T Hoogovens (The Netherlands) ha reportado resultados de estudios de modelamiento de laboratorio En el primer estudio el carbon se inyecto en un homo vado operando a temperaturas de pared de 1 100degC (2012degF) El porcentaje de carbon gasificado se determino tomando gas de muestras solidas de el homo Se evaluaron carbones con contenidos de materias volatiles variables entre 4 y 38 Los carbones altos en volatiles gt35 se gasificaron en cerca del 6S en el reactor El grado de gasificacion disminuyo en un 4 para el carbon con contenido de materia volatil por debajo del 20

Esta simulacion se parece al ambiente de una caldera mas que a la del alto homo donde los conductos son circundados por coque caliente Hoogovens efectuo un segundo estudio de laboratorio donde el carbon se inyecto dentro de un homo que

t contenia un vado dentro de la capa de coque para proporcionar una mejor simulacion de los conductos La cap a de coque se mantuvo a ISOOoe (2732degF) Despues de Ia prueba los finos del carbon en la fonna de char se colectaron desde dentro dellecho de coque y se adicionaron a los que escaparon del homo con el fin de determinar el porcentaje del carbon combustionado

Aproximadamente 95 de un carbon alto en volatiles fue combustionado en esas pruebas cuando se inyecto a 200 KgMg (400 lblt) El valor fue cerca de 10 mas bajo para carbones bajos en volatiles bajo las mismas condiciones El porcentaje de carbon combustionado disminuyo a medida que la tasa de inyeccion aumento llegando al 80 para un carbon alto en volatiles a una tasa de inyeccion de 300 KgMg (600 lblt) Asi se espera que un gran porcentaje de carbon sea combustionado aun a muy altas tasas de inyeccion

Hay pocas maneras de aumentar la combustion en el conducto Uno es enriquecer el aire del alto homo con oxigeno Un enriquecimiento de 3-5 de oxigeno en el gas del alto homo es nonnal para homos que usan carbon pulverizado El uso de oxigeno tambien reduce la disminucion de presion a traves del alto homo ya que se requiere menos aire para proporcionar la misma cantidad de oxigeno

Como se podria esperar el tamafio del carbon pulverizado afecta la combustion EI mayor efecto se presentamiddot con carbon mayor que malIa 200 el cual quema mucho mas lento que el carbon mas fino Ademas puede haber un retroceso para los carbones de tamano mas fino cuando se intent an niveles de inyeccion mas alta Esto es 10 contrario a 10 que ocurre en la industria pel en la cual se esta generando ahora un producto mas grueso con el fin de incrementar la produccion

No es un desastre total si el char de carbon escapa los conductos desde que este tenga un chance adicional de reaccionar directamente con los oxidos de hierro 0 con el bi6xido de carbono en el homo para fonnar CO para reducir los pelets de oxidos de hierro La reaccion de carbo no solido con C02 se llama perdida de solucion y tambien Ie ocurre al coque en el homo

99

Tt

Rutinariamente se efectuan amilisis de la tasa de generacion y composicion de polvo en el alto homo en las plantas con PCI Esos amilisis han revelado que rio ha habido un incremento en la cantidad de polvo generado en el alto homo El char de carbon

aparece en el polvo pero la suma del char de carbon y el polvo de coque no es mayor que fa cantidad de poIvo de coque que se generaba antes de usar PCL

La inyeccion de carbon afecta la cali dad del coque a medida que menos coque se proporciona al so porte estructural y al paso del gas en el alto homo Ademas este coque debe permanecer en el alto homo mas tiempo debido a que el tiempo de residencia se incrementa La cali dad del coque podria volverse un factor limitante en la inyeccion de carbon

47 GASIFICACION

Aunque se ha producido gas de poder calorifico medio en muchas areas por carbonizacion tradicional a partir del carbon en retortas de tipos especiales este se esta reemplazando por el gas natural El gas es solo uno de los combustibles que hac en parte de una serie de combustibles de diferente composicion y poder calorifico que pueden obtenerse a partir del carbon Dependiendo del tipo de gasificador y de las condiciones de gasificacion el gas que se produce a partir del carbon puede usarse en pnicticamente todas las aplicaciones donde el gas natural 0 aceite combustible se utiliza inc1uyendo calderas calderas industriales turbinas de gas homos para coccion de ladrillos procesamiento de los minerales de hierro homos de tratamiento del acero homos de elaboracion de vidrio y motores de combustion intema oscilante

La gasificacion modema se dirige principalmente hacia producir gas de sintesis (SYNGAS) el cual es una mezc1a de CO y H2 0 gas natural sintetico (SNG)~ consistente solamente de metano El syngas se puede usar para hacer una variedad de productos tales como metanol y gasolina derivada del metanol mientras el gas natural sintetico puede alimentarse directamente en sistemas de rejilla de gas natural para suministro domestico industrial y electrico

471 Reacciones de gasificacion

En la gasificacion completa el carbon reacciona con un agente gasificante tal como vapor u oxigeno EI material organico se convierte en gas y las cenizas son dejadas como residuo usualmente en la forma de polvo seco 0 escoria fundida dependiendo del sistema de gasificacion EI estudio del destino del carbo no elemental en el carbon proporciona una manera conveniente de monitorear las reacciones de gasificacion y comparar las tasas de gasificacion de diferentes carbones Las reacciones fundamentales involucradas se muestran en la Tabla 15

100

- --

I T

amp

TABLA 15 R basicas d -_- ficacion del carbon (P 976)-H 00 de calor (Kcalfmol) de combustion Reacciones primarias

Reac gas-agua Cs + H20v CO+H2 +283 29 endotennica Reac Boundouard Cs + CO2 2CO +383 40 endotennica Comb Parcial Cs + 11202 CO - 294 30 exotennica Hidrogasificac Cs + 2H2 CH4 -209 22 exotennica

Reacciones secundarias Reac Shift CO + H20v H2 + CO2 -101 10 exotennica Metanacion 3H2 + CO CH4+H20v - 492 5 1 exotennica

Dos de esas reacciones la reaccion agua-gas y Boundouard son endotermicas Para gasificar una tonelada de carbono por el proceso agua-gas se requiere una cantidad de calor equivalente a quemar 029 toneladas adicion~les de carbono mientras en la reaccion boundouard la cual juega un importante papel en las reacciones en el alto homo se requieren 040 toneladas adicionales

Los gasificadores se pueden clasificar teniendo en cuenta el metodo usado para generar calor durante las reacciones de gasificacion En los gasificadores autotermicos el calor requerido se genera en los reactores usando vapor y oxigeno como el agente gasificador El oxigeno causa combustion de parte del carbon y as produce la reaccion de calor mientras el vapor reacciona con la otra parte del carbon para formar agua-gas Los tipos de reactores autotermicos incluyen lecho fijo lecho fluidizado y gasificadores de lecho circulante

Los procesadores alotermicos son aquellos en los cuales el calor que se requiere para las reacciones de gasificacion se generan por fuera del reactor Este calor se puede proporcionar por camaras de combustion extema que queman los gases del carbon 0

productos de carbonizacion y son transferidos a el gasificador por vapor supercaJentado mezclas vapor-gas 0 solidos transportadores de calor Otro concepto que se esta desarrollando usa un reactor nuclear a alta temperatura para calentar gas de helio el cual se alimenta a el gasificador Este sistema elimina la necesidad de usar cualquier carbon extemo para propositos de generacion de calor

472 Sistemas de gasificacion convencional

Muchos sistemas de gasificacion diferentes se han desarrollado y algunos de esos estan corrientemente en operacion comercial Otros se estan desarrollando con el objeto de obtener mas altas eficiencias termicas y mas bajos niveles de inversion de capital Esos gasificadores difieren uno del otro con respecto a los siguientes rasgos

1 El tipo y rango del carbon utilizado 2 La distribucion de tamaiios del carbon

11)0 NtCllil I~j~- ii

3 EI agente gasificante (vapor-oxigeno vapor-aire hidrogeno) lemiddot t-~~jt~~I~4 EI patron de flujo de los reactantes y los productos

101 ~ --

Dtrr~ itj ~t~LfHLC~

UbIfO~t~( imiddot I lui ~ bullbull InO

f

5 El tiempo de residencia del carbon 6 La temperatura y presion de la reaccion

Ellos ademas se pueden c1asificar como no productores de escoria (fondo seco) 0

formadores de escoria (fondo hUmedo) La Figura 34 ilustra los principaIes tipos de gasificadores y los perfiles de temperatura para los reactantes Y productos en cada caso Carbon 16-50 mml

la)

Vapor y Oxleno

(bl

Vapor y OXigno

Ie)

Vapor I

I t~r GhmiddotrLshy as

I~I~ W~J~ ~~~ tli~yen~~ ~~ ~r Qi

Cenba

tdJ Carbon laquo3 mm)

Vapor I - I Gas OXlgeno CA~r

It -7 ~~

r r------shySaa - ~-~--~--~~ Sustanda cferrt_ shy -- _- _ - _ -_ drrttlda tda Y ell

JCarbon

r Gas

Vapor y Oxlelno

200

t Gas

~ ICarbon

L I I

v Oxfuno

- bullbull - - shy - shy - Char ~ L--L

Vapor y

200 600 lOOO 1400 Temperature (Cl

Gas lit

Carbon

r I

Vapor I Oxllno Escorla

200 600 1000 1400 1800

Temperature (OCI

Carbon ~

Vapor I Oxlglno

t Gas

I SUfa neia derrlflda

FIGURA 34 Clasificacion y caracteristicas de los principales sistemas de gasificacion

a Lecho fijo (no escoria) b Lecho Iuidizado c Flujo circulanted Baiio fundido

200 600 1000 Temperature IC)

1400

102

I Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos pasan atraves de cada tipo de sistema (Ward C 1984)

Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica se pueden f obtener grandes ventajas cuando el proceso se lleva a cabo bajo incrementos de presion Estos incluyen un reactor de mas alta capacidad debido a las tasas mejoradas de calor y transferencia de masa un cambio en el equilibrio de la formacion de metano en la direccion deseada reducion del consumo de oxigeno debido a el calor adicional de la formacion incrementada de metano y por 10 tanto el volumen de entrada de oxigeno es de solo 10-20 con respecto al gas que se produce asi se tiene un ahorro importante en costos de compresion cuando el producto se requiere bajo presion

De los tres principales procesos de gasificacion en uso 0 en desarrollo actualmente el Winkler Koppers-Totzek y el Lurgi el ultimo opera a alta presion tiene el mas bajo consumo especifico de oxigeno presenta la mas alta produccion de gas seco y Syngas y da la mas alta eficiencia termica

A Gasificador Lurgi El gasificador Lurgi Figura 35 se basa en un contador de corriente autotermico que mueve ellecho usando vapor y oxigeno 0 vapor y aire como el agente gasificante

El reactor es una vasija cubierta de agua a presion que opera a una presion de 3 Mpa (30 bar) con la alimentacion del carbon atraves de un sistema de tolva y un distribuidor de carbon

El tamano de particula minimo del carbon de alimentacion es de 2 mm aunque una cierta cantidad de material por debajo de ese tamano tambien se puede tolerar si es necesario El oxigeno y el vapor se inyectan atraves de una rejilla rotatoria la cual al mismo tiempo se usa para extraer el residuo de las cenizas Estas se descargan atraves de una cerradura de cenizas

EI gas crudo deja el reactor a una temperatura que varia de 250 a 650degC Y se filtra por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador El gasificador estandar tiene un diametro intemo maximo de 39 m y una capacidad maxima de 750 GJ h-l (de energia de carbon)

103

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

Tt

Rutinariamente se efectuan amilisis de la tasa de generacion y composicion de polvo en el alto homo en las plantas con PCI Esos amilisis han revelado que rio ha habido un incremento en la cantidad de polvo generado en el alto homo El char de carbon

aparece en el polvo pero la suma del char de carbon y el polvo de coque no es mayor que fa cantidad de poIvo de coque que se generaba antes de usar PCL

La inyeccion de carbon afecta la cali dad del coque a medida que menos coque se proporciona al so porte estructural y al paso del gas en el alto homo Ademas este coque debe permanecer en el alto homo mas tiempo debido a que el tiempo de residencia se incrementa La cali dad del coque podria volverse un factor limitante en la inyeccion de carbon

47 GASIFICACION

Aunque se ha producido gas de poder calorifico medio en muchas areas por carbonizacion tradicional a partir del carbon en retortas de tipos especiales este se esta reemplazando por el gas natural El gas es solo uno de los combustibles que hac en parte de una serie de combustibles de diferente composicion y poder calorifico que pueden obtenerse a partir del carbon Dependiendo del tipo de gasificador y de las condiciones de gasificacion el gas que se produce a partir del carbon puede usarse en pnicticamente todas las aplicaciones donde el gas natural 0 aceite combustible se utiliza inc1uyendo calderas calderas industriales turbinas de gas homos para coccion de ladrillos procesamiento de los minerales de hierro homos de tratamiento del acero homos de elaboracion de vidrio y motores de combustion intema oscilante

La gasificacion modema se dirige principalmente hacia producir gas de sintesis (SYNGAS) el cual es una mezc1a de CO y H2 0 gas natural sintetico (SNG)~ consistente solamente de metano El syngas se puede usar para hacer una variedad de productos tales como metanol y gasolina derivada del metanol mientras el gas natural sintetico puede alimentarse directamente en sistemas de rejilla de gas natural para suministro domestico industrial y electrico

471 Reacciones de gasificacion

En la gasificacion completa el carbon reacciona con un agente gasificante tal como vapor u oxigeno EI material organico se convierte en gas y las cenizas son dejadas como residuo usualmente en la forma de polvo seco 0 escoria fundida dependiendo del sistema de gasificacion EI estudio del destino del carbo no elemental en el carbon proporciona una manera conveniente de monitorear las reacciones de gasificacion y comparar las tasas de gasificacion de diferentes carbones Las reacciones fundamentales involucradas se muestran en la Tabla 15

100

- --

I T

amp

TABLA 15 R basicas d -_- ficacion del carbon (P 976)-H 00 de calor (Kcalfmol) de combustion Reacciones primarias

Reac gas-agua Cs + H20v CO+H2 +283 29 endotennica Reac Boundouard Cs + CO2 2CO +383 40 endotennica Comb Parcial Cs + 11202 CO - 294 30 exotennica Hidrogasificac Cs + 2H2 CH4 -209 22 exotennica

Reacciones secundarias Reac Shift CO + H20v H2 + CO2 -101 10 exotennica Metanacion 3H2 + CO CH4+H20v - 492 5 1 exotennica

Dos de esas reacciones la reaccion agua-gas y Boundouard son endotermicas Para gasificar una tonelada de carbono por el proceso agua-gas se requiere una cantidad de calor equivalente a quemar 029 toneladas adicion~les de carbono mientras en la reaccion boundouard la cual juega un importante papel en las reacciones en el alto homo se requieren 040 toneladas adicionales

Los gasificadores se pueden clasificar teniendo en cuenta el metodo usado para generar calor durante las reacciones de gasificacion En los gasificadores autotermicos el calor requerido se genera en los reactores usando vapor y oxigeno como el agente gasificador El oxigeno causa combustion de parte del carbon y as produce la reaccion de calor mientras el vapor reacciona con la otra parte del carbon para formar agua-gas Los tipos de reactores autotermicos incluyen lecho fijo lecho fluidizado y gasificadores de lecho circulante

Los procesadores alotermicos son aquellos en los cuales el calor que se requiere para las reacciones de gasificacion se generan por fuera del reactor Este calor se puede proporcionar por camaras de combustion extema que queman los gases del carbon 0

productos de carbonizacion y son transferidos a el gasificador por vapor supercaJentado mezclas vapor-gas 0 solidos transportadores de calor Otro concepto que se esta desarrollando usa un reactor nuclear a alta temperatura para calentar gas de helio el cual se alimenta a el gasificador Este sistema elimina la necesidad de usar cualquier carbon extemo para propositos de generacion de calor

472 Sistemas de gasificacion convencional

Muchos sistemas de gasificacion diferentes se han desarrollado y algunos de esos estan corrientemente en operacion comercial Otros se estan desarrollando con el objeto de obtener mas altas eficiencias termicas y mas bajos niveles de inversion de capital Esos gasificadores difieren uno del otro con respecto a los siguientes rasgos

1 El tipo y rango del carbon utilizado 2 La distribucion de tamaiios del carbon

11)0 NtCllil I~j~- ii

3 EI agente gasificante (vapor-oxigeno vapor-aire hidrogeno) lemiddot t-~~jt~~I~4 EI patron de flujo de los reactantes y los productos

101 ~ --

Dtrr~ itj ~t~LfHLC~

UbIfO~t~( imiddot I lui ~ bullbull InO

f

5 El tiempo de residencia del carbon 6 La temperatura y presion de la reaccion

Ellos ademas se pueden c1asificar como no productores de escoria (fondo seco) 0

formadores de escoria (fondo hUmedo) La Figura 34 ilustra los principaIes tipos de gasificadores y los perfiles de temperatura para los reactantes Y productos en cada caso Carbon 16-50 mml

la)

Vapor y Oxleno

(bl

Vapor y OXigno

Ie)

Vapor I

I t~r GhmiddotrLshy as

I~I~ W~J~ ~~~ tli~yen~~ ~~ ~r Qi

Cenba

tdJ Carbon laquo3 mm)

Vapor I - I Gas OXlgeno CA~r

It -7 ~~

r r------shySaa - ~-~--~--~~ Sustanda cferrt_ shy -- _- _ - _ -_ drrttlda tda Y ell

JCarbon

r Gas

Vapor y Oxlelno

200

t Gas

~ ICarbon

L I I

v Oxfuno

- bullbull - - shