La industria del carbón

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La industria del carbón
Dr. David Bell
Profesor asociado
Departamento de Ingeniería Química y
Petróleo
Universidad de Wyoming
Laramie, Wyoming, EE.UU.
Mina de carbón en el Powder River Basin,
Wyoming, EE.UU
Análisis de carbón
• Carbón es biomasa fosilizada que ha cambiado por la
acción del calor y la presión durante millones de
años.
• El calor de la combustión:
– HHV poder calorífico superior de mayor valor (English:
higher heating value)
• Incluye el calor de condensación del vapor
– LHV poder calorífico inferior de menor valor (English:
lower heating value)
• No incluye el calor de condensación del vapor
• El análisis inmediato:
– (1) se seca el carbón.
– (2) se calienta el carbón secado sin aire para producir
volátiles (el gas + el alquitrán) y el coque sólido.
– (3) El coque es quemado, dejando cenizas.
– Carbono fijo se obtiene por diferencia (producción de
coque – producción de cenizas).
• El análisis elemental:
– Composición elemental
– C, H, 0, N, S (los elementos más comunes)
Clasificación de carbón
• Basado principalmente en el valor del poder
calorífico.
mayor
menor
GRADO
Comentario
Antracita
Raro
Bituminoso
común, comercio internacional
Sub-bituminoso
común, comercio doméstico
Lignito (el carbón Yacimientos grandes, no hay
marrón)
mucho minería
Las reservas y la producción de carbón
Producción 2006,
millones de
toneladas
Reservas 2003,
millones de
toneladas
Reservas/
Producción,
años
1.243
280.000
225
1.161
270.000
233
América del Sur
87
21.928
253
Colombia
70
7.287
104
Europa (sin Rusia)
799
65.572
82
Rusia
341
173.074
508
Asia
3.422
327.264
85
2.620
126.215
48
África
275
55.486
202
Australia
420
86.531
206
6.782
1.000.912
148
América del Norte
EE.UU
China
EL MUNDO
Comercio internacional
• El carbón bituminoso es el más común en el
comercio internacional.
• Los carbones de menor grado tienen mayor
densidad, y mayor costo de flete por la misma
cantidad de energía.
• Indonesia exporta carbón sub-bituminoso a las
naciones asiáticas.
• Los precios están aumentando debido al crecimiento
económico en Asia.
• El carbón Powder River Basin (PRB) es carbón sub-bituminoso y es el de
mayor producción en los EE.UU. (400 millones de toneladas/año).
Isla Riesco
PRB
Lignito
Freedom,
EE.UU.
4.000
4.760
3.680
3.700
4.590
3.540
humedad, %
22,3
25,8
36,1
62
volátiles, %
31,5
30,3
26,5
19,5
carbono fijo, %
26,0
35,7
27,5
17,9
20,2
8,2
9,9
0,6
HHV, kcal/kg
El carbón
marrón
Loy Yang,
Australia
2.390
(como recibido)
LHV, kcal/kg
(como recibido)
El análisis inmediato
(como recibido)
cenizas, %
• Las cenizas tiene bajo contenido de alcalinos, y
tienen un punto de fusión muy alto.
El análisis
elemental
(como
recibido)
Isla Riesco
PRB
Lignito
Freedom,
EE.UU.
El carbón
marrón
Loy Yang,
Australia
Carbono
42,0
50,1
39,6
25,5
Hidrógeno
5,9
3,4
6,7
11,6
Oxígeno
31,1
11,1
42,6
62
Nitrógeno
0,5
0,7
0,6
Azufre
0,3
0,7
0,6
0,1
Cenizas
20,2
8,2
9,9
0,6
Combustión del carbón pulverizado
• Las plantas de combustión de carbón pulverizado
recientes usan el diseño supercrítico.
Diseño Subcrítico
(diseño actual)
Diseño Supercrítico
(nuevo diseño)
El punto crítico
del agua
presión de la
caldera, MPa
16,5
24,1
21,94
temperatura de la
caldera, °C
566
593
374
HHV eficiencia, %
36,8
39,1
Los contaminantes regulados en los EE.UU.
• CO
– Controlado por la razón aire / carbón
• NOx (óxidos de nitrógeno)
– El diseño de quemadores de baja emisión de NOx
– SCR (reactor catalítico) después de la caldera:
• NOx + NH3 → N2 + H2O
• Partículas
– PM10: menos de 10 micrones
– PM2.5: menos de 2.5 micrones
– Filtro de manga o precipitador electrostático
• SO2
– Lavado con piedra caliza:
SO2 + CaCO3 → CaSO3 + CO2
• Mercurio (nuevo)
– Inyectar carbonos bromados aguas abajo del SCR
para recolectar en filtro de manga.
• CO2
– Todavía no es regulada.
– Hay intenso debate político.
CCS
• CCS Captura y secuestro de carbono (English: carbon
capture and sequestration):
– Separa CO2, comprime, y dispone bajo tierra para mantenerlo
fuera de la atmósfera.
• EOR Recuperación aumentada de petróleo (English:
Enhanced oil recovery):
– Supercrítico CO2 utilizado para disolver el petróleo que queda
en antiguos reservorios de petróleo.
• Acuífero salino
– Rocas porosas llenas de solución salina.
– Roca no porosa superior para evitar la pérdida de fluido
(parecido a la reserva de petróleo y gas).
– Reemplaza el agua con CO2
Después de la combustión - Captura de carbono
MEA
monoetanol
amina
Combustión de carbón pulverizado
Carbón bituminoso de Illinois
Sin CCS
Con CCS
El Potencia total, MW
550
550
Alimentación de carbón, t/hr
219
323
36,8 %
24,9 %
Costo del capital, miles millones CH$
448
835
Costo de la electricidad, CH$/kW-hour
34
62
Eficiencia, HHV
Costo de CO2 (emisiones evitadas),
CH$/tonelada
36.000
El CO2 de los gases de combustión tiene baja presión parcial y requiere una gran
cantidad de energía para removerlo.
Hay gran interés en la investigación para remover CO2 de los gases de combustión.
Oxicombustión
• Quemar el carbón en oxígeno, no en el aire.
• Temperatura de llama sería muy alta para los
materiales de la caldera. Se diluye el oxígeno con los
gases de combustión reciclados.
• Los gases de combustión contiene principalmente el
CO2 y el agua.
• Se comprimen y se enfrían para eliminar el agua.
• La separación de CO2 no es necesaria.
• Planta de demostración FutureGen 2.0 en Illinois,
USA.
– Una planta de energía convencional convertida.
Ciclo de conferencias
• (1) Esta conferencia: La industria del carbón.
• (2) Gasificación del carbón: La conversión del carbón
a una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono
(gas de síntesis).
• (3) Aplicaciones de la gasificación:
– La conversión de gas de síntesis a electricidad.
– sustituir el gas natural.
– producción de amoniaco, metanol y combustibles líquidos.

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