desulfurizacion gases coquizacion
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UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE METALURGIA
LIMPIEZA DE LOS GASES DE LA PLANTA DEMOSTRATIVA DE COQUIZACION
DE SAMACA
Autores: Ing M.Sc. ALVARO DIAZ CHAVES Director Grupo de Investigación en Carbones y Carboquímica – U.P.T.C.
Ing. Esp. D.M. MARCO ANTONIO ARDILA BARRAGÁN Investigador Grupo de Investigación en Carbones y Carboquímica – U.P.T.C.
RESUMEN
La industria de la coquización en Colombia ofrece grandes expectativas como opción de
desarrollo económico dentro de los mercados internacionales; sin embargo, para alcanzar esta
meta, se hace necesario desarrollar tecnologías que garanticen una producción con calidad, sin
afectar el medio ambiente.
Bajo estas consideraciones, entidades como COLCIENCIAS, MINERCOL LTDA, la
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC) y la Universidad Francisco de
Paula Santander (UFPS), han llevado a buen término una serie de proyectos de investigación,
encaminados a mejorar la calidad del coque y a reducir los índices de contaminación del proceso;
es así como el Grupo Interdisciplinario e Interinstitucional de Investigación en Carbones y
Carboquímica de la UPTC, ha diseñado y construido en la planta demostrativa de coquización de
Samacá, una planta piloto para desulfurar y reducir el volumen de material particulado en los
gases de coquización, aplicando los principios de los procesos FGD (Flue Gas Desulfuration –
Desulfurización de Gases de Chimenea), para absorción de SO2 en lechada de cal o caliza.
Los resultados muestran reducciones hasta de un 90% en emisiones de material particulado, y
eficiencias hasta de un 40% en la conversión de SO2 a CASO4.2H2O.
Así entonces, queda demostrada la factibilidad técnica del proyecto a nivel de planta piloto, y
propuesta la transferencia tecnológica para su aplicación a nivel industrial, con implementación
de tecnologías de mayor rendimiento.
Palabras Clave: Coquización, Desulfurización, Medio Ambiente, Postcombustión, UPTC.
ABSTRACT
The coke process industry offer a great expectancy in Colombia, as economy growth option, to
be one´s business in the international market; however to reach this object is required to develop
technology to guarantee a quality production, without to damage environment.
Under this considerations, any entities as COLCIENCIAS, MINERCOL LTDA, Universidad
Pedagógica y Tecnológica de Colombia (UPTC) and Universidad Francisco de Paula Santander
(UFPS), have performed several research projects to make for improve the quality of coke and to
reduce the environmental pollution produced by coke process; so thus as “El Grupo
Interdisciplinario e Interinstitucional de Investigación en Carbones y Carboquímica de la UPTC”
has designed and built, in the demonstrative coke process plant in Samacá, a pilot plant to
desulfurize and reduce the volume of fractionated material of coke process gas, making use of the
principles of de Flue Gas Desulfuration process (FGD) for SO2 absorption in milk of lime.
The result showed decrease in fractionated material emission until 90% and efficiency about
40% in the SO2 conversion to CaSO4.2H2O.
This way prove than the technical feasibility of project as pilot plant, and is proposed the
technology transfer to apply at industrial level with technology device more efficient.
Key Word: coke process, Desulfurization, Environment, postcombustion, UPTC.
INTRODUCCION
Entre las responsabilidades más serias que enfrenta la industria en la actualidad se encuentra el
control y uso adecuado del medio ambiente. Existe evidencia considerable de que la
contaminación del aire es una amenaza crónica para la salud de los seres humanos. Esta
evidencia va desde un rápido incremento del enfisema pulmonar y la identificación de
compuestos carcinógenos en el smog hasta una evidencia estadística, la cual demuestra que las
personas expuestas a una atmósfera contaminada durante periodos prolongados padecen varias
enfermedades y, en general, se reducen sus años de vida.
De la producción de coque en Colombia, cerca del 20% es destinada al mercado internacional,
que genera ingresos importantes para el país. Sin embargo, la contaminación ambiental
producida por esta industria es un problema serio si se considera que el 48% de la producción de
coque se obtiene utilizando hornos de colmena, solera y pampa, los cuales emiten gases
contaminantes que afectan la salud del hombre y el normal desarrollo de las plantas y los
ecosistemas acuáticos. En la actualidad ninguna fábrica, en Colombia, dispone de un sistema de
tratamiento de gases de coquización.
