combustión del carbón
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Elaborado por A Requena para el curso PS5216: Tecnología del CarbónTRANSCRIPT
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Combustión del Carbón
Termodinámica y cinética de la combustión del carbón.Procesos de combustión.
– Lecho fijo – Lecho fluidizado
– Quemadores de carbón pulverizado
Generación de electricidad. Aspectos ambientales.
Tecnologías limpias para el control de emisiones y
aprovechamiento eficiente de la energía.
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El Carbón en el aumento mundial de la demanda de energía
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Participación del carbón en emisiones
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Precios comparativos de la electricidad a partir de diferentes fuentes de energía (USA)Fuente Energética Costo Relativo
Carbón 1,9Gas 2,0Fuel 2,5
Eólica 4,0Biomasa 7,0
Térmica Solar 16,0
Carbón 19,7 $Nuclear 21,6 $Gas 34,0 $Fuel 34,0 S
Precio del Mwh por fuenteUSA (1995)
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Abundancia y Distribución del Carbón.
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El carbón mineral...Un combustible fósil con ventajas
competitivas:Abundante: Reservas extensamente distribuidas en mas de 100 países. Seguro: Estable, fácil transporte, almacenamiento y utilización. Suministro Garantizado: Precios competitivos que garantizan la generación de electricidad. Limpio: Disponibilidad de tecnologías limpias. Económico: Principal combustible para generación temoeléctrica.
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Reacciones de combustión del carbónCalor de Combustión
REACCIÓN Btu/lb kcal/kgC(S) + O2(g) → CO2(g) -169.290 - 94,42 C(S) + O2(g) → 2 CO(g) -95.100 - 52,8C(S) + CO2(g) → 2 CO(g) - 74.200 - 41,22 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) -243.490 - 135,32 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) -208.070 - 115,6C(S) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) 56.490 31,4C(S) + 2 H2O(g) → CO2(g) + 2 H2(g) 38.780 21,5CO(S) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g) - 17.710 - 9,8
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Mecanismo de combustión del carbón.Modelo de Grano
Partícula estancadaRe < 100
Partícula suspendida por gas de arrastre
Re > 100
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Combustión del carbón en lecho fijo.
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Variación de la composición del gas a través de lecho empacado.
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Quemadores de carbón de lecho móvil
Sistemas adaptados a características del carbón y sus cenizas.
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Principales contaminantes en la producción de energía a partir de combustibles fósiles
Especie Efectos Fuentes antropogénicas Fuentes naturalesSO2 Tóxico
Lluvia ácidaCombustiónRefino de petróleo
Oxidación de sulfurosorgánicos
NO TóxicoLluvia ácida
Combustión Acción bacteriana
NO2 TóxicoLluvia ácidaElecto invernadero
Combustión
CO2 Efecto invernadero Combustión Volcanes
CO Tóxico Combustión Oxidación de metano y otroshidrocarburos
H2S Tóxico GasificaciónRefinación de petróleoHornos de coqueIndustria papelera
Volcanes y descomposición demateria orgánica
NH3 Tóxico Gasificación Acción bacteriana
HAP Tóxico (Cáncer ymutaciones genéticas)
Combustión
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Carbón pulverizado para generación de electricidad
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Quemadores de carbón pulverizado
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Reacciones de la materia mineral durante la combustión del carbón
Especies Reacción Intervalo deTemperatura (°C)
KaolinitaAl2Si2O5(OH)4 Al2Si2O5(OH)4 → Al2O3 + 2 SiO2 + 2 H2O 480PiritasFeS2 2 FeS2 + 11/2 O2 → Fe2O3 + 4 SO2
FeS2(s) → FeS(s) + ½ S2 (g)
400 – 500200 – 700 (atm. inerte)
SulfatosCaSO4MgSO4Fe2(SO4)Na2SO4
CaSO4 → CaO + SO3MgSO4 → MgO + SO3
Fe2(SO4)3 → Fe2O3 + 3 SO3Na2SO4 (l) → Na2SO4 (g)
11801124480884
CarbonatosCaCO3CaMg(CO3)2
CaCO3 → CaO + CO2CaMg(CO3)2 → CaO + MgO + 2 CO2
750 – 850730 – 760
ClorurosNaCl NaCl(s) → NaCl(l)
NaCl(l) → NaCl(g)NaCl(g) + H2O(g) → NaOH(g) + HCl(g)
8001465
1030 – 1230
De gran importancia en la combustión de carbón pulverizado
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Lecho fluidizadoUna 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.
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Velocidad de gas y sólidos en función de la expansión del lecho
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Combustores de lecho fluidizado: Condiciones de operación
Parámetro Convencional Circulante A presiónT (°C) 800 – 950 800 – 950 800 – 950dp (mm) 5 – 30 0,5 – 1 0,5 – 1P (atm) 1 1 5 – 15U (m/s) 1,5 – 3,5 3 – 6 1 – 2U / Umf 2 30 2C quemado (%) 90* - 99 99 99Ca/S 3 1,5 1,7Retención de S (%) 90 90 90NOx (ppm) 300 – 400 100 – 200 10 – 50* Sin recirculación
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Posibles zonas para la recuperación de calor
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Combustión en lecho fluidizado atmosférico
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Ciclo combinado basado en combustión de carbón en lecho fluidizado a presión
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Combustión en lecho fluidizado presurizado
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Ciclo combinado: Vapor-Lecho fluidizado a presión
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Ciclo combinado: Gas-Lecho fluidizado a presión
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Formación de compuestos de azufre (SO2 y H2S)
Oxidación del azufre contenido en el combustibleS (orgánico/pirítico) + O2 → SO2
Menos del 10% se transforma en SO3 / H2SO4 y sulfatos (Na, Ca, etc)
Emisiones a nivel mundial: 90.000 kT/año (60% generado en centrales eléctricas) Principales emisores: China 25%
USA 20%Rusia 17%Alemania 6%
Condiciones reductoras transforman el S en H2S
70%
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Formación de óxidos de nitrógeno
Especie Tipo Lugar deformación
Mecanismo Factores de formación de NOx
Térmico Llama ZeldovichN2 + O ↔ NO + NN + O2 ↔ NO + O
↑ Concentración de O2 (O)↑ Temp > 1300°C↑ Tiempo de residencia
Combustión LlamaCarbón-N.. →..HCN → ... NO
↑ Concentración de O2 (O)NOprompt Llama Fenimore
CH + N2 ↔ HCN + NHCN →.. →... NO
↑ Concentración de CH
Llama FenimoreNO + H2O → NO2 + OH
Conductos /Calderas
2 NO + O2 → 2 NO2 ↑ Concentración de O2 (O)↑ Tiempo de residencia
NO2
Atmósfera NO + O3 → NO2 + O2
N2O Caldera (↓ T) .. → HCN + O → NCO + HNCO + NO → N2O + CO
↑ al disminuir Temp de combustión
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Formación de NOx a partir del combustibleMecanismo simplificado de formación
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Control de emisiones de NOx
Modificaciones en la combustiónACCIÓN 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
Control Post-Combustión– Reducción catalítica no selectiva (SCNR) 50 - 70 – Reducción catalítica selectiva (SCR) 70 - 90 – Sistemas combinados reducción NOx/SO2 70 - 90
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Control de emisiones de NOx por reducción catalítica selectiva (SCR)
OH 6 N 4 O NO 4 NH 4 2223 +→++
Catalizador comercial “anatase”depositado sobre monolitos cerámicos de cordierita
Catalizadores más usuales:V2O5-MoO3/TiO2V2O5-WO3/TiO2ACTIVO - PROMOTOR Y ESTABILIZADOR / SOPORTE
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Costos de técnicas de remoción de NOx
0
1020
30
40
5060
70
80
0 20 40 60 80 100
% Retención NOx
Cos
to ($
/kW
) SCR
Inyección de agua
SNCRFLGR OFA
Reburning convencional (gas natural)
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Procesos de captura de CO2
FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html
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Fuentes bibliografía consultadas
J. Tomeczek. Coal combustion. Krieger Publishing Company, 1994. N. Berkowitz. An introduction to coal technology. Academic Press, 1979.J. Speight. The chemistry and tecnology of coal. Ney York, 1994.G. Marbán. Control de emisiones de NOx derivadas de la utilización de combustibles fósiles. INCAR, CSIC, 2002. J. Pis. Carbón como fuente de energía. INCAR, CSIC, 2009. J. Pis. Combustión del carbón. INCAR, CSIC, 2000. S. Ferrer Mur, F Soler Preciado, D. Mateos Fernández. ATMOSFERIS and all content en: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.htmlhttp://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/combustion-carbon