GASIFICACION DE CARBON

ING. M.Sc. MARCO ANTONIO ARDILA B

INTRODUCCION El carbn es un recurso natural disponible en muchos pases del mundo. Es una fuente de carbono utilizada principalmente para la generacin de energa. El gas de sntesis (H2 + CO) es un producto de la pirlisis, en el cual se da valor agregado al carbn, para uso en Centrales de generacin trmica de turbinas a gas, para sntesis de combustibles lquidos mediante el proceso Fischer Tropsch, para obtencin de productos gaseosos como gas natural sinttico y tambin como combustible en celdas combustibles[1]. Los gases combustibles obtenidos a partir del carbn, para uso residencial, comercial e industrial se producen desde hace ms de 100 aos; su produccin decae despus de la segunda guerra mundial, debido al descubrimiento y explotacin del gas natural. Actualmente, este proceso recobra vigencia como fuente de energa alterna para suplir las grandes necesidades energticas del mundo, y particularmente, en pases que cuentan con grandes reservas de carbn [2].

INVESTIGACIONES RECIENTES Tradicionalmente la gasificacin de carbn se ha hecho usando vapor y aire en gasificadores de carbn; con base en este principio, a continuacin se relacionan algunas investigaciones recientes: Neogi et al. have experimentally studied coal gasification in a fluidized bed

reactor using steam as the fluidizing medium and simulated the dynamic behavior and steady state performance of the gasifier to a mathematical model [3] .

Bayarsaikhan et al. have experimentally studied the steam gasification of a Victorian brown coal in an atmospheric bubbling fluidized-bed reactor with continuous feeding of coal [4].

Sekine et al. have studied the reactivity and structural change of coal char during steam gasification [5].

Peng et al. have studied the reactivities of in situ and ex situ coal chars of bituminous coal, subbituminous coal and lignite in steam gasification and found that the reactivities of the resulting in situ chars were up to six times higher than that of the corresponding exsitu chars [6].

Foong et al. have studied the coal gasification in a spouted bed reactor to produce syngas using mixtures of steam and air and compared the results to commercial moving and fluidized bed systems [7].

Chatterjee et al. have studied the gasification of high ash India coal in a laboratory scale, atmospheric fluidized bed gasifier using steam and air as fluidizing media and compared the predicted and experimental data to show similar trends [8]. Coal gasification can also be done using CO2. Irfan et al. have reported a detailed review of coal gasification in CO2 atmosphere and its kinetics since 1948 [9]. Ethan et al. have studied the effect of CO2 gasification reaction on oxy-combustion of pulverized coal char and reported new calculations that give new insight into the complexity of the effects from the CO2 gasification reaction [10]. Wei-Biao and Qing-Hua have found a general relationship between the kinetic parameters for the gasification of coal chars with CO2 and coal type [11]. Marcel et al. have experimentally studied the coal gasification at pressure by mixtures of carbon dioxide and oxygen and reported that experimental results could be satisfac-torily explained by means of a model based on thermodynamic equilibria [12]. Coal is also gasified with biomass [13] and wood [14].

GASIFICACION La gasificacin del carbn es un proceso que transforma el carbn desde su estado slido, en un combustible gaseoso (compuesto fundamentalmente por CO e H2), tambin conocido como syngas, mediante una oxidacin parcial, al que hay que retirar una serie de sustancias indeseables, como son los compuestos de S y la ceniza del carbn original. El resultado es una fuente energtica gaseosa, limpia y transportable [15].

El gas producido se clasifica por su poder calorfico, de la siguiente manera [2]:

TIPO DE GAS COMPOSICION PODER CALORIFICO

(BTU/SCF)

Bajo Poder Calorfico (gas pobre o Syngas) CO, H2, CO2, N2 100 - 250

Medio Poder Calorfico CO, H2, CO2, CH4 270 - 600

Alto Poder Calorfico (gas tratado) CH4, CO, CO2, N2 970 - 1000

DIAGRAMAS DE FLUJO PARA LA PRODUCCION DE GAS POBRE O SYNGAS [2]

La produccin de gas crudo (sin tratar) se lleva a cabo a temperaturas entre 120 y 1650C. De forma general , el proceso se lleva a cabo en los siguientes pasos [2]:

CARBON GAS

CRUDO GAS

TRATADO LIMPIEZA

DIAGRAMAS DE FLUJO PARA LA PRODUCCION DE GAS DE PODER CALORIFICO MEDIO Y ALTO [2]

QUIMICA DE LA GASIFICACION DEL CARBON [2]

COQUIZACION

CARBON

H, O, N, S (bajo %)

C (alto %)

Calentamiento a +/- 1300C

COQUE

MEZCLA GASES

LIQUIDOS

C

H2, CO, CH4, CNHM

CNHM = Gases iluminantes (Hidrocarburos insaturados)

Composicin Gases de Coquizacin: CH4 : 28% vol. Aprox. H2 : 55% vol. Aprox. CO, CNHM : 17% vol. Aprox.

Aproximadamente el 20% del poder calorfico del carbn, est presente en el gas.

REACCIONES QUIMICAS DEL COQUE EN EL ALTO HORNO [2]

Gas: 90 BTU/scf Otros gases

C + 1/2O2 + 2N2 CO + 2N2 + H2 + CO2

27% 60% 1% 12%

Este gas se puede producir quemando carbn en ausencia de aire, usando reactores diferentes al alto horno.

En el alto horno, el azufre (S) y las cenizas del carbn salen en las escorias del proceso.

En el proceso de oxidacin parcial del carbn, la reaccin es exotrmica; por lo tanto se puede adicionar vapor de agua para moderar el incremento de temperatura

PC gas175 BTU/scf Reaccin endotrmica

H2O(V) + C + AIRE CO + H2 + CO2 + N2 + CH4

Composicin tpica (%) 28 14 4 51 3

La eliminacin de nitrgeno duplica el poder calorfico PC gas 350 BTU/scf., y se obtiene un gas de poder calorfico medio. Al calentar el carbn quemado con aire parte de este, hasta la incandescencia, y reemplazar el flujo de aire por vapor al carbn, se obtiene un gas azul, o gas de agua, libre de nitrgeno.

C + H2O(V) + AIRE CO + H2

En algunos procesos se reemplaza la inyeccin de aire por oxgeno, lo cual elimina el nitrgeno e incrementa el poder calorfico del gas. El proceso de gasificacin de carbn tambin se puede llevar a cabo mediante la reaccin de hidrogasificacin, tambin conocida como reaccin de metanacin:

CO + 3H2 CH4 + H2O

CONSIDERACIONES TERMICAS DEL PROCESO DE GASIFICACION [2]

Todos los procesos de gasificacin requieren del suministro de calor con altos niveles de temperatura, lo cual se logra mediante la combustin de carbn, con aire o con oxgeno. El gas obtenido es de bajo poder calorfico.

C + O2 + N2 CO2 + N2

C + O2 CO2

En los procesos que involucran pirlisis se obtiene gas de poder calorfico medio y no incluyen combustin directa como parte del proceso. Para producir gas de poder calorfico medio y alto se requiere la separacin del aire para inyectar oxgeno y/o vapor de agua, lo cual implica procesos adicionales que elevan los costos de manera significativa.

2C + 1/2O2 + H2O 2CO + H2

REQUERIMIENTOS DE DISEO MECANICO DEL PROCESO DE GASIFICACION [2]

El diseo de un reactor para gasificacin de carbn, debe tener la siguiente configuracin:

Alimentacin de slidos al reactor (en algunos procesos, a presin muy alta).

Contacto del carbn con los gases reactantes.

Remocin de cenizas slidas o lquidas.

Recoleccin y manejo de material particulado fino, o polvo de la reaccin suspendido en los gases emitidos durante el proceso.

Alimentacin de slidos.

Los dispositivos de mayor uso son los tornillos sin fin y las vlvulas de estrella; se usan en procesos de alimentacin externa a baja presin (P15 psi), y en procesos de alta presin para alimentacin interna entre contenedores.

Contacto del carbn con los gases reactantes.

Lecho fijo de slidos descendentes con flujo de gases ascendente

Granulometra del carbn a 1

Agentes gasificadores Oxgeno Vapor de agua

Contacto del carbn con los gases reactantes.

Lecho fluidizado

Granulometra del carbn menor a 2.362 mm. (bajo malla 8)

Caudal Agentes gasificadores 1 a 2 cfs (pies cbicos por seg)

Contacto del carbn con los gases reactantes.

Slidos arrastrados

Granulometra del carbn 80% menor a 0.074 mm. (bajo malla 200)

Caudal mezcla carbn/Agentes gasificadores

Mayor a 20 cfs (pies cbicos por seg)

Remocin de cenizas.

La ceniza se extrae del reactor esencialmente se esencialmente de la misma forma que entra el carbn: como un lodo, o en un contenedor; si la ceniza est fundida se rompe en agua antes de descargarla.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Kale, G.R., et al., Combined gasification of lignite coal: Thermodynamic and application study. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.jtice.2013.04.015 . [2] Bodle, William W., Heubler, Jack. Institute of gas technology. Chicago Illinoise. Coal Handbook, edited by Marcel Decker inc. United States of America, 1981. pp 493-713. [3] Neogi D, Chang CC, Walawender WP, Fan LT. Study of coal gasification in an experimental fluidized bed reactor. AIChE J 1986;32:1728. [4] Bayarsaikhan B, Sonoyama N, Hosokai S, Shimada T, Hayashi J, Li CZ, et al. Inhibition of steam gasification of char by volatiles in a fluidized bed under continuous feeding of a brown coal. Fuel 2006;85:3409. [5] Sekine Y, Ishikawa K, Kikuchi E, Matsukata M, Akimoto A. Reactivity and structural change of coal char during steam gasification. Fuel 2006;85:1226. [6] Peng FF, Lee IC, Yang RYK. Reactivities of in-situ and ex-situ coal chars during gasification in steam at 10001400 8C. Fuel Process Technol 1995;41: 23351. [7] Foong SK, Lim CJ, Watkinson AP. Coal gasification in a spouted bed. Can J Chem Eng 1980;58:8491. [8] Chatterjee PK, Datta AB, Kundu KM. Fluidized bed gasification of coal. Can J Chem Eng 1995;73:20410. [9] Muhammad FI, Muhammad RU, Kusakabe K. Coal gasification in CO2 atmo-sphere and its kinetics since 1948: a brief review. Energy 2011;36:1240. [10]Hecht ES, Shaddix CR, Molina A, Haynes BS. Effect of CO2 gasification reaction on oxy- combustion of pulverized coal char. Proc Combust Inst 2011;33: 1699706.

[11] Wei-Biao Fu, Qing-Hua WA. General relationship between the kinetic param-eters for the gasification of coal chars with CO2 and coal type. Fuel Process Technol 2011;72:6377. [12] Marcourt M, Paquay V, Piel A, Jean-Paul P. Coal gasification at pressure by mixtures of carbon dioxide and oxygen. Fuel 1983;62:8238. [13] Kumabe K, Hanaoka T, Fujimoto S, Minowa T, Sakanishi K. Co-gasification of woody biomass and coal with air and steam. Fuel 2007;86:6849. [14] Aigner I, Pfeifer C, Hofbauer H. Co-gasification of coal and wood in a dual fluidized bed gasifier. Fuel 2011;90:240412.