EL CARBON COMO MATERIA PRIMA

Transcripción

1 EL CARBON COMO MATERIA PRIMA

2 Clasificación de los Combustibles

3 Combustibles naturales Turbas Son masas fibrosas de materia vegetal parcialmente descompuesta, que se ha acumulado en lugares inundados de agua. Generalmente se utiliza localmente como combustible pobre. Lignitos Bajo esta denominación se engloban muy diversos tipos de carbones, aunque suelen agruparse en dos categorías: lignitos pardos y lignitos negros. Suelen consumirse en centrales térmicas situadas a bocamina. Hullas Son los carbones que presentan un mayor interés, tanto como portadores de energía como por ser materia prima en la industria química y metalúrgica. Existen numerosas clasificaciones de las hullas, motivado por los amplios límites en que se mueven sus características. Antracita Es el carbón más duro y denso, tiene un contenido de calor elevado. Fuera de su combustión directa se utiliza para aplicaciones metalúrgicas y gasificación.

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5 Combustibles naturales

6 Carbón Evolución del Carbón Mayor reactividad Turba Lignito Hulla Antracita Mayor evolución (más carbonizados) Tanto para el carbón como para el petróleo es interesante: - Análisis Elemental - Análisis Inmediato - Poder Calorífico Además tendremos en cuenta: Temperatura de fusión de las cenizas Reactividad del carbón

7 Cómo caracterizar un carbón? Análisis del tamaño de partícula Análisis elemental (C, H, O, S, N) Análisis inmediato o Técnico o Aproximado. (Humedad, volátiles, carbono fijo, cenizas) Poder calorífico. (Inf. y Sup.)

8 Análisis Elemental Proporciones de elementos (C, H, S, O y N) Claves C: Quemamos y analizamos CO y CO 2 H: Quemamos y analizamos H 2 O Medioambientalmente S: Quemamos y analizamos SO 2 N: Quemamos y analizamos NO x El O por diferencia (no muy fiable)

9 Análisis Inmediato Volátiles, Carbono fijo, Humedad y Cenizas Humedad: Poner a T que sepamos que se va el agua Volátiles: Calentar en atmósfera inerte Carbono fijo: Quemamos y lo que queda son cenizas Los valores obtenidos se basan en unas Normas (fijamos condiciones) Para que podamos comparar Estos valores no los podemos extrapolar al proceso! Por ejemplo, un mismo carbón dependiendo de las condiciones no da los mismos Volátiles % Volátiles % Carbono fijo ΔT F( dp, T, ) Δt Velocidad de calentamiento

10 Poder calorífico PCS PCI PCS anhidro PCI anhidro Poder Calorífico Superior Poder Calorífico Inferior Base (Carbón seco) A 25 ºC Experimentales Como realmente no estará seco, hemos de hacer transformaciones Supongamos un carbón: 20 % Humedad 30 % Humedad P.C. Distintos Por este motivo se suele dar P.C. anhidro

11 Poder calorífico PCS: Calor liberado por 1 kg de combustible (a 25 ºC) para dar CO 2 (g) + H 2 O(l) (a 25 ºC). Ejemplo: Un carbón contiene 78 % de C, 5 % de H, 8 % de O y 9 % de cenizas con un PCS anhidro = 6700 kcal/kg de carbón seco Si tenemos una humedad del 15 %, calcular: PCI anhidro PCS PCI

12 Δ U = Q Q 0 c ( ) Δ H = Q * M + Δ PV v Δ H = Q * M + RT v σ 0 c v s componente gas s La ecuación balanceada de combustión para una masa unitaria de combustible, en la fase π, puede expresarse como wc wh wo wn ws C + H + O + N + S ( ) π + wc 1 wh ws 1 wo wc + + O2( g) CO2( g) wh 1 wn ws + H 2O( l) + N 2( g) + SO2( g) El calor de combustión para una masa unitaria del material fósil estará dada por ˆ RT w w 1 w O N H Δ H c = Qv Btu 0 Δ H c = Qv + wo + wn wh lb m

13 Poder calorífico kcal kg carbón seco PCS = 6700 *0.85 = kg carbón seco kg carbón húmedo 5695 kcal kg carbón húmedo PCI m λ PCI = H 2 v 25ºC ANHIDRO O = 0.05 = ANHIDRO = PCS kg H kg carbón seco kj kg ANHIDRO kcal kg H 2O(l) formada = kg carbón seco kg carbón seco kcal kg carbón seco - m H O v. λ 18 kg H 2O 2 kg H kcal = kg H O(l) ºC kg H 2O se forman = 0.45 kg carbón seco kcal kg H O(l) 2 =

14 Poder calorífico PCI m H 2 kg H 2O kg carbón húmedo λ PCI a partir de PCS Anhidro v 25ºC PCI = PCS - m O kg H 18 kg H 2O = kg carbón seco 2 kg H = = 6700 H 2 O kj kg v. λ 25ºC kcal = kg H O(l) kcal kg carbón seco kg H 2O = kg carbón húmedo 0.85 kg carbón seco kg carbón húmedo kg carbón seco - kg carbón húmedo kg de H O kcal = kg carbón húmedo kg H 2O(l) 2 + kcal kg carbón húmedo

15 Poder calorífico PCI a partir de PCI Anhidro PCI m λ H 2 v 25ºC PCI = PCS - m O = kg H 2O 0.15 kg carbón húmedo = = H 2 O kj kg v. λ 25ºC kcal = kg H O(l) kcal kg carbón seco 0.85 kg carbón seco - kg carbón húmedo kg de H O kcal = kg carbón húmedo kg H 2O(l) 2 kcal kg carbón húmedo

16 Poder calorífico Supongamos: Material A: 80% C(en peso); 20% H Material B: 90% C(en peso); 10% H El material A tiene mayor poder calorífico pues el H tiene mayor poder calorífico. Así, el gas natural tiene mayor poder calorífico que el carbón. Esto se debe a que el gas natural tiene mayor cantidad de H Pero ojo, en peso, las cosas cambian C + O 2 CO (g), ΔH fco 1 H2 + O2 HO2(g), ΔH kcal C : = g C kcal H : = g H2 H > C 2 2 ( g ) fho kcal = mol C kcal ( ) = g mol H 2

17 Fusibilidad de las cenizas Puede causarnos problemas operacionales Las cenizas tienen un punto de fusión Si llegamos a la temperatura de fusión de las cenizas se transforman en líquido. Al enfriarse, se forman tochos que nos pueden obligar a parar. En laboratorio se calculan Temperaturas de Fusión El experimento se hace en atmósfera oxidante (aire) Estan en torno a 1300 ºC (condiciones oxidantes) Si nosotros en el proceso tenemos atmósfera reductora (gas natural) La temperatura de fusión baja. Para atmósferas no oxidantes hemos de hacer la determinación en ese tipo de atmósferas. Si trabajamos a 2000 ºC, podemos hacerlo, tendremos cenizas fundidas. El problema esta en la fusión y posterior solidificación de las cenizas

18 Reactividad del carbón Medida de la velocidad de reacción Hemos de tener en cuenta el tipo de carbón. Las propiedades pueden ser muy diferentes Carbón Volátiles Sólidos carbonosos (Char), lo que va a reaccionar Antracita Hulla Lignito - + Mayor reactividad Recordar que es el Hidrógeno el que es Muy reactivo! Antracita tiene muy pocos volátiles Lignito tiene muchos volátiles, luego los sólidos carbonosos serán muy porosos (influye positivamente en la reactividad)

19 Procesos Gasificación (gas) Combustión (energía) Licuefacción (líquido) Pirogenación,, coquización (sólido) Reacciones Sólido-Gas No catalíticas Esto que vamos a ver para el carbón es aplicable a cualquier combustible sólido

20 Proceso con el carbón Gasificación Combustión El primer paso es el mismo para ambos Ambos se llevan a cabo a alta temperatura Carbón El carbón se descompone por efecto de la temperatura Gases (CO, CO Volátiles 2, CH 4, ) T Líquidos (alquitranes) Tars descomposición Sólido carbonoso (Char) (Carbono fijo y cenizas) Esta distribución, para un mismo carbón no es siempre la misma, Depende de las condiciones. ΔT F( dp, T, ) Δt

21 Proceso con el carbón La segunda parte del proceso difiere según sea Gasificación o Combustión Sólido Carbonoso + Gas O 2 Combustión H 2 O(v) Gasificación Reacciones Sólido-Gas No catalíticas Reactores Sólido-Gas

22 Reacciones Sólido-Gas Reactores S-G S G (gas, siempre continuo) a) Discontinuos para el sólido Lecho Fijo Lecho fluidizado b) Continuos para el sólido Lecho móvil(*lecho fijo). U < Umf. dp grande Lecho fluidizado. Umf U < Ut. dp intermedio Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp pequeño Hornos rotatorios Los a) no suelen utilizarse, pues no son útiles * En algunos libros al lecho móvil lo llaman lecho fijo

23 Diseño de reactores Hemos de tener en cuenta A) Velocidad de reacción para partículas B) Distribución de tamaños C) Tipos de flujo en el reactor

24 Gasificación del Carbón Intenta transformar el carbón en gases valiosos. Fundamentalmente son mezclas de CO, H 2, CH 4, Independientemente del proceso: Volátiles (gases) Carbón Sólido carbonoso (principalmente C) PIROLÍSIS

25 Gasificación del Carbón Qué productos podemos buscar en una gasificación? 1. Se puede obtener un gas combustible de bajo, de medio y de alto poder calorífico. 2. Se pueden obtener materias primas como es el gas de síntesis y CH Electricidad. Se pueden obtener distintos productos con distintos gases reactantes

26 Gasificación del Carbón Gasificación 25º C C(s) + H 2 O(g) CO(g) + H 2 (g) ΔH R = kcal gmol º C Reacción endotérmica, hemos de aportar calor y la forma de hacerlo es meter O 2 (como aire o como O 2 ). El O 2 quema parte del C y la energía desprendida es la utilizada para la gasificación. 25º C C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) ΔH R Interesa meter poco O 2 (g) El CO 2 no va a ser un producto valioso = kcal gmol º C

27 Gasificación del Carbón Reacciones Secundarias 25º C C(s) + CO 2 (g) 2CO(g) ΔH R = kcal gmol º C C(s) + 2H 2 (g) CH 4 (g) 25º C ΔH R Muy favorecida con la presión = kcal gmol º C Shift Intercambio 25º C CO + H 2 O(g) CO 2 (g) + H 2 (g) ΔH R = 9. 8 kcal gmol º C

28 Gasificación del Carbón Hay distintos tipos de gasificación 1.- Agente reactante: aire + vapor de H 2 O el producto obtenido sería con mucho N 2 y el gas obtenido será de bajo poder calorífico o bajo contenido energético. CO, H 2, CH 4, N kcal m 3 N 2.- Agente reactante: O 2 + vapor de H 2 O Se obtiene gas de síntesis y un gas combustible de medio contenido energético. Inconvenientes: necesitamos una planta de O 2 Poder calorífico: kcal m 3 N 3.- Agente reactante: H 2 + vapor de H 2 O Va hacia CH 4 y un combustible de alto contenido energético C(s) + 2H 2 (g) CH 4 (g) Se conoce como SNG sustituto del gas natural Económicamente no salen las cuentas

29 Gasificación del Carbón Los dos primeros son procesos similares utilizados industrialmente Cómo llevar a cabo la gasificación y que tipo de reactor utilizaríamos? Es una reacción S-G no catalítica, en la cual el sólido se va consumiendo y necesitaré un proceso continuo Lecho móvil. U < Umf. dp grande Lecho fluidizado. Umf U < Ut. Dp intermedio Lecho de arrastre o de transporte. U > Ut.dp pequeño Hornos rotatorios De estos cuatro hay tres que se utilizan Lecho móvil. (proceso Lurgi) ) a presión Lecho fluidizado.(proceso Winkler) Lecho de arrastre o de transporte.(koppers Koppers- Totzek)

30 Lecho móvil También conocido como Lecho Fijo, continuo para el sólido En un mismo equipo debido al perfil de temperaturas y a los distintos productos que se forman, tenemos cuatro procesos diferentes U < Umf Secado Pirólisis-Descomposición Gasificación Combustión Problemas: Con las cenizas. Tenemos una zona de alta temperatura donde pueden fundir las cenizas y luego, pasada esta zona volver a solidificarse Es importante conocer la Temperatura de Fusión de las cenizas! En este tipo de gasificador se forman gran número de productos secundarios (Alquitranes: hidrocarburos oxigenados que condensan entre 200 y 300 ºC). Son parte de los volátiles.

31 Lecho móvil Δ T Que se formen más o menos alquitranes depende de: dp, T, Δt dp Tendencia a formar alquitranes En el sólido tenemos un perfil de temperaturas T ΔT Δt Contenido de alquitranes Contenido de alquitranes En el gasificador de lecho móvil, dp grandes (hacemos que los sólidos bajen lentamente, aumentando el tiempo de residencia), La Temperatura no es excesivamente alta (pirólisis a 400 ºC), y ΔT Δt es lenta y progresiva

32 Grande Sólido Distribuidor de sólido Parrilla giratoria para sacar las cenizas

33 400 ºC

34 Lecho Fluidizado (U > Umf) (aumentar la velocidad ó disminuir el tamaño de partícula) Para el tiempo de residencia hemos de tener en cuenta: t = W W: Peso de sólido, Aumentando F Sólido F Sólido Puede que parte del carbón sea arrastrado por los gases (elutriación) luego el tiempo de residencia puede ser menor. TDH, altura suficiente para que el sólido vuelva a Caer al lecho Arrastre (debida al empuje de las burbujas) (U < U transporte ) Para partículas muy pequeñas (U > U T ), la partícula se va con el gas. Elutriación.

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36 Lecho de Arrastre (U >> U Terminal ) (aumentar la velocidad ó disminuir la U T ) Tiempos de residencia del sólido muy pequeños, es de segundos t L = u: velocidad de gas (5 m/s) u Si el tiempo de residencia es tan pequeño, para que el sólido reaccione qué variables hemos de modificar? Aumentar la Temperatura, para que la cinética aumente Disminuir el tamaño de partícula (dp < 100 μm)

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41 Rendimientos de Gasificadores Fundamentalmente hay tres definiciones 1. Rendimiento en materia 2. Rendimientos basados en la energía 3. Rdto que considera todo la entrada y la salida 1.- Cantidad de C en el Gas Cantidad de C en el Carbón 2.- Calor Químico en el Gas Calor Químico en el Carbón 3 m N gas x PCI gas a 25 º C kg carbón x PCI carbón a 25 º C 3.- Energía de Salida Disponible Energía de Entrada 3 mn x PCI + m c (T-25) kg carbón x PCI + H g P Vapor de agua

42 Rendimientos de Gasificadores En la actualidad el aprovechamiento de los gases está en la Obtención de Electricidad Esta basado en los Ciclos Combinados Cogeneración: Se produce vapor que necesitamos y además se produce electricidad que aprovecharemos o venderemos Se produce electricidad utilizando Ciclo Combinado Fig. 2 Turbina de Gas (Expansión de gas) Turbina de vapor (Combustión del gas) Gasificación/Combustión Diferencias desde el punto de vista medioambiental Combustión SO 2, NO x (problemas) Carbón Gasificación SH 2, NH 3 Combustión SO 2, NO x

43 Ciclo Combinado a Presión

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46 Combustión Carbón + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O En general nos olvidamos del O 2 que lleva el carbón y, si luego es reactivo, mejor Tomamos como base 1 kg de carbón C: C + O 2 CO 2 H: H 2 + 1/2O 2 H 2 O S: S + O 2 SO 2 Calcularemos el O 2 estequiométrico necesario Podemos encontrarnos con: Estequiometría local (λ) Exceso de aire Relación de equivalencia (φ)

47 Combustión Estequiometría local (λ) Aire Aire Estequiométrico λ = 1.2; Exceso = 20% Exceso de aire Aire - Aire Estequiométrico Aire Estequiométrico x100 Relación de equivalencia (φ); φ = 0.83 λ = 1.2 Exceso = 20% 1 = λ Aire Estequiométrico Aire Fuel Lean (Exceso de aire) : λ >1, 1<φ<0 Fuel Rich (defecto de aire) :0<λ < 1, φ>1

48 Combustión Se define también un parámetro (γ) Fuel Aire Fuel Aire 1. γ = Estequi Fuel Fuel = γ Fuel Aire Estequi. Aire Aire γ = 0.5 Condiciones Estequiométricas Fuel Lean (Exceso de aire) : 0 < γ < 0.5 Fuel Rich (defecto de aire) :0.5 < γ < 1

49 Combustión Descomposición Térmica del Carbón Volátiles Carbón Sólido Carbonoso Combustión de Volátiles (Rápida) podemos suponer que se quema completamente Combustión del Sólido (Reacción S-G No Catalítica) Es una reacción lenta. Nos va a controlar la situación Factores a analizar: Eficacia de la combustión (conversión y energía disponible) Aprovechamiento de la Energía Factores Medioambientales

50 Combustión La eficacia de la Combustión depende: Tipo de Carbón - análisis elemental - análisis inmediato - Poder calorífico - Reactividad - Tamaño de partícula Cantidad de Aire - el exceso de aire influye en la temperatura Temperatura - que se consigue con el aire Distribución de tiempos de Residencia - Tiempo medio -Flujo - Idéntico a la gasificación Presión - Al aumentar la presión aumenta la cinética - Permite la utilización de ciclo combinado

51 Combustión Aprovechamiento de la Energía Una vez que hemos quemado bien el carbón: Gas Caliente Energía Térmica Vapor de Agua Energía Eléctrica Energía Térmica Rendimientos cercanos a la unidad Rendimientos de combustión (Total) con respecto al producto final Energía Obtenida (Producto) Energía Introducida Energía Eléctrica Los Rendimientos bajan mucho kw electricidad kw carbón = 0.33

52 Combustión Factores Medioambientales Problemas: SO 2, NO x, CO 2, Partículas Partículas: Utilizar separadores CO 2 : Es el producto de la reacción SO 2 : Si el carbón tiene S se nos forma SO 2 seguro NO x : Dos procedencias: -N del carbón NO x del combustible -N 2 + O 2 aire NO x térmico (> 1300 ºC) El gas natural no lleva N pero se forma bastante NO x térmico

53 SO 2 Combustión Legislación: emisión (mg SO 2 /m 3 N) y para cada País ( Ton SO 2 /año) Para un carbón con Azufre tenemos soluciones: Antes Después Durante Antes: Eliminar S antes de la combustión. Lavaderos de Carbón. La eficacia del lavado depende de cómo este el S Orgánico: Dentro de las moléculas del carbón. Se puede eliminar por Hidrogenación pero se trata de un proceso CARO que no se suele hacer. No hay forma de eliminarlos en un lavadero Inorgánico: Mineral. No forma parte de la estructura del carbón. Este es el que se elimina en los lavaderos. (parte importante) Después: Tenemos SO 2 que hemos de eliminar antes de mandarlo por la chimenea. FGD Flue Gas Desulfuration. Procesos muy eficaces pero muy caros.

54 Combustión SO 2 Durante: Hemos de actuar en la propia cámara de combustión Durante el proceso se añade caliza (CaCO 3 ), que se va a descomponer a alta Tª para dar CaO + CO 2, luego CaO + SO 2 +1/2O 2 CaSO 4 (yeso) Lo que intentamos es que el SO 2 formado se transforme en CaSO 4. Otro tipo de reacción sólido-gas no catalítica. Lo que reacciona con el SO 2 es el CaO, no el CaCO 3. Este proceso se analiza en base a: Tipo de caliza Temperatura Granolumetría Tiempo de residencia Presión

55 Combustión Tipo de caliza Descomponemos CaCO 3 y medimos la superficie específica del CaO CaCO 3 CaO + CO 2 Endotérmica CaO de muy alta superficie específica no funciona tan bien como otras de menor CaO + SO 2 + 1/2O 2 CaSO Exotérmica 4 Alta superficie específica implica muchos poros Como el Volumen molar del CaSO 4 es > Vmolar del CaO Este CaSO 4 tapona el poro del CaO y lo inutiliza Temperatura Al aumentar la temperatura del sólido (CaO) se sinteriza, se taponan los poros del sólido. Este máximo corresponde siempre a la misma temperatura (850 ºC) independientemente de la caliza utilizada.

56 Combustión Presión Ahora tiene mayor importancia. Trabajando a una 10 atm las calizas van peor CaCO 3 CaO + CO 2 (g) Al aumentar la presión se desplaza a la izquierda Para trabajar a presión tenemos dos posibilidades A presión: CaCO 3 + SO 2 + 1/2O 2 CaSO 4 + CO 2 a) Esta reacción es mucho menos importante debido a que la porosidad del CaCO 3 es menor que la del CaO Podemos utilizar CaCO 3 pero con un diámetro de partícula muy pequeño para disponer de mayor superficie específica (dp 50 60A ) b) Hemos de buscar otro material que funcione a alta presión: Dolomita (CaCO 3 MgCO 3 ) Si estudiamos termodinámicamente MgCO 3 MgO + CO 2 A 850 ºC y alta P el equilibrio esta muy desplazado a la derecha A alta Presión: CaCO 3.MgCO 3 CaCO 3 MgO + CO 2 CaCO 3 MgO + SO 2 + 1/2O 2 CaSO 4 MgO + CO 2 Obtenemos así un CaCO 3 más poroso que reacciona con el SO 2 A Presión atmósferica la dolomita funciona mal CaCO 3.MgCO 3 CaO.MgO + 2CO 2 La descomposición es tan violenta que rompe las partículas y son elutriadas

57 Combustión Para retener el SO 2 dentro del combustor a 850 ºC A Presión atmosférica: CaCO 3 CALIZA A alta presión: DOLOMITA

58 Combustión NO x Legislación: Normalmente se engloban NO y NO 2 Dentro del combustor tenemos NO, pero conforme los gases se enfrían se forma NO 2 La legislación viene en mgno 2 /m 3 N, no es lo mismo tener NO que NO 2 Si medimos, el equipo nos da: 500 ppmv NOx Cuántos mgno 2 /m 3 Nson? En la atmósfera todo el NO se va a transformar en NO 2 que el que da problemas medioambientales. Deforma aproximada: mgno 2 /m 3 N~2*ppmv NO x

59 Combustores Son reactores sólido-gas luego tenemos las mismas posibilidades de siempre Nos interesa los sistemas continuos (para el sólido) En España la mayoría de los combustores son calderas Caldera convencional (carbón pulverizado) Clásica, entra el carbón con pequeño tamaño de partícula 70 Aº El aire arrastra la partículas Desde el punto de vista de la combustión (eficacia) funciona bien. (Antracitas precisa mayor tiempo de residencia) Según el aprovechamiento de la energía, no es la mejor pues la transmisión de calor G-S no es muy buena UA. ΔT Se suelen utilizar turbinas de vapor (rendimiento suele ser del 33 %) El rendimiento de la turbina depende de la temperatura del vapor En condiciones supercríticas (33% 38%)

60 Combustores En la caldera Si se nos forma SO 2, es muy dificil eliminarlo dentro de la caldera pues tenemos unos perfiles de temperatura tremendos ( ºC), luego es muy dificil que la caliza sea activa (850 º) Tenemos una zona en la cual tenemos 850 ºC pero si inyectamos aquí caliza el tiempo de residencia es muy pequeño (parte superior) y no funciona bien. Lo mismo sucede con el NOx Estos problemas dieron lugar a: -Lechos fluidizados Podemos trabajar a 850 ºC luego la reducción de SO 2 es importante El NOx a esta temperatura no se forma (el térmico), del otro se forma menos *La eficacia de combustión es menor pues la temperatura es mas baja (hemos de trabajar a 850 ºC) * Aprovechamiento de energía UAΔT ( U, ΔT)

61 Combustores De lecho fluidizado existen: Burbujeante atmosférico Circulante (el más utilizado) A presión Burbujeante (Fig. 7) Ventajas: Los tubos para formar vapor están dentro del lecho U y A luego tenemos un mayor aprovechamiento de la energía Problemas de erosión En estos combustores fijamos: Temperatura = 850 ºC dp carbón = 8 20 mm Al fijar dp carbón, fijamos el dp caliza (para evitar la segregación) Como dentro del lecho el dp carbón disminuye dp caliza = 4 mm La cantidad de átomos de Ca idealmente sería igual al número de átomos de S. Realmente, esto es insuficiente pues existen centros activos del CaO no aprovechados con lo cual Ca/S = 3 Velocidad del gas (u) = 1-2 m/s

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63 Diseño de lecho fluidizado burbujeante Lo primero que nos tenemos que plantear es la potencia necesaria 1.- Concretar la potencia * Térmica (MW T ) * Eléctrica (MW E ) Los rendimientos son distintos: Rendimiento Térmico = Rendimiento Eléctrico = MW MW T combustible MW MW E combustible Determinar el caudal másico de Carbón ( m carbón ) MWcombustibl e = m carbón * PCI

64 Diseño de lecho fluidizado burbujeante 3.- Determinar Caudal de aire Alimentado (kmol/h) Necesitamos: * Exceso de aire (15-20%) * Análisis elemental (para aire estequiométrico) 4.- Determinar la sección del combustor Condiciones de operación: P = 1 atm y T = 850 ºC Caudal (m 3 /s) Con lo cual calculamos la Sección conocida la velocidad del gas (u) 5.- Determinar la cantidad de caliza Calculamos el S del carbón SO 2 Como Ca/S = 3 Ca Caliza Si nosotros tenemos un lecho fluidizado ya diseñado y nos piden la potencia de este lecho:

65 Diseño de lecho fluidizado burbujeante 1.- Conocemos : * Sección (m 2 ) * Velocidad (u, m/s) Caudal de aire (m 3 /s) 2.- Con: * % exceso de aire * Análisis elemental Cantidad de carbón 3.- Con: * Rendimiento * PCI Potencia

66 Combustores Cómo podemos aumentar la potencia de un lecho fluidizado? Para una sección dada: por ejemplo 1 m 2 20 MW T Lógicamente, hemos de aumentar la cantidad de carbón, lo que implica aumentar el caudal de aire (kmol aire/h), pero un aumento del caudal de aire un aumento de la velocidad (u) Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE Otra posibilidad es aumentar la presión (P.Q = n R T). Podemos tener el mismo caudal (misma velocidad) a la misma temperatura, pero aumentando la presión. Con lo que llegamos a un LECHO FLUIDIZADO A PRESIÓN Ambos nos permiten aumentar la cantidad de carbón tratado

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68 Combustores CIRCULANTE (Fig. 5) El más utilizado u = 8 10 m/s.podemos procesar 10 veces más de carbón. Tª = 850 ºC Podemos utilizar un tamaño de partícula de carbón pequeño pues no importa la elutriación dp < 2 mm. Como el dp del cabón es bajo también el dp de la caliza será bajo dp de caliza = A Luego Ca/S = 1.7 Limitante: Aprovechamiento de la energía del carbón Los tubos se encuentran en la pared para evitar la corrosión

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70 Combustores A PRESIÓN (fig. 1) Ventajas: -Permite aprovechar mayor cantidad de carbón/m 2 -Podemos ir hacia un ciclo combinado. -Podemos utilizar también una turbina de gas Fig. 1.- Ptrabajo = atm; Tª = 850 ºC; u = 1-2 m/s Los tubos están en el interior del lecho Se utiliza una vasija a presión para separar los efectos de alta temperatura y alta diferencia de presión Una turbina de gas tiene mayor rendimiento cuanto mayor es la temperatura de entrada del gas Inicialmente los gases de salida de la caldera no iban directamente a la turbina (separación de partículas) con lo cual disminuye la temperatura de entrada y baja el rendimiento Actualmente los gases a alta temperatura van directamente a la turbina de gas. (ciclones adiabáticos aislados). cómo podemos alimentar sólidos en un lecho a presión?

71 Combustores Lock Hoppers: Dispositivo para alimentar sólidos a presión 1º) venteamos para asegurar que la cámara esta a P atmosférica 2º) Introducimos el carbón y cerramos 1 y 3, abrimos 2 y presurizamos 3º) Introducimos en el lecho a presión abriendo 4. Carbón Aire 1 Venteo Alta presión

72 Combustores Los rendimientos (eléctricos) que se suelen tener en estos procesos 1) Combustión a presión atmósferica (Ciclo de vapor) El rendimiento depende de la temperatura de vapor a la entrada de la turbina Normalmente Rdto = 33 % Para aumentarlo: turbinas en condiciones supercríticas: Rdto = 38 % Incremento importante 2) Combustión a presión (ciclo combinado) Se aumenta el rendimiento considerablemente: Rdto = 42 % Para obtener mayores rendimientos, la clave esta en la turbina de gas. La temperatura de entrada ha de ser lo mayor posible Los mejores resultados se encuentran para gas natural (Rdto = 50 %).

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