EL CARBON COMO MATERIA
PRIMA
Clasificación de los Combustibles
Combustibles 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 naturales
Carbón

Evolución del Carbón
Mayor
reactividad
• Turba
• Lignito
• Hulla
• Antracita
Mayor evolución
(más carbonizados)
Tanto para el carbón como para el petróleo es interesante:
- Análisis Elemental
- Análisis Inmediato
- Poder Calorífico
Además tendremos en cuenta:
• Temperatura de fusión de las cenizas
• Reactividad del carbón
¿Cómo caracterizar un carbón?




Análisis del tamaño de partícula
Análisis elemental (C, H, O, S, N)
Análisis inmediato o Técnico o
Aproximado. (Humedad, volátiles,
carbono fijo, cenizas)
Poder calorífico. (Inf. y Sup.)
Análisis Elemental
Proporciones de elementos (C, H, S, O y N)
Claves
C: Quemamos y analizamos CO y CO2
H: Quemamos y analizamos H2O
Medioambientalmente
S: Quemamos y analizamos SO2
N: Quemamos y analizamos NOx
El O por diferencia (no muy fiable)
Análisis Inmediato
Volátiles, 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 de
calentamiento
Poder calorífico



Poder Calorífico Superior
PCS
PCI
Poder Calorífico Inferior
PCS anhidro
Base (Carbón seco)
PCI anhidro
A 25 ºC
Como realmente no estará seco, hemos de hacer transformaciones
Supongamos un carbón:
20 % Humedad
30 % Humedad
P.C. Distintos
Por este motivo se suele dar P.C. anhidro
Experimentales

Poder calorífico

PCS: “Calor liberado por 1 kg de
combustible (a 25 ºC) para dar
CO2(g) + H2O(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 seco
Si tenemos una humedad del 15 %, calcular:
PCI anhidro
PCS
PCI
U  Q  Qv
H c  Qv * M    PV
0
H c  Qv * M  RT
0


s
c o m p o n e n te g a s s
L a e c u a c ió n b a la n c e a d a d e c om b u stió n p a r a u n a m a sa u n ita ria
d e c om b u stib le , e n la fa se  , p u e d e e x p re sa rse c om o
  wC 
 wH 
 wO 
 wN

 wS  
C

H

O

N








 S  
  1 2 .0 1 

 1 .0 0 8 
 1 6 .0 
 1 4 .0 0 7 
 3 2 .0 6  

  wC  1  w H   w S  1  wO
  1 2 .0 1   4  1 .0 0 8    3 2 .0 6   2  1 6 .0


 






 wC 
O
(
g
)

 2

 CO2 (g )

 1 2 .0 1 
1  wH 
1  wN

 wS 
H
O
(
l
)

N
(
g
)


 2

 2

 SO 2 ( g )
2  1 .0 0 8 
2  1 4 .0 0 7 
 3 2 .0 6 
E l c a lor d e c om b u stió n p a ra u n a m a sa u n i ta ria d e l m a te ria l fó sil
e sta rá d a d a p or
R T  wO
wN
1  wH  
0
 Hˆ c   Q v 





2  1 6 .0
1 4 .0 0 7
2  1 .0 0 8  
H
0
c
  Q v  3 3 .3 w O  3 8 .0 5 w N  2 6 4 .3 w H
 B tu 


lb
m 

Poder calorífico
kcal
PCS  6700
* 0 . 85
kg carbón seco
PCI
ANHIDRO
m H 2 O  0.05
 PCS
PCI
ANHIDRO
 6451 . 8
kcal
 5695
kg carbón húmedo
kg carbón húmedo
- m H 2 O .  25º C
v
ANHIDRO
kg H
18 kg H 2 O
kg carbón seco
2 kg H
 25º C  2305.1
v
kg carbón seco
kJ
kg carbón seco
kcal
 551.46
kg
 0.45
kg H 2 O se forman
kg H 2 O(l)
kcal
 6700
kg carbón seco
kcal
kg carbón seco
- 0.45
kg H 2 O(l) formada
kg carbón seco
551.46
kcal
kg H 2 O(l)

