combustión de carbón

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    Combustin de carbnS. Jimnez

    Cientfico Titular del CSIC. Laboratorio de investigacin en tecnologas de la combustin, LITEC (CSIC-UZ). yago@litec.csic.es

    Alrededor del 40% de la energa elctrica mundial se genera en plantas de combustin de carbn (algo menos del 20% en Espaa), lo que da idea de la importancia presente y futura de esta fuente de energa. Al mismo tiempo, existe un creciente inters en reducir su im-pacto medioambiental, sobre todo en lo concerniente a las emisiones de CO2 a la atmsfera (otros contaminantes, como NOx y SOx, origen de la lluvia cida, recibieron ms atencin en el pasado, y menos ahora al incorporar las plantas tecnologas que permiten cumplir con las normativas actuales en la materia). Otra motivacin para profundizar en el estudio de la combustin de carbn, tras ms de un siglo de uso intensivo, es la globalizacin de los mer-cados y, en el caso europeo y espaol, la reciente introduccin de carbones de importacin, de mayor calidad (y menor precio), como sustitutos de los casi agotados yacimientos loca-les. En este texto se pretende dar una visin general del estado del arte en combustin de carbn, as como de las nuevas tcnicas en desarrollo y lneas de investigacin en marcha.

    Aunque en general nos referimos al carbn como un solo material, en realidad hay muchos tipos de carbones bastante distintos entre s, tanto por sus propiedades ms bsicas (por ejemplo: poder calorfico, humedad, cenizas, voltiles) como por su reactividad (de menor a mayor, como regla general: antracita, hulla, lignito, etc.).

    Existen distintas tecnologas para el aprovechamiento de gran poder calorfico del carbn. Entre las ms importantes se cuentan:

    Combustin de carbn pulverizado. La mayor parte de las plantas de produccin de ener-ga elctrica se basan en esta tcnica. El carbn se muele hasta tamaos menores a ~100 m (menores que el grosor de un pelo), y se introduce en la caldera acompaado por el aire que lo quemar; este mismo aire lo arrastra hacia la salida, donde se sitan los inter-cambiadores de calor, primero, y los sistemas de limpieza de gases, despus; la figura 1 representa un esquema de una caldera tpica, y el recorrido de los gases. El diseo de las calderas depende del tipo de carbn a quemar, y no son en general intercambiables. Se trata de instalaciones muy grandes (el hogar de las mayores alcanza los 80 m de altura interior), con paradas muy espaciadas en el tiempo (del orden de dos aos) y eficien-cias globales relativamente altas (~35% de la potencia trmica introducida se convierte en electricidad, aunque los ltimos diseos, con circuitos de vapor a muy alta temperatura y presin, alcanzan hasta un 45%).

    Texto publicado en la pgina web www.energia2012

  • Combustin en lecho fluido o fluidizado. Se introdujeron como un medio de disminucin de emisiones contaminantes, sobre todo SOx y NOx. El carbn, molido en tamaos milimtri-cos (o sea, mucho mayores que en pulverizado), se mantiene en suspensin con ayuda de un lecho de arena. Las temperaturas alcanzadas son bastante menores que en las calde-ras anteriores (800-1.000C frente a 1.300-1.500C), y tambin la eficiencia energtica es en general menor. Buena parte de la limpieza de gases se lleva a cabo en el propio lecho. La figura 2 es un ejemplo de una central de lecho fluido circulante, en la que las partculas de carbn son en parte arrastradas por el aire de combustin y retenidas, hasta que estn quemadas por completo, por un cicln que las devuelve al hogar principal.

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    Texto publicado en la pgina web www.energia2012

    Figura 1. Esquema de una central

    de carbn pulverizado. La lnea azul representa el flujo de aire desde la inyeccin a la emisin.

    Figura 2. Esquema de

    una planta de lecho fluido.

  • Gasificacin. En realidad, muy pocas plantas a nivel mundial producen energa elctrica mediante la gasificacin de carbn y posterior combustin (Elcogas, en Puertollano, es una de ellas), pero la tecnologa es per se interesante: se trata de convertir la matriz car-bonosa en gas combustible, para a partir de este gas generar energa (por ejemplo, en un ciclo combinado, de gran eficiencia) u otros productos (plsticos, etc.). La manera de hacerlo es introducir el carbn en una caldera a alta temperatura con un gran defecto de oxgeno y, en cambio, altas concentraciones de CO2 y H2O. A modo de ejemplo, la reaccin de la matriz carbonosa con el primer gas es C + CO2 > 2 CO, y el CO puede quemarse tal cual o bien desplazarse hacia CH4 y H2 con ayuda del vapor de agua.

    Existen nuevas tecnologas en desarrollo, bsicamente destinadas a la captura y posterior almacenamiento de CO2:

    En la oxicombustin se sustituye el N2 (que supone ~80% del aire) por gases recirculados de la caldera, de modo que el carbn se quema en presencia de una mezcla casi pura de O2 y CO2 (vase figura 3). Tras limpiar los gases de partculas y otros contaminantes (e.g. SOx), el flujo final resultante es casi CO2 puro, que puede directamente comprimirse y conducirse hasta los lugares de almacenamiento geolgico. En la actualidad, funcionan con esta tecnologa algunas plantas piloto de media potencia, y se espera que en el fu-turo se implante de manera extensiva.

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    Figura 3. Funcionamiento bsico de una planta de oxicombustin.

    Texto publicado en la pgina web www.energia2012

    Chemical looping, o bucle qumico. Como muestra la figura 4 en la pgina siguiente, el aire y el combustible (aunque se suele trabajar con gas, en principio es extensible a slidos como el carbn) no estn en contacto, sino que el O2 es transportado entre dos reactores paralelos por un agente qumico, bsicamente un metal que absorbe el O2 en un sitio y lo libera en el otro. De nuevo, el resultado es una corriente de CO2 casi puro.

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    Carbonatacin-calcinacin. En realidad, es una tcnica de captura de gases post-com-bustin: de manera anloga al chemical looping, en un reactor un agente captura el CO2 (e.g. CaO que se carbonata a CaCO3) y en otro lo libera como una corriente de CO2 puro (figura 5).

    Figura 4. Esquema de funcionamiento de una planta de chemical looping.

    Figura 5. Esquema de

    funcionamiento de un mdulo de

    carbonatacin-calcinacin para

    la captura de CO2 procedente de la

    combustin de carbn.

    El desarrollo de estas nuevas tecnologas de generacin de energa limpia a partir del carbn, el inters pblico en reducir las emisiones contaminantes (expresado en regulacio-nes progresivamente ms estrictas) y el industrial por optimizar el funcionamiento de las plantas tienen su correspondencia en mltiples lneas de investigacin a cargo de numero-sos grupos nacionales y extranjeros. En los prrafos que siguen se ilustran algunas de ellas con resultados obtenidos en las instalaciones del LITEC:

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    A medida que se han incorporado nuevos carbones a plantas ya en funcionamiento, pero diseadas para combustibles locales, ha sido necesario caracterizar su reactividad; es decir, el ritmo al que se consumen en distintas condiciones de oxgeno y temperatura (un buen ejemplo de este tipo de sustituciones es la central de As Pontes, en Galicia, situada al lado de una mina de lignito recientemente agotada: actualmente quema combustibles de Indonesia, EEUU y otros orgenes). La caracterizacin se lleva a cabo mediante ensayos con partculas dentro de un rango estrecho de tamaos en un reactor de flujo laminar; el ajuste de las curvas de inquemados vs. tiempo a modelos relativamente simples permite proporcionar a los diseadores u operadores de caldera los parmetros cinticos que sus cdigos de simulacin necesitan como datos de entrada. La figura 7, ms adelante, inclu-ye unas curvas similares a las obtenidas para reaccin con O2. La figura 6 ilustra la evolu-cin tpica de las partculas de carbn (aqu, antracita) con el grado de quemado, desde el original hasta la ceniza final.

    Figura 6. Evolucin de partculas de carbn pulverizado con el grado de combustin: original (1), oxidacin ligera (2) y cenizas (3). Imgenes de un microscopio electrnico de barrido (SEM).

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    La tasa de gasificacin del carbn por el CO2 no ha recibido gran atencin en el pasado, ante la evidencia experimental de que los ritmos de reaccin eran considerablemente me-nores que los equivalentes para oxgeno. Esta percepcin parece estar cambiando, tanto por el desarrollo de gasificadores a gran escala como por la introduccin de la oxicom-bustin como alternativa realista a la combustin convencional. En los dos casos la con-centracin de CO2 en los gases es muy alta, y la temperatura tambin es notable. La figura 7 muestra los resultados de un estudio reciente de un carbn subbituminoso sobre su tasa de reaccin en concentraciones de CO2 y temperaturas variables; en condiciones de oxicombustin, y para carbones reactivos como ste, se ha encontrado que la gasificacin puede llegar a suponer hasta un 20% del ritmo global de reaccin (incluso en presencia de modestas concentraciones de oxgeno).

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    La figura 8 pretende ilustrar estudios, todava activos, dirigidos a la reduccin de emisio-nes contaminantes. En particular, se quiere reducir la cantidad de NOx emitidos, de inte-rs dado que son responsables de un tipo de lluvia cida. Existen dos opciones generales: capturar antes de la emisin (catalizadores), o bien generar menos en la propia caldera (quemadores de bajo NOx, reburning). Esta ltima tcnica consiste en crear en la caldera una zona reductora en la que los NOx se reducen a N2. Suele crearse mediante la inyec-cin de otro combustible y de un aire terciario que permite quemarlo ms adelante. En los ensayos de la figura 8 (con reducciones de hasta un 80% en los NOx emitidos) se utiliz biomasa como combus