Combustión del carbón

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

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Combustión del carbón

  1. 1. 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.
  2. 2. El Carbón en el aumento mundial dela demanda de energía
  3. 3. Participación del carbón en emisiones
  4. 4. Precios comparativos de la electricidad apartir de diferentes fuentes de energía (USA)Fuente Energética Costo Relativo Precio del Mwh por fuente Carbón 1,9 USA (1995) Gas 2,0 Carbón 19,7 $ Fuel 2,5 21,6 $ Nuclear Eólica 4,0 Biomasa 7,0 Gas 34,0 $ Térmica Solar 16,0 Fuel 34,0 S
  5. 5. Abundancia y Distribución del Carbón.
  6. 6. 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.
  7. 7. Reacciones de combustión del carbón Calor 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
  8. 8. Mecanismo de combustión del carbón.Modelo de GranoPartícula estancada Re < 100 Partícula suspendida por gas de arrastre Re > 100
  9. 9. Combustión del carbón en lecho fijo.
  10. 10. Variación de la composición del gasa través de lecho empacado.
  11. 11. Quemadores de carbón de lecho móvilSistemasadaptados acaracterísticas delcarbón y suscenizas.
  12. 12. Principales contaminantes en la producción de energía a partir de combustibles fósilesEspecie Efectos Fuentes antropogénicas Fuentes naturalesSO2 Tóxico Combustión Oxidación de sulfuros Lluvia ácida Refino de petróleo orgánicosNO Tóxico Combustión Acción bacteriana Lluvia ácidaNO2 Tóxico Combustión Lluvia ácida Electo invernaderoCO2 Efecto invernadero Combustión VolcanesCO Tóxico Combustión Oxidación de metano y otros hidrocarburosH2 S Tóxico Gasificación Volcanes y descomposición de Refinación de petróleo materia orgánica Hornos de coque Industria papeleraNH3 Tóxico Gasificación Acción bacterianaHAP Tóxico (Cáncer y Combustión mutaciones genéticas)
  13. 13. Carbón pulverizado parageneración de electricidad
  14. 14. Quemadores de carbón pulverizado
  15. 15. Reacciones de la materia mineraldurante la combustión del carbón Especies Reacción Intervalo de Temperatura (°C) Kaolinita Al2Si2O5(OH)4 Al2Si2O5(OH)4 → Al2O3 + 2 SiO2 + 2 H2O 480 Piritas FeS2 2 FeS2 + 11/2 O2 → Fe2O3 + 4 SO2 400 – 500 FeS2(s) → FeS(s) + ½ S2 (g) 200 – 700 (atm. inerte) Sulfatos CaSO4 CaSO4 → CaO + SO3 1180 MgSO4 MgSO4 → MgO + SO3 1124 Fe2(SO4) Fe2(SO4)3 → Fe2O3 + 3 SO3 480 Na2SO4 Na2SO4 (l) → Na2SO4 (g) 884 Carbonatos CaCO3 CaCO3 → CaO + CO2 750 – 850 CaMg(CO3)2 CaMg(CO3)2 → CaO + MgO + 2 CO2 730 – 760 Cloruros NaCl NaCl(s) → NaCl(l) 800 NaCl(l) → NaCl(g) 1465 NaCl(g) + H2O(g) → NaOH(g) + HCl(g) 1030 – 1230De gran importancia en la combustión de carbón pulverizado
  16. 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. 17. Velocidad de gas y sólidos en función de laexpansión del lecho
  18. 18. 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
  19. 19. Posibles zonas para larecuperación de calor
  20. 20. Combustión en lecho fluidizadoatmosférico
  21. 21. Ciclo combinado basado en combustiónde carbón en lecho fluidizado a presión
  22. 22. Combustión en lecho fluidizadopresurizado
  23. 23. Ciclo combinado:Vapor-Lecho fluidizado a presión
  24. 24. Ciclo combinado:Gas-Lecho fluidizado a presión
  25. 25. Formación de compuestos de azufre(SO2 y H2S)Oxidación del azufre contenido en el combustible S (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% 70% Rusia 17% Alemania 6%Condiciones reductoras transforman el S en H2S
  26. 26. Formación de óxidos de nitrógenoEspecie Tipo Lugar de Mecanismo Factores de formación de NOx formación Térmico Llama Zeldovich ↑ Concentración de O2 (O) N2 + O ↔ NO + N ↑ Temp > 1300°C N + O2 ↔ NO + O ↑ Tiempo de residencia Combustión Llama ↑ Concentración de O2 (O)NO Carbón-N.. →..HCN → ... NO prompt Llama Fenimore ↑ Concentración de CH CH + N2 ↔ HCN + N HCN →.. →... NO Llama Fenimore NO + H2O → NO2 + OHNO2 Conductos / 2 NO + O2 → 2 NO2 ↑ Concentración de O2 (O) Calderas ↑ Tiempo de residencia Atmósfera NO + O3 → NO2 + O2N2O Caldera (↓ T) .. → HCN + O → NCO + H ↑ al disminuir Temp de combustión NCO + NO → N2O + CO
  27. 27. Formación de NOx a partir del combustibleMecanismo simplificado de formación
  28. 28. Control de emisiones de NOx 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 Control Post-Combustión – Reducción catalítica no selectiva (SCNR) 50 - 70 – Reducción catalítica selectiva (SCR) 70 - 90 – Sistemas combinados reducción NOx/SO2 70 - 90
  29. 29. Control de emisiones de NOx porreducción catalítica selectiva (SCR) 4 NH 3 + 4 NO + O 2 → 4 N 2 + 6 H 2 O Catalizador comercial “anatase” depositado sobre monolitos cerámicos de cordieritaCatalizadores más usuales:V2O5-MoO3/TiO2V2O5-WO3/TiO2ACTIVO - PROMOTOR Y ESTABILIZADOR / SOPORTE
  30. 30. Costos de técnicas de remoción de NOx 80 70 60 SCR Costo ($/kW) 50 40 Reburning convencional 30 (gas natural) 20 10 SNCR Inyección de agua FLGR OFA 0 0 20 40 60 80 100 % Retención NOx
  31. 31. Procesos de captura de CO2 FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html
  32. 32. 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.html http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/combustion -carbon

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