El desarrollo de un proceso para reducir la contaminación por estos gases y obtener un producto
comercial en el mejor de los casos, contribuye para tener un medio ambiente más limpio, acorde
con las tendencias nacional e internacional de protección del medio ambiente, incentiva el
consumo de carbón y ofrece la posibilidad de percibir ingresos adicionales.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Diseñar, construir y operar una planta piloto para reducir las emisiones de SO2 y partículas
sólidas mediante la inyección de absorbentes, en la planta de coquización con ducto externo para
gases construida en Samacá (Boyacá).
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Determinar las características de los carbones utilizados y los gases generados en la Planta
Demostrativa de Coquización de la UPTC – Minercol Ltda.
Evaluar las tecnologías disponibles y seleccionar la más conveniente de acuerdo con los
requerimientos y posibilidades de la región.
Diseñar un proceso de tratamiento post-combustión para remover más del 70% de SO2 y
reducir las emisiones de material particulado en el gas.
Realizar la ingeniería de detalle de equipos y materiales para la construcción y puesta en
marcha de la planta.
Hacer investigaciones sobre la limpieza de los gases.
Divulgar la tecnología desarrollada y promover su uso en las fábricas de coque.
ANTECEDENTES
Con el objeto de presentar una solución alternativa al problema de contaminación ambiental
causado por las plantas de coquización ubicadas en el municipio de Samacá y demostrar que el
desarrollo de un proceso “limpio” para la fabricación de coque puede generar beneficios
adicionales, Ecocarbón y la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia construyeron
una planta demostrativa para la fabricación de coque, dotada de un ducto externo para recoger los
gases de coquización, transportarlos hasta un horno de ladrillo, quemarlos y evacuar los gases por
una chimenea.
El gas efluente de la chimenea contiene SO2 y NOx en cantidades que dependen de los contenidos
de azufre y nitrógeno en el carbón; este gas también puede arrastrar finas partículas sólidas que
irían a la atmósfera.
Estas tres sustancias presentes en el gas de chimenea son agentes contaminantes que afectan la
salud humana, el material vegetal y el ecosistema acuático. Por esta razón se desarrolló este
proyecto para reducir la emisión de tales contaminantes.
MARCO CONCEPTUAL
EL PROCESO DE COQUIZACION
El proceso de coquización se define como la destilación del carbón mineral a altas temperaturas
donde se extrae la materia volátil y se elimina como parte de los productos de una combustión
incompleta.
Los carbones ya sean coquizantes o térmicos, que posean un tenor elevado de azufre son poco
apetecidos tanto para la producción de coque, en el caso de los primeros, como para su
utilización como combustible industrial, en lo que se relaciona a los segundos.
En el caso de los carbones coquizantes son dos los principales problemas que se generan al
utilizar carbones altos en azufre:
a) El coque resultante exhibe un elevado contenido de azufre, debido a que casi todo el azufre
de los carbones es transferido al coque y también como resultado de la reducción de masa que
se produce durante la coquización, el porcentaje de azufre en el coque es superior al que se
tenía en los carbones, de los cuales éste proviene.
b) Los gases generados durante el proceso de coquización en hornos de colmena, contienen
cantidades variables de algunos hidrocarburos, vapor de agua, CO2, SO2, NOx y O2. Además,
arrastran las partículas finas de carbón.
GASES DE COQUIZACION
Este gas es un combustible gaseoso artificial y proviene, como su nombre lo indica , de las
plantas de coquización. Estos gases por ser combustibles gaseosos tienen las ventajas de no
producir cenizas ni mucho humo, son más limpios y flexibles en su uso que los otros tipos de
combustibles. La composición de este gas varía según el carbón de coquización, posee H2, CO,
SO2, N2, CO2, NOX, hidrocarburos y cantidades pequeñas de O2.
CONTAMINACIÓN DEL AIRE
La variedad de materia llevada por el aire es muy grande; por esta razón esta puede ser
clasificada de muchas formas. Una manera de clasificación practica es de acuerdo a su
composición química. Estos grupos son:
• Compuestos que contengan azufre
• Compuestos que contengan nitrógeno
• Compuestos que contengan carbono
• Compuestos que contengan halógenos
• Sustancias tóxicas
• Compuestos radioactivos
La primera clase de aire contaminado reconocido fue aquel que se caracterizó por la alta
concentración de compuestos de azufre (SO2 y sulfatos) y partículas resultantes de la combustión
del carbón y de combustibles con alto contenido de azufre. En estos casos, los contaminantes del
aire son principalmente SO2 primario y partículas de sulfato secundario.
