

7. Reacciones de combustión del carbón
Calor de Combustión
REACCIÓN
Btu/lb
kcal/kg
C
(S)
+ O
2(g)
→ CO
2(g)
-169.290
- 94,4
2 C
(S)
+ O
2(g)
→ 2 CO
(g)
-95.100
- 52,8
C
(S)
+ CO
2(g)
→ 2 CO
(g)
- 74.200
- 41,2
2 CO
(g)
+ O
2(g)
→ 2 CO
2(g)
-243.490
- 135,3
2 H
2(g)
+ O
2(g)
→ 2 H
2
O
(g)
-208.070
- 115,6
C
(S)
+ H
2
O
(g)
→ CO
(g)
+ H
2(g)
56.490
31,4
C
(S)
+ 2 H
2
O
(g)
→ CO
2(g)
+ 2 H
2(g)
38.780
21,5
CO
(S)
+ H
2
O
(g)
→ CO
2(g)
+ H
2(g)
- 17.710
- 9,8

8. Mecanismo de combustión del carbón. Modelo de Grano Partícula estancada
Re < 100
Partícula suspendida
por gas de arrastre
Re > 100

9. Combustión del carbón en lecho fijo.

10. Variación de la composición del gas
a través de lecho empacado.

11. Quemadores de carbón de lecho móvil
Sistemas
adaptados a
características del
carbón y sus
cenizas.

12. Principales contaminantes en la producción de
energía a partir de combustibles fósiles
Especie
Efectos
Fuentes antropogénicas
Fuentes naturales
SO
2
Tóxico
Lluvia ácida
Combustión
Refino de petróleo
Oxidación de sulfuros
orgánicos
NO
Tóxico
Lluvia ácida
Combustión Acción bacteriana
NO
2
Tóxico
Lluvia ácida
Electo invernadero
Combustión
CO
2
Efecto invernadero Combustión Volcanes
CO
Tóxico Combustión Oxidación de metano y otros
hidrocarburos
H
2
S
Tóxico Gasificación
Refinación de petróleo
Hornos de coque
Industria papelera
Volcanes y descomposición de
materia orgánica
NH
3
Tóxico Gasificación Acción bacteriana
HAP
Tóxico (Cáncer y mutaciones genéticas)
Combustión

13. Carbón pulverizado para
generación de electricidad

14. Quemadores de carbón pulverizado

15. Reacciones de la materia mineral
durante la combustión del carbón
Especies
Reacción
Intervalo de
Temperatura (°C)
Kaolinita
Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
→ Al
2
O
3
+ 2 SiO
2
+ 2 H
2
O480
Piritas
FeS
2
2 FeS
2
+ 11/2 O
2
→ Fe
2
O
3
+ 4 SO
2
FeS
2(s)
→ FeS
(s)
+ ½ S
2

(g)
400 – 500
200 – 700 (atm. inerte)
Sulfatos
CaSO
4
MgSO
4
Fe
2
(SO
4
)
Na
2
SO
4
CaSO
4
→ CaO + SO
3
MgSO
4
→ MgO + SO
3
Fe
2
(SO
4
)
3
→ Fe
2
O
3
+ 3 SO
3
Na
2
SO
4

(l)
→ Na
2
SO
4

(g)
1180
1124
480
884
Carbonatos
CaCO
3
CaMg(CO
3
)
2
CaCO
3
→ CaO + CO
2
CaMg(CO
3
)
2
→ CaO + MgO + 2 CO
2
750 – 850
730 – 760
Cloruros
NaCl NaCl
(s)
→ NaCl
(l)
NaCl
(l)
→ NaCl
(g)
NaCl
(g)
+ H
2
O
(g)
→ NaOH
(g)
+ HCl
(g)
800
1465
1030 – 1230
De gran importancia en la combustión de carbón pulverizado

16. Lecho fluidizado
Una corriente de fluido en sentido ascendente
atraviesa un lecho de partículas, causando que
éstas se mantengan en suspensión por el empuje.
Esto hace que el lecho de partículas sólidas
adquiera un comportamiento similar a un fluido.

