Gasificación del carbón Gasificación del carbón para el progreso de la para el progreso de la generación de potencia generación de potencia

Fuel,84,2005,2222-2235Fuel,84,2005,2222-2235

Ricardo Angulo M.Ricardo Angulo M.

Grupo de Investigación del Grupo de Investigación del CarbónCarbón

Estatus de las tecnologías de gasificación Estatus de las tecnologías de gasificación de combustibles fósilesde combustibles fósiles

Numero y tipo de plantasNumero y tipo de plantas En el mundo hay alrededor de 160 plantas En el mundo hay alrededor de 160 plantas

modernas de gasificación y además 65 en estado de modernas de gasificación y además 65 en estado de planeación. Los producto primarios que pueden ser planeación. Los producto primarios que pueden ser producidos en tales plantas incluyen electricidad, producidos en tales plantas incluyen electricidad, amoniaco reactivos oxigenados, gas de síntesis, amoniaco reactivos oxigenados, gas de síntesis, metanol, hidrógeno, Tabla 1. La mayoría de esas metanol, hidrógeno, Tabla 1. La mayoría de esas plantas están localizadas en Europa y los Estados plantas están localizadas en Europa y los Estados UnidosUnidos

Opciones de materia primaOpciones de materia prima

CarbónCarbón

Gas naturalGas natural

Residuos de refineríaResiduos de refinería

Biomasa / residuos en combinación con el Biomasa / residuos en combinación con el carbóncarbón

Opciones de procesosOpciones de procesos

Cerca del 20% de las plantas de Cerca del 20% de las plantas de gasificación en el mundo usan carbón gasificación en el mundo usan carbón para producir energía eléctrica. El resto para producir energía eléctrica. El resto produce químicos tales como amoniaco, produce químicos tales como amoniaco, metanol, químicos oxigenados y gas de metanol, químicos oxigenados y gas de síntesis. síntesis.

Opciones tecnológicasOpciones tecnológicas

Gasificadores de lecho de arrastreGasificadores de lecho de arrastre

Gasificadores de lecho fluidizado.Gasificadores de lecho fluidizado.

Gasificadores de lecho fijoGasificadores de lecho fijo

Gasificadores de lecho de Gasificadores de lecho de arrastrearrastre

Estos gasificadores son los mas amplios Estos gasificadores son los mas amplios usados con 7 diferentes usados con 7 diferentes tecnologías( BBP, Hitachi, MHI, tecnologías( BBP, Hitachi, MHI, PRENFLO, SCGP,E-Gas y Texaco). En PRENFLO, SCGP,E-Gas y Texaco). En estos gasificadores , el carbón y otras estos gasificadores , el carbón y otras partículas de combustible solido partículas de combustible solido reaccionan concurrentemente con vapor reaccionan concurrentemente con vapor de agua y oxigeno o aire en un modo de de agua y oxigeno o aire en un modo de flujo de fluido en suspensión.flujo de fluido en suspensión.

Gasificadores de lecho de Gasificadores de lecho de arrastrearrastre

Esto gasificadores generalmente Esto gasificadores generalmente operan a a temperaturas entre 1200 operan a a temperaturas entre 1200 -1600ºC y presiones entre 2- 8 MP -1600ºC y presiones entre 2- 8 MP con la mayoría de las palntas con la mayoría de las palntas operando 2.5 Mpa. El gas que sale operando 2.5 Mpa. El gas que sale del gasificador requiere enfriamiento del gasificador requiere enfriamiento significativo antes de ser limpiadosignificativo antes de ser limpiado

Gasificadores de lecho de Gasificadores de lecho de arrastrearrastre

Son los tipo de gasificadores versátiles Son los tipo de gasificadores versátiles tanto que ellos pueden aceptar tanto tanto que ellos pueden aceptar tanto combustibles sólidos como líquidos y combustibles sólidos como líquidos y operan a altas temperatura ( encima de la operan a altas temperatura ( encima de la temperatura de escoria de al ceniza) para temperatura de escoria de al ceniza) para asegurar altas conversiones de carbono y asegurar altas conversiones de carbono y un gas de sintesis libre de alquitranes y un gas de sintesis libre de alquitranes y fenoles.fenoles.