Los principales contaminantes del aire son dióxido de azufre, SO2 producido principalmente por
la quema del carbón; el monóxido de carbono CO, producido en su mayoría por los automotores;
hidrocarburos sin quemar, de los automóviles y de los procesos industriales; y los óxidos de
nitrógeno, NO y NO2, de combustibles estacionarios de motores de combustión interna.
Los contaminantes del aire se pueden clasificar según su origen y el estado de la materia:
Origen
a) Primario: Emitidos directamente del proceso a la atmósfera.
b) Secundario: Formados en la atmósfera como resultado de una reacción química.
Estado de la materia
Gaseoso: Gases verdaderos como, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, ozono, monóxido
de carbono, etc; o vapores de gasolina, disolventes de pinturas, de productos secos de
limpieza, etc.
Sólido: Partículas como, por ejemplo, polvo, emanaciones y humo.
El azufre contenido en el combustible se transforma casi totalmente en óxidos de azufre SO2 y
SO3, de los cuales el primero representa entre el 95 y el 98% del total. El contenido de azufre en
los carbones colombianos puede llegar hasta un 2% o 3% del cual el 46% aproximadamente se
transforma a SO2. Como es bien sabido las consecuencias de las emisiones de este contaminante
a la atmósfera son serias, el SO2 es un irritante de los ojos, la nariz y la garganta y se ha
encontrado una relación entre su presencia y las enfermedades respiratorias, por otra parte ataca
el material vegetal causando la pérdida de la clorofila en las plantas. Uno de los mayores efectos
de los óxidos de azufre es la deposición ácida, mejor conocida como lluvia ácida, que afecta los
cultivos y los ecosistemas acuáticos.
SO2(g) + H2O(1) ---- H2SO4(ac)
El nitrógeno del combustible al igual que el azufre se oxida durante la combustión formando los
óxidos NO y NO2, el primero puede reaccionar con vapor de agua para formar ácido nitroso
mientras el segundo lo hace con agua líquida para formar ácido nítrico, lo cual también
contribuye a la lluvia ácida.
2NO2(g) + ½O2(g) + H2O(1) ---- 2HNO3(ac)
El óxido nitroso (NO2), principal constituyente de los óxidos de nitrógeno es además un gas
venenoso y corrosivo cuya inspiración puede ser mortal.
TECNOLOGIAS LIMPIAS
Se define como Tecnologías Limpias, todos los procesos de beneficio del carbón, que buscan
preservar el medio ambiente ante su aplicación en procesos industriales como coquización,
combustión e industria carboquímica.
Para el caso de la utilización de carbones con alto contenido de azufre, existen Tecnologías
Limpias que permiten actuar en una o varias de las 3 etapas del proceso de combustión del
carbón:
• Precombustión. Elimina el azufre y otras impurezas del carbón, antes del proceso de
combustión.
• Combustión. Remueve los contaminantes durante el proceso de combustión.
• Postcombustión. Implica la limpieza de los gases de combustión, antes de ser
descargados a la atmósfera.
El Proyecto de limpieza de los gases de coquización en la Planta Demostrativa de Samacá, se
inscribe en la tercera fase del proceso (Postcombustión) o de remoción del SO2 presente en los
gases efluentes, Técnicamente denominado Procesos FGD (Flue Gas Desulfuration).
PROCESOS FGD (Desulfurización de Gases de Chimenea)
Los procesos FGD se clasifican en tres categorías de acuerdo con el tipo de proceso químico
utilizado para la remoción del SO2 presente en los gases de chimenea.
• Absorción en líquidos
• Reactivación ó adsorción con sólidos
• Conversión en fase gaseosa
La absorción en líquidos y particularmente el proceso húmedo de absorción de SO2 en lechadas
de cal o caliza, el SO2 reacciona en la fase líquida para formar inicialmente el sulfito de calcio
(CaSO3), y posteriormente el sulfato cálcico (CaSO4). Este residuo sólido puede ser tratado para
usos específicos en la industria del cemento, la construcción o en la producción de fertilizantes.
