EL CARBON COMO MATERIA PRIMA

1. EL CARBON COMO MATERIA PRIMA

2. Clasificación de los Combustibles

3. 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.

5. Combustibles naturales

6. Turba • Lignito • Hulla • Antracita Mayor reactividad Mayor evolución (más carbonizados) Además tendremos en cuenta: • Temperatura de fusión de las cenizas • Reactividad del carbón Carbón • Evolución del Carbón • Tanto para el carbón como para el petróleo es interesante: • Análisis Elemental • Análisis Inmediato • Poder Calorífico

7. ¿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.)

8. Análisis Elemental Proporciones de elementos (C, H, S, O y N) C: Quemamos y analizamos CO y CO2 H: Quemamos y analizamos H2O Claves S: Quemamos y analizamos SO2 N: Quemamos y analizamos NOx Medioambientalmente El O por diferencia (no muy fiable)

9. 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, ) Velocidad de calentamiento

10. Poder calorífico • PCS • PCI • PCS anhidro • PCI anhidro Poder Calorífico Superior A 25 ºC Experimentales Poder Calorífico Inferior Base (Carbón seco) 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

11. 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

13. Poder calorífico

14. Poder calorífico PCI a partir de PCSAnhidro

15. Poder calorífico PCI a partir de PCIAnhidro

16. 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

17. 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

18. Reactividad del carbón Hemos de tener en cuenta el tipo de carbón. Las propiedades pueden ser muy diferentes • Medida de la velocidad de reacción Volátiles Carbón Sólidos carbonosos (Char), lo que va a reaccionar - Antracita Hulla Lignito ¡Recordar que es el Hidrógeno el que es Muy reactivo! Mayor reactividad + Antracita tiene muy pocos volátiles Lignito tiene muchos volátiles, luego los sólidos carbonosos serán muy porosos (influye positivamente en la reactividad)

19. Procesos • Gasificación (gas) • Combustión (energía) • Licuefacción (líquido) • Pirogenación, coquización (sólido) Reacciones Sólido-Gas No catalíticas Esto que vamos a ver para el carbón es aplicable a cualquier combustible sólido

20. 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 Gases (CO, CO2, CH4, …) Líquidos (alquitranes) “Tars” • Volátiles T Carbón descomposición • 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, )

21. Sólido Carbonoso + Gas “Reacciones Sólido-Gas No catalíticas” “Reactores Sólido-Gas” O2 Combustión H2O(v) Gasificación Proceso con el carbón • La segunda parte del proceso difiere según sea Gasificación o Combustión

22. Reacciones Sólido-Gas • Reactores S-G (gas, siempre continuo) • Discontinuos para el sólido • 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

23. 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

24. Volátiles (gases) Carbón Sólido carbonoso (principalmente C) Gasificación del Carbón Intenta transformar el carbón en gases valiosos. Fundamentalmente son mezclas de CO, H2, CH4, … Independientemente del proceso: “PIROLÍSIS”

25. 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

26. C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) C(s) + O2(g) CO2(g) Gasificación del Carbón “Gasificación” 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. Interesa meter poco O2(g) El CO2 no va a ser un producto valioso

27. C(s) + CO2(g) 2CO(g) Gasificación del Carbón Reacciones Secundarias C(s) + 2H2(g) CH4(g) Muy favorecida con la presión “Shift” Intercambio CO + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

28. C(s) + 2H2(g) CH4(g) 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 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: 3.- Agente reactante: H2 + vapor de H2O Va hacia CH4 y un combustible de alto contenido energético Se conoce como “SNG” sustituto del gas natural Económicamente no salen las cuentas

29. 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.(Koppers-Totzek)

30. 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 • Secado • Pirólisis-Descomposición • Gasificación • Combustión U < Umf • 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.

31. Lecho móvil Que se formen más o menos alquitranes depende de: dp, T, Tendencia a formar alquitranes En el sólido tenemos un perfil de temperaturas dp Contenido de alquitranes T 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 es lenta y progresiva

32. Sólido Grande Distribuidor de sólido Parrilla giratoria para sacar las cenizas

33. 400 ºC

34. Lecho 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. 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”.

36. Lecho de Arrastre (U >> UTerminal) (aumentar la velocidad ó disminuir la UT) Tiempos de residencia del sólido muy pequeños, es de segundos 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 mm)

41. Rendimientos de Gasificadores • Fundamentalmente hay tres definiciones • Rendimiento en materia • Rendimientos basados en la energía • Rdto que considera todo la entrada y la salida 1.- 2.- 3.-

42. 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 • Turbina de Gas (Expansión de gas) • Turbina de vapor (Combustión del gas) Ciclo Combinado Fig. 2 Gasificación/Combustión Diferencias desde el punto de vista medioambiental Combustión SO2, NOx (problemas) Carbón Combustión SH2, NH3 SO2, NOx Gasificación

43. Ciclo Combinado a Presión

46. 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: C + O2 CO2 H: H2 + 1/2O2 H2O S: S + O2 SO2 • Calcularemos el O2 estequiométrico necesario • Podemos encontrarnos con: • Estequiometría local (l) • Exceso de aire • Relación de equivalencia (f)

47. Combustión Estequiometría local (l) l = 1.2; Exceso = 20% Exceso de aire Relación de equivalencia (f); f = 0.83 →l = 1.2 →Exceso = 20% Fuel Lean (Exceso de aire) : l >1, 1<f<0 Fuel Rich (defecto de aire) :0<l < 1, f>1

48. Combustión Se define también un parámetro (g) g = 0.5 Condiciones Estequiométricas Fuel Lean (Exceso de aire) : 0 < g < 0.5 Fuel Rich (defecto de aire) :0.5 < g< 1

49. 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

50. 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