sábado, 11 de diciembre de 2010

mas informacion (4) (HECHO POR DANIEL AGUILERA)

XVII.- GASIFICACIÓN DEL CARBÓN
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La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón desde su estado sólido, en un
combustible gaseoso (compuesto fundamentalmente por CO e H
una oxidación parcial, al que hay que retirar una serie de sustancias indeseables, como son los
compuestos de S y la ceniza del carbón original, mediante técnicas bien desarrolladas. El resultado es
una fuente energética gaseosa, limpia y transportable.
Cuando un carbón se quema, su energía química se libera en forma de calor; el O
con el C y el H
hay
sin embargo, si el O
nuevos productos gaseosos, como el H
Si el objetivo es maximizar la energía química de los subproductos gaseosos, parece lógico continuar
con la reducción del O
carbón ya no se convierte en gas, quedando sin reaccionar parte del C y dando lugar a un proceso ineficiente.
Cuando el suministro de O
conforme se consume el carbón, el proceso se conoce como gasificación.
Los primitivos procesos de gasificación del carbón, que suministran
prima para la industria química, se comercializaron a lo largo de la década de 1950.
Mejoras en los diseños de los gasificadores de segunda y tercera generación se desarrollaron y permitieron
construir grandes unidades comerciales para la producción de gas sintético en los años 1980.
La gasificación de carbón para la generación de energía eléctrica tuvo su primera unidad de demostración
en USA, en la planta energética Cool Water de 92 MW, California, y de 155 MW en Plaquemine,
Louisiana.
La primera planta de ciclo combinado con gasificación integrada que se instaló en el mundo, fue la
de Buggenum (250 MW), en Holanda; esta planta, típica en la industria del petróleo, es del tipo
con O
2), también conocido como syngas, mediante2 del aire se combina2 del carbón, produciendo CO2, H2O y energía térmica. En condiciones normales, cuandoaireexceso, toda la energía química del carbón se convierte en calor y el proceso normal es la combustión;2 disponible se reduce, se libera menos calor del carbón y en la reacción aparecen2, CO y CH4 que contienen también energía química.2 disponible; no obstante, se alcanza un punto a partir del cual un porcentaje del2 se controla de forma que se produzca calor y un nuevo combustible gaseoso,gas de síntesis como materiasoplada2, y utiliza un proceso frío de separación de gas ácido.
XVII.-495
XVII.1.- QUÍMICA DE LOS PROCESOS DE GASIFICACIÓN
Reacciones de gasificación.-
energía térmica necesaria para impulsar la pirólisis y reacciones de gasificación de carbón. En contraste
con las reacciones de combustión que tienen lugar con exceso de O
combustión incompleta con deficiencia de O
de esta combustión.
Sólo una fracción del C presente en el carbón se oxida por completo para formar CO
El calor desprendido por la combustión parcial facilita la mayor parte de la energía necesaria para
romper los enlaces químicos en el carbón y la elevación de la temperatura de todos los productos involucrados
hasta su temperatura de reacción.
La química del proceso de la gasificación del carbón es compleja, por lo que aquí sólo se discuten algunas
de las reacciones más importantes.
La reacción exotérmica entre el carbono y el oxígeno proporciona la2, la gasificación consiste en una2, apareciendo el CO y el H2 como gases combustibles procedentes2.
Reacciones exotérmicas
Combustión de carbono:
€
C + O
C +
2
2 = CO2 (Combustión con Oxígeno) (- 393 kJ/mol)1
O
2 = CO (Gasificación con Oxígeno)

Intercambio gas-agua:
€
CO + H
2 O = CO2 + H 2 (- 41 kJ/mol)
Metanización:
€
CO + 3 H
C + 2 H
2 = CH 4 + H2 O (Metanización) (- 205 kJ/mol)2 = CH 4 (Gasificación con Hidrógeno) (- 74 kJ/mol)
Reacciones endotérmicas
Reacción Boudouard:
€
C + CO
2 = 2 CO (Gasificación con anhidrido carbónico) (172 kJ/mol)
Reacción vapor-carbono:
€
C + H
2 O = CO + H 2 (Gasificación con vapor de agua) ( 131kJ/mol )
Liberación de hidrógeno: 2 H ( carbón ) = H
2 ( gas )
Las reacciones de metanización son importantes en sistemas de baja temperatura y se favorecen
con las altas presiones. Las otras ecuaciones son predominantes en sistemas de gasificación a alta
temperatura. La combinación de estas reacciones libera inicialmente el calor suficiente por las reacciones
de combustión del C, para facilitar energía a las reacciones endotérmicas.
El S contenido en el carbón se convierte en sulfuro de hidrógeno H
forma también sulfuro de carbonilo COS.
Las altas temperaturas y las altas presiones favorecen la conversión del nitrógeno a N
que las condiciones contrarias favorecen la formación de algo de NH
En los procesos de baja temperatura, inferior a 1200 ºF (650ºC), las breas, los aceites y los fenoles
no se destruyen ni descomponen y, por lo tanto, salen con el gas bruto.
2S, y una pequeña cantidad de S2, mientras3 y pequeñas cantidades de HCN.
Etapas de las reacciones.-
reacción:
Durante el proceso de gasificación hay dos etapas principales de
La de desprendimiento de volátiles
La de gasificación del subcoque (char)
La primera (pirólisis) es una etapa de transición, en la que se liberan los compuestos volátiles de
los compuestos orgánicos por debajo de 1112ºF (600ºC); el carbón se convierte en subcoque de carbono
fijo (char), conforme se eleva la temperatura; los débiles enlaces químicos se rompen y se forman breas,
aceites, fenoles y también gases hidrocarburados.
La segunda es una etapa en la que el subcoque (char) que queda tras la desvolatilización, se gasifi-
XVII.-496
ca por medio de una reacción con O
Los gases reaccionan entre sí para producir la mezcla final; el tipo de proceso de gasificación tiene
una notable repercusión sobre los productos de la desvolatilización:
2, H2O, CO2 e H2.
- En los gasificadores de lecho fijo y de lecho agitado, estos productos salen del gasificador con el gas producto objeto del
proceso, debido a las bajas temperaturas y a la falta de O
2
- En procesos de lecho fluidificado y de flujo arrastrado, las elevadas y uniformes temperaturas provocan el fraccionamiento
térmico (craking) de los hidrocarburos, fragmentando las moléculas más complejas en otras más simples
- También hay O
reacciones que, en un proceso de flujo arrastrado, son más completas
2 disponible para reaccionar con los productos de la desvolatilización, produciendo H2 , CO y CO2 ,
El objetivo básico de la gasificación es convertir el carbón en gas combustible que contenga el máximo
poder calorífico. Si el gas producto se utiliza para la síntesis química, en lugar de usarse para la
combustión, su composición tiene que ajustarse a la estequiometría del producto sintetizado.
Por ejemplo, el H
2 para la producción de gas de síntesis se obtiene mediante
la reacción vapor -C
el intercambio agua - gas
La reacción del intercambio
agua-gas se potencia:
- Mediante un suministro adicional de vapor en el lecho de combustible
- En una etapa independiente de conversión catalítica situada aguas abajo
en cualquier caso se produce así más H
La influencia del producto final puede modificar la elección del proceso de gasificación.
Cuando el único producto requerido es el H
como procedente de la descomposición del agua mediante su reacción con el C.
En el caso de producción de
y alta presión, una gran parte del metano se puede producir en el lecho de combustible, mediante
la hidrogenación del C, según la reacción:
2.2 hay que disminuir el CO2 que es un producto inevitable,gas natural sintético (GNS), en procesos de lecho agitado a baja temperaturaC + 2 H2= CH4
La totalidad del metano no se puede producir directamente por hidrogenación, por lo que una fracción
del metano se tendrá que producir de forma indirecta en una etapa catalítica independiente, por
ejemplo mediante la reacción:
C O + 3 H2 = CH4 + H2O
XVII.2.- CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE GASIFICACIÓN
Los procesos de gasificación del carbón se pueden clasificar según cuatro tipos de reactores, Fig
XVII.1, en la que se muestran también los perfiles de temperatura:
- Lecho agitado (fijo) o de contracorriente
- Lecho fluidificado o de mezcla en contracorriente
- Flujo arrastrado o suspendido (equicorriente)
- Flujo Transport
La ubicación de las entradas de carbón, vapor y oxidante se señalan convenientemente, al igual que
las salidas de gas sintético y de ceniza.
La Tabla XVII.1 resume las características más importantes de cada uno de los gasificadores, según
el tipo de ceniza que tienen en el fondo, en
seca
fundida
Si la temperatura se mantiene por debajo del punto de fusión de la ceniza, ésta se evacúa seca.
La ceniza se puede manipular también en estado fundido y evacuar como ceniza líquida.