Hay un mínimo de contenido de cenizas Hay un mínimo de contenido de cenizas requerido para los diseños de SCGP (>8%) requerido para los diseños de SCGP (>8%) los BP(>1%) y los gasificadores Hitachilos BP(>1%) y los gasificadores Hitachi

GASIFICADORES DE LECHO GASIFICADORES DE LECHO FLUIDIZADOFLUIDIZADO

Gasificadores de lecho Gasificadores de lecho fluidizadofluidizado

Hay seis tipo de procesos:(BHEL, HTW, Hay seis tipo de procesos:(BHEL, HTW, IDGCC, KRW, Reactor de transporte, Mitsui IDGCC, KRW, Reactor de transporte, Mitsui Babcock ABGC) usando gasificadores de Babcock ABGC) usando gasificadores de lecho fluidizado aunque la mayoría no se lecho fluidizado aunque la mayoría no se han desarrollado a la escala de han desarrollado a la escala de demostración. Estos solo puenden operar demostración. Estos solo puenden operar con combustibles sólidos ( 0.5-5 mm) con la con combustibles sólidos ( 0.5-5 mm) con la excepción del reactor de transporte el cual excepción del reactor de transporte el cual opera con tamaño pulverizado( < 50opera con tamaño pulverizado( < 50μμm)m)

Gasificadores de lecho Gasificadores de lecho fluidizadofluidizado

Una de las ventajas de esos tipos de Una de las ventajas de esos tipos de gasificadores es que ellos pueden operar a gasificadores es que ellos pueden operar a cargas variables lo cual les da una alta cargas variables lo cual les da una alta turndown flexibilidad.turndown flexibilidad.

Como consecuencia de las temperaturas bajas Como consecuencia de las temperaturas bajas de operación es la conversión incompleta en de operación es la conversión incompleta en una simple etapa, dejando una mas baja una simple etapa, dejando una mas baja eficiencia de gases fríos que en otro tipo de eficiencia de gases fríos que en otro tipo de gasificadores.gasificadores.

Azufre , el cual se encuentra en las corrientes Azufre , el cual se encuentra en las corrientes gaseosas como H2S y COS puede se gaseosas como H2S y COS puede se parcialmente retenido( hasta un 90%) en un parcialmente retenido( hasta un 90%) en un lecho de sulfato de calciolecho de sulfato de calcio

Procesos de gasificación de lecho Procesos de gasificación de lecho móvilmóvil

Hay solo tres tipos de proceso de Hay solo tres tipos de proceso de gasificación usando gasificadores de lecho gasificación usando gasificadores de lecho móvil de(BGL, BHL, Ceniza seca de Lurgi) móvil de(BGL, BHL, Ceniza seca de Lurgi) desarrollados a escala industrial, pensando desarrollados a escala industrial, pensando que ellos son los mas maduros de los tres que ellos son los mas maduros de los tres tipos genéricos de gasificadores. Ellos son tipos genéricos de gasificadores. Ellos son solo deseables para combustibles sólidos y solo deseables para combustibles sólidos y pueden procesar carbones con biomasa/ o pueden procesar carbones con biomasa/ o residuos residuos

Gasificador para la generación Gasificador para la generación de potencia de potencia

La mayoría de los mejores proyectos IGCC La mayoría de los mejores proyectos IGCC están basados en la tecnología de están basados en la tecnología de gasificación Texaco y Shell. Los tiempos de gasificación Texaco y Shell. Los tiempos de residencia del carbón en los gasificadores residencia del carbón en los gasificadores de lecho móvil están en el orden de 15 a de lecho móvil están en el orden de 15 a 60 minutos para gasificadores de vapor / 60 minutos para gasificadores de vapor / oxigeno y puede ser de varias horas para oxigeno y puede ser de varias horas para gasificadores de vapor/aire.La presión en el gasificadores de vapor/aire.La presión en el lecho es tipicamente de 3 Mpa para lecho es tipicamente de 3 Mpa para gasificadores comerciales con ensayos gasificadores comerciales con ensayos realizados hasta de 10Mparealizados hasta de 10Mpa

Gasificación en USAGasificación en USA

Treinta y ocho proyectos de gasificación ya Treinta y ocho proyectos de gasificación ya sea en operación o en planeación dentro de sea en operación o en planeación dentro de USA. De estos ocho usaran carbones de USA. De estos ocho usaran carbones de diferente rango( tres, carbones bituminosos, diferente rango( tres, carbones bituminosos, uno usara antracita y otro usara lignito). La uno usara antracita y otro usara lignito). La mitad de lso proyectos producirán reactivos mitad de lso proyectos producirán reactivos químicos y su productos primarios; los otros químicos y su productos primarios; los otros producirán electricidad. Solo 4 de los 19 producirán electricidad. Solo 4 de los 19 plantas que producirán químicos usarán plantas que producirán químicos usarán carbón. Mas de la mitad de los proyectos de carbón. Mas de la mitad de los proyectos de gasificadores en la Usa usan al tecnologóa gasificadores en la Usa usan al tecnologóa de gasificación Texacode gasificación Texaco

Gasificadores en USAGasificadores en USA

Seis de los proyectos IGCC para Seis de los proyectos IGCC para electricidad han recibido incentivos electricidad han recibido incentivos financieros del gobierno.financieros del gobierno.

Polk County IGCC projectPolk County IGCC project Wabash River Energy limitedWabash River Energy limited Pinon Pine IGCC power projectPinon Pine IGCC power project Kentucky pioneer Energy AFT-IGCC Kentucky pioneer Energy AFT-IGCC

projectproject Calla IGCC projectCalla IGCC project Boise cascade projectBoise cascade project

Gasificadores para Productos Gasificadores para Productos químicos USAquímicos USA

Los proyectos de gasificación para producir Los proyectos de gasificación para producir reactivos químicos en USA son localizadas reactivos químicos en USA son localizadas en grandes plantas petroquímicas, en grandes plantas petroquímicas, refinerías plantas de gas y plantas refinerías plantas de gas y plantas químicas. Ellas producen un intervalo químicas. Ellas producen un intervalo importante de productos que incluyen:importante de productos que incluyen:

Anhídridos, amoniaco, hidrógeno, metanol Anhídridos, amoniaco, hidrógeno, metanol químicos oxigenados, gas de síntesis, y químicos oxigenados, gas de síntesis, y combustible disel. La mayoría están combustible disel. La mayoría están localizadas en Texas y Lousianalocalizadas en Texas y Lousiana

Experiencia Sur AfricanaExperiencia Sur Africana

Una variante de la producción de químicos Una variante de la producción de químicos que esta bien establecida en este país es el que esta bien establecida en este país es el uso de la gasificación para al producción de uso de la gasificación para al producción de gas de síntesis como materia prima para la gas de síntesis como materia prima para la licuefacción. Así este país tiene una licuefacción. Así este país tiene una industria que produce el 40% de su industria que produce el 40% de su gasolina y combustible disel usando gasolina y combustible disel usando modernas tecnologías de licuación.modernas tecnologías de licuación.

Sasol tiene una capacidad para producir Sasol tiene una capacidad para producir 150.000b/d de combustibles líquidos150.000b/d de combustibles líquidos

ADAPTACION DE LAS ADAPTACION DE LAS TECNOLOGÍAS DE TECNOLOGÍAS DE GASICACION A LAS GASICACION A LAS

PROPIEDADES DEL CARBÓNPROPIEDADES DEL CARBÓNIJCG,65,2006,191-212IJCG,65,2006,191-212

Adaptación de las tecnologías de gasificación a Adaptación de las tecnologías de gasificación a las propiedades del carbónlas propiedades del carbón

Demanda global de electricidad esta incrementando a cerca de Demanda global de electricidad esta incrementando a cerca de tres veces al velocidad total de la energía mientras la industria tres veces al velocidad total de la energía mientras la industria espera reducir las emisiones de CO2 a cusa del calentamiento espera reducir las emisiones de CO2 a cusa del calentamiento global. Como consecuencia hay presión para mejorar la global. Como consecuencia hay presión para mejorar la eficiencia del uso de energía a través de cambios en las eficiencia del uso de energía a través de cambios en las tecnologías y producir vectores de energía tales como H2 con tecnologías y producir vectores de energía tales como H2 con cerca de cero emisiones de gases de invernaderos. cerca de cero emisiones de gases de invernaderos. Gasificación con oxigeno puede ser la mas atractiva ruta para Gasificación con oxigeno puede ser la mas atractiva ruta para al producción de H2 desde el carbón con captura y secuestro al producción de H2 desde el carbón con captura y secuestro como que puede ser removido CO2 de los gases de síntesis en como que puede ser removido CO2 de los gases de síntesis en al precombustión o desde de los gases de salida en al al precombustión o desde de los gases de salida en al poscombustiónposcombustión

Otra tecnología de gasificación atractiva es la IGCC es al Otra tecnología de gasificación atractiva es la IGCC es al posibilidad de cogeneración de electricidad, H2 y químicos. posibilidad de cogeneración de electricidad, H2 y químicos. Hay 65 licencias de Chevron Texaco que producen potencia , Hay 65 licencias de Chevron Texaco que producen potencia , químicos e hidrógeno de carbón. Tres de las las instalaciones químicos e hidrógeno de carbón. Tres de las las instalaciones de gasificación producen amoniaco, una produce gas de de gasificación producen amoniaco, una produce gas de ciudad y electricidad una es una planta IGCC y una esta ciudad y electricidad una es una planta IGCC y una esta produciendo metanol y químicos. Hay otros proyectos de produciendo metanol y químicos. Hay otros proyectos de gasificación en desarrollo ingenieril para la producción de gasificación en desarrollo ingenieril para la producción de disel, gas de síntesis o H2/ vapor o electricidad de carbón , disel, gas de síntesis o H2/ vapor o electricidad de carbón , gas natural o derivados de petróleogas natural o derivados de petróleo

Propiedades de la ceniza/ Propiedades de la ceniza/ escoriaescoria

Gasificadores de lecho de arrastre son generalmente Gasificadores de lecho de arrastre son generalmente recomendados para carbones con bajo contenido de cenizas recomendados para carbones con bajo contenido de cenizas por razones técnicas y económicas.por razones técnicas y económicas.

Dogan et al ejecutaron un análisis extensivo de los costos de Dogan et al ejecutaron un análisis extensivo de los costos de los refractarios de gasificadores comerciales y concluyeron los refractarios de gasificadores comerciales y concluyeron que algunos compuestos presentes en la escoria del carbón que algunos compuestos presentes en la escoria del carbón (SiO2, CaO, óxidos de hierro) pueden penetrar (SiO2, CaO, óxidos de hierro) pueden penetrar profundamente dentro de los materiales refractarios de profundamente dentro de los materiales refractarios de cromo y eventualmente aumentar las fracturas que dejan cromo y eventualmente aumentar las fracturas que dejan perdidas de materialperdidas de material

Temperatura de fusión de la Temperatura de fusión de la cenizaceniza

Carbones seleccionados para Carbones seleccionados para gasificadores de escoria debería tener un gasificadores de escoria debería tener un punto de fusión de la cenizas por debajo punto de fusión de la cenizas por debajo de al la temperatura de operación del de al la temperatura de operación del gasificador( 1400-1600ºC).En la práctica gasificador( 1400-1600ºC).En la práctica esta temperatura puede ser bajada esta temperatura puede ser bajada adicionando piedra caliza o mezclándolo adicionando piedra caliza o mezclándolo con un carbón de bajo contenido de con un carbón de bajo contenido de cenizascenizas

Temperatura de fusión de la Temperatura de fusión de la cenizaceniza

Ashizava et al desarrollaron un método para determinar el Ashizava et al desarrollaron un método para determinar el punto de fusión de las cenizas de 26 carbones como función punto de fusión de las cenizas de 26 carbones como función de la composición química de su ceniza (acidez). La acidez de la composición química de su ceniza (acidez). La acidez es definida como es definida como

Acidez = SiOAcidez = SiO22 + Al + Al22OO33/ F/ F22OO33+CaO+MgO+Na+CaO+MgO+Na22O+KO+K22OO

Tf =27.931 * X +1236.89Tf =27.931 * X +1236.89 X es la acidezX es la acidez

Viscosidad de la escoria y temperatura de viscosidad Viscosidad de la escoria y temperatura de viscosidad criticacritica

Shell usa un modelo SLAGS. El modelo da Shell usa un modelo SLAGS. El modelo da una estimación de las propiedades físicas una estimación de las propiedades físicas de la escoria , de su composición química. de la escoria , de su composición química. Este modelo fue originalmente desarrollado Este modelo fue originalmente desarrollado para escorias metalúrgicas pero mas tarde para escorias metalúrgicas pero mas tarde fue aplicado a escorias de carbones con tal fue aplicado a escorias de carbones con tal que los componentes estén presentes que los componentes estén presentes encima del 5%. El modelo tiene rutinas para encima del 5%. El modelo tiene rutinas para la estimación de al temperatura de fusión la estimación de al temperatura de fusión de la ceniza, viscosidad, densidad y tensión de la ceniza, viscosidad, densidad y tensión superficialsuperficial

Azufre y contenido de cloroAzufre y contenido de cloro

Durante la gasificación el azufre Durante la gasificación el azufre presente en el carbón es convertido presente en el carbón es convertido a Ha H22S el cual es altamente corrosivo S el cual es altamente corrosivo a los enfriadores del gas de síntesis y a los enfriadores del gas de síntesis y ocasiona serios deterioros a los ocasiona serios deterioros a los sistemas de intercambiadores de sistemas de intercambiadores de calor.calor.

La mayoría de los carbones La mayoría de los carbones contienen cantidades menores de contienen cantidades menores de cloro en el intervalo de 0.05 -0.5% cloro en el intervalo de 0.05 -0.5%