Tecnologías de combustión y gasificación del carbón: reducción de emisiones

Resumen

El documento describe las tecnologías de combustión del carbón (pulverizado, en lecho fluidizado y en ciclo combinado) y la gasificación, junto con sus reacciones químicas y los sistemas para reducir las emisiones de CO2, SO2, NOx, COV y partículas. Permite entender cómo mejorar la eficiencia energética y la limpieza del proceso.

Puntos clave

La combustión del carbón genera CO2, SO2, NOx y partículas (PM10, PM2,5) y COV, además de cenizas y escorias que deben retirarse.
En la combustión en lecho fluidizado se añade adsorbente para capturar el azufre durante el proceso, reduciendo las emisiones de SO2.
La gasificación es la reacción de un sólido combustible con un agente gasificante (aire, O2 y/o vapor) a más de 700 ºC.
En la gasificación se elimina el azufre del gas, pero el poder calorífico total de los gases es solo un 60-80% del carbón de partida.
El ciclo combinado con gasificación integrada (IGCC) retiene hasta un 99% del azufre y reduce un 25% la emisión de CO2.
Para reducir las emisiones se emplean técnicas específicas: desulfuración para SO2, carbón activo para COV y ciclones, filtros de mangas o precipitadores electrostáticos para partículas.

Ponte a prueba

Combustión

Desarrollo de tecnologías más limpias y aumento de la eficacia del ciclo térmico para reducir emisiones de CO₂ y abaratar el coste de la energía. Principales emisiones: CO₂ (GEI), SO₂, NO_x, partículas (PM10 y PM2,5, COV).

También se producen cenizas y escorias dentro del reactor que se deben retirar.

Nuevas Técnicas

Combustión de carbón pulverizado (CCP): Preparación del carbón (secado y molienda) y transporte neumático a quemadores. Las paredes de la cámara de combustión son refrigeradas por vapor, lo que permite una perfecta combustión y enfriamiento de las cenizas, disminuyendo la temperatura de reblandecimiento.
Combustión en lecho fluidizado (CLF): El carbón es quemado en lecho fluidizado con partículas sólidas inertes y adsorbente. Se añade adsorbente para capturar el S durante la combustión, lo que reduce las emisiones y permite quemar residuos urbanos, industriales, etc.
Combustión en lecho fluidizado circulante (CLFC): Similar al anterior, pero el material sólido arrastrado se devuelve al horno.
Combustión en lecho fluidizado a presión (CLFP): Similar al anterior, pero con el horno a presión. El gas de combustión se depura a fondo y se expande en una turbina de gas para recuperar energía.
Ciclo combinado con gasificación integrada (IGCC):

Gasificación

Reacción entre sólido combustible (biomasa, carbón) y agente gasificante (aire, O₂ y/o vapor de agua) a T > 700ºC.

Reacciones

Con O₂: C + O₂ → CO₂; C + CO₂ → 2 CO
Con vapor: C + H₂O → CO + H₂

Formación de hidrógeno (shift, exotérmica): CO + H₂O → CO₂ + H₂

Formación de metano (exotérmica): CO + 3 H₂ → CH₄ + H₂O

Se elimina S en el gas. Combustible más ventajoso que la combustión directa del carbón, aunque el poder calorífico total de los gases es solo un 60-80% del carbón de partida.

La reacción se facilita por la mejor mezcla combustible/comburente.
Permite obtener temperaturas elevadas por el aprovechamiento regenerativo del calor de combustión.
Mayor limpieza (no se contamina el producto tratado).
Menor contaminación ya que se elimina S en el gas.

Los aparatos que mejor favorecen el contacto gas/carbón son:

Gasógenos de lecho fijo, para polvo o de lecho fluidizado: Se emplean para tamaños intermedios y son de gran producción.

Gasificación Integrada en Ciclo Combinado (IGCC)

Los gases generados en la gasificación en una turbina de gas producen electricidad y energía térmica. La IGCC del carbón parece ser la mejor vía para competir con el gas natural:

Versátil.
Permite otros usos del gas en momentos de baja demanda energética.
Presenta mayor eficiencia energética.
El gas se limpia antes de la combustión.

Ciclo Combinado con Gasificación Integrada

Se gasifica el carbón con aire en horno a presión para obtener gas de síntesis.
El gas se depura, enfría y quema. Los gases de la gasificación producen electricidad en una turbina de gas.
Los gases salientes de la turbina fluidizan el residuo carbonoso en un lecho que completa la combustión.
El calor residual procedente de la gasificación, enfriamiento del gas y gases de escape de la turbina de gas, generan vapor que alimenta una turbina convencional para generar energía eléctrica.
Este sistema admite distintos tipos de carbón. Retiene hasta un 99% de S y reduce un 25% la emisión de CO₂.

Sistema para Reducir las Emisiones

Eliminación de CO₂: Las emisiones dependen del tipo de combustible.
Eliminación de SO₂: Tecnologías de desulfuración.
Eliminación de NO_x: Se forman debido al N del combustible o en la reacción de combustión por reacción de N₂ y O₂ del aire.
Eliminación de COVs: Mediante carbón activo o sorbentes específicos. La formación de HCl dependerá de la composición del combustible.
Reducción de partículas en suspensión (PM10 y PM2,5): Con ciclones o cámaras de sedimentación, filtro de mangas, precipitador electrostático o torre lavadora.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la gasificación del carbón?

Es la reacción entre un sólido combustible, como carbón o biomasa, y un agente gasificante como aire, O2 y/o vapor de agua, a temperaturas superiores a 700 ºC. Produce un gas combustible con menos azufre que la combustión directa.

¿Qué ventaja tiene el ciclo combinado con gasificación integrada (IGCC)?

Según el texto, retiene hasta un 99% del azufre y reduce un 25% la emisión de CO2. Además presenta mayor eficiencia energética y el gas se limpia antes de la combustión.

¿Cómo se reducen las emisiones de SO2 en la combustión en lecho fluidizado?

Se añade un adsorbente que captura el azufre durante la combustión. Esto reduce las emisiones y permite quemar también residuos urbanos o industriales.