Poder calorífico
PCI a partir de PCSAnhidro
PCI  PCS - m H 2 O .  25º C
v
m H 2 O  0.05
 0.15
kg H
18 kg H 2 O
kg carbón seco
2 kg H
kg H 2 O
 25º C  2305.1
v
kJ
 551.46
kg
kg carbón seco

kg carbón húmedo
kg H 2 O
 0.5325
kg carbón húmedo
0.85
kg carbón húmedo
kcal
kg H 2 O(l)

kcal
kg carbón seco 
PCI   6700
0.85
kg carbón seco
kg carbón húmedo 


kg de H 2 O
 0.5325
kg carbón húmedo


kcal
551.46
  5401 . 3
kg H 2 O(l) 
kg carbón húmedo
kcal
Poder calorífico
PCI a partir de PCIAnhidro
PCI  PCS - m H 2 O .  25º C
v
m H 2 O  0.15

v
25º C
 2305.1
kg H 2 O
kg carbón húmedo
kJ
 551.46
kg
kcal
kg H 2 O(l)

kcal
kg carbón seco 
PCI   6451.8
0.85
kg carbón seco
kg carbón húmedo 


kg de H 2 O
 0.15
kg carbón húmedo


kcal
551.46
  5401 . 3
kg H 2 O(l) 
kg carbón húmedo
kcal
Poder calorífico
Supongamos:
Material A: 80% C(en peso); 20% H
Material B: 90% C(en peso); 10% H
El material A tiene mayor poder calorífico pues el H tiene mayor
poder calorífico.
Así, el gas natural tiene mayor poder calorífico que el carbón. Esto se
debe a que el gas natural tiene mayor cantidad de H
Pero ojo, en peso, las cosas cambian
C  O 2  CO 2 (g) ,  H fCO
H2 
C:
1
2
94.052
57.7979
2
H C
(g)
kcal
mol C
O 2  HO 2 (g) ,  H fHO 2 ( g )   57 . 7979
12
H:
2
  94 . 052
 7 . 84
kcal
gC
 28 . 9
kcal
gH2
kcal
mol H 2
Fusibilidad de las cenizas

Puede causarnos problemas operacionales
Las cenizas tienen un punto de fusión
Si llegamos a la temperatura de fusión de las cenizas
se transforman en líquido. Al enfriarse, se forman “tochos”
que nos pueden obligar a parar.
En laboratorio se calculan Temperaturas de Fusión
El 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 carbón

Medida de la velocidad de reacción
Hemos de tener en cuenta el tipo de carbón.
Las propiedades pueden ser muy diferentes
Volátiles
Carbón
Sólidos carbonosos (Char), lo que va a reaccionar
Antracita
Hulla
Lignito
Mayor reactividad
¡Recordar que es el
Hidrógeno el que es
Muy reactivo!
+
Antracita tiene muy pocos volátiles
Lignito tiene muchos volátiles, luego los sólidos carbonosos serán muy
porosos (influye positivamente en la reactividad)
Procesos




Gasificación (gas)
Reacciones Sólido-Gas No catalíticas
Combustión (energía)
Licuefacción (líquido)
Pirogenación, coquización (sólido)
Esto que vamos a ver para el carbón es aplicable a cualquier combustible sólido
Proceso con el carbón


Gasificación
Combustión
El primer paso es el mismo para ambos
Ambos se llevan a cabo a alta temperatura
El carbón se descompone por efecto de la temperatura
Carbón
T
descomposición
• Volátiles
Gases (CO, CO2, CH4, …)
Líquidos (alquitranes) “Tars”
• Sólido carbonoso (Char)
(Carbono fijo y cenizas)
Esta distribución, para un mismo carbón no es siempre la misma,
Depende de las condiciones.
F( dp, T,  T )
t
Proceso con el carbón

La segunda parte del proceso difiere
según sea Gasificación o Combustión
Sólido
Carbonoso
+
Gas
O2 Combustión
H2O(v) Gasificación
“Reacciones Sólido-Gas No catalíticas”
“Reactores Sólido-Gas”
Reacciones Sólido-Gas

a)
Reactores S-G (gas, siempre continuo)
Discontinuos para el sólido


b)
Lecho Fijo
Lecho fluidizado
Continuos para el sólido




Lecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grande
Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. dp intermedio
Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp
pequeño
Hornos rotatorios
Los a) no suelen utilizarse, pues no son útiles
* En algunos libros al lecho móvil lo llaman lecho fijo
Diseño de reactores

Hemos de tener en cuenta
• A) Velocidad de reacción para partículas
• B) Distribución de tamaños
• C) Tipos de flujo en el reactor
Gasificación del Carbón
Intenta transformar el carbón en gases valiosos.
Fundamentalmente son mezclas de CO, H2, CH4, …
Independientemente del proceso:
Volátiles (gases)
Carbón
Sólido carbonoso (principalmente C)
“PIROLÍSIS”
Gasificación 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 Carbón
“Gasificación”
C(s) + H2O(g)
CO(g) + H2(g)
H R
25 º C
kcal
 31. 38
gm ol º C
Reacción endotérmica, hemos de aportar calor y la forma
de 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)
Interesa meter poco O2(g)
El CO2 no va a ser un producto valioso
H R
25 º C
  94. 05
kcal
gm ol º C
Gasificación del Carbón
Reacciones Secundarias
C(s) + CO2(g)
2CO(g)
C(s) + 2H2(g)
CH4(g)
H R
25 º C
H R
25 º C
kcal
 41. 22
gm ol º C
  17. 9
kcal
gm ol º C
Muy favorecida con la presión
“Shift”
Intercambio
CO + H2O(g)
CO2(g) + H2(g)
H R
25 º C
  9. 8
kcal
gm ol º C
Gasificación del Carbón
Hay distintos tipos de gasificación
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 1500 kcal
3
m N
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
3
m N
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 natural
Económicamente no salen las cuentas
Gasificación del Carbón
Los 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 grande
• Lecho fluidizado. Umf ≤ U < Ut. Dp intermedio
• Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp
pequeño
• Hornos rotatorios
De estos cuatro hay tres que se utilizan
• Lecho móvil. (proceso Lurgi) a presión
•
Lecho fluidizado.(proceso Winkler)
•
Lecho de arrastre o de transporte.(KoppersTotzek)
Lecho móvil
También conocido como Lecho Fijo, continuo para el sólido
En un mismo equipo debido al perfil de temperaturas y a los distintos
productos 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 pueden
fundir 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 móvil
Que se formen más o menos alquitranes depende de: dp, T,
dp
T
T
t
T
t
Tendencia a formar alquitranes
En el sólido tenemos un perfil de temperaturas
Contenido de alquitranes
Contenido 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
T
t
es lenta y progresiva
Sólido
Grande
Distribuidor
de sólido
Parrilla
giratoria
para sacar
las cenizas
400 ºC
Lecho Fluidizado
(U > Umf) (aumentar la velocidad ó disminuir el tamaño de partícula)
Para el tiempo de residencia hemos de tener en cuenta:
•
t 
W
FSólido
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.
TDH, altura suficiente para que el sólido vuelva a
Caer al lecho
“Arrastre” (debida al empuje de las burbujas)
(U < Utransporte)
Para partículas muy pequeñas (U > UT), la partícula
se va con el gas. “Elutriación”.
Lecho de Arrastre
(U >> UTerminal) (aumentar la velocidad ó disminuir la UT)
Tiempos de residencia del sólido muy pequeños, es de segundos
t 
L
u: velocidad de gas (5 m/s)
u
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 mm)
Rendimientos de Gasificadores
Fundamentalmente hay tres definiciones
1. Rendimiento en materia
2. Rendimientos basados en la energía
3. Rdto que considera todo la entrada y la salida
1.-
C antidad de C en el G as
C antidad de C en el C arbón
2.-
C alor Q uím ico en el G as
3

C alor Q uím ico en el C arbón
3.-
E nergía de S alida D isponible
E nergía de E ntrada
m N gas x P C I gas a 25 º C
kg carbón x P C I carb ón a 25 º C