17. Velocidad de gas y sólidos en función de la
expansión del lecho

18. Combustoresde lecho fluidizado: Condiciones de operación
Parámetro
Convencional
Circulante
A presión
T (°C) 800 – 950 800 – 950 800 – 950 dp (mm) 5 – 30 0,5 – 1 0,5 – 1 P (atm) 1 1 5 – 15 U (m/s) 1,5 – 3,5 3 – 6 1 – 2 U / Umf 2 30 2 C quemado (%) 90* - 99 99 99 Ca/S 3 1,5 1,7 Retención de S (%) 90 90 90 NO
x
(ppm) 300 – 400 100 – 200 10 – 50
* Sin recirculación

19. Posibles zonas para la
recuperación de calor

20. Combustión en lecho fluidizado
atmosférico

21. Ciclo combinado basado en combustión
de carbón en lecho fluidizado a presión

22. Combustión en lecho fluidizado
presurizado

23. Ciclo combinado:
Vapor-Lecho fluidizado a presión

24. Ciclo combinado: Gas-Lecho fluidizado a presión

25. Formación de compuestos de azufre
(SO
2
y H
2
S)
z
Oxidación del azufre contenido en el combustible
S (orgánico/pirítico) + O
2
→SO
2
Menos del 10% se transforma en SO
3
/ H
2
SO
4
y sulfatos (Na, Ca, etc)
z
Emisiones a nivel mundial: 90.000 kT/año (60% generado en centrales eléctricas)
Principales emisores: China 25%
USA 20%
Rusia 17%
Alemania 6%
z
Condiciones reductoras transforman el S en H
2
S
70%

26. Formación de óxidos de nitrógeno
Especie Tipo Lugar de
formación
Mecanismo Factores de formación de NO
x
Térmico Llama Zeldovich
N
2
+ O ↔ NO + N
N + O
2
↔ NO + O
↑ Concentración de O
2
(O)
↑ Temp > 1300°C
↑ Tiempo de residencia
Combustión Llama
Carbón-N.. →..HCN → ... NO
↑ Concentración de O
2
(O)
NO
prompt Llama Fenimore
CH + N
2
↔ HCN + N
HCN →.. →... NO
↑ Concentración de CH
Llama Fenimore
NO + H
2
O → NO
2
+ OH
Conductos /
Calderas
2 NO + O
2
→ 2 NO
2
↑ Concentración de O
2
(O)
↑ Tiempo de residencia
NO
2
AtmósferaNO + O
3
→ NO
2
+ O
2
N
2
O
Caldera (↓ T) .. → HCN + O → NCO + H
NCO + NO → N
2
O + CO
↑ al disminuir Temp de combustión

27. Formación de NO
x
a partir del combustible
Mecanismo simplificado de formación

28. Control de emisiones de NO
x
z
Modificaciones en la combustión
ACCIÓN DE CONTROL Reducción (%)
– Disminución de la temperatura ---
– Bajo exceso de aire 5 -25
– Aire en etapas 25 -60
– Recirculación de gases de combustión 10 -15
z
Control Post-Combustión
– Reducción catalítica no selectiva (SCNR) 50 -70
– Reducción catalítica selectiva (SCR) 70 -90
– Sistemas combinados reducción
NOx/SO
2
70 -90

29. Control de emisiones de NO
x
por
reducción catalítica selectiva (SCR)
OH 6 N 4 O NO 4 NH 4
2 2 2 3
+
→
+
+
Catalizador comercial “anatase”
depositado sobre monolitos
cerámicos de cordierita
Catalizadores más usuales: V
2
O
5
-MoO
3
/TiO
2
V
2
O
5
-WO
3
/TiO
2
ACTIVO -PROMOTOR Y ESTABILIZADOR/ SOPORTE

30. Costos de técnicas de remoción de NOx
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 20406080100
% Retención NOx
Costo ($/kW)
SCR
Inyección
de agua
SNCR
FLGR
OFA
Reburning convencional
(gas natural)

31. Procesos de captura de CO
2
FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html

32. Fuentes bibliografía consultadas z
J. Tomeczek.Coal combustion.
Krieger Publishing Company, 1994.
z
N. Berkowitz. An introduction to coal technology.
Academic Press,
1979.
z
J. Speight. The chemistry and tecnology of coal
. Ney York, 1994.
z
G. Marbán. Control de emisiones de NO
x
derivadas de la utilización de
combustibles fósiles.
INCAR, CSIC, 2002.
z
J. Pis. Carbón como fuente de energía.
INCAR, CSIC, 2009.
z
J. Pis. Combustión del carbón.
INCAR, CSIC, 2000.
z
S. Ferrer Mur, F Soler Preciado, D. Mateos Fernández. ATMOSFERIS and all content en: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de- co2.html
z
http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/combustion
-carbon