desulfuración del carbón. monografía

7/26/2019 Desulfuracin Del Carbn. Monografa

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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DEPARTAMENTO DE PROCESOS Y SISTEMAS

TECNOLOGA Y CIENCIA DEL CARBN MINERALPS7234

LA DESULFURACIN DEL CARBN

Nelson Rafael Vsquez


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NDICE GENERAL

NDICE GENERAL .................................................................................................................................

INTRODUCCIN ....................................................................................................................................

COMPUESTOS DE AZUFRE EN EL CARBN ...................................................................................

MTODOS DE DESULFURACIN DEL CARBN ............................................................................

TECNOLOGAS DE TRATAMIENTOS DE GASES DEL AZUFRE PROVENIENTES DE LA

COMBUSTIN DEL CARBN ........................................................................................................... 1

LA BIODESULFURACIN DEL CARBN ....................................................................................... 2

PERSPECTIVAS DE FUTURO ............................................................................................................ 3

REFERENCIAS ..................................................................................................................................... 3


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INTRODUCCIN

La importancia del carbn como fuente de energa se pone de manifiesto a partir de la dcada

de los aos 70, como consecuencia de la crisis energtica de aquel entonces. A partir de ese

momento, la importancia de ese momento, la importancia de las reservas de carbn sobre los

dems combustibles slidos ha venido ganando terreno, adems de su utilizacin, cada vez ms

masiva, para la produccin de energa elctrica.

El problema principal que tiene actualmente el la utilizacin del carbn es la conservacin del

medio ambiente, ya que como consecuencia de la combustin del carbn se producen emisiones

altamente contaminantes. La legislacin actual en materia de contaminacin atmosfrica es cada

vez ms estricta, siendo necesario tanto el control exhaustivo de las emisiones como como lareduccin de los mismos y en consecuencia es mucha la tarea que se ha hecho, y se sigue

haciendo hoy en da, en el rea de la investigacin y desarrollo de nuevas tecnologas como

alternativas para la utilizacin limpia del carbn.

El contaminante ms importante del carbn es el azufre que se transforma durante los procesos

de combustin en dixido de azufre, principal responsable, junto con los xidos de nitrgeno, de

la lluvia cida. La disminucin de la calidad del carbn, como consecuencia del agotamiento de

yacimientos bajos en azufre, ha contribuido a aumentar considerablemente las emisiones de SO2.

Este hecho es la justificacin principal, adems de ajustar la calidad del carbn a la requerida

para su uso posterior, del desarrollo de mtodos que hagan posible la reduccin de contenido de

azufre en el carbn.


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COMPUESTOS DE AZUFRE EN EL CARBN

El carbn esta formado bsicamente por materia carbonosa con diversas inclusiones minerales. El

azufre en el carbn est presenta en forma de compuestos orgnicos e inorgnicos.

Figura 1. Principales compuestos de azufre en el carbn

Segn la naturaleza de estos compuestos se puede establecer la siguiente clasificacin:

a) Azufre Pirtico, constituido por sulfuros de hierro (pirita o marcasita dependiendo de la estructura

cristalogrfica). Se encuentra en el carbn como ndulos o inclusiones ms o menos finamente

diseminados. De acuerdo a su morfologa y distribucin se habla de pirita cristalina, masiva,

nodular, fusiforme, granular o globular. La efectividad de los procesos de eliminacin de este

azufre va a depender de la morfologa y sobre todo del grado de dispersin. La cantidad de azufrepirtico es muy variable (del 0,5 al 6%) dependiendo del tipo de carbn. Los carbones bituminosos

generalmente tienen mayor porcentaje de pirita que los subbituminosos y los lignitos.

b) Azufre Sulfato, presente generalmente como sulfato de hierro (formado por oxidacin qumica de la

pirita al aire) o como sulfato clcico. El contenido de este tipo de azufre es generalmente muy bajo


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en carbones no oxidados ( 1%), adems es muy fcil de solubilizar con un simple lavado. Algunoscarbones adems poseen algo de azufre elemental ( 0,2%).

c) Azufre Orgnico, que se encuentra como compuestos aromticos y alifticos formando parte de la

configuracin molecular del carbn. Es por ello, ms difcil de eliminar siendo imposible la

extraccin por mtodos de separacin mecnica. De la gran variedad de compuestos orgnicos

presentes en el carbn se han podido identificar los principales grupos: sulfuros (R1-S-R2),

disulfuros (R1-S-S-R2), tioles (R-SH) y tiofenos con estructuras aromticas complejas.


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MTODOS DE DESULFURACIN DEL CARBN

La necesidad de conseguir carbones con un contenido de azufre mnimo, a partir de otros de baja

calidad, ha dado lugar al desarrollo de un amplio nmero de mtodos de desulfuracin. La eleccin del

mtodo ms adecuado est condicionada fundamentalmente por el carbn, el tipo de instalacin y el

nivel restrictivo impuesto a las emisiones de SO2. En consecuencia, en cada caso concreto hay que

optimizar factores econmicos y energticos como de impacto ambiental.

Estos diferentes mtodos pueden clasificarse en tres grandes grupos en funcin de que se apliquen

antes, durante o despus de la combustin del carbn.

Desulfuracin antes de la combustin

El tratamiento del carbn antes de la combustin puede realizarse atendiendo a las propiedades

fsicas y qumicas de los distintos compuestos que contiene. Des esta manera, se distingue entre:

mtodos fsicos, mtodos qumicos y desulfuracin microbiolgica (biodesulfuracin)

Mtodos Fsicos

Los mtodos fsicos se fundamentan en las diferentes propiedades fsicas que poseen los compuestosinorgnicos de azufre con relacin al carbn. Entre los diferentes mtodos fsicos cabe destacar las

concentraciones gravimtricas, magntica, elctrica y por flotacin.

1. Concentracin Gravimtrica

La concentracin gravimtrica est basada en la diferente densidad del carbn y la pirita. El

carbn se tritura hasta que se alcanza el tamao de liberacin de la pirita y a continuacin sesomete a un proceso de separacin selectiva (cajas, mesas de sacudidas, ciclones, hidrociclones,

etc.). Este mtodo es adecuado cuando la pirita est presente como partculas gruesas, pero si esta

finamente diseminada en la matriz de carbn (tamao menor a 40-50m) los rendimientos son

muy bajos.


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2. Separacin magntica

En los procesos de separacin magntica, tanto el carbn como los sulfuros no son magnticos,

por lo que es necesario un tratamiento previo para transformar la pirita en una sustancia susceptible

de concentracin magntica. Cabe destacar el tratamiento con vapor sobrecalentado y aire para

producir transformaciones superficiales de la pirita a magnetita, hematites y pirrotina y el

MAGNEX que emplea pentacarbonilo de hierro para incorporar a la pirita tomos de hierro

superficiales y convertirla en pirrotina.

3. Concentracin elctrica

La concentracin elctrica se basa en las diferencias de conductividad entre los compuestos

portadores del azufre y el carbn. Este mtodo presenta el inconveniente de que no es utilizable

sobre los estriles, es muy sensible al contenido en humedad, tiene poca capacidad y a tamaos

menores de 100m, no es eficaz debido a las interferencias de la corriente elctrica y corrientes de

aire. Este mtodo es ms costoso que los anteriores.

4. Concentracin por flotacin

El fundamento de la concentracin por flotacin es la distinta mojabilidad del carbn y la pirita.

Es uno de los mtodos ms utilizados, pudindose aplicar a tamaos muy pequeos al operar en

medio hmedo. De hecho, se utiliza mucho en lavaderos para tratar el carbn de las fracciones de

0,5 mm o inferiores. Ahora aplicar el mtodo basndose slo en la mojabilidad del carbn slo es

viable en aquellos carbones que realmente la tienen, ya que los carbones ms jvenes u oxidados no

la tienen. El carbn muy finamente molido tiende a oxidarse rpidamente disminuyendo su

flotabilidad. Debido a esto ltimo, las aplicaciones del mtodo se tiende a favorecer la flotacin de

la pirita, deprimiendo al carbn (esto luego de una flotacin conjunta para eliminar los estriles)

Los mtodos fsicos, si bien actualmente estn incorporados en el proceso de lavado del carbn

previo a su utilizacin, en cuanto al grado desulfuracin no son capaces de eliminar el azufre

orgnico, estn muy limitados por el tamao de molienda a la cual se pueda liberar la pirita y dan

lugar a prdidas importantes del carbn cuando la pirita est finamente distribuida (prdidas de


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hasta un 40%). No son aplicables a combustibles pobres con gran contenido de cenizas y azufre,

especialmente lignitos.

Mtodos qumicos

Se han desarrollado a nivel de laboratorio una gran variedad de procedimientos qumicos de

desulfuracin, orientados a la solubilizacin de los compuestos de azufre del carbn.

Estos procesos se han clasificado en dos grupos, segn las bases en que se fundamenta cada uno:

a. Los que eliminan azufre por oxidacin mediante la utilizacin de iones (Fe 3+), cidos fuertes

(HNO3, HCl, HClO4) y gases con potencial de oxidacin elevado (O2, Cl2, SO2). Entre los msimportantes se encuentran los procesos PETC, AMES, Ledgemont, ARCO, TRW Meyers, JPL,

KVB.

b. Los que se basan en reacciones de desplazamientos del azufre por tratamiento con soluciones de

hidrxido sdico. A este grupo pertenecen el proceso Battelle y el tratamiento con microondas

de General Electric (GE)

As, por ejemplo el mtodo Meyers TRW se basa en la oxidacin del azufre pirtico en el carbn poruna solucin caliente de sulfato frrico:

La suspensin acuosa resultante se pasa a un reactor en donde se calienta de 100 a 130C durante

varias horas. La pirita se oxida a sulfato ferroso, cido sulfrico y azufre elemental. Se introduce

oxgeno para reoxidar el sulfato ferroso a sulfato frrico. El sulfato es soluble en solucin acuosa, no

sindolo as el azufre elemental que precipita.

El carbn se recupera de la lixiviacin primero por filtrado y posteriormente por lavado para remover

alguna solucin remanente.

Dentro del segundo grupo se emplean derivados de los metales alcalinos tales como hidrxidos,

xidos, carburos o hidruros mezclados con el carbn y la mezcla resultante se somete a una


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temperatura de hasta 500C a las que el hidruro permanece fundido o en el caso de los hidrxidos,

disoluciones acuosas de hidrxidos.

En el proceso Battelle el carbn se mezcla con una solucin custica que contiene NaOH y Ca(OH) 2.

La pulpa se calienta entre 250C 350C a una presin elevada. Luego de enfriado el carbn se

recupera por filtracin, lavado y secado.

El proceso Gravimtrico TRW se basa en la extraccin del azufre del carbn por una solucin

custica fundida caliente. El proceso Gravimetric incluye el tratamiento del carbn con una mezcla de

hidrxido de potasio y de hidrxido de calcio a 370C seguido de un lavado con agua.

En estos procesos se eliminan casi la totalidad del azufre pirtico (un 99%) y parte del azufre orgnico,se reducen as mismo un gran nmero de metales pesados de carcter marcadamente txicos en las

cenizas.

Los procesos de desulfuracin qumica, si bien permiten eliminar azufre pirtico y cantidades

variables de azufre orgnico, operan a altas temperaturas y presiones con lixiviantes corrosivos y, por

lo tanto, conllevan un consumo energtico elevado y un alto nivel de complejidad en los equipos. En la

actualidad, dado el escaso valor del carbn como combustible, difcilmente pueden encontrar

aplicacin en plantas industriales.

En la siguiente tabla se resumen las condiciones, resultados ms importantes y nivel de desarrollo de

los mtodos qumicos mencionados.


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PETC AMES LEDGEMONT ARCOTRW

MEYERSJPL KVB BATTELLE GE

Fundamento

Lixiviacin

oxidante

Lixiviacin

oxidante

Lixiviacin

oxidante

Lixiviaci n

oxidanteacomplejarte

Lixiviacin

oxidante

Lixiviacin

oxidante

Oxidacin

seca

Lixiviacin

bsica

Lixiviaci n

bsica enmicroondas

ReactivosAire, H2O,

cal

O2, H2O,

Na2CO3, cal

O2, H2O, NH3,

cal-

Fe(SO4)3,

H2O, O2,

acetona

Cl2, H2O,

CH3CCl3

O2, N2, NO,

H2O, NaOH

NaOH,

Ca(OH)2, H2O,

CO2

H2O, NaOH

Presin (atm) 33-100 0-70 0-70 - 1-6 1 1-20 23-170 1

Temperatura

(C)150-200 90-150 10-230 - 90-135 65-95 40-260 220-350 -

Tiempo (h) 0-1 0-1 -24 - -10 2-4 1 -1/2 -

% azufre

pirtico

eliminado

90 90 90 90 90 90 90 90 90

% azufre

orgnico

eliminado

0-40 0-25 0-25 40 0 0-50 0-40 0-40 0-50

% cenizas

eliminadas0 0 0 - 0 0 0 0 -

Productos Yeso Yeso Yeso -Sulfatos de

hierro, SH2SO4 Yeso H2S, S -

Tabla 1. Procedimientos qumicos de desulfuracin

Los procesos convencionales de desulfuracin del carbn antes de la combustin que se aplican a

nivel industrial (representados mayoritariamente por el lavado fsico del carbn) pueden eliminar hasta

un 90% del azufre pirtico y un 30% del azufre total. Por otra parte, el lavado del carbn implica un

menor rendimiento de la combustin, debido al proceso de evaporacin del agua incorporada al carbn

humedecido durante la combustin del mismo.

Desulfuracin durante la combustin

Dentro de esta categora se encuentran aquellos procesos que realizan la desulfuracin en el interior

de las calderas de combustin, basndose en la retencin del SO2como sulfato clcico, por adicin de

caliza (CaCO3) o dolomita (CaCO3-MgCO3), segn las reacciones:


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Existen dos formas diferentes de realizar la retencin del azufre: por inyeccin de cal en quemadores

convencionales y por combustin en lecho fluidizado.

La inyeccin de sorbentes en quemadores convencionales o como tambin se le llama Inyeccin de

Sorbentes en el Hogar surge para eliminar el SO2producido en la combustin de carbn de grandes

calderas y consiste en la inyeccin de un sorbente (CaCO3/Ca(OH)2)) a los gases de combustin en la

caldera. Permite conseguir desulfuraciones del orden del 50% en aquellas instalaciones con carbn

cuyo contenido de azufre no supere el 1% lo que se traduce en baja eficacia, adicionalmente presenta

problemas en el funcionamiento de los hornos.

La combustin en lecho fluidizado tiene la ventaja sobre la inyeccin directa de absorbentes en

caldera en que permite quemar carbones con alto contenido en azufre (se puede capturar ms del 96%),

el control de la temperatura en la caldera permite reducir la formacin de xidos de nitrgeno NOx

entre un 50 y un 70%. Aunque es un mtodo moderno y bastante desarrollado tecnolgicamente, su

implantacin exige una fuerte inversin. Actualmente, es ms rentable adaptar esta tecnologa a

instalaciones nuevas de gran capacidad que adaptarla a instalaciones ya existentes.

Las tecnologas de desulfuracin presentan la desventaja de que disminuyen la temperatura de la

flama, ocasionando el incremento de partculas no quemadas en los gases de combustin adems de la

formacin de depsitos de sulfato de calcio (sarro) en las tuberas de transporte de los gases de

combustin.

Desulfuracin despus de la combustin

Los mtodos empleados para la eliminacin del SO2 en los gases de combustin, tambin

denominados FGD (Flue Gas Desulfuration), se clasifican en dos grupos generales. El primer grupo

comprende los sistemas no regenerables que dan lugar a un producto final sin ningn elemento


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aprovechable. El segundo grupo son los sistemas regenerables, capaces de recuperar un producto

valioso comercialmente como es el azufre elemental o el cido sulfrico.

Todos estos procesos tienen en comn la utilizacin de una torre de lavado, donde el gas procedente

del horno se pone en contacto con un absorbente que extrae el SO 2del flujo gaseoso. El absorbente es

el que, en mayor medida, diferencia los distintos mtodos (CaO, CaCO3, NaCO3, MgO, etc.).

La desulfuracin postcombustin presenta la ventaja de que es independiente de la forma en que se

encuentre el azufre en el carbn, as como del tipo de carbn utilizado, ya que se aplica sobre los gases

procedentes de la combustin en donde el azufre est combinado con el oxgeno, fundamentalmente

como SO2. Por otra parte, estas tecnologas estn fundamentadas en mtodos de limpieza de gases locual amerita instalaciones complejas con seguimiento constante y, por lo tanto, un coste elevado a

pesar de la obtencin, en algunos casos, de un producto comercializable. El planteamiento de la

instalacin se hace tambin mucho ms exigente debido al almacenamiento de los productos de

reaccin que est llegando a ser un problema tan importante como el SO2 debido a su elevada

produccin.

Se est implementando el desarrollo de materiales de alta superficie que son empleados sea como

absorbentes o como catalizadores en las tecnologas postcombustin. En el primer caso, la utilizacinde carbn activado surge como una nueva alternativa frente a la elevada generacin de productos sin

posibilidad de reutilizacin. La aplicacin de la catlisis presenta la ventaja de la obtencin de

subproductos que pueden ser empleados como materia prima en otros procesos industriales.

En la siguiente seccin se explicarn algunas de las principales tecnologas que se basan en los

mtodos de desulfuracin durante y despus de la combustin definidos anteriormente.


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TECNOLOGAS DE TRATAMIENTOS DE GASES DEL AZUFRE

PROVENIENTES DE LA COMBUSTIN DEL CARBN

Las Tecnologas aplicadas durante y despus de la combustin del carbn se basan en la captura y

remocin de los gases provenientes de la combustin de los compuestos del azufre (casi en su totalidad

bajo la forma de SO2) contenidos en el carbn y que en fases previas de su procesamiento ha sido

imposibles separarlos, siendo la mayora de estos compuestos de azufre de origen orgnico.

Inyeccin del absorbente en el horno (Inyeccin de sorbentes en el hogar)

La inyeccin de absorbente en el horno es uno de los procesos FGD (Flue Gas Desulfuration) secosms comunes. Este proceso se ha desarrollado para grados de desulfuracin moderados y tienen como

ventaja su bajo costo de capital. Involucra la inyeccin de hidrxido de calcio en la cavidad del horno

para absorber el SO2. El absorbente gastado se extrae con los slidos en un precipitador electrosttico o

en un filtro de fbrica. El material, as extrado, es una mezcla de cenizas y compuestos de calcio

(figura 2).

Figura 2. Proceso de inyeccin de absorbente en el horno


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El hidrxido de calcio se prepara agregando la cantidad estequiomtrica de agua a la cal viva (CaO)

para que el producto est seco. Luego se introduce en el horno mediante soplantes. La entrada se ubica

de modo que el absorbente caiga sobre los quemadores. Esto remueve hasta el 70% del SO 2del gas decombustin. Las reacciones qumicas que ocurren durante este proceso son:

La hidratacin de la materia prima, xido de calcio con cantidad estequiomtrica de agua

para producir hidrxido de calcio como polvo seco.

Al inyectar el hidrxido de calcio sobre los quemadores, don de la temperatura ronda los

1100C, se produce la descomposicin del hidrxido de calcio

Los SOxpresentes en el gas de combustin reaccionan con el xido de calcio y el oxgeno

del aire insuflado produciendo sulfato de calcio anhidro

En la seccin de humidificacin, parte del sulfato de calcio y parte del xido de calcio se

hidratan

En el proceso la cal (CaO) se apaga antes de entrar al horno y luego se descompone en el horno. El

objetivo de hidratar previamente la cal es lograr que en el horno se formen partculas porosas de CaO,

que es el absorbente activo, mientras que el Ca(OH)2no lo es. Este proceso si bien es uno de los que

tiene menor costo de instalacin, su costo de operacin es bastante ms alto que el de los otros procesos


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debido a la poca eficiencia en el uso del absorbente. ste no puede separarse de las cenizas, por lo que

toda la mezcla debe ser desechada.

Calderas de lecho Fluidizado

Es una tecnologa que se est desarrollando actualmente con algunas variantes, de las cuales dos

parece que estn teniendo mayores resultados: lecho fluido presurizado y lecho fluido circulante.

La combustin en lecho fluido a presin o PFBC (Pressurized Fluidized Bed Combustion), consiste

en esencia en inyectar en un recipiente a presin (sobre 15 atm) una mezcla de carbn y caliza molidos,

mantenindose en suspensin mediante chorros de aire, con un comportamiento que se asemeja al de

un fluido en ebullicin (figura 3).

La funcin de la caliza es capturar el azufre contenido en el carbn. El movimiento de las partculas

en el lecho mejora el proceso de combustin del carbn y las temperaturas pueden mantenerse

Figura 3. Combustin en lecho fluidizado


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relativamente bajas (850 a 900C, casi la mitad que en una caldera convencional). Es en este rango de

temperatura donde la reaccin entre el SO2 y la caliza es ms efectiva y, adems, se limita la

produccin de NOx, ya que el nitrgeno del aire no reacciona a tan baja temperatura, hacindolosolamente el nitrgeno contenido en el carbn.

La alimentacin del carbn y la caliza se puede realizar por va seca (transporte neumtico) o por va

hmeda, en forma de lodo bombeado, en funcin de las caractersticas del carbn.

Para mantener la temperatura del lecho dentro del rango deseado, el calor se extrae continuamente

mediante agua que circula por el interior de los tubos de una caldera sumergida en el lecho fluido (en la

figura representada por los crculos negros alineados dentro del lecho). Esta agua, convertida en vapor,alimenta una turbina para generar electricidad.

Los gases calientes y a presin que salen del lecho circulan a travs de unos ciclones, donde se

eliminan las partculas slidas para, posteriormente, expansionarse en una turbina de gas que produce el

aire para fluidizar el lecho y mantener la presin en el mismo al tiempo que genera electricidad. As, se

obtiene un ciclo combinado cuya eficiencia es notablemente mayor que la de una central convencional.

Esta tecnologa permite quemar carbones con alto contenido en azufre, ya que ms del 96% del

azufre es capturado. Por otro lado, la emisin de NOx entre un 50 y un 70%.

Las calderas de lecho fluido circulante constan de: un hogar con paredes de agua, donde se inyectan

el carbn, el aire y la caliza (se reduce un 90% del SO 2); ciclones, con paredes de vapor, que aseguran

la recirculacin de los slidos en ignicin; y una zona de recuperacin de calor o conveccin hacia

donde se evacan los humos y que alberga los serpentines del sobrecalentador y economizador.

Captura de SO2con caliza / cal en torres de absorcin

En esta tecnologa la absorcin de los gases SOxse lleva a cabo fuera de la caldera de combustin

una vez que los gases de combustin son llevados a un reactor absorbedor donde se produce la

depuracin (figura 4).


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Esta tecnologa incluye un sistema de preparacin de reactivo (resaltado en rojo) en el cual la caliza

de alimentacin es alimentada a un molino de bolas donde se tritura mezclado con agua para producir

la lechada (agua + cal o caliza) en el cual la caliza molida tiene con un 95% de finura de 44 micras o

menos y representa en la lechada un 30% en peso de materiales slidos en suspensin (corriente 10).

El agua utilizada en el sistema de molienda se recicla a partir del sistema de deshidratacin de la

lechada previamente gastada (corriente 8). La lechada de alimentacin (corriente 1) se bombea hacia el

tanque reactor absorbedor, por su parte el aire se inyecta en el tanque reactor (corriente 11) y se

distribuye convenientemente por medio de rociadores situados en el fondo, de manera que el oxgeno

reacciona con cualquier sulfito presente para formar yeso (sulfato de calcio hidratado). La lechada se

bombea desde el tanque reactor hacia los colectores nebulizadores (corriente 2), se reintroduce denuevo en el reactor y se atomiza a contracorriente donde absorbe el SO 2y cae hacia la bandeja de placa

perforada de donde finalmente son purgados hacia la parte inferior del reactor. Una pequea parte de la

lechada gastada (corriente 5) se deriva hacia el sistema deshidratador. La lechada gastada (corriente 3)

contiene un 15% en peso de materiales slidos en suspensin. Esta corriente se concentra en un

Figura 4. Proceso de absorcin del SO2 en torres de absorcin

(10)

(11)


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hidrocicln, cuyo flujo de fondo (corriente 5) tiene una concentracin de 25% en slidos. Este flujo se

dirige a un filtro de vaco en el que los slidos tratados se lavan con agua fresca y se concentran para

formar una torta que contiene 10% de humedad (corriente 7). Este producto (yeso) se enva por camina un fabricante de paneles de fibra. El flujo de rebose (corriente 9) tiene un 4% de slidos en

suspensin y es bombeado a un tanque de recuperacin de agua de donde es retornado al sistema de

preparacin del reactivo (corriente 8).

Las reacciones qumicas que son bases del proceso y que ocurren en el absorbedor son:

Lavado con agua de mar

En esta tecnologa se emplea agua de mar filtrada para depurar los gases de combustin. En este

proceso se aprovecha la alcalinidad natural del agua de mar para neutralizar el SO2 presente en los

gases de combustin (figura 5).

Figura 5. Proceso de lavado con agua de mar


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Despus de la depuracin, se insufla aire al agua usada para reducir su demanda qumica de oxgeno

y su acidez, y se la descarga al mar. Esta es una tecnologa relativamente nueva en lo que hace a

desulfuracin de gases de combustin de plantas generadoras de electricidad, aunque se vieneaplicando desde hace unos 30 aos en aplicaciones industriales de pequea escala. El gas de

combustin que pasado por un precipitador electrosttico es impulsado por un soplador hacia la planta

de lavado con agua de mar donde pasa a travs de un ventilador que aumenta su flujo antes de entrar en

el intercambiador de calor gas/gas. El gas del intercambiador de calor ingresa al absorbedor donde se

mezcla con el agua de mar que se encuentra a una temperatura menor. El gas de combustin se satura

con vapor de agua y se enfra. En el proceso de depuracin, el SO 2reaccionan con los componentes del

agua de mar que le confieren su alcalinidad. Los fabricantes de este proceso afirman que en el

absorbedor se elimina ms del 99% del SO2 de los gases de combustin. Adems, se elimina

prcticamente el 100% del HCl presente en el gas de combustin. En la parte superior del absorbedor

hay un dispositivo eliminador de nieblas, donde se eliminan las gotas de agua arrastradas por el gas. Al

salir del absorbedor, el gas pasa nuevamente por el intercambiador de calor, antes de ser impulsado a la

chimenea. Debido a que los gases de combustin salen del absorbedor a una temperatura que depende

de la temperatura del agua de mar, pero que es relativamente baja (15-40C), en algunos casos se

requiere de un dispositivo adicional de calentamiento. Esto no es necesario en plantas ubicadas en

zonas tropicales, por lo que la tecnologa de lavado con agua de mar se est expandiendo en esas zonas

geogrficas.

La principal ventaja del proceso de lavado con agua de mar radica en que, a diferencia de otros

procesos FGD, no requiere emplear absorbentes slidos como reactivos. La desventaja ms obvia es

que su uso est limitado a plantas ubicadas en costas marinas. El proceso remueve hasta un 98% del

SO2siempre que su concentracin en los gases de combustin sea menor de 2,5 3,0%. Para alcanzar

una eficiencia similar con gases que contienen porcentajes ms elevados de SO2 se requerira

cantidades mayores de agua de mar, lo que aumentara el costo de la inversin y los costos operativos.


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Depuracin con amonaco

El proceso de depuracin del SO2con amonaco o con sulfatos de amonio opera de manera similar al

proceso de absorcin con caliza/cal, excepto que usa amonaco acuoso como agente depurador. El SO2

de los gases de combustin reacciona con el amonaco para formar sulfito de amonio que, por

oxidacin, da sulfato de amonio:

Sucesivas mejoras a esta tecnologa permiten eliminar el 93% del SO2de los gases de combustin. La

figura 6 esquematiza el procedimiento de depuracin.

Los gases de combustin que han pasado por el precipitador electrosttico pasan a travs de un

ventilador que incrementa su flujo. El ventilador los impulsa al intercambiador de calor de donde salen

a un prelavador. En este dispositivo el gas toma contacto con una solucin de sulfato de amonio que

Figura 6. Procedimiento de depuracin con amonaco


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est recirculando. El gas se enfra y se satura de vapor de agua. Al salir del prelavador, el gas saturado

pasa por un eliminador de nieblas e ingresa al absorbedor por el que fluye una solucin sobresaturada

de sulfato de amonio que retiene el SO2. Por la parte superior del absorbedor, el gas atraviesa dossistemas de eliminacin de nieblas que retienen las gotas de agua suspendidas. La solucin acuosa que

sale por la parte inferior del absorbedor se procesa para obtener sulfato de amonio, un subproducto

relativamente valioso por su uso como fertilizante. Cuando el carbn que se quema tiene un porcentaje

alto en azufre, la venta de sulfato de amonio producido excede los costos de operacin de la planta. Si

bien la obtencin de sulfato de amonio es una ventaja econmica de este proceso, su instalacin tiene

ciertos riesgos potenciales, entre ellos, el hecho de almacenar amonaco anhidro o sus soluciones

acuosas concentradas, que puede generar dificultades en el planeamiento de las instalaciones. Otra de

las ventajas que se pueden notar con este mtodo es que no hay descargas de aguas residuales.

El Proceso Wellman Lord

El proceso Wellman-Lord es un mtodo de separacin del SO2de los gases de combustin en el cual

el reactivo usado para la remocin del SO2se regenera en una segunda etapa del proceso y retorna a la

primera etapa (la torre de absorcin) para su reutilizacin. En consecuencia, el proceso no involucra un

gran consumo de reactivos como en el caso del proceso caliza/yeso u otros procesos FGD.

Figura 7. Proceso Wellman - Lord


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El proceso involucra la separacin hmeda del SO2 del gas de combustin mediante una solucin

acuosa de sulfito de sodio (Na2SO3). Los subproductos tienen valor comercial y dependen del diseo de

la planta. Ellos pueden ser azufre elemental, cido sulfrico o SO2lquido.

El proceso consta de dos etapas principales:

I. Absorcin: Los gases de combustin, an calientes, que han pasado por un electrosttico son

impulsados por un ventilador hacia un intercambiador de calor gas/gas. En l, el gas que

ingresa se enfra es dirigido hacia un aparato de prelavado y absorcin donde se separan los

restos de las cenizas que pudiera haber arrastrado. El HCl, el HF y el SO3 tambin son

separados por formacin de las respectivas sales de sodio. Esta etapa es necesaria, ya que encaso contrario si el HCl ingresa al absorbedor principal ira incrementando la concentracin de

NaCl a expensas de la concentracin de NaHSO3 lo que interferira con la reaccin de

separacin del SO2. En el prelavador, el gas se satura con vapor de agua y alcanza una

temperatura de equilibrio. Luego ingresa al absorbedor principal donde, por reaccin con la

solucin acuosa de sulfito de sodio, el SO2se separa como bisulfito de sodio

La eficiencia de la separacin suele ser del 95 - 98%.

El gas de combustin sale por la parte superior del absorbedor donde hay un dispositivo

eliminador de nieblas que separa las pequeas gotas de agua que acompaan al gas. Una vez

seco, el gas pasa por el intercambiador de calor para elevar su temperatura a los niveles

requeridos para ser expulsado por la chimenea.

II. Regeneracin: La solucin concentrada se recoge y pasa a un sistema de regeneracin de

sulfito. El bisulfito de sodio se trata con vapor en un evaporador cristalizador para liberar el

sulfito. Los cristales de sulfito de sodio se separan, se disuelven con agua y la solucin se

recircula a la torre de absorcin para reusarlo en la depuracin del gas de combustin


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La corriente gaseosa, que contiene alrededor de 90% de SO 2 y 10% de agua, pasa por un

sistema de condensacin para eliminar el vapor de agua. El SO2se lica, se enva para la planta

de cido sulfrico o se reduce a azufre elemental. Para cada producto se requiere una plantadiferente. Cada uno de los procesos de tratamiento del SO2 ha sido bien estudiado y es

independiente del proceso Wellman Lord. Si se reduce a azufre elemental, se requiere el

suministro de gas natural. La seleccin del producto final depende de diversos factores que

incluyen, entre otros, requerimientos del mercado, logstica para el almacenamiento y

transporte, disponibilidad de gas natural, y espacio fsico adecuado para su produccin

El proceso WellmanLord ofrece varias ventajas sobre los sistemas alternativos, la principal es que

el absorbente se regenera durante el proceso y se recicla continuamente.

Proceso a Spray Seco

El proceso a spray seco es uno de los procesos FGD que ms se emplean. En este proceso se inyecta

una lechada concentrada de cal apagada en el gas de combustin para que reaccin con sustancias

cidas, SO2, SO3, HCl y las separe del gas. Los productos finales forman una mezcla seca de las

respectivas sales de calcio.

El dispositivo principal de una planta a spray seco lo constituye el desecador pulverizador, del cual

hay una gran variedad de diseos (figura 8). A l ingresa el gas de combustin caliente donde entra en

contacto con una dispersin muy fina de cal y otros subproductos provenientes de un rotador

pulverizadorque gira a alta velocidad. Este contacto remueve ms del 95% del SO 2y casi la totalidad

del SO3 y el HCl presentes en el gas de combustin. Del reactor, el gas es llevado a un filtro o un

precipitador electrosttico antes de ser impulsado hacia la chimenea.


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El material absorbente de partida es, generalmente, la cal viva (CaO). sta es apagada en planta con

exceso de agua para producir una lechada concentrada de cal. Esta lechada se mezcla con los

subproductos del proceso antes de ser bombeada al atomizador rotatorio. El agua de la lechada se

vaporiza en contacto con el gas de combustin caliente, mejorando as la remocin del SO2y de losslidos particulados. La cantidad de agua se controla de modo tal que la temperatura en el reactor est

unos 20 grados por debajo de la temperatura de saturacin adiabtica del gas. As, si el combustible que

se quema es carbn bituminoso se trata de mantener la temperatura a 70-75C. Las reacciones qumicas

que tienen lugar son:

La hidratacin del xido de calcio forma la lechada de cal apagada:

Cuando las gotas de la lechada entran en contacto con el gas de combustin se vaporizan, los SOxse

disuelven en el vapor de agua y reaccionan con el hidrxido de calcio para formar sulfito de calcio

semihidratado y yeso:

Figura 8. Esquema del Proceso a Spray Seco


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Estas son las principales reacciones que ocurren. Todo el HCl presente en el gas reacciona con el

hidrxido de calcio para formar cloruro de calcio hexahidratado:

La presencia de cloro en el combustible (o de cloruros en el agua del proceso) mejora tanto la

remocin del SO2como la separacin del polvo. Parece que esto se debe a la formacin de cloruro decalcio que, siendo higroscpico, ayuda a mantener una alta humedad sobre las partculas de absorbente.

Esa humedad alta facilita el contacto de las partculas con el gas, a la vez que mejora la velocidad de

reaccin del SO2con el hidrxido de calcio.

Los subproductos slidos del proceso, incluyendo los slidos particulados que arrastra el gas de

combustin, son transportados desde el fondo del precipitador a un silo antes de ser despachados.

Existe otro proceso similar llamado Duct Spray Dry que difiere del que se acaba de resear en que

se omite el rociador rotatorio y la lechada de cal se roca directamente desde la parte superior del

reactor.


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LA BIODESULFURACIN DEL CARBN

Paralelamente al desarrollo de los mtodos fsicos y qumicos de desulfuracin del carbn previo a su

utilizacin, ya en las ltimas dcadas se han comenzado a explorarse alternativas biotecnolgicas de

desulfuracin. El principio de la biodesulfuracin reside en la capacidad de ciertos microorganismos

para oxidar los compuestos reducidos de azufre presentes en el carbn, y convertirlos en compuestos

solubles en medio acuoso.

Microorganismos que se emplean

La pirita y el azufre orgnico necesitan diferentes tipos de bacterias para su eliminacin, puesto que

el principio de la solubilizacin es diferente. As, las bacterias que disuelven la pirita utilizan la

oxidacin como fuente de energa primaria, mientras que las que eliminan azufre orgnico lo hacen

como una funcin secundaria de su metabolismo.

Los microorganismos responsables de la oxidacin del azufre pirtico son bacterias acidfilas

oxidantes de hierro y/o azufre. La ms ampliamente utilizada ha sido la especie T. ferroxidans,

microorganismo auttrofo, aislado en aguas de minas, mesfilo (temperatura ptima de desarrollo de28 a 35C), acidfilo (pH de 1,5 a 3), capaz de extraer cantidades importantes de azufre pirtico 90% .

Se ha ensayado puro y en cultivos mixtos y naturales en los que adems hay presentes otras especies en

menor proporcin: Thiobacillus thiooxidans, Leptospirillun ferrooxidans y Thiobacillus acidofilus,

principalmente.

La ventaja de la utilizacin de cultivos mixtos, reside en el mejor aprovechamiento de las

caractersticas de cada una de ellas. As, por ejemplo, el T. thiooxidans, generalmente se considera que

favorece la actividad del T. ferrooxidans mediante la oxidacin de azufre elemental formado en

reacciones intermedias. El T. acidofilus es lo que se llama un microorganismo satlite, ya que en estos

cultivos mixtos se nutre de los productos de degradacin de T. ferrooxidans y T. thiooxidans, lo cual

contribuye a que el medio de reaccin no se sature con dichos productos.


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En cuanto al azufre orgnico, se han identificado y aislado nuevas especies capaces de solubilizarlo.

De ellos se destacan los microorganismos termfilos, mayormente representado por la especie

Sulfolobus, que se desarrolla a temperaturas comprendidas entre 60C y 80C, en medio cido (pHentre 1 y 4). La ventaja de la desulfuracin con estas bacterias con respecto a las bacterias mesfilas

son: la posibilidad de eliminar ambos tipos de azufre (inorgnico y orgnico), la mejora de la velocidad

de oxidacin qumica de la pirita a temperaturas elevadas, disminuyendo el tiempo necesario de ataque

al carbn.

Existe otro grupo importante de microorganismos denominados hetertrofos que necesitan sustratos

orgnicos para su desarrollo, pero que contribuyen igualmente a la degradacin de la materia orgnica,

mediante la liberacin de agentes quelatantes y complejantes. Dentro de estos, los ms estudiados son

del gnero Pseudomonas con rendimientos demostrados en la extraccin de azufre del carbn. Los

estudios con las especies P. pudita, P. aeruginosa demuestra que disuelven hasta el 75% del azufre

pirtico y el 37% del azufre orgnico.

Mecanismo de actuacin de los microorganismos

El mecanismo detallado de las reacciones qumicas en las que se fundamentan los procesos de

biodesulfuracin no est del todo aclarado. Las teoras ms avanzadas proceden de os estudiosrealizados sobre biolixiviacin de menas minerales y los mecanismos establecidos se refieren

nicamente al azufre pirtico. El mecanismo de disolucin del azufre orgnico ha sido muy poco

dilucidado.

Los mecanismos propuestos para la disolucin de la pirita se basan en la forma en que se produce la

actuacin de las bacterias sobre el mineral. Se habla entonces de un mecanismo directo o indirecto.

Segn el mecanismo directo, la accin de las bacterias se produce por un contacto fsico directo sobreel mineral, catalizando la siguiente reaccin global:


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El mecanismo indirecto de la actuacin de las bacterias se basa en la catlisis de la oxidacin de in

ferroso a frrico en un medio acuoso y oxidante. La oxidacin de la pirita en un medio acuoso y

oxidante da lugar a la formacin de sulfato frrico a travs de una serie de reacciones que se muestran acontinuacin:

Las bacterias ferrooxidantes actan sobre el hierro ferroso oxidndolo a frrico:

Esta oxidacin es generalmente la etapa limitante y es catalizada por los microorganismos de tal

forma que su velocidad aumenta 106veces.

A su vez, el sulfato frrico acta como agente lixiviante de la pirita segn la reaccin:

La oxidacin del azufre elemental formado tambin puede ser catalizada por bacterias oxidantes de

azufre:

De esta forma la reaccin global est controlada por las reacciones (2) y (4) en las cuales se regenera

de forma cclica, por la accin bacteriana, el medio oxidante y cido adecuado para la oxidacin de los

sulfuros metlicos. Este proceso cclico se puede representar esquemticamente de la siguiente forma:

Bacterias T. ferrooxidans


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Ventajas y desventajas de la biodesulfuracin

La desulfuracin microbiolgica del carbn en un procedimiento potencialmente atractivo en base a

tres ventajas fundamentales:

Bajos costes de inversin y operacin como consecuencia de que se utilizan equipos sencillos y

de bajo consume de reactivos durante el proceso puesto que los microorganismos regeneran el

agente lixiviante.

Bajo consumo de energa al trabajar a temperaturas prximas al ambiente y a presin

atmosfrica.

Posibilidad de eliminar el azufre pirtico finamente diseminado y parte del azufre orgnico, sin

prdidas de carbn

No obstante, la biodesulfuracin es un proceso lento. En general, se necesitan largos tiempos de

residencia (1 2 semanas)c, siendo ste su ms acentuado inconveniente y sobre el que es necesario

investigar para hacerle competitivo.

Posibilidades actuales de utilizacin

La utilizacin de la biodesulfuracin actualmente se est planteando alrededor de dos alternativas: de

bioprocesos:

La oxidacin microbiolgica del azufre como nico tratamiento

La utilizacin de microorganismos para modificar las propiedades superficiales de la pirita y

mejorar la separacin por procesos fsicos convencionales

En el primer caso hay numerosos estudios realizados a escala de laboratorio, la mayora de ellos

focalizados hacia la optimizacin del proceso desde el punto de vista microbiolgico y qumico, para

distintos microorganismos y distintos tipos de carbn, si bien aun no hay suficientes trabajos que


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consideren aspectos cruciales para la aplicacin industrial como son la ingeniera del proceso y factores

econmicos..

En la figura 9 se muestra el diagrama de flujo tpico de un proceso de biodesulfuracin planteado. Al

carbn se le podra aplicar un mtodo fsico de desulfuracin (flotacin) y en este caso la fraccin de

alto contenido de azufre sera la alimentacin de los biorreactores. Podran utilizarse microorganismos

iguales o diferentes en los dos reactores, por ejemplo, T. ferrooxidans en el primer reactor para eliminar

a 35C azufre pirtico y Sulfolobus en el segundo reactor para eliminar a 70 C el azufre orgnico. Las

soluciones se recirculan continuamente y, puesto que contienen productos de oxidacin del azufre, se

recupera la composicin adecuada precipitando sulfatos por adicin de cal.

La mayor complicacin de este proceso propuesto es el diseo del reactor, teniendo en cuanta los

largos tiempos de residencia necesarios, aun en sistemas agitados, y la formacin de soluciones cidas

corrosivas. Se han propuesto tres configuraciones diferentes para el tratamiento a gran escala: reactores

agitados en serie, tambores horizontales rotatorios o las tuberas utilizadas para el transporte de pulpas

de carbn

Figura 9. Esquema de un proceso de biodesulfuracin en dos etapas


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a. En los reactores agitados el control del proceso es relativamente fcil, ya sea con agitacin

mecnica o neumtica. Los reactores agitados por aire parecen ms adecuados puesto que con

este tipo de agitacin se favorece el contacto carbn microorganismo y se reduce la posibledestruccin de las clulas por el impacto mecnico.

b. Los reactores rotatorios horizontales son tambores cilndricos que giran a una velocidad

adecuada (1 a 20 rpm) para mantener el carbn y las bacterias en suspensin, y con suministro

de aire a lo largo del tambor.

c. La utilizacin de tuberas reduce el coste del proceso, aunque en este caso es mucho ms difcil

controlar el proceso en cuanto a pH, aireacin, precipitacin de productos de oxidacin en las

paredes, etc. No obstante, es una posibilidad de gran inters, sobre todo, si se logra avanzar en

la investigacin de mezclas carbn-agua con el fin de conseguir un combustible lquido que

pudiera ser utilizado directamente para su combustin sin necesidad de una etapa de secado.

Actualmente se plantea la posibilidad de realizar la biodesulfuracin en montones, lo cual ha

demostrado ser el procedimiento ms econmico en el tratamiento de minerales por biolixiviacin.

Tanto los costes de inversin como los requerimientos energticos son menores que en los sistemas

agitados. Este procedimiento consiste bsicamente en la percolacin de una solucin cida y con

bacterias (agua de mina) a travs de pilas de carbn. El proceso se ve afectado por parmetros comotamao de partcula del carbn y de la pirita, la distribucin del azufre, la porosidad del carbn, etc.

La principal desventaja de la desulfuracin microbiolgica como nico tratamiento, es su lenta

cintica, tiempos excesivamente largos para eliminar importantes cantidades de azufre, lo que repercute

negativamente en las dimensiones y coste de las instalaciones. Una forma de reducirlo es a travs de la

segunda alternativa citada anteriormente, es decir, la utilizacin de microorganismos para modificar las

propiedades superficiales de la pirita y mejorar la separacin por procesos fsicos convencionales,

principalmente con aquellos que dependen de las propiedades superficiales de la pirita y el carbn(flotacin y aglomeracin con aceites). Se est investigando la posibilidad de convertir la pirita,

inicialmente hidrfoba al igual que el carbn, en hidrfila, por tratamiento previo con bacterias durante

tiempos cortos o incluso en la propia celda de flotacin y, de esta forma, favorecer la separacin pirita-

carbn


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Como la modificacin superficial de la pirita comprende la oxidacin de slo unas capas moleculares

entonces son suficientes tiempos cortos de tratamiento (generalmente inferiores a 1 hora).

El proceso parece ser tcnicamente viable con relacin a la eliminacin del azufre inorgnico y hay

resultados optimistas de solubilizacin del azufre orgnico, aunque no se ha demostrado la rentabilidad

econmica. La rentabilidad econmica del proceso depender, adems, de otros factores importantes

como son el tipo de carbn, las regulaciones medioambientales en cada pas y la posibilidad de integrar

el proceso como una etapa ms del tratamiento global.


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PERSPECTIVAS DE FUTURO

A la vista de las ventajas y desventajas del conjunto de procedimientos descritos, la seleccin delmejor mtodo es una solucin compleja que ha de tener en cuenta todos los factores que influyen en la

marcha de una central donde se maneje el carbn. As, por ejemplo, para un carbn de alta calidad, la

eleccin de un mtodo fsico de limpieza o biodesulfuracin puede ser suficiente sin tener que recurrir

a mtodos ms costosos. De la misma forma, para carbones de baja calidad, una central de gran tamao

puede recurrir a la instalacin de un horno de lecho fluidizado donde, por el gran volumen de carbn

tratado, se amortice el gasto de instalacin.

Sin duda alguna, el mejor mtodo es aquel que con el menor gasto posible alcance, con fiabilidad yrapidez, el mayor grado de limpieza. La biodesulfuracin, por su bajo coste de instalacin y

seguimiento, por su flexibilidad, a la hora de tratar cualquier tipo de carbn, y por su actuacin de

forma natural, puede llegar a ser un mtodo importante si se consigue reducir el tiempo de ataque a

unos lmites razonables.

Actualmente, existen diversas tendencias en la investigacin y desarrollo a escala industrial de estos

procesos, las cuales pueden concretarse en los siguientes puntos:

Aumento de las velocidades de reaccin mediante la utilizacin de microorganismos

termfilos o mezclas de microorganismos que, bien por trabajar a temperaturas elevadas, o

bien por fenmenos simbiticos, pueden acelerar las reacciones de oxidacin.

Desarrollo, mediante gentica, de nuevos microorganismos ms especficos y capaces de

solubilizar azufre orgnico.

Desarrollo de reactores que permitan una mejor cintica.

Mejora de la flotacin e investigacin de las carbn-agua.

Realizacin de trabajos en planta piloto que permitan profundizar en los requerimientos

energticos y valorar los costes reales de los procesos


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REFERENCIAS

[1] lvarez, Esperanza. La Eliminacin del SO2en Gases de Combustin. Instituto de Catlisis y

Petroleoqumica. Madrid, Espaa.

[2] Vargas, M. J.; Ramn J. A. Biodesulfuracin de l Carbn: Una Alternativa Ambientalmente

Viable en la Reduccin de Azufre del Carbn. Facultad de Ingeniera y Arquitectura. Universidad

de Pamplona.

[3] Blzquez, M. L.; Ballester, A.; Gonzlez, F.; Mier, J. L. (1991). Desulfuracin de Carbones.

La Biodesulfuracin como Alternativa.

[4] http://www.estrucplan.com.ar/Producciones

[5] http://www.steuler-ab.de/es/unico-proveedorsoluciones-completas/tecnologia-de-desulfuracion-de-

gases/

desulfuración del carbón. monografía

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