Lecho agitado.-
o lecho de carbón triturado se soporta por medio de una parrilla comprendiendo el proceso una se-
En el gasificador de lecho agitado, Fig XVII.1a, o gasificador de lecho fijo, una columna
XVII.-497
rie de reacciones en contracorriente, como:
- En la parte superior del gasificador, el carbón se calienta y seca, a la vez que se refrigera el gas producto
- A medida que el carbón desciende, se calienta más y se desprende de los volátiles en la zona de carbonización
- Por debajo de la zona de carbonización el carbón desvolatilizado se gasifica mediante su reacción con vapor y con CO
2
a) Gasificador de lecho agitado b) Gasificador de lecho fluidificado
c) Gasificador de lecho arrastrado o suspendido
d) Transport
Fig XVII.1.- Configuración de reactores para gasificación del carbón
Las temperaturas más altas se alcanzan en la zona de combustión, cerca del fondo del gasificador.
La reacción entre el subcoque (char) y el vapor, junto con la presencia de
temperatura en la zona de combustión por debajo de la temperatura de fusión de la ceniza.
Las características distintivas de un gasificador de lecho agitado son las siguientes:
vaporexceso, mantiene la
XVII.-498
Tabla XVII.1.- Características de los gasificadores
LECHO AGITADO
Carbón alimentado Ceniza SECA Ceniza FUNDIDA
Tamaño Bruto < 2" (51 mm) Bruto < 2" (51 mm)
Aceptabilidad finos Limitada Mayor que con seca
Aceptabilidad aglutinante Sí (con modificaciones) Sí (con modificaciones)
Rango preferido carbón Bajo Alto
Operación:
Temperatura salida gas Baja= 800÷1200ºF (427-649ºC) Baja= 800÷1200ºF (427-649ºC)
Requisito oxidante Bajo Bajo
Requisito vapor Alto Alto
Peculiaridad clave Hidrocarburos líquidos en gas bruto
Tecnología clave Utilización de finos e hidrocarburos líquidos
LECHO FLUIDIFICADO
Carbón alimentado Ceniza SECA Ceniza FUNDIDA
Tamaño Triturado< 0,25" (6,4 mm) Triturado < 0,25" (6,4 mm)
Aceptabilidad finos Buena Mejor
Aceptabilidad aglutinante Posible Sí
Rango preferido carbón Bajo Cualquiera
Operación:
Temperatura salida gas 1700 ÷ 1900 ºF (927-1038ºC) 1700 ÷ 1900 ºF (927-1038ºC)
Requisito oxidante Moderado Moderado
Requisito vapor Moderado Moderado
Peculiaridad clave Gran reciclado de subcoque (char)
Tecnología clave Conversión de carbono
FLUJO ARRASTRADO FLUJO TRANSPORT
Carbón alimentado Ceniza FUNDIDA Ceniza SECA
Tamaño Pulverizado: 100 mesh (149 micras) Pulverizado: 1/16"
Aceptabilidad finos Ilimitada Mejor
Aceptabilidad aglutinante Sí Sí
Rango preferido carbón Cualquiera Cualquiera
Operación:
Temperatura salida gas Alta > 2300ºF (1260ºC) 1500 a 1900ºF (815 a 1039ºC)
Requisito oxidante Alto Moderado
Requisito vapor Bajo Moderado
Peculiaridad clave Gran energía en gas bruto caliente Inventario control de carbón
Tecnología clave Refrigeración gas bruto y arrastre de agua
Tabla XVII.2.- Composición del fuel SYNGAS de algunas instalaciones y del Gas natural
Schwarze Exxon Valero GAS
SYNGAS PSI Tampa El Dorado Pernis ILVA Pumpe Sarlux Fife Singapore Delavare NATURAL
24,8 37,2 35,4 34,4 8,6 61,9 22,7 34,4 44,5 32 Trazas
CO 39,5 46,6 45 35,1 26,2 26,2 30,6 55,4 35,4 49,5 --
1,5 0,1 0 0,3 8,2 6,9 0,2 5,1 0,5 0,1 93,9
-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 3,2
-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 0,7
-- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 0,4
9,3 13,3 17,1 30 14 2,8 5,6 1,6 17,9 15,8 1
2,3 2,5 2,1 0,2 42,5 1,8 1,1 3,1 1,4 2,2 0,8
22,7 0,3 0,4 -- -- -- 39,8 -- 0,1 0,4 --
209 253 242 210 183 317 163 319 241 248 939
8224 9962 9528 8274 7191 12492 6403 12568 9477 9768 35000
Temperatura 570ºF 700ºF 250ºF 200ºF 400ºF 100ºF 392ºF 100ºF 350ºF 570ºC
330ºC 371ºC 121ºC 96ºC 204ºC 38ºC 200ºC 38ºC 177ºC 299ºC
0,63 9,8 0,79 0,98 0,33 2,36 0,74 0,62 º1,26 0,65
Diluyente Vapor Vapor -- Vapor Humedad Agua Vapor
H
2
C H
4
C
2H6
C
3H8
C
4H10
C O
2
N
H
Btu/ft
2 + Ar2O3
kJ/m
3
H
N
2/CO2 N2/vapor H2O/N2
XVII.-499
- Produce hidrocarburos líquidos, como breas y aceites
- Tiene limitada posibilidad de manipular partículas finas
- Requiere etapas especiales para manipular carbones aglutinantes
- Produce un contenido relativamente alto de gas metano
- Necesita poco oxidante
Las diferencias principales entre los distintos gasificadores de lecho agitado se refieren a:
- Las condiciones de la ceniza (sólida o seca, líquida o fundida)
- Las previsiones de diseño para manipular finos, carbones aglutinantes y líquidos hidrocarburados
Lecho fluidificado.-
contracorriente las partículas del carbón alimentado, con las partículas que se encuentran en gasificación.
Aunque el gasificador tiene un lecho discreto, las partículas de carbón troceado se mantienen en
constante movimiento, por medio del flujo ascendente de gases.
El lecho fluidificado se mantiene por debajo de la temperatura de fusión de la ceniza, para evitar
aglutinaciones y solidificaciones, que podrían conducir a la pérdida de la fluidificación.
Las partículas de subcoque (char) arrastradas por el gas bruto caliente, se recuperan y reciclan
hacia el gasificador.
Las principales características de un gasificador de lecho fluidificado son:
El gasificador de lecho fluidificado, Fig XVII.1b, es un reactor que mezcla en
- Tiene un importante reciclado de subcoque
- Requiere pasos especiales para obtener una alta conversión del C, cuando se utilizan carbones de alta calidad
- Requiere medios especiales para manipular carbones aglutinantes
- Sus características operativas son temperaturas uniformes y moderadas
- Requiere moderados aportes de O
2 y vapor
Las principales diferencias que existen entre los distintos gasificadores de lecho fluidificado radican
en las
condiciones de la ceniza seca o aglutinada
previsiones de diseño para el reciclado del subcoque (char)
Un lecho fluidificado aglutinado contiene una zona caliente en la que las partículas de ceniza se
agrupan en pequeñas bolitas antes de su evacuación; la operación con ceniza aglomerada facilita la gasificación
de los carbones de alto rango.
Los gasificadores de lecho fluidificado y ceniza seca operan más eficientemente con carbones de
baja calidad.
Flujo arrastrado.-
lecho suspendido, es un reactor en equicorriente que consiste en un sistema de dos fases de sólidos finamente
divididos dispersos en un gas; las partículas de carbón pulverizado reaccionan con el
El gasificador de flujo arrastrado, Fig XVII.1c, también llamado gasificador de
vapor
oxidante
, en
un tiempo de residencia muy corto y tiene las siguientes características:
- Puede gasificar carbones de cualquier
tipo
característica aglutinante
cantidad de finos

- Requiere una notable recuperación de calor debido a la gran cantidad de calor sensible en el gas bruto
- Es operativo con alta temperatura de escorificación (alto punto de fusión de la ceniza)
- Precisa una gran cantidad de oxidante
- Requiere de medios especiales para evitar el arrastre de ceniza fundida hacia las superficies termointercambiadoras situadas
aguas abajo
Las principales diferencias entre las diversas clases de gasificadores de flujo arrastrado se encuentran
en el sistema de alimentación de carbón
en lechada
en fase densa
, y en las configuraciones de diseño para refrigerar
el gas bruto y el calor sensible.
XVII.-500
XVII.3.- TECNOLOGÍAS PRÁCTICAS
Gasificador de lecho agitado.-
con O
La configuración de un gasificador de ceniza seca y lecho agitado se representa en la Fig XVII.2.
La primera planta de gasificación de carbón con lecho agitado soplada2, a escala industrial, se construyó en 1936.
- Es una unidad cilíndrica de alta presión, que opera entre
350 a 450 psig
2410 a 3100 kPa
- La carcasa principal del gasificador está rodeada de una camisa de
agua de refrigeración
- El carbón calibrado entra por la parte superior a través de una tolva
esclusa y desciende hacia el lecho, bajo el control de una parrilla
giratoria
- La temperatura de la zona de combustión, próxima al fondo de la
vasija, es de unos 2000ºF (1093ºC); el gas sale de la zona de secado y
de desvolatilización a 1000ºF (538ºC)
El proceso de lecho agitado tiene una capacidad limitada.
El gasificador tiene un diámetro de 13,1 ft (4 m) y una capacidad
nominal de secado del orden de 14,9 m
a unas 600 Ton/día de carbón puro sin humedad ni cenizas.
La eficiencia del gas frío es del orden de 80% y puede llegar hasta el 89% si se incluyen los líquidos
hidrocarburados, y viene dada por la expresión:
3N/s, equivalente
Eficiencia del gas frío
=
Poder calorífico superior del gas sin S a 60º F
Poder calorífico superior del carbón alimentado
Gasificador de lecho fluidificado.-
y constituyó la aplicación inicial de la tecnología de lecho fluidificado. El primero de estos gasificadores se
puso en operación en Leuna, Alemania, en el año 1926; en la actualidad estas unidades se han reemplazado
por:
Fue la primera unidad comercial de gasificación del carbón,
Gasificadores de flujo arrastrado
Unidades presurizadas de lecho agitado
Gasificador de flujo arrastrado.-
para producir gas combustible o gas de síntesis, a partir de combustibles carbonados sólidos o líquidos.
El desarrollo original a nivel de laboratorio lo realizó F. Totzek a finales de los años 1930, en la empresa
Heinrich Koppers GMBH, de Essen, Alemania.
La primera planta comercial de gasificación de flujo arrastrado se construyó en Francia, en 1949,
estando la mayor parte de las que se construyeron aún operativas; su principal aplicación es la producción
de H
En la Fig XVII.3 se presenta el esquema de un gasificador de flujo arrastrado a presión atmosférica,
en el que:
Esta tecnología comenzó como un proceso a presión atmosférica,2 para la síntesis del NH3.
- El carbón se pulveriza y alimenta por medio de transportadores de tornillo, a través de quemadores opuestos, hacia el
interior de un gasificador que tiene una sección horizontal elíptica
- El combustible se oxida, produciendo una temperatura en la zona de llama de 3500ºF (1927ºC); las pérdidas de calor
y las reacciones endotérmicas reducen la temperatura de los gases a 2700ºF (1482ºC)
- El gas producto caliente se enfría aún más, mediante el apagado, que consiste en un enfriamiento rápido con agua
hasta 1700ºF (927ºC), para solidificar las partículas de ceniza líquida arrastradas, antes de que los gases entren en la caldera
de recuperación de calor, (caldera de gases de escape)
XVII.-501
Fig XVII.2.- Gasificador de lecho agitado y ceniza seca
La eficiencia del gas frío del gasificador Totzek soplado con O
pero hay una fracción de la energía del carbón que se convierte en calor, que se recupera por medio de la
camisa de refrigeración y de la caldera de recuperación de calor. La combinación de estas fuentes de
energía junto con las últimas mejoras introducidas incrementa la eficiencia total hasta un 90%.
La mayoría de los gasificadores utilizan un diseño de doble cabezal, mediante el equipamiento de dos
quemadores dispuestos en oposición, que tienen una capacidad total de 4,73 m
Ton/día de carbón puro, sin agua ni ceniza.
2 era del 67%, que parece algo baja,3N/s, equivalente a 210
Fig XVII.3.- Gasificador de flujo arrastrado
Gasificador primitivo a presión atmosférica.-
a presión atmosférica fué diseñado y construido por B&W, Fig XVII.4, y se puso en marcha en 1951 en
la planta del U. S. Bureau of Mines, en Morgantown, USA, en las siguientes condiciones:
El primer gasificador del tipo de flujo arrastrado
- Estaba alimentado conO
- Podía gasificar 500 lb/h = (0,06 kg/seg) de carbón, produciendo 147,3
m
2 soplado3N/h de gas de síntesis
El revestido de refractario, comprendía dos zonas de reacción,
primaria y secundaria:
- Zona primaria con temperaturas superiores a 3000ºF (1650ºC)
- En la zona secundaria se operaba a 2200ºF (1204ºC)
Esta unidad llegó a operar con éxito durante 1200 horas.
Gasificadores primitivos presurizados.-
de fuego descendente, se caracterizó por una alimentación
axial de 500 lb/h (0,006 kg/s) de carbón, con alimentadores tangenciales
de vapor y de O
450 psig (3100 kPa), funcionó con regularidad en el período
1950-70.
En 1955 comenzó a operar en Belle, West Virginia, USA un gasificador a escala industrial. La uni-
El primer gasificador,2; la unidad diseñada para operar a
XVII.-502
Fig XVII.4
Gasificador primitivo soplado con O
2
dad tenía
diámetro = 15 ft (4,6 m)
altura = 88 ft (26, 8 m)
. Se diseñó para gasificar 16 Ton/día de carbón, produciendo 7,75 m
de CO y de H
3N/s2.
Fig XVII.5.- Planta piloto de gasificación en Alliance, Ohio, USA
Fig XVII.6.- Gasificador Bi-gas de B&W
Fig XVII.7.- Gasificador de flujo arrastrado de
1000 Ton/día
XVII.-503
La zona de gasificación estaba revestida de refractario, y el suelo y las paredes estaban refrigeradas
por agua. El gasificador operó durante más de un año, hasta su puesta fuera de servicio, debido al
bajo coste del gas natural disponible en el mercado.
En 1960, se construyó una unidad piloto en el centro de Alliance, Ohio, USA., cuyo esquema se representa
en la Fig XVII.5, que estaba alimentada con aire; se utilizó en un programa conjunto con General
Electric, para el estudio de los ciclos combinados configurados con turbina de gas y turbina de vapor.
- La unidad tenía un gasificador de 3 Ton/h con:
reciclado del subcoque
equipo mecánico de limpieza de gas
un combustor ciclón refrigerado por gas

La instalación se mantuvo funcionando tres años, y con ella se estudiaron los gasificadores de fuego vorticial y piqueras
de escoria horizontales y verticales
En 1976 se construyó un gasificador de 5 Ton/h y 1500 psig (10.340 kPa) para la planta piloto Bigas,
en Homer City, Pennsylvania, USA, Fig XVII.6, con el que se demostró la producción de gas natural
sintético a partir del carbón.
Características del gasificador de flujo arrastrado.-
un gasificador de flujo arrastrado con alimentación de carbón pulverizado, son similares a las de una caldera
de carbón pulverizado.
La Fig XVII.7 representa un diseño de un gasificador presurizado de 850 a 1000 Ton/día con una
caldera recuperadora de calor residual; este gasificador, construido con una pared de vasija de 2” (51
mm) de espesor, está diseñado para funcionar a una presión relativamente baja, del orden de 50 psig
(345 kPa); la temperatura de la zona de combustión es de 3400ºF (1870ºC), y el gas que sale de la unidad
tiene una temperatura de 1800ºF (982ºC).
El cerramiento estanco a gases de la pared membrana facilita un espacio anular que separa el
reactor de gasificación y la vasija presurizada, por lo que ésta, a temperatura relativamente baja, no
está en contacto con los gases corrosivos producidos.
En la parte inferior de la unidad, que es la zona de gasificación, los tubos están recubiertos con refractario,
a fin de soportar las altas temperaturas necesarias para mantener fluida la escoria.
Las calderas convencionales con combustores ciclón que tienen ceniza fluida, utilizan este tipo de
superficies claveteadas revestidas de refractario.
Las
La combustión y el funcionamiento deventajas que caracterizan a los gasificadores de flujo arrastrado, pueden ser:
- Insensibilidad a las características del carbón.-
fluidificado pueden aceptar carbones aglutinantes, finos y de cualquier rango. Con alimentación del carbón
en fase densa, en contraposición a las lechadas, estos gasificadores se acomodan rápidamente a
amplias variaciones del contenido en humedad del carbón.
Diversos gasificadores de lecho agitado o de lecho
- Fácil manipulación y mezcla, que permiten unidades de gran tamaño.-
de carbón pulverizado, el tamaño de una unidad se puede incrementar añadiendo quemadores; la alta
velocidad del flujo permite tratar, en un gasificador de dimensiones dadas, una cantidad elevada de carbón
por hora.
Al igual que en las calderas
- Rápida respuesta al control.-
tipos de gasificadores.
Esto se debe a su baja densidad de sólidos, comparada con la de otros
- Escoria granular densa, que se reutiliza fácilmente.-
calderas con piquera de escoria, que se ha utilizado como relleno para carreteras; no crea problemas de
Es un material similar al que corresponde a
XVII.-504
contaminación del aire o del agua.
- Alta producción de gas de síntesis (CO +H
con lecho agitado y fondo seco contiene, en volumen, 60% de H
2% de cada uno de estos componentes, para el caso de un gasificador de flujo arrastrado con alimentación
seca.
2) y baja de CO2 y H2O.- El gas obtenido en un gasificador2O y 10% de CO2, en contraste con el
- No genera líquidos hidrocarburados.-
evitan los problemas de manipulación asociados a la presencia de estos productos, así como los requisitos
de tratamientos especiales para el agua de lavadores.
La reinyección del subcoque que no ha reaccionado es más simple que en el caso de un flujo que
cuenta con presencia de breas.
No hay presencia de breas, aceites y fenoles, por lo que se
- Alta fiabilidad ya que no hay partes móviles en el hogar.-
el carbón pulverizado
Se ha eliminado la parrilla rotativa, porque
se dispersa a través del gasificador
se calienta rápidamente hasta los niveles de temperatura de ablandamiento
no entra en contacto con las partículas contiguas de carbón

- Pared membrana refrigerada, que reduce el mantenimiento.-
tipo, dotado con tubos claveteados revestidos de refractario, está probada en combustores ciclón y en
las calderas con piqueras para escoria fundida, lo que contrasta con los mayores requisitos de mantenimiento
de los gasificadores recubiertos de refractario no refrigerados.
Las
La duración de un gasificador de estedesventajas que caracterizan a los gasificadores de flujo arrastrado, pueden ser:
- No son económicos para tamaños muy pequeños.-
una vasija de tamaño dado se requieren pocos gasificadores para llegar a una determinada producción
de gas. La reducción del tamaño del gasificador requiere una evaluación detallada de:
Debido a su alta capacidad de gasificación, para
- Los parámetros de escala para la vasija presurizada
- El equipo de preparación del carbón (pulverizadores)
- El equipamiento correspondiente a la recuperación de calor
- Apenas produce metano.-
lecho agitado, de menos temperatura y mayor presión.
La producción de metano se favorece generalmente con gasificadores de
- El control del flujo del carbón es más complejo.-
de calor y de escorificación requiere un preciso control de los flujos de carbón.
Los sistemas de alimentación de carbón pulverizado en fase densa necesitan, por seguridad, dispositivos
de inertización. La alimentación de carbón y el reciclado del subcoque se simplifican, posibilitando
mayores presiones con las lechadas de carbón, aunque éstas conllevan penalizaciones por
- La reducción de carga se limita con algunos carbones.-
el 25% de la nominal; para algunos carbones con alta temperatura de fusión de la ceniza, el mantener
una adecuada escorificación fluida puede ser difícil a cargas bajas.
El mantenimiento de condiciones uniformes de liberaciónCinquemado.En general, es posible reducir la carga hasta
- Régimen relativamente alto de O
con la alta temperatura propia del proceso de flujo arrastrado. Los costes de la recuperación de calor
exceden a los de los lechos fluidificados o agitados. Como las paredes del gasificador y la caldera recuperadora
de calor absorben el 85% de la energía liberada como calor sensible (que representa el 25% de
la energía del carbón), se estima que en la mayoría de los carbones la eficiencia total de la energía química
recuperada del gasificador es del orden del 96%.
2 y de recuperación de calor.- Estas características están asociadas
XVII.-505
XVII.4.- GASIFICADORES MODERNOS
Las nuevas generaciones de gasificadores de carbón, fabrican gas de síntesis para la industria química.
- Los gasificadores de flujo arrastrado operan en un campo que cubre desde 800
- Los gasificadores de lecho fluidificado de alta temperatura, 580 Ton/día
- Los desarrollos recientes más significativos de la gasificación de carbón para producción de energía eléctrica, se encuentran
en los gasificadores de flujo arrastrado soplados con O
÷ 1650 Ton/día.2
Se utilizan diversos sistemas de alimentación de carbón, secos y en lechada.
Gasificador Texaco.-
la Fig XVII.8.
Este proceso de gasificación de carbón, de flujo arrastrado, se representa en
Fig XVII.8.- Proceso de gasificación de carbón de flujo arrastrado y Gasificador GE Energy (Chevron-Texaco)
- Es de flujo descendente de materias primas, y se alimenta con una lechada de carbón-agua de 60
peso y oxígeno
- Opera a presión, hasta 900 psi (6200 kPa), y está revestido con refractario
- El gas bruto sale de la unidad entre
2300 a 2700ºF
1260 a 1482ºC
÷ 65% de sólidos en
y está separado de la escoria
- El gas sintético se refrigera mediante una caldera radiante, seguida de una caldera de convección que genera vapor saturado
a 1600 psi (11031 kPa), que son los refrigeradores de gas sintético
- Existen 64 plantas en funcionamiento, 15.000 MW
t Syngas, y 6 en proyecto
Existen diversas opciones para la refrigeración del gas:
XVII.-506
a) Utilizando los refrigeradores de radiación y convección con lo que se facilita la máxima eficiencia
b) Sustituir el refrigerador radiante por un enfriamiento rápido con agua y eliminar el refrigerador de convección para
minimizar el coste de la instalación
c) Emplear sólo el refrigerador radiante, que facilita una recuperación parcial del calor del gas sintético, y tiene un coste
y una eficiencia intermedia entre los anteriores
La eficiencia de gas frío, para el proceso mostrado en la Fig XVII.9, es del 77%; si a la energía del
gas combustible obtenido se añade la energía del vapor producido, la eficiencia sube al 95%.
La conversión global de C con carbones Pittsburg nº 6 y 8, es de 96,9% y 97,8%, respectivamente.
La conversión del C se define como el %C que existe en el carbón, convertido en gases o en productos
líquidos (breas).
Gasificador Shell (SCGP).-
Este proceso de gasificación de carbón se muestra en la Fig XVII.9
- El carbón se pulveriza, se seca y se alimenta a tolvas-esclusas para su presurización, siendo la presión de operación de
350 psi (2.410 kPa), menor que la del Texaco
- Las paredes membrana están refrigeradas por agua
- Los quemadores están dispuestos en oposición y en una configuración en el reactor similar a la del diseño Koppers-Totzek
- El gas bruto sale de la unidad entre
2500 a 3000ºF
1371 a 1649ºC
y la mayor parte de la ceniza sale a través de la piquera de escoria
en estado fundido
- El gas sintético contiene una pequeña cantidad de C
- Existen 26 Plantas operativas, 8500 MW
inquemado y una significativa fracción de ceniza fundidat Syngas, y 24 en proyecto
Fig XVII.9.- Proceso típico con refrigerador de gas sintético y gasificador Shell SCGP
XVII.-507
Para mantener las partículas de ceniza independientes, el gas caliente de salida se enfría rápidamente
con gas reciclado frío. Posteriormente tiene lugar un enfriamiento en el refrigerador de gas sintético,
que consta de secciones de radiación y de convección.
Con el gas bruto caliente se puede obtener algo de sobrecalentamiento en el vapor.
La eficacia de gas frío del gasificador Shell es del orden del 80%, como mínimo.
La recuperación combinada de energía química y térmica es de un 97%.
La eficiencia se reduce
con el secado de carbones de alimentacin de baja calidad
cuando la combustión directa del carbón no se emplea para el secado
El efecto del secado del carbón puede rebajar la eficiencia al 94 %.
Para la mayoría de los carbones, se consigue procesar más del 99% del C.
Gasificador Dow.-
alimentado con lechada de carbón; incluye una caldera pirotubular, un sobrecalentador y un economizador,
para recuperar el calor del gas.
Es una unidad de gasificador escorificador de flujo arrastrado, de dos etapas,
- Los carbones se llevan al estado de lechada, con agua, que contiene una carga de sólidos del orden de 50
- Aproximadamente el 75% de la lechada se gasifica con O
- El gas caliente que sale de la primera etapa, a unos 2600ºF (1427ºC) se utiliza para gasificar el 25% del carbón restante,
en la segunda etapa.
- Ambas etapas cuentan con revestimiento refractario y no están refrigeradas.
- El primer reactor es similar a la unidad Koppers-Totzek, con dos quemadores en oposición y con evacuación de escoria.
÷ 55% en peso.2 en la primera etapa.
Estas características aseguran una alta conversión del C y una óptima evacuación de la escoria.
La inyección directa de la lechada de carbón en la entrada correspondiente a la segunda etapa, enfría
rápidamente el gas caliente y gasifica el carbón adicional, facilitando una temperatura de salida del
gas del orden de 1900ºF (1038ºC).
- Esto elimina la necesidad de una caldera radiante, requiriendo aguas abajo una menor recuperación de calor
- No se precisa energía para el reciclado del gas extinguido, o para la compresión de grandes volúmenes de gas frío, asociada
al reciclado
Gasificador Winkler de alta temperatura (HTW).-
fluidificado, relativa a la gasificación del reactivo lignito bituminoso alemán, con ceniza seca. El reciclado
de los finos arrastrados por el gas bruto da lugar a una mejor conversión del C; la operación a la
presión de 130 psig (896 kPa) para un diámetro dado del gasificador, facilita un régimen de producción de
gas de síntesis que es más del doble del obtenido a presión atmosférica. Desde 1986, en la planta de lignito
bituminoso de Barrenrath, en Huerth, Alemania, opera una unidad HTW que procesa 1,6 millones de
Ton/año de lignito seco, produciendo 800.000 Ton/año de metanol. Permite el empleo de carbones no
aglutinantes para lograr una alta conversión del C, alcanzándose una conversión del 95%, con lignitos
bituminosos alemanes.
Está basado en la tecnología Winkler de lecho
El lecho opera a temperaturas de
1400 a 1500ºF
760 a 816ºC
.
La eficiencia del gas frío es del 82% cuando se sopla O2.
Gasificador ConocoPhillips E-Gas
una planta operativa que genera 590 MW
TM.- Se muestra esquemáticamente en la Fig XVII.11. Existet Syngas, y otras 6 plantas en proyecto
Gasificador de escoria BGC/Lurgi.-
muy parecido al escorificador Lurgi de ceniza seca (BGL), Fig XVII.12b; la diferencia radica en que la
unidad BGC/Lurgi fluidifica la ceniza del carbón, facilitando la utilización de carbones de alta y baja calidad.
Las breas y los aceites se reinyectan, con lo que la eficiencia del gas frío llega al 88%, llegando al
Se muestra esquemáticamente en la Fig XVII.12a, y es
XVII.-508
90%, cuando se tienen en cuenta líquidos hidrocarburados. Una ventaja de la escorificación del carbón
consiste en que el requerimiento de vapor es sólo un 15% del necesario en el Lurgi convencional, cuando
gasificaba carbón bituminoso.
Fig XVII.10.- Gasificador Wincler de alta temperatura
Fig XVII.11.- Gasificador Conoco Phillips E-Gas
Fig XVII.12a.- Gasificador de escoria fundida BGC/Lurgi
XVII.5.- LÍNEAS EN DESARROLLO
Durante las últimas décadas, la principal aplicación de la gasificación ha sido la producción de materias
primas para la industria química. Respecto a los gasificadores para la generación de energía eléctrica,
todavía en fase de desarrollo, existe un buen número de unidades piloto y de demostración. Hasta
1992 sólo había dos plantas de demostración, del tipo de ciclo combinado con gasificación de carbón en
USA:
- Cool Water de 92 MW, en California
- Plaquemine de 155 MW, en Louisiana
XVII.-509
Fig XVII.12b.- Gasificador de ceniza seca BGL/Lurgi (una planta operativa)
Fig XVII.12c.- Gasificador de alimentación seca y ceniza seca Lurgi IV (8 plantas operativas y 18600 MW
t Syngas)
Muchos de los equipos que configuran una planta de ciclo combinado con gasificación integrada
cuentan con una experimentada tecnología; el sistema es mucho más complejo que una planta convencional
de vapor, por lo que la integración completa de la planta tiene una mayor repercusión sobre las
características funcionales y operativas de la misma.
Los componentes físicos a añadir al gasificador para constituir el sistema, comprenden al menos:
- Refrigeradores (enfriadores) de gas
- Paredes de agua o recubrimientos de refractario
- Quemadores
- Sistemas de evacuación de ceniza sólida (seca) o líquida (fundida)
- Sistemas de alimentación de combustible
- Separadores-colectores de partículas
- Sistemas de reciclado de subcoque/subproductos que no reaccionan
Materiales del refrigerador de gas sintético.-
representan un alto porcentaje del tiempo que permanecen fuera de servicio las plantas de ciclo
combinado con gasificación integrada, por lo que hay que prestar mucha atención a la selección de materiales
para estos refrigeradores.
Las diferencias entre los refrigeradores de gas sintético y las calderas que queman carbón son:
Los fallos en los materiales del refrigerador de gas sintético
- El gas sintético es muy reductor y corrosivo, lo que significa un medio ambiente diferente a la hora de cualificar materiales;
las capas protectoras de óxido que se forman en los aceros de baja aleación de las calderas, no se configuran fácilmente
XVII.-510
en los refrigeradores por la presencia de H
- Como consecuencia de la elevada presión de operación en el lado de gases
300 a 600 psi
2070 a 4140 kPa
2S y HCl.
, el punto de rocío del gas
bruto en el refrigerador, es siempre mucho más alto que en la caldera, que suele operar a presión atmosférica, lo que es riguroso
cuando el gas sintético tiene un alto contenido en vapor, lo que ocurre en el caso de un sistema de alimentación con lechada
carbón-agua. Hay que tomar precauciones para impedir la operación por debajo del punto ácido de rocío y para evitar la corrosión
durante los períodos fuera de servicio.
- La presurización que precisa una vasija envolvente para los diversos termointercambiadores, complica la disposición
general del diseño, lo que requiere una especial atención para asegurar el acceso a las inspecciones y reparaciones. Los aceros
de baja aleación no son adecuados para los refrigeradores de gas, debido a la excesiva corrosión provocada por los sulfuros y
cloruros.
La
mayor cuanto más S tengan los carbones; se forman capas de sulfuro de hierro FeS y mezclas sulfuroóxido,
que generalmente son menos protectoras que las capas de óxido. La excesiva corrosión que presentan
los aceros de baja aleación en los refrigeradores de gas, ha obligado a sustituirlos por aceros inoxidables.
Los valores de la corrosión han de ser inferiores a 0,1 mm/año, para poder alcanzar una vida de
25 años. El efecto de los
en un gas sintético que tiene de 300
a la formación del cloruro de hierro FeCl
La presencia de HCl en el gas sintético aumenta su punto de rocío desde
velocidad de sulfuración depende de la presión parcial del H2S, siendo el régimen corrosivo tantocloruros presentes en el gas sintético no está con claridad. El régimen de sulfuración÷ 500 ppm de HCl, es variable y, en general más elevado, debido2 y a la fisuración por fatiga térmica.
54ºF a 90ºF
30ºC a 50ºC
Si se producen condensaciones, los cloruros aceleran en gran medida la corrosión acuosa durante
los períodos fuera de servicio.
Servicio como economizador.-
rocío del gas sintético, para evitar la corrosión. Se utilizan aceros de baja aleación. Para carbones con
un elevado contenido en S, se puede necesitar un revestimiento cromado para alcanzar los 25 años de
vida de servicio.
Los economizadores deben operar siempre por encima del punto de
Servicio como vaporizador.-
gas, utilizados como vaporizadores, con vapor entre
Las recomendaciones para materiales destinados a refrigeradores de
1500 a 2500 psi
103,4 a 172,4 bar
y
600ºF a 660ºF
316ºC a 349ºC
, se recogen en la
Tabla XVII.3:
Tabla XVII.3.- Recomendaciones para materiales destinados a refrigeradores de gas
Buen control de la corrosión Reducido control de la corrosión
Carbón en períodos fuera de servicio en períodos fuera de servicio
Bajo S (< 1%) Acero de baja aleación (T-11) T-11 revestido con Cr-V
Bajo Cl (< 0,05%) cromado o chapado con SS-304 o chapado con SS-311
Alto S (> 1%) Acero de baja aleación (T-11) T-11 chapado con
Alto Cl (> 0,1%) Chapado con SS-310 25-30% Cr + 3-4% Mo
Servicio como sobrecalentador.-
refrigerador de gas sintético bruto, para servicio como sobrecalentador; los aceros aleados con un 25%
de Cr, parecen idóneos para temperaturas hasta 1000ºF (538ºC); sin embargo estos aceros desarrollan
una costra rica en S, que puede ser no protectora.
La adición de Va
Hay poca experiencia para seleccionar los materiales destinados al
disminuye el contenido en S y el espesor de la costra
incrementa el contenido en Cr
2O3
forma una película más protectora

XVII.-511
Gasificador Siemens (GSP/Noell)
Una planta operativa, 787 MWt Syngas y otra
en proyecto. Energía del futuro
Gasificador GTI (U-Gas), de lecho fluidificado
Sistema de alimentación en seco
2 plantas operativas, 520 MW
Gasificador KBR Transport
Gasificador Transport Kellogg Brown&Root (KBR)
Basado en la crakización catalítica de la industria refinera
Utiliza carbones de bajo rango, como PRB y lignitos
Planta experimental de 285 MG (IGCC), Orlando FL
Fig XVII.13.- Otros tipos de gasificadores
Fig XVII.14.- Proyecto experimental de Orlando, gasificador Transport KBR; 3300 Tons/día carbón subbituminoso; 285 MW
t Syngas
XVII.-512
Limpieza de los productos de gasificación.-
a tratamiento para eliminar impurezas, cuyo nivel depende del uso final que vaya a tener. Por ejemplo,
el gas que se emplea para la generación de energía eléctrica se quema en el combustor de una instalación
de turbina de gas, que forma parte de una planta de ciclo combinado; el gas bruto de carbón se debe
limpiar para
El gas bruto de carbón que sale del gasificador se somete
evitar el ensuciamiento y corrosión de la turbina
cumplimentar los requisitos exigidos sobre emisiones
.
Si el gas de carbón se va a utilizar para la síntesis química, necesita un refino especial.
Si el proceso de gasificación se combina con otros procesos de limpieza de gas, emite menos contaminantes
que un sistema convencional de cualquier tipo de combustión de carbón.
Las emisiones de SO
soplado con O
2, NOx y partículas sólidas en suspensión, se pueden reducir mediante un gasificador2, acoplado a procesos convencionales de purificación.
XVII.6.- COMPOSICIÓN DEL GAS PRODUCTO
La composición del gas resultante depende:
del proceso de gasificación
de las condiciones de operación
del carbón utilizado

El gas procedente de una unidad soplada con O
Cuando se emplea aire como oxidante, el N
El S del combustible se convierte en sulfuro de hidrógeno H
El N
Se pueden presentar otras impurezas que incluyen
2 consta de CO, H2, CO2, CH4 y H2O.2 es un componente importante.2S y en sulfuro de carbonilo COS2 del combustible se convierte en amoniaco NH3 y en cianuro de hidrógeno HCN.
cloruros
compuestos coloidales de álcalis
metales pesados

En el gas bruto hay hidrocarburos pesados cuando procede de procesos gasificadores a baja temperatura.
La gasificación con soplado de aire produce un gas con bajo poder calorífico, debido a la dilución
con N
Las unidades sopladas con O
Las reacciones
2, entre 3,5 ÷ 7,9 MJ/m3N.2 producen gas con un poder calorífico del orden de 10,6÷ 7,9 MJ/m3N.
de intercambio del gasificador
de metanización
, son imprescindibles para producir un gas (gas natural
sintético) con elevado poder calorífico, del orden de 39,3 MJ/m
La composición del gas bruto, en función del tipo de gasificador y del oxidante, se indica en la Tabla
XVII.4, mientras que la Fig XVII.15 indica el efecto de la presión de operación sobre el metano producido
en un gasificador Lurgi, para diversos tipos de combustible.
3N.
- El poder calorífico del gas procedente de gasificadores de lecho agitado, varía mucho entre gasificadores soplados con
aire y gasificadores soplados con oxígeno, y puede influir bastante en las características de combustión del gas
- El gas bruto de un gasificador de lecho agitado contiene cantidades significativas de NH
pesados, como breas, aceites y fenoles; tiene un poder calorífico mayor que el de flujo arrastrado, debido a un mayor contenido
en metano
- Los dos tipos de gasificadores de flujo arrastrado más desarrollados producen cantidades despreciables de compuestos
orgánicos, debido a la alta temperatura de funcionamiento
- Uno de los procesos se alimenta con lechada y produce un gas con bajo contenido en CO y altos contenidos en H
3 y de condensables orgánicos2 , CO2
y H
2O, en comparación con el proceso de alimentación en seco
Parámetros del combustible y de operación, tales como
la composición del combustible
la presión de operación
las entradas de vapor y oxígeno

, influyen en la
composición final del gas bruto.
XVII.-513
Fig XVII.15.- Formación de metano en función de la presión
Tabla XVII.4.- Composición del gas bruto, en función del tipo de gasificador y del oxidante, observándose los contrastes
entre diferentes condiciones de gasificación
Tipo Lecho agitado Lecho agitado Lecho Flujo arrastrado Flujo arrastrado
gasificador ceniza seca ceniza fundida fluidificado Alimentación lechada Alimentación seca
Oxidante Aire Oxígeno Oxígeno Oxígeno Oxígeno
Combustible Subbituminoso Bituminoso Lignito (3) Bituminoso Bituminoso (3)
Análisis combustible
% peso C 41,1 61,2 56,9 61,2 66,1
% peso H 4,6 4,7 3,8 4,7 5
% peso N 0,8 1,1 0,8 1,1 1,2
% peso O 20,5 8,8 15,9 8,8 9,5
% peso S 0,6 3,4 1 3,4 3,7
% ceniza 16,1 8,8 9,6 8,8 9,5
% humedad 16,3 12 12 12 5
HHV Btu/lb 11258 11235 9914 11235 12128
(kJ/kg) 26189 26136 23063 26136 28213
Alimentación Lechada
combustible Seca Seca Seca 65% peso = Sólido Seca
Presión operación
psi 295 465 145 615 365
(kPa) 2034 3206 1000 4240 2516
Gas bruto
% vol CO 17,4 46 48,2 41 60,3
23,3 26,4 30,6 29,8 30
14,8 2,9 8,2 10,2 1,6
{1} 16,3 9,1 17,1 2
38,5 2,8 0,7 (4) 0,8 (4) 4,7 (4)
5,8 4,2 2,8 0,3
0,2 1,1 0,4 1,1 1,3
{2} 0,3 {2} 0,2 0,1
HHV Btu/lb 196 333 309 278 297
7,7 13,1 12,2 10,9 11,7
% vol H
2
% vol CO
2
% vol H
2O
€
(MJ/m
3 N)
€
% vol NH
3 + HCN
€
% vol H
2 S + SCO
€
% vol CH
4 + Cn Hm
€
% vol N
2
Notas: (1) análisis seco; (2) no explicitado ; (3) combustible seco ; (4) incluido argón
Purificación del gas.-
que existen en el gas bruto. Los procesos empleados para purificar el gas de carbón destinado a la
producción de energía eléctrica, se pueden clasificar:
Para obtener un producto de calidad comercial hay que eliminar las impurezas
- Como convencionales (cuando el gasificador esté soplado con O
- En desarrollo (cuando el gasificador esté soplado con aire)
2)
El gas bruto (gas ácido por su contenido en H
2S y CO2) que procede de gasificadores soplados con
XVII.-514
O
se desarrollaron para la limpieza del gas producto destinado para la síntesis química y para los gasoductos
de gas natural.
Los gasificadores soplados con aire se limitan a la obtención de gas destinado a la generación de
energía eléctrica, debido a que el N
El gas combustible de bajo poder calorífico procedente de una unidad soplada con aire, cuando se
utiliza en una turbina de gas de alta eficiencia, se tiene que quemar caliente para mantener una combustión
estable y evitar las pérdidas térmicas y de eficiencia asociadas a la refrigeración del gas.
2, primero se refrigera y después se trata para eliminar la acidez. Los procesos de eliminación en frío2 propio del gas producto no es adecuado para la síntesis química.
Procesos convencionales.-
de S que hay en el gas combustible. Para eliminar los materiales indeseables (breas y aceites)
que podrían contaminar los disolventes empleados para la eliminación del ácido, el gas bruto procedente
de gasificadores de lecho agitado requiere de un tratamiento previo de varias etapas, Fig XVII.16.
El objetivo fundamental de la eliminación de ácido es separar los compuestos
Fig XVII.16.- Esquema del proceso de planta de demostración de lecho agitado con gas ácido
Mediente una etapa de
apagado (extinción o enfriamiento rápido)
refrigeración
, se eliminan las breas pesadas y las
partículas para su reciclado hacia el gasificador.
Las etapas finales de refrigeración condensan y eliminan los aceites ligeros y el agua.
El tratamiento previo de los gases brutos de más alta temperatura procedentes de gasificadores de
lecho fluidificado y de flujo arrastrado, es más simple; el gas se enfría por apagado o por su paso a través
de un termointercambiador y a continuación se eliminan las partículas.
- Los aparatos de eliminación seca de partículas, como los ciclones o los filtros cerámicos, se utilizan para facilitar un
producto que se recicla con el fin de mejorar la conversión del C y minimizar el agua a sumidero.
- Los aparatos de eliminación húmeda de partículas, como el lavador Venturi, aseguran que no pase partícula alguna
al sistema de eliminación de ácido.
XVII.-515
- Las emisiones finales de partículas registradas aguas abajo de la instalación, son inferiores a
0,01 lb/10
4,3 g/GJ
6 Btu
El lavado con agua implica una refrigeración adicional del gas bruto, y elimina trazas de impurezas
de metales y de condensables, como amoníaco NH
3, cianuro de hidrógeno HCN, cloruros y álcalis.
Eliminación de ácido.-
se eliminan más eficientemente que el SO
quema carbón. A título de ejemplo, un depurador húmedo de una planta convencional de vapor que quema
carbón, procesa un volumen hasta 150 veces el que correspondería a un sistema comparable de eliminación
de ácido, situado aguas abajo de un gasificador de 500 psig (3450 kPa); ésto se debe a las diferencias
que hay entre ambos, como presión y contenido de N
Los procesos de eliminación de ácido por disolventes están orientados a:
Los compuestos de S que hay en el gas bruto procedente de un gasificador,2 contenido en los humos de una caldera convencional que2.
- Reducir el consumo energético
- Optimizar las operaciones de planta
- Cumplimentar la legislación medioambiental más exigente
y se distinguen por los tipos de disolventes que usan, que pueden ser químicos, físicos o una combinación
de ambos.
- Los procesos con disolventes químicos emplean
aminas
carbonatos alcalinos
, que reaccionan con el gas ácido.
En un proceso con amina, el disolvente pobre, normalmente entre
80 a 120ºF
27 a 49ºC
, circula en una torre de
absorción en contracorriente con el gas.
El disolvente se combina con el
sulfuro de hidrógeno (H
sulfuro de carbonilo (COS)
dióxido de carbono (CO
2 S)2 )

, para formar un disolvente rico, que se regenera
mediante la aplicación de calor y reducción de presión, produciéndose gas ácido concentrado.
Los factores decisivos en la elección del proceso de eliminación son:
- La preferencia del disolvente por el H
2S y el COS, respecto al CO2
- La resistencia del disolvente frente a la degradación por ciertos componentes del gas
- Los disolventes físicos sitúan el gas ácido en solución, con solubilidad incrementada para temperaturas
decrecientes del disolvente.
menores de 0ºF (-18ºC).
La regeneración es similar a la de los procesos químicos y consume menos energía. El gas ácido
concentrado que se ha configurado durante la regeneración, se envía al sistema recuperador de S, que
puede convertir la mayoría de los compuestos de S en un S elemental comerciable.
Por ejemplo, el proceso Rectisol usa el disolvente metanol a temperaturas
- El proceso Claus es el que más se emplea para recuperar el S de los gases sulfurosos separados en
las refinerías de gas natural y de petróleo, y de flujos de plantas químicas.
los flujos de gas ácido procedentes de la gasificación del carbón; puede recuperar del 95
en un flujo de gas ácido.
Cuando el gas de cola de una planta Claus contiene de 3
emisora que requiere nuevas modificaciones del proceso o un nuevo proceso de tratamiento.
Si la planta Claus se combina con una unidad SCOT de tratamiento de gas fétido, se llega a una reducción
del sulfuro de hidrógeno H
El contenido de S en el combustible, y la concentración de H
del proceso. La selección final se basa en
Este método se ha utilizado en÷ 97% del S presente÷ 5% del S base, se convierte en una fuente2S inferior a 10 ppm en volumen, es decir más del 99%.2S en el gas bruto, afecta a la selección
un análisis comparativo de emisiones admitidas
el coste de capital y de operación
XVII.-516
Fig XVII.17.- Esquema de un sistema de limpieza de gas para un gasificador de flujo arrastrado y soplado con O
2
La aplicación de estos procesos produce un gas de carbón que cuando se quema da lugar a emisiones
de S y de partículas mucho menores que las estandarizadas para nuevas fuentes.
Emisiones de NO
cantidad que emana de la planta de recuperación de S.
Para la generación energética, el combustible que se prefiere para el combustor de una turbina de
gas de ciclo combinado, es el gas con poder calorífico medio procedente de un gasificador soplado con O
las emisiones de NO
parte del N
del gas, por lo que los NO
Mediante la dilución del gas en agua, vapor saturado o inyección de N
emisiones de NO
x.- No hay emisiones procedentes del sistema de gasificación, salvo una pequeña2;x pueden ser bajas, dependiendo del sistema de turbina de gas que se utilice. La mayor2 procedente del combustible se elimina del gas bruto en las etapas iniciales de la limpiezax que salen del combustor hacia la turbina, se crean térmicamente.2 antes de la combustión, lasx pueden llegar a ser inferiores a
0,1 lb/10
43 g/GJ
6 Btu
.
XVII.7.- PROCESOS EN DESARROLLO
Los gasificadores soplados con aire
plantas energéticas de ciclo combinado. La eliminación de la planta de O
la eficiencia global de la instalación; una exigencia en el diseño de los sistemas soplados con aire es
el desarrollo de equipos de limpieza del gas en caliente, que sean fiables y con costes admisibles.
Mediante la limpieza del gas en caliente, la turbina se puede alimentar directamente con el gas que
sale del gasificador; la limitación impuesta por los materiales permite un campo operativo del orden de
presurizado se están considerando para su posible aplicación en2 puede reducir los costes y mejorar
1200 a 1400ºF
649 a 760ºC
, por lo que los materiales disponibles resultan más adecuados para los gasificadores de lecho
fluidificado y de flujo arrastrado. Los absorbentes a considerar operan y se regeneran en seco, con lo
que se minimiza el agua a sumidero.
Los filtros rígidos y porosos de material cerámico son adecuados para la eliminación de partículas
en caliente.
El
material cerámico debe:
- Ser bastante poroso para permitir la penetración del gas
- Capturar las partículas finas
XVII.-517
- Permitir la eliminación de sólidos y recuperar la caída de presión
- Ser resistente al ataque químico que se produce por un ambiente reductor a alta temperatura
Existen
que atrapa las partículas. El material que constituye el lecho, junto con las partículas atrapadas,
se extrae, se limpia y finalmente se devuelve al proceso.
filtros de lecho granular en los que el gas polvoriento pasa a través de un lecho móvil de sólidos
Desulfuración en caliente.-
de cinc ZnFe
en volumen y que se puede regenerar, Fig XVII.18. En el proceso, las pellas de ferrita de cinc están contenidas
en unos recipientes reactores, a través de los cuales pasa el gas ácido cargado de S.
En los sistemas regenerativos se utiliza un absorbente como la ferrita2O4 que es capaz de eliminar compuestos de S en fase gaseosa, hasta niveles de 10 ppm
- Algunos sistemas configuran lechos fijos en paralelo, con válvulas calientes que distribuyen el gas entre los diversos lechos,
según se encuentren en períodos de absorción o de regeneración
- Otros sistemas emplean el concepto de lecho agitado, que tienen la ventaja de un control más preciso de la temperatura
y la posibilidad de extraer calor durante la regeneración
El absorbente se regenera mediante el paso de un flujo de aire controlado a través del lecho de pellas,
que reacciona exotérmicamente para producir un gas con SO
Si la temperatura se mantiene por debajo de 1200ºF (650ºC), la producción de la vaporización
y sinterización del cinc se hace crítica.
2 concentrado, que hay que tratar posteriormente.
Fig XVII.18.- Esquema de proceso de lecho agitado con ferrita de cinc
El absorbente titanato de cinc Z
operación hasta 1400ºF (760ºC), reduciendo la vaporización del cinc e incrementando la potencia y vida
del absorbente, que es un parámetro crítico por su alto coste.
La ferrita de cinc se ha ensayado en las modalidades de eliminación
nTi O3, se ha desarrollado para incrementar la temperatura de la
única
de acabado
- En la modalidad de
- En la modalidad de
eliminación única el absorbente se usa para eliminar la totalidad del Seliminación de acabado, el absorbente es un medio secundario para eliminar el S, ya que la
XVII.-518
eliminación principal se efectúa dentro del gasificador
Los gasificadores de lecho fluidificado utilizan un absorbente basto, como la caliza o dolomía, para
capturar parte del S.
Las unidades de flujo arrastrado se alimentan con óxido de hierro o con dolomía para capturar el S
de la escoria.
- Además de las líneas de eliminación de partículas y de S, hay que considerar el efecto de la presencia en el gas de cloruros,
compuestos alcalinos y otros elementos volátiles, sobre las características operativas del equipo que se encuentra aguas
abajo
- El NH
NO
3 presente en el gas no condensa en la hipótesis de limpieza en caliente, y puede dar lugar a altas emisiones dex a partir del combustor de la turbina de gas
Efluentes acuosos.-
Los sistemas de gasificación anteriores utilizan agua para:
- La refrigeración del gas bruto
- El apagado (enfriamiento rápido) de la escoria fundida
- La ejecución de la lechada de carbón
- La saturación del gas limpio
- En forma de vapor como reactivo de la gasificación
El agua que sale en forma de humedad con el gas bruto, condensa durante el proceso de refrigeración;
la cantidad de agua a sumidero y el tratamiento requerido varían según los diferentes procesos de
gasificación. La mayor parte del agua se recicla hacia el propio sistema, aunque se requiere una purga
continua para limitar la acumulación de sales corrosivas y de impurezas retiradas del flujo de gas.
En todos los efluentes acuosos de gasificadores están presentes diversos contaminantes, como
amoniaco, sulfuros, cianuros y formiatos; sus valores están relacionadas con los contenidos de S y N
el combustible, y con la temperatura de operación del gasificador.
En los gasificadores de lecho agitado, la concentración de contaminantes orgánicos y compuestos
fenólicos es bastante alta en el agua que va a sumidero; estos contaminantes no existen en las actuales
unidades de flujo arrastrado.
En el agua que va a sumidero procedente de depuradores húmedos hay presencia de partículas finas
en suspensión.
El proceso de tratamiento de los efluentes químicos de gasificadores de carbón varía según los contaminantes
presentes y los requisitos exigidos en la descarga, e incluye:
2 en
- La limpieza de vapor
- La floculación y clarificación de partículas
- La oxidación biológica por organismos orgánicos e inorgánicos
- El aditamento químico
Descarga de sólidos.-
la ceniza del carbón evacuada por el fondo de la unidad. Los sólidos arrastrados por el gas, si no se reciclan
tras su captura, se pueden constituir en desechos; a veces, los sólidos arrastrados se descargan
como lodos de clarificación procedentes del sistema de tratamiento del agua residual; la ordenación de
estos sólidos depende del proceso de gasificación y de las propiedades del carbón utilizado en el mismo.
Una ventaja medioambiental de los gasificadores de flujo arrastrado, en comparación con las calderas
convencionales de carbón, es la naturaleza inerte y el reducido volumen de los residuos sólidos.