QUIMICA DEL PROCESO
Para una relación molar Ca/S de 2 y una temperatura de inyección de absorbente mayor de 800°C
se logra una remoción de SO2 del orden de 50%, según estudios realizados en laboratorio.
La absorción de gas es una operación unitaria de transferencia de masa, en la cual los
componentes solubles de una mezcla gaseosa se disuelven en un líquido, cuando se ponen en
contacto en condiciones apropiadas.
En el caso especifico de la absorción de SO2 por medio de lechadas de cal o caliza se ha
demostrado que la reacción del SO2 disuelto y la lechada es una reacción espontánea.
En relación con lo anterior, es necesario establecer que para el caso de limpieza de gases de
coquización, los cuales contienen CO2 que puede ser absorbido simultáneamente con el SO2, se
ha demostrado que el CO2 se puede considerar como gas inerte debido a que la velocidad de
reacción del CO2 con la cal es 10000 veces menor que la velocidad de reacción del SO2 con la
cal.
Lavado con Cal: Es similar al lavado con caliza excepto que la cal es mucho más reactiva,
mejorando la remoción de SO2 en un 25%. Las reacciones involucradas son:
CaO(s) + H2O(1) Ca(OH)2(s)
SO2(g) + H2O(1) H2SO3(ac)
H2SO3(ac) + Ca(OH)2(s) CaSO3 *2H2O(s)
CaSO3*2H2O(s) + ½ O2(g) CaSO4*2H2O(s)
En los anteriores procesos (húmedos) se puede remover parte del NO2 por conversión a ácido
nítrico de acuerdo con la reacción.
2NO2(g) + ½O2(g) + H2O(1) --> 2HNO3(ac)
Para reducir la emisión de contaminantes de nitrógeno, se han realizado investigaciones
adicionando un agente reductor a base de nitrógeno (amoniaco o urea) a la suspensión de
absorbente, con lo cual se logra una remoción de hasta 70% de NOx, se mejora la retención de
SO2 y se puede operar a temperaturas más bajas (400 – 600°C) aumentando la eficiencia térmica.
METODOLOGIA APLICADA
Para el logro de los objetivos propuestos, este proyecto se desarrolló de acuerdo a las siguientes
etapas:
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
Con base en los antecedentes del proyecto se hizo una relación de bibliotecas, entidades y fuentes
de consulta para ubicar la bibliografía y tener acceso a la información técnica, científica,
económica y comercial, sobre los principios, leyes, procesos, aplicaciones, equipos, normas,
costos y nivel de desarrollo en cada una de las áreas del proyecto.
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS CARBONES UTILIZADOS
Se realizaron los análisis próximos, últimos, formas de azufre, Indice de Hinchamiento e Indice
de Molienda de los carbones utilizados en la Planta Demostrativa de Samacá. Los resultados se
registran en la tabla 1.
TABLA 1. CARACTERIZACION DE LOS CARBONES UTILIZADOS PARA LAS MEZCLAS EN LA PLANTA
DEMOSTRATIVA DE COQUIZACION - SAMACA No. MUNICIPIO VEREDA/SECTOR MINA MANTO %
H
%
Cz
%
MV
P.C
Cal/g
%
St
Formas de S %
CF
%
H
%
N
I.H I.M
%
Sp
%
Ss
%
So
1 Samacá Chorrera La Loma Veta Grande 1.16 8.70 29.53 6786 1.15 0.98 0.07 0.10 79.40 5.10 1.63 6.00 82
2 Samacá Chorrera Painco Veta Grande 1.00 7.60 31.84 6721 1.17 0.08 0.09 1.00 74.10 4.49 1.53 4.50 84
3 Samacá Chorrera Soc. her. Tenjo Veta Grande 0.92 8.80 32.07 7410 1.93 0.00 1.12 0.81 78.10 4.85 1.55 3.5 78
4 Samacá Chorrera El Salto Veta Grande 1.02 18080 33.40 6800 2.17 0.00 1.28 0.89 68.30. 4.34 1.53 4.00 66
