combustión del carbón

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

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  • Combustin del Carbn

    z Termodinmica y cintica de la combustin del carbn.z Procesos de combustin.

    Lecho fijo Lecho fluidizado

    Quemadores de carbn pulverizado

    z Generacin de electricidad. z Aspectos ambientales.

    Tecnologas limpias para el control de emisiones y

    aprovechamiento eficiente de la energa.

  • El Carbn en el aumento mundial de la demanda de energa

  • Participacin del carbn en emisiones

  • Precios comparativos de la electricidad a partir de diferentes fuentes de energa (USA)Fuente Energtica Costo Relativo

    Carbn 1,9Gas 2,0Fuel 2,5

    Elica 4,0Biomasa 7,0

    Trmica Solar 16,0

    Carbn 19,7 $Nuclear 21,6 $Gas 34,0 $Fuel 34,0 S

    Precio del Mwh por fuenteUSA (1995)

  • Abundancia y Distribucin del Carbn.

  • El carbn mineral...Un combustible fsil con ventajas

    competitivas:z Abundante: Reservas extensamente distribuidas en mas de

    100 pases. z Seguro: Estable, fcil transporte, almacenamiento y

    utilizacin. z Suministro Garantizado: Precios competitivos que

    garantizan la generacin de electricidad. z Limpio: Disponibilidad de tecnologas limpias. z Econmico: Principal combustible para generacin

    temoelctrica.

  • Reacciones de combustin del carbnCalor de Combustin

    REACCIN 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

  • Mecanismo de combustin del carbn.Modelo de Grano

    Partcula estancadaRe < 100

    Partcula suspendida por gas de arrastre

    Re > 100

  • Combustin del carbn en lecho fijo.

  • Variacin de la composicin del gas a travs de lecho empacado.

  • Quemadores de carbn de lecho mvil

    Sistemas adaptados a caractersticas del carbn y sus cenizas.

  • Principales contaminantes en la produccin de energa a partir de combustibles fsiles

    Especie Efectos Fuentes antropognicas Fuentes naturalesSO2 Txico

    Lluvia cidaCombustinRefino de petrleo

    Oxidacin de sulfurosorgnicos

    NO TxicoLluvia cida

    Combustin Accin bacteriana

    NO2 TxicoLluvia cidaElecto invernadero

    Combustin

    CO2 Efecto invernadero Combustin VolcanesCO Txico Combustin Oxidacin de metano y otros

    hidrocarburosH2S Txico Gasificacin

    Refinacin de petrleoHornos de coqueIndustria papelera

    Volcanes y descomposicin demateria orgnica

    NH3 Txico Gasificacin Accin bacterianaHAP Txico (Cncer y

    mutaciones genticas)Combustin

  • Carbn pulverizado para generacin de electricidad

  • Quemadores de carbn pulverizado

  • Reacciones de la materia mineral durante la combustin del carbn

    Especies Reaccin Intervalo deTemperatura (C)

    KaolinitaAl2Si2O5(OH)4 Al2Si2O5(OH)4 Al2O3 + 2 SiO2 + 2 H2O 480PiritasFeS2 2 FeS2 + 11/2 O2 Fe2O3 + 4 SO2

    FeS2(s) FeS(s) + S2 (g)400 500

    200 700 (atm. inerte)SulfatosCaSO4MgSO4Fe2(SO4)Na2SO4

    CaSO4 CaO + SO3MgSO4 MgO + SO3

    Fe2(SO4)3 Fe2O3 + 3 SO3Na2SO4 (l) Na2SO4 (g)

    11801124480884

    CarbonatosCaCO3CaMg(CO3)2

    CaCO3 CaO + CO2CaMg(CO3)2 CaO + MgO + 2 CO2

    750 850730 760

    ClorurosNaCl NaCl(s) NaCl(l)

    NaCl(l) NaCl(g)NaCl(g) + H2O(g) NaOH(g) + HCl(g)

    8001465

    1030 1230

    De gran importancia en la combustin de carbn pulverizado

  • Lecho fluidizadoUna corriente de fluido en sentido ascendente atraviesa un lecho de partculas, causando que

    stas se mantengan en suspensin por el empuje. Esto hace que el lecho de partculas slidas

    adquiera un comportamiento similar a un fluido.

  • Velocidad de gas y slidos en funcin de la expansin del lecho

  • Combustores de lecho fluidizado: Condiciones de operacin

    Parmetro Convencional Circulante A presinT (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 1,7Retencin de S (%) 90 90 90NOx (ppm) 300 400 100 200 10 50* Sin recirculacin

  • Posibles zonas para la recuperacin de calor

  • Combustin en lecho fluidizado atmosfrico

  • Ciclo combinado basado en combustin de carbn en lecho fluidizado a presin

  • Combustin en lecho fluidizado presurizado

  • Ciclo combinado: Vapor-Lecho fluidizado a presin

  • Ciclo combinado: Gas-Lecho fluidizado a presin

  • Formacin de compuestos de azufre (SO2 y H2S)z Oxidacin del azufre contenido en el combustible

    S (orgnico/pirtico) + O2 SO2Menos del 10% se transforma en SO3 / H2SO4 y sulfatos (Na, Ca, etc)

    z Emisiones a nivel mundial: 90.000 kT/ao (60% generado en centrales elctricas) Principales emisores: China 25%

    USA 20%Rusia 17%Alemania 6%

    z Condiciones reductoras transforman el S en H2S

    70%

  • Formacin de xidos de nitrgeno

    Especie Tipo Lugar deformacin

    Mecanismo Factores de formacin de NOx

    Trmico Llama ZeldovichN2 + O NO + NN + O2 NO + O

    Concentracin de O2 (O) Temp > 1300C Tiempo de residencia

    Combustin LlamaCarbn-N.. ..HCN ... NO

    Concentracin de O2 (O)NOprompt Llama Fenimore

    CH + N2 HCN + NHCN .. ... NO

    Concentracin de CH

    Llama FenimoreNO + H2O NO2 + OH

    Conductos /Calderas

    2 NO + O2 2 NO2 Concentracin de O2 (O) Tiempo de residenciaNO2

    Atmsfera NO + O3 NO2 + O2N2O Caldera ( T) .. HCN + O NCO + H

    NCO + NO N2O + CO al disminuir Temp de combustin

  • Formacin de NOx a partir del combustibleMecanismo simplificado de formacin

  • Control de emisiones de NOxz Modificaciones en la combustin

    ACCIN DE CONTROL Reduccin (%)

    Disminucin de la temperatura --- Bajo exceso de aire 5 - 25 Aire en etapas 25 - 60 Recirculacin de gases de combustin 10 - 15

    z Control Post-Combustin Reduccin cataltica no selectiva (SCNR) 50 - 70 Reduccin cataltica selectiva (SCR) 70 - 90 Sistemas combinados reduccin NOx/SO2 70 - 90

  • Control de emisiones de NOx por reduccin cataltica selectiva (SCR)

    OH 6 N 4 O NO 4 NH 4 2223 +++

    Catalizador comercial anatasedepositado sobre monolitos cermicos de cordierita

    Catalizadores ms usuales:V2O5-MoO3/TiO2V2O5-WO3/TiO2ACTIVO - PROMOTOR Y ESTABILIZADOR / SOPORTE

  • Costos de tcnicas de remocin de NOx

    0

    1020

    30

    40

    5060

    70

    80

    0 20 40 60 80 100

    % Retencin NOx

    C

    o

    s

    t

    o

    (

    $

    /

    k

    W

    )

    SCR

    Inyeccin de agua

    SNCRFLGR OFA

    Reburning convencional (gas natural)

  • Procesos de captura de CO2

    FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html

  • Fuentes bibliografa consultadas

    z J. Tomeczek. Coal combustion. Krieger Publishing Company, 1994. z N. Berkowitz. An introduction to coal technology. Academic Press,

    1979.z J. Speight. The chemistry and tecnology of coal. Ney York, 1994.z G. Marbn. Control de emisiones de NOx derivadas de la utilizacin de

    combustibles fsiles. INCAR, CSIC, 2002. z J. Pis. Carbn como fuente de energa. INCAR, CSIC, 2009. z J. Pis. Combustin del carbn. INCAR, CSIC, 2000. z S. Ferrer Mur, F Soler Preciado, D. Mateos Fernndez. ATMOSFERIS

    and all content en: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html

    z http://www.textoscientificos.com/energia/combustibles/combustion-carbon