3
 g c P (T - 25)
m N x PCI + m
kg carbón x P C I + H V apor de agua
Rendimientos de Gasificadores
En la actualidad el aprovechamiento de los gases está en la
Obtención de Electricidad
Esta basado en los Ciclos Combinados
Cogeneración: Se produce vapor que necesitamos y además se
produce electricidad que aprovecharemos o venderemos
Se produce electricidad utilizando
Ciclo Combinado
Fig. 2
• Turbina de Gas (Expansión de gas)
• Turbina de vapor (Combustión del gas)
Gasificación/Combustión Diferencias desde el punto de vista medioambiental
Combustión
SO2, NOx (problemas)
Carbón
Gasificación
SH2, NH3
Combustión
SO2, NOx
Ciclo Combinado a Presión
Combustión
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:
H:
S:
C + O2
H2 + 1/2O2
S + O2
CO2
H2O
SO2
Calcularemos el O2 estequiométrico necesario
Podemos encontrarnos con:
•Estequiometría local ()
•Exceso de aire
•Relación de equivalencia (f)
Combustión
Estequiometría local ()
 = 1.2; Exceso = 20%
Aire
Aire Estequiom
étrico
Exceso de aire
Aire - Aire Estequiom
Aire Estequiom
étrico
x100
étrico
Relación de equivalencia (f); f = 0.83 →  = 1.2 →Exceso = 20%
1


Aire Estequiom
étrico
Aire
Fuel Lean (Exceso de aire) :  >1, 1<f<0
Fuel Rich (defecto de aire) :0< < 1, f>1
Combustión
Se define también un parámetro ()
Fuel
 
Aire
 Fuel 
 Fuel 





 Aire  Estequi .  Aire 
1


 Fuel 


 Aire  Estequi .
 Fuel 


 Aire 
 = 0.5 Condiciones Estequiométricas
 < 0.5
Fuel Rich (defecto de aire) :0.5 <  < 1
Fuel Lean (Exceso de aire) : 0 <
1
Combustión
• Descomposición Térmica del Carbón
Volátiles
Carbón
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
Combustión
La 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
Combustión
Aprovechamiento de la Energía
Una vez que hemos quemado bien el carbón:
Gas Caliente
• Energía Térmica
Vapor de Agua
• Energía Eléctrica
Energía Térmica
• Rendimientos cercanos a la unidad
• Rendimientos de combustión (Total) con respecto al producto final
Energía
Obtenida
Energía
(Producto)
Introducid
a
Energía Eléctrica
• Los Rendimientos bajan mucho
kW electricid
kW carbón
ad
 0 . 33
Combustión
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
SO2
Combustión
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 eliminar
por 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.
Combustión
SO2
Durante: Hemos de actuar en la propia cámara de combustión
Durante el proceso se añade caliza (CaCO3), que se va a descomponer
a 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
Combustión
Tipo de caliza
Descomponemos CaCO3 y medimos la superficie específica del CaO
CaCO3 → CaO + CO2 Endotérmica
CaO de muy alta superficie específica no funciona tan bien como
otras de menor
CaO + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 Exotérmica
Alta superficie específica implica muchos poros
Como el Volumen molar del CaSO4 es > Vmolar del CaO
Este CaSO4 tapona el poro del CaO y lo inutiliza
Temperatura
Al aumentar la temperatura del sólido (CaO) se sinteriza, se taponan
los poros del sólido.
Este máximo corresponde siempre a la misma temperatura (850 ºC)
independientemente de la caliza utilizada.
Combustión
Presión
Ahora tiene mayor importancia.
Trabajando a una 10 atm las calizas van peor
CaCO3 → CaO + CO2 (g)
Al aumentar la presión se desplaza a la izquierda
Para trabajar a presión tenemos dos posibilidades
A presión: CaCO3 + SO2 + 1/2O2 → CaSO4 + CO2
a) Esta reacción es mucho menos importante debido a que
la porosidad del CaCO3 es menor que la del CaO
Podemos utilizar CaCO3 pero con un diámetro de partícula muy
pequeño 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 derecha
A 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 mal
CaCO3.MgCO3 → CaO.MgO + 2CO2
La descomposición es tan violenta que rompe las partículas y
son elutriadas
Combustión
Para retener el SO2 dentro del combustor a 850 ºC
• A Presión atmosférica: CaCO3 CALIZA
• A alta presión: DOLOMITA
Combustión
NOx
Legislación: Normalmente se engloban NO y NO2
Dentro del combustor tenemos NO, pero conforme los gases se
enfrían 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
Combustores
Son reactores sólido-gas luego tenemos las mismas posibilidades
de siempre
Nos interesa los sistemas continuos (para el sólido)
En España la mayoría de los combustores son calderas
Caldera convencional (carbón pulverizado)
Clásica, entra el carbón con pequeño tamaño de partícula 70 Aº
El 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 la
transmisión de calor G-S no es muy buena
↓UA. T
Se suelen utilizar turbinas de vapor (rendimiento suele ser del 33 %)
El rendimiento de la turbina depende de la temperatura del vapor
En condiciones supercríticas (33% → 38%)
Combustores
En la caldera
Si se nos forma SO2, es muy dificil eliminarlo dentro de la caldera
pues 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 inyectamos
aquí 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 fluidizados
Podemos trabajar a 850 ºC luego la reducción de SO2 es importante
El 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 UAT (U, ↓ T)
Combustores
De 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 A
luego tenemos un mayor aprovechamiento de la energía
Problemas de erosión
En 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 mm
La cantidad de átomos de Ca idealmente sería igual al número de átomos
de S. Realmente, esto es insuficiente pues existen centros activos del CaO
no aprovechados con lo cual Ca/S = 3
• Velocidad del gas (u) = 1-2 m/s
Diseño de lecho fluidizado
burbujeante
Lo primero que nos tenemos que plantear es la potencia necesaria
1.- Concretar la potencia
* Térmica (MWT)
* Eléctrica (MWE)
Los rendimientos son distintos:
R endimiento