5 Samacá Chorrera El Diamante Veta Grande 1.07 6.09 22.43 7704 0.69 0.00 0.07 0.62 66.50 4.22 1.36 3.00 80
6 Samacá Gachaneque El Encanto Manto – 1 1.20 8086 22.16 7746 0.90 0.00 0.35 0.55 78.40 4.13 1.52 3.00 96
7 Samacá Salamanca Piedras Gordas Diamante 1.31 9.73 31.70 7637 0.89 0.20 0.15 0.54 76.30 4.94 1.66 3.00 94
8 V/quemada Montoya Las brisas La Sisquera 1.81 5.45 32.25 7564 1.37 0.16 0.34 0.87 77.90 5.23 1.65 3.50 82
9 Samacá Chorrera Las Marias Cabañas Mt - A 1.49 6.32 30.91 7614 0.96 0.21 0.06 0.69 79.90 5.02 1.69 3.50 83
10 Samacá Chorrera Las Marias Cabañas Mt - b 1.33 5.82 29.83 7883 1.16 0.07 0.76 0.33 79.90 5.02 1.64 4.00 82
11 Samacá Chorrera Las Marias Laureles Mt - A 0.93 8.42 30.20 7765 1.37 0.00 0.98 0.39 78.00 4.97 1.69 6.00 79
12 Samacá Chorrera Las Marias Laureles Mt – B 0.86 5.39 29.83 8000 1.25 0.40 0.45 0.40 80.20 5.06 1.64 6.00 83
13 Samacá Chorrera Las Marias Ford-1 Limpia 1.07 18.82 31.07 6590 1.15 0.42 0.32 0.41 68.10 4.37 1.38 6.00 69
14 Samacá Chorrera Las Marias Quemada 1.00 15.02 30.78 7095 1.20 0.60 0.00 0.60 72.80 4.56 1.45 6.00 76
15 Samacá Chorrera La Esperanza El Rubi 0.80 6.45 24.30 7134 0.50 0.06 0.14 0.30 68.90 4.89 1.41 6.00 82
16 Ráquira Cebollas Car-Napoles Limpia 1.60 6.41 33.30 7214 0.85 0.35 0.03 0.47 78.20 5.52 1.68 6.00 83
17 Ráquira Cebollas Rubi El Rubi 1.60 5.80 23.30 7839 0.89 0.32 0.16 0.41 81.90 4.89 1.56 6.00 76
18 Ráquira Cruz Coloradda Sta Cecilia Veta Limpia 1.10 11.50 31.30 7636 0.65 0.33 0.02 0.30 68.90 4.99 1.41 6.00 73
19 Ráquira Firita El Cardonal Veta Grande 1.00 12.90 33.30 7142 2.00 0.45 0.51 1.04 71.50 4.69 1.52 6.00 66
20 Samacá Loma Redonda La Peñuela Veta Grande 1.00 12.00 30.30 7010 1.48 0.00 0.43 1.05 74.10 4.83 1.51 6.00 64
ESTUDIO DE LOS GASES DE COQUIZACIÓN – MUESTREOS
ISOCINETICOS
Se hicieron cuatro muestreos Isocinéticos a los gases provenientes del proceso de
post-combustión de los gases efluentes de los hornos de coquización, de la Planta
Demostrtativa de producción de coque ubicada en Samacá.
Se aplicaron los métodos recomendados en el capítulo VII, artículo 96, del Decreto
02 de 1982 del Ministerio de Salud de Colombia.
Equipo utilizado. Para la determinación isocinética de partículas se utilizó un
equipo marca ANDERSEN SAMPLARS, tipo universal, conocido como TREN
MUESTREADOR DE DUCTOS O CHIMENEAS, aprobado por la EPA. Consta de
una sonda con una boquilla en el extremo, la cual va a un ciclón y este a su vez a un
filtro, localizado dentro de un horno o compartimiento caliente, a una temperatura
entre 200º y 250º F para evitar la condensación del gas que pasa.
Para la determinación de bióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno se utilizó un
analizador de combustión marca BACHARACH modelo 300 SNX y programado
para los siguientes combustibles: Gas natural, fuel oil No. 2 y No 6, propano líquido,
carbón, madera y bagazo.
Composición Química de los Gases de Salida: Se registran en la tabla 2.
Tabla 2. Composición Química de los Gases de Salida
COMPONENTE ENSAYO No. 1 ENSAYO No. 2 ENSAYO No. 3 ENSAYO No. 4
%CO2 7.1 6.1 5.5 7.3
%CO 0.3 0.0 0.0 0.1
%O2 13.1 14.2 15.5 12.8
%N2 79.5 19.7 79.0 79.8
%Humedad (BWS) 8.0 (asumida) 8.0 (asumida) 8.0 (asumida) 8.0 (asumida)
Emisión de Dióxido de Azufre (SO2) y Oxidos de Nitrógeno (NOX), expresados
como NO2. La tabla 3 resume las concentraciones de SO2 y NO2.