La principal fuente de descarga de sólidos procedentes de un gasificador es
- La alta temperatura de gasificación convierte la mayor parte de la ceniza del combustible en escoria fundida, sangrada
desde el fondo del gasificador
- Tras el enfriamiento rápido con agua, la escoria se convierte en un sólido vitrificado que es muy resistente a la lixiviación
XVII.-519
- Se ha investigado el reciclado de la ceniza, fundamentalmente como material de asiento para carreteras y como aglomerado
de peso ligero
- La planta recuperadora de S produce azufre elemental, que se puede vender como fertilizante
La ceniza del fondo de los gasificadores de lecho agitado no es peligrosa.
La ceniza no aglomerada procedente de un gasificador de lecho fluidificado no está fundida y puede
contener sólidos reactivos.
Para la captura de S se suele añadir al lecho fluidificado un absorbente con Ca, por lo que puede haber
presencia de sulfuro de calcio, que requiere una oxidación externa para estabilizar el Ca en forma de
sulfato.
XVII.8.- GASIFICACIÓN DEL CARBÓN PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA
- Mediante un proceso posterior del gas de síntesis que tiene CO y H
acético, gasolina y otros subproductos, mediante diversas etapas de conversión química; estas técnicas son costosas cuando se
las compara con la producción química de los citados elementos a partir del petróleo y gas natural
- El gas sintético se puede utilizar para la generación de energía eléctrica, siendo la aplicación más inmediata su combustión
en una turbina de gas; la recuperación del calor residual del gasificador y del escape de la turbina de gas para producir
vapor de agua, permiten combinar eficientemente el ciclo de la turbina de gas y el de la turbina de vapor configurando un
ciclo combinado con gasificación integrada
2 se puede obtener amoniaco, metanol, anhídrido
Este método de generación de energía a partir del carbón, que es técnicamente viable, no se aplica
de forma comercial, debido a que los sistemas convencionales de combustión son más baratos y más
sencillos; no obstante, se ha renovado el interés por las plantas de ciclo combinado, tras los últimos desarrollos
y reglamentaciones medioambientales, cada vez más exigentes.
Planta energética de ciclo combinado.-
del carbón y de la combustión del gas combustible en una planta de ciclo combinado, requiere un
alto grado de integración de componentes, tal como se indica en la Fig XVII.19; parte del aire comprimido
se utiliza para gasificar el carbón; el gas combustible quemado y caliente se expande en una turbina
que acciona el compresor de aire y el generador eléctrico. El gas de escape de la turbina de gas, que en
unidades modernas sobrepasa los 1000ºF (538ºC), pasa a través de un generador de vapor recuperador
de calor, en el que se produce vapor sobrecalentado que acciona un grupo turboalternador.
La producción de energía eléctrica a partir de la gasificación
Fig XVII.19.- Esquema de ciclo combinado con gasificación integrada de carbón
XVII.-520
El proceso de gasificación libera una importante energía térmica, que se recupera en el ciclo de vapor,
y así se logra una alta eficiencia del conjunto de la planta. La refrigeración del gas bruto mediante
enfriamiento rápido elimina el coste y complejidad de la recuperación de calor, pero reduce la eficiencia
hasta en un 10% respecto de la correspondiente a la plena recuperación de calor.
Las características del combustible, influyen mucho en el diseño del proceso:
- Un combustible con una alta humedad estructural, como en un lignito, no permite un gasificador alimentado con lechada
de carbón en agua, por su baja eficiencia
- Cuando se quema un volumen relativamente alto de un gas de carbón, con bajo poder calorífico, las turbinas de gas
tienen diversas posibilidades para manipular los grandes desequilibrios entre flujo de aire y flujo de gas, en lo que respecta
al mínimo poder calorífico del gas combustible
a las características operativas de las emisiones
a la capacidad del compresor

El tamaño de la planta se centra en la turbina de gas. Una instalación simple de
de vapor
Plantas mayores requieren múltiples turbinas de gas, una sola turbina de vapor y mayores equipos
tanto en el resto de la planta, como en
turbina de gas-turbinaproduce más de 250 MW, de los que un 60% los genera la turbina de gas.
la manipulación del combustible.
instalaciones eléctricas y de control
el tratamiento de agua

Una planta de ciclo combinado con gasificación integrada en fases progresivas, queda configurada
instalando:
las turbinas de gas de ciclo simple para gas natural
la turbina de vapor
el generador de vapor recuperador de calor

El sistema de gasificación de la planta de ciclo combinado tiene flexibilidad para atender demandas
energéticas variables entre punta y valle, y el acomodo a una variación en el precio del gas natural frente
al carbón; las modificaciones en las turbinas de gas y en el balance de calor en la parte del vapor, pueden
ser muy significativas cuando se cambia de gas natural a gas de carbón.
Ventajas de la planta de ciclo combinado.-
impulso para el desarrollo y puesta en servicio de plantas de ciclo combinado, que tienen muy bajas
emisiones.
Los gasificadores soplados con O
para tener bajas emisiones de SO
La eficiencia en la eliminación de S superior al 99%, se puede alcanzar en una planta de ciclo combinado
equipada con una planta Claus y un sistema de limpieza del gas en cola.
Los depuradores húmedos en una planta convencional de carbón, se diseñan para similares características
de funcionamiento, utilizando absorbentes más caros y más energía auxiliar para aumentar
la interacción entre absorbente y gas.
Con los compuestos de N
emisiones de NO
por las características de funcionamiento del combustor que alimenta la turbina de gas.
Con algunos combustores se pueden alcanzar valores inferiores a
La demanda de un medio ambiente más limpio es el mayor2 dotados de un sistema de limpieza de gas en frío, son adecuados2, NOx, residuos sólidos y toxinas atmosféricas.2 del combustible eliminados en el sistema de limpieza de gas en frío, lasx procedentes de una planta de ciclo combinado están determinadas exclusivamente
0,05 lb/10
21,5 g/GJ
6 Btu
, dependiendo del
poder calorífico del combustible (se pueden añadir humedad y N
turbina. Ambos parámetros afectan a la temperatura punta de la llama y a la generación del NO
Las plantas convencionales de carbón podrían alcanzar estos valores de emisiones por medio de
2) y de la temperatura de entrada en lax térmico.
XVII.-521
técnicas de combustión combinadas con un control de postcombustión para bajos NO
Los subproductos sólidos de una planta de ciclo combinado con un gasificador de flujo arrastrado,
consisten en:
x.
una escoria enfriada súbitamente y no reactiva, procedente del gasificador
un azufre elemental
Si el S se comercializa y vende, el flujo de desechos se reduce al de la ceniza del combustible.
Según sea el contenido de S en el combustible, la planta convencional de carbón puede producir
hasta el doble de residuos sólidos, debido a los subproductos de SO
mediante la producción de yeso en sistemas convencionales de depuración.
También hay que tener en cuenta el impacto medioambiental por metales pesados contenidos en la
ceniza del combustible, y por la emisión a la atmósfera de toxinas y partículas muy finas.
Por lo que respecta al coste del combustible, la eficiencia se ha convertido en un objetivo medioambiental
y económico habida cuenta de las altas emisiones de CO
2; ésto se puede evitar, parcialmente,2 a nivel mundial.
Eficiencia.-
La eficiencia teórica de un ciclo combinado se sitúa en el 38÷ 43%, dependiendo de:
- La magnitud de la inversión
- El grado de integración de la planta
- El tipo de combustible
- Otras características específicas
Eficiencias mayores se pueden alcanzar con turbinas de gas que operen a mayor temperatura.
Una planta grande operando con un ciclo Rankine en condiciones de vapor supercrítico, tiene una
eficiencia del orden del 38%, y en un ciclo de vapor subcrítico un 35%.
El objetivo es obtener sistemas de menor coste y más eficientes que los que están soplados con O
2
por lo que, como alternativa, se están desarrollando sistemas de plantas de ciclo combinado con soplado
de aire y limpieza de gas en caliente
Para eliminar el proceso de fraccionamiento del aire (separación del O
Para eliminar el proceso de limpieza química en frío (clásico en las refinerías)
2 )
lo que reduce el diseño de la planta a componentes y procesos típicos de la industria energética.
Las características medioambientales de la limpieza de los gases calientes resultan críticas:
- Porque requieren más desarrollos para rebajar los NO
compuestos de N
- Para eliminar partículas a temperaturas superiores a 1000ºF (538ºC)
- Para demostrar unas características de servicio y de vida razonables
x emitidos por el combustor de la turbina de gas cuando hay2 en el combustible
Fig XVII.20.- Capacidad mundial de gasificación, por productos, operando en 2007 y crecimiento previsto hasta 2010
XVII.-522
Fig XVII.21.- Capacidad mundial de gasificación, por materia prima, operando en 2007 y crecimiento previsto hasta 2010
Fig XVII.22.- Capacidad mundial de gasificación, por regiones, operando en 2007 y crecimiento previsto hasta 2010
El coste de la producción de energía en plantas de ciclos avanzados de vapor Rankine, Hirn o como
los sistemas de lecho fluidificado presurizado, con un sistema de ciclo combinado, determina el campo de
utilización de cada técnica.
XVII.-523
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