La industria del carbónDr. David BellProfesor asociadoDepartamento de Ingeniería Química y PetróleoUniversidad de WyomingLaramie, Wyoming, EE.UU.

Mina de carbón en el Powder River Basin, Wyoming, EE.UU

Análisis de carbón• Carbón es biomasa fosilizada que ha cambiado por la

acción del calor y la presión durante millones de años.

• El calor de la combustión:– HHV poder calorífico superior de mayor valor (English:

higher heating value)• Incluye el calor de condensación del vapor

– LHV poder calorífico inferior de menor valor (English: lower heating value)• No incluye el calor de condensación del vapor

• El análisis inmediato:– (1) se seca el carbón.– (2) se calienta el carbón secado sin aire para producir

volátiles (el gas + el alquitrán) y el coque sólido.– (3) El coque es quemado, dejando cenizas.– Carbono fijo se obtiene por diferencia (producción de

coque – producción de cenizas).

• El análisis elemental:– Composición elemental – C, H, 0, N, S (los elementos más comunes)

Clasificación de carbón

• Basado principalmente en el valor del poder calorífico.

GRADO Comentario

Antracita Raro

Bituminoso común, comercio internacional

Sub-bituminoso común, comercio doméstico

Lignito (el carbón marrón)

Yacimientos grandes, no hay mucho minería

mayor

menor

Las reservas y la producción de carbónProducción 2006,

millones de toneladas

Reservas 2003,millones de toneladas

Reservas/Producción,

añosAmérica del Norte 1.243 280.000 225

EE.UU 1.161 270.000 233

América del Sur 87 21.928 253

Colombia 70 7.287 104

Europa (sin Rusia) 799 65.572 82

Rusia 341 173.074 508

Asia 3.422 327.264 85

China 2.620 126.215 48

África 275 55.486 202

Australia 420 86.531 206

EL MUNDO 6.782 1.000.912 148

Comercio internacional

• El carbón bituminoso es el más común en el comercio internacional.

• Los carbones de menor grado tienen mayor densidad, y mayor costo de flete por la misma cantidad de energía.

• Indonesia exporta carbón sub-bituminoso a las naciones asiáticas.

• Los precios están aumentando debido al crecimiento económico en Asia.

• El carbón Powder River Basin (PRB) es carbón sub-bituminoso y es el de mayor producción en los EE.UU. (400 millones de toneladas/año).

Isla Riesco PRB Lignito Freedom,

EE.UU.

El carbón marrón

Loy Yang, Australia

HHV, kcal/kg(como recibido)

4.000 4.760 3.680 2.390

LHV, kcal/kg(como recibido)

3.700 4.590 3.540

El análisis inmediato (como recibido)

humedad, % 22,3 25,8 36,1 62

volátiles, % 31,5 30,3 26,5 19,5

carbono fijo, % 26,0 35,7 27,5 17,9

cenizas, % 20,2 8,2 9,9 0,6

• Las cenizas tiene bajo contenido de alcalinos, y tienen un punto de fusión muy alto.

El análisis elemental

(como recibido)

Isla Riesco PRB Lignito Freedom,

EE.UU.

El carbón marrón

Loy Yang, Australia

Carbono 42,0 50,1 39,6 25,5

Hidrógeno 5,9 3,4 6,7 11,6

Oxígeno 31,1 11,1 42,6 62

Nitrógeno 0,5 0,7 0,6

Azufre 0,3 0,7 0,6 0,1

Cenizas 20,2 8,2 9,9 0,6

Combustión del carbón pulverizado

•

• Las plantas de combustión de carbón pulverizado recientes usan el diseño supercrítico.

Diseño Subcrítico (diseño actual)

Diseño Supercrítico (nuevo diseño)

El punto crítico del agua

presión de la caldera, MPa

16,5 24,1 21,94

temperatura de la caldera, °C

566 593 374

HHV eficiencia, % 36,8 39,1

Los contaminantes regulados en los EE.UU.

• CO– Controlado por la razón aire / carbón

• NOx (óxidos de nitrógeno)– El diseño de quemadores de baja emisión de NOx

– SCR (reactor catalítico) después de la caldera: • NOx + NH3 → N2 + H2O

• Partículas – PM10: menos de 10 micrones

– PM2.5: menos de 2.5 micrones– Filtro de manga o precipitador electrostático

• SO2

– Lavado con piedra caliza: SO2 + CaCO3 → CaSO3 + CO2

• Mercurio (nuevo)– Inyectar carbonos bromados aguas abajo del SCR

para recolectar en filtro de manga.

• CO2

– Todavía no es regulada.– Hay intenso debate político.

CCS

• CCS Captura y secuestro de carbono (English: carbon capture and sequestration):– Separa CO2, comprime, y dispone bajo tierra para mantenerlo

fuera de la atmósfera.

• EOR Recuperación aumentada de petróleo (English: Enhanced oil recovery):– Supercrítico CO2 utilizado para disolver el petróleo que queda en

antiguos reservorios de petróleo.

• Acuífero salino– Rocas porosas llenas de solución salina.– Roca no porosa superior para evitar la pérdida de fluido (parecido

a la reserva de petróleo y gas).– Reemplaza el agua con CO2

Después de la combustión - Captura de carbono

MEA monoetanol

amina

Combustión de carbón pulverizado Carbón bituminoso de Illinois

Sin CCS Con CCS

El Potencia total, MW 550 550

Alimentación de carbón, t/hr 219 323

Eficiencia, HHV 36,8 % 24,9 %

Costo del capital, miles millones CH$ 448 835

Costo de la electricidad, CH$/kW-hour 34 62

Costo de CO2 (emisiones evitadas), CH$/tonelada

36.000

El CO2 de los gases de combustión tiene baja presión parcial y requiere una gran cantidad de energía para removerlo.

Hay gran interés en la investigación para remover CO2 de los gases de combustión.

Oxicombustión

• Quemar el carbón en oxígeno, no en el aire.• Temperatura de llama sería muy alta para los

materiales de la caldera. Se diluye el oxígeno con los gases de combustión reciclados.

• Los gases de combustión contiene principalmente el CO2 y el agua.

• Se comprimen y se enfrían para eliminar el agua.• La separación de CO2 no es necesaria.• Planta de demostración FutureGen 2.0 en Illinois, USA.

– Una planta de energía convencional convertida.

Ciclo de conferencias

• (1) Esta conferencia: La industria del carbón.

• (2) Gasificación del carbón: La conversión del carbón a una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono (gas de síntesis).

• (3) Aplicaciones de la gasificación:– La conversión de gas de síntesis a electricidad.– sustituir el gas natural.– producción de amoniaco, metanol y combustibles líquidos.