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

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. El Carbón en el aumento mundial de
la demanda de energía

3. Participación del carbón en emisiones

4. Precios comparativos de la electricidad a
partir 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. Abundancia y Distribución del Carbón.

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. Reacciones de combustión del carbón
Calor de Combustión
REACCIÓN Btu/lb kcal/kg
C(S) + O2(g) → CO2(g) -169.290 - 94,4
2 C(S) + O2(g) → 2 CO(g) -95.100 - 52,8
C(S) + CO2(g) → 2 CO(g) - 74.200 - 41,2
2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2(g) -243.490 - 135,3
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g) -208.070 - 115,6
C(S) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) 56.490 31,4
C(S) + 2 H2O(g) → CO2(g) + 2 H2(g) 38.780 21,5
CO(S) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g) - 17.710 - 9,8

8. Mecanismo de combustión del carbón.
Modelo de Grano
Partícula estancada
Re < 100
Partícula suspendida
por gas de arrastre
Re > 100

9. Combustión del carbón en lecho fijo.

10. Variación de la composición del gas
a través de lecho empacado.

11. Quemadores de carbón de lecho móvil
Sistemas
adaptados a
características del
carbón y sus
cenizas.

12. Principales contaminantes en la producción de
energía a partir de combustibles fósiles
Especie Efectos Fuentes antropogénicas Fuentes naturales
SO2 Tóxico Combustión Oxidación de sulfuros
Lluvia ácida Refino de petróleo orgánicos
NO Tóxico Combustión Acción bacteriana
Lluvia ácida
NO2 Tóxico Combustión
Lluvia ácida
Electo invernadero
CO2 Efecto invernadero Combustión Volcanes
CO Tóxico Combustión Oxidación de metano y otros
hidrocarburos
H2 S Tóxico Gasificación Volcanes y descomposición de
Refinación de petróleo materia orgánica
Hornos de coque
Industria papelera
NH3 Tóxico Gasificación Acción bacteriana
HAP Tóxico (Cáncer y Combustión
mutaciones genéticas)

13. Carbón pulverizado para
generación de electricidad

14. Quemadores de carbón pulverizado

15. Reacciones de la materia mineral
durante 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 – 1230
De gran importancia en la combustión de carbón pulverizado

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. Velocidad de gas y sólidos en función de la
expansión del lecho

18. Combustores de lecho fluidizado:
Condiciones de operación
Parámetro Convencional Circulante A presión
T (°C) 800 – 950 800 – 950 800 – 950
dp (mm) 5 – 30 0,5 – 1 0,5 – 1
P (atm) 1 1 5 – 15
U (m/s) 1,5 – 3,5 3–6 1–2
U / Umf 2 30 2
C quemado (%) 90* - 99 99 99
Ca/S 3 1,5 1,7
Retención de S (%) 90 90 90
NOx (ppm) 300 – 400 100 – 200 10 – 50
* Sin recirculación

19. Posibles zonas para la
recuperación de calor

20. Combustión en lecho fluidizado
atmosférico

21. Ciclo combinado basado en combustión
de carbón en lecho fluidizado a presión

22. Combustión en lecho fluidizado
presurizado

23. Ciclo combinado:
Vapor-Lecho fluidizado a presión

24. Ciclo combinado:
Gas-Lecho fluidizado a presión

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. Formación de óxidos de nitrógeno
Especie 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 + OH
NO2 Conductos / 2 NO + O2 → 2 NO2 ↑ Concentración de O2 (O)
Calderas ↑ Tiempo de residencia
Atmósfera NO + O3 → NO2 + O2
N2O Caldera (↓ T) .. → HCN + O → NCO + H ↑ al disminuir Temp de combustión
NCO + NO → N2O + CO

27. Formación de NOx a partir del combustible
Mecanismo simplificado de formación

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. Control de emisiones de NOx por
reducción 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 cordierita
Catalizadores más usuales:
V2O5-MoO3/TiO2
V2O5-WO3/TiO2
ACTIVO - PROMOTOR Y ESTABILIZADOR / SOPORTE

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. Procesos de captura de CO2
FUENTE: http://www.atmosferis.com/2011/11/captura-de-co2.html

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
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