Térmico
MW T
MW combustibl
R endimiento

Eléctrico
 0 . 90  0 . 95
e
MW E
MW combustibl
 0 . 33  0 . 45
e
2.- Determinar el caudal másico de Carbón ( m carbón )
MW combustibl
e
 m carbón * PCI
Diseño de lecho fluidizado
burbujeante
3.- Determinar Caudal de aire Alimentado (kmol/h)
Necesitamos:
* Exceso de aire (15-20%)
* Análisis elemental (para aire estequiométrico)
4.- Determinar la sección del combustor
Condiciones 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 caliza
Calculamos el S del carbón → SO2
Como Ca/S = 3 → Ca → Caliza
Si nosotros tenemos un lecho fluidizado ya diseñado y nos piden
la potencia de este lecho:
Diseño de lecho fluidizado
burbujeante
1.- Conocemos :
* Sección (m2)
* Velocidad (u, m/s)
2.- Con:
3.- Con:
* % exceso de aire
* Análisis elemental
* Rendimiento
* PCI
Caudal de aire (m3/s)
Cantidad de carbón
Potencia
Combustores
¿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
Combustores
CIRCULANTE (Fig. 5) El más utilizado
u = 8 – 10 m/s .Podemos procesar 10 veces más de carbón.
Tª = 850 ºC
Podemos utilizar un tamaño de partícula de carbón pequeño pues
no importa la elutriación
dp < 2 mm.
Como el dp del cabón es bajo también el dp de la caliza será bajo
dp de caliza = 200 – 300 A
Luego Ca/S = 1.7
Limitante: “Aprovechamiento de la energía del carbón”
Los tubos se encuentran en la pared para evitar la corrosión
Combustores
A PRESIÓN (fig. 1)
Ventajas:
-Permite aprovechar mayor cantidad de carbón/m2
-Podemos ir hacia un ciclo combinado.
-Podemos utilizar también una turbina de gas
Fig. 1.- Ptrabajo = 10 – 20 atm; Tª = 850 ºC; u = 1-2 m/s
Los tubos están en el interior del lecho
Se utiliza una vasija a presión para “separar” los efectos de alta
temperatura y alta diferencia de presión
Una turbina de gas tiene mayor rendimiento cuanto mayor es la
temperatura de entrada del gas
Inicialmente los gases de salida de la caldera no iban directamente
a la turbina (separación de partículas) con lo cual disminuye la
temperatura de entrada y baja el rendimiento
Actualmente los gases a alta temperatura van directamente a la
turbina de gas. (ciclones adiabáticos aislados).
¿cómo podemos alimentar sólidos en un lecho a presión?
Combustores
Lock Hoppers: Dispositivo para alimentar sólidos a presión
1º) venteamos para asegurar que la cámara esta a P atmosférica
2º) Introducimos el carbón y cerramos 1 y 3, abrimos 2 y presurizamos
3º) Introducimos en el lecho a presión abriendo 4.
Carbón
Aire
Venteo
1
3
2
4
Alta presión
Combustores
Los 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 turbina
Normalmente 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 posible
Los mejores resultados se encuentran para gas natural (Rdto = 50 %).
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Aprovechamiento del carbón