Tabla 3. Emisiones de (SO2) y (NOX)
PARAMETRO
UNID.
ENSAYO
No. 1
ENSAYO
No. 2
ENSAYO
No. 3
ENSAYO
No. 4
Concentración en base seca
de SO2 promedio encontrada
en chimenea (CSO2)d
ppm
569,9
280,0
217,4
44,3
Concentración en base seca
de SO2 promedio encontrada
en chimenea (CSO2)d
Mg/m3
629,53
295,34
217,85
414,32
Concentración en base seca
de NO2 promedio encontrada
en chimenea (CNO2)d
ppm
30.9
26.0
25.7
34,5
Concentración en base seca
de NO2 promedio encontrada
en chimenea (CNO2)d
Mg/m3
24.53
19.71
18.51
23,18
DETERMINACION DEL GRADO DE TRATAMIENTO
Para determinar el grado de tratamiento de los gases de coquización se parte de los
siguientes parámetros:
• Carga de carbón por horno: 4000 Kg. • Azufre promedio de la carga: 1.15% • Azufre total en la carga de un horno: 46 Kg. • Porcentaje de azufre que se transforma a SO2: 46% • Azufre que reacciona a SO2 en los 3 hornos 63.48 Kg. • SO2 formado en los 3 hornos de coquización 126.96 Kg. • Tiempo total de proceso: 48 horas • Tiempo promedio de emisiones: 40 horas • Eficiencia de reactivos comerciales: 80% (aprox.) • Volumen total de solución: 1 m3
Seguidamente, se determina la cantidad de SO2 reaccionado, mediante una marcha
analítica de laboratorio que comprende:
• DETERMINACIÓN DEL CALCIO COMO Ca(OH)2 PRESENTE EN LA
MEZCLA Ca(OH)2 -CaSO4.2H2O
• DETERMINACIÓN DEL CALCIO TOTAL PRESENTE EN LA MEZCLA
Ca(OH)2 Y CaSO4.2H2O
• DETERMINACIÓN DEL CALCIO COMO CaSO4.2H2O PRESENTE EN LA
MEZCLA Ca(OH)2 -CaSO4.2H2O
• DETERMINACIÓN DEL AZUFRE REACCIONADO PARA FORMAR
CaSO4.2H2O
Balance de masa para productos y reactivos.
Cantidad (Kg.)
Producto Cantidad (Kg.)
Reacciona con Cantidad (Kg.)
Produce
126.96 SO2 35.71 H2O 162.67 H2SO3
111.1 CaO 35.70 H2O 146.80 Ca(OH)2
162.67 H2SO3 146.80 Ca(OH)2 309.50 CaSO3.2H2O
309.50 CaSO3.2H2O 15.87 O2 341.21 CaSO4.2H2O
Con base en el balance de masa y los procedimientos establecidos, se determina el
grado de tratamiento, para cualquier marcha, aplicando los registro del análisis de
dicha marcha.
DISEÑO DEL PROCESO DE TRATAMIENTO
Selección del proceso: El tratamiento de los gases de coquización se hace con un
proceso FGD para desulfurarlos mediante la absorción del SO2, con una lechada de
Cal, dentro de una torre empacada. De esta manera se logra llevar a cabo cada una de
las etapas que involucra el proceso (absorción, oxidación, neutralización y
cristalización), en su principio básico y de forma económica, para ser realizado a
escala experimental en una planta piloto, la cual permitirá proyectar el proceso a
nivel industrial con la implementación de tecnologías de mayor eficiencia.
Descripción del proceso. Con base en la figura 1, el proceso comienza con la
recolección de los gases de coquización para su enfriamiento y separación primaria
de componentes, por cambio de estado durante la reducción de temperatura. A
continuación se hace una separación de fase líquido – gas, para obtener gas seco, el
cual se trata en la torre empacada para hacer reaccionar el SO2 de acuerdo con los
principios que rigen el proceso. (Ver figura 1).
El proceso se caracteriza por:
Los procesos de absorción, reacción química se llevan a cabo en la torre
empacada, mediante la interacción de los gases y la lechada con los cuerpos de
superficie. La cristalización del sulfato se produce sobre la bandeja de oxidación.
El aire es suministrado por el medio ambiente y oxida el sulfito de calcio, para
transformarlo en sulfato de calcio (CaSO4) y posteriormente se produce la
cristalización del sulfato cálcico dihidratado (CaSO4.2H2O).
La solución reaccionada precipita en un tanque de precipitados, y por rebose, se
hace una primera separación de la lechada para recircular.
Se elimina la necesidad de recalentar los gases antes de descargarlos al medio
ambiente.
Se puede remover simultáneamente material particulado.
FIGURA 1. Diagrama de Flujo de la Planta con descripción del proceso.
Selección del absorbente: Aunque el proceso F.G.D aplicado ,originalmente se
diseñó para utilizar una lechada de caliza como solución absorbente,
experimentalmente comprobó que la cal (CaO) ofrece mejores ventajas desde el
punto de vista técnico y económico, por las siguientes razones:
• La caliza es relativamente más económica que la cal, sin embargo, requiere un
proceso de preparación previa, que consiste en trituración primaria y
pulverización y por tanto, aumentándose los costos del proceso.
• La cal es más reactiva que la caliza, es decir que es posible mediante una
operación apropiada del reactor aumentar el porcentaje de remoción de SO2
del gas de coquización, con respecto al que se puede obtener con caliza.
• La rata de disolución de la caliza en agua puede controlar la rata de absorción,
porque los productos de reacción (CaSO3 o CaSO4) se pueden depositar
sobre las particulas de caliza dificultando la posterior disolución de ésta.
Descripción de la Química del proceso en la Torre Empacada: Los fundamentos
químicos y físicos del proceso que ocurren dentro de la Torre Empacada, se pueden
resumir de la siguiente manera:
La fase dispersa: El gas de coquización entra a una cámara de dispersión, donde
hace un primer contacto con la lechada de cal.
Mezcla y Reacción: El gas fluye en corriente paralela a lo largo de una columna
vertical, distribuyéndose de forma homogénea sobre los cuerpos de superficie, los
cuales tienen por objeto formar películas de desplazamiento para garantizar el mayor
contacto interfacial entre láminas de lechada y de gas.
La reacción global que tiene lugar en la Torre Empacada es:
SO2 (ac) + Ca(OH)2(ac) + H2O + ½º2(ac) --> CaSO3 * 2 H2O(ac)
Esta reacción tiene lugar a través de las siguientes etapas:
A. Absorción del SO2 y O2
SO2 (g) SO2(ac)
O2 (g) --> O2 (ac)
B. Formaciones de iones sulfito y sulfato
SO2 (ac) + H2O H+ + H SO3- (ac)
C. Disolución de cal
Ca(OH)2(s) --> Ca(OH)2(ac)
Ca(OH)2(ac) Ca2+ (ac) + 2OH-
D. Formación del sulfato de calcio dihidratado
Ca 2+(ac) + SO4=(ac) + 2H2O --> CaSO4 * 2H2O(ac)
E. Cristalización
H SO3 - (ac) + ½º2 (ca) H+ + H SO4
= (ac)
CaSO4 * 2 H2O(ac) --> crecimiento de cristales
DISEÑO DE LA PLANTA
La planta consta de un ducto colector de gases con sistema de preenfriamiento que
los conduce a un intercambiador de carcaza y tubos a contracorriente, donde se
enfrían los gases hasta 25°C y a la vez se separan alquitranes y aguas amoniacales
precipitados durante el enfriamiento. Luego, los gases son conducidos hasta un
separador de fase en el cual chocan a una velocidad crítica contra un bafle permeable,
logrando que por diferencia de densidad las partículas sólidas y líquidas se precipitan,
y los gases asciendan hacia la torre empacada d se llevan a cabo las reacciones
descritas.
El manejo de gases, soluciones y aguas se hace por medio de un ventilador y bombas
que permiten regular los caudales de acuerdo con las necesidades del proceso.
El diseño de la planta fue realizado en su totalidad dentro del proyecto por integrantes
del grupo de Investigación en carbones de la UPTC, y se construyo dentro de la
industria nacional; los equipos y accesorios también son de fabricación nacional y el
montaje fue realizado por personal de la región.
A continuación se muestra una fotografía de la planta instalada.
EVALUACION DE LOS RESULTADOS DEL PROCESO
Con base en el balance de masa para productos y reactivos, se ha establecido un
comportamiento que sirve de base para la evaluación de los resultados en cualquier
marcha.
ESTRATEGIA DE DIVULGACION
Teniendo en cuenta que la tecnología desarrollada debe divulgarse, para promover su
aplicación en las fábricas de coque del país, se hizo a la entrega formal de la Planta, a
COLCIENCIAS y MINERCOL LTDA., entidades promotoras del proyecto, en Enero
de 2002 ante empresarios del sector y medios de comunicación. Igualmente, se ha
previsto la publicación del trabajo en algunas de las más prestigiosas revistas de
divulgación científica y tecnológica, así como la presentación del mismo en
congresos y eventos relacionados con el sector carbonífero y protección del medio
ambiente.
Se implementará la organización de un Seminario con asistencia garantizada de
eruditos e investigadores de tecnologías de limpieza y de un evento sobre temas de
contaminación ambiental por la combustión de carbones y por residuos de cenizas de
la combustión.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
A continuación se presentan las principales conclusiones y recomendaciones que
tendrían para el país y para la región, la implementación de una PLANTA DE
DESULFURIZACION de los gases efluentes de los procesos industriales y en
especial del proceso de coquización.
En términos generales se puede concluir que el funcionamiento y convergencia de un
importante número de pequeñas industrias coquizadoras de poco grado de
tecnificación, inmerso en una de las principales regiones carboníferas del país, ha
motivado el interés de ECOCARBON y la UPTC en realizar Proyectos que permitan
la implementación de un programa de reconversión a tecnologías limpias en procesos
asociados al consumo de carbón.
En este sentido ECOCARBON la UPTC y la UFPS diseñaron y construyeron dos
plantas demostrativas de producción de coque en Samacá y Cúcuta, con utilización de
la energía de los gases de combustión, en donde se minimiza la emisión de agentes
contaminantes y de material particulado, sin embargo, la emisión de SO2 y NOx se
descarga a la atmósfera sin ser esta reducida.
Las tecnologías de limpieza de carbón, en términos de emisiones de azufre y
nitrógeno, pueden ser instaladas en cualquiera de las cuatro etapas de combustión de
carbón (precombustión, combustión, postcombustión y conversión). El proyecto de
Limpieza de los gases de coquización, se enmarca como un proceso de
postcombustión, en donde la limpieza de los gases de coquización se realiza mediante
un método de absorción directa, en la que se utiliza cal como absorbente.
Estudios realizados por Electric Power Research Intitute, determinaron que para una
concentración de 4.000 ppm de SO2 en los gases de combustión, se obtiene una
remoción del 92% de SO2.
Es de resaltar que la combustión de combustibles fósiles origina la emisión de
productos negativos para el medio ambiente, como el CO2, CO, H2O, NOx y SO2
hidrocarburos no quemados y material particulado. Los principales agentes
contaminantes generados en el proceso de combustión de carbón son los óxidos de
azufre y nitrógeno.
El óxido de azufre (SO2) se oxida a SO3 y reacciona con el agua atmosférica para
formar la lluvia ácida (H2SO4). De igual manera los óxidos de nitrógeno (NOx)
reaccionan con el agua para formar la lluvia ácida (HNO3).
En estos términos, la construcción de un ducto de postcombustión minimiza la
emisión de CO, material particulado e hidrocarburos no quemados. “LIMPIEZA DE
LOS GASES DE COQUIZACION” es un proyecto complementario al de la
“PLANTA DEMOSTRATIVA DE PRODUCCION DE COQUE”, en donde se
minimizará las emisiones de SO2 (principalmente) y de NOx y se enmarca como un
proyecto de desarrollo sostenible posible de implementar en las diferentes zonas
carboníferas del país y en especial en la región Cundiboyacense y de Norte de
Santander, en donde se encuentran importantes reservas de carbones coquizables.
Finalmente es importante que se dé continuidad en la investigación de procesos que
permitan implementar programas de reconversión a tecnologías limpias mediante la
investigación, diseño y construcción de las diferentes partes del proceso, las cuales
pueden ser aplicables a diferentes procesos industriales que utilicen carbón como
combustible (planta térmicas, cementeras, plantas coquizadoras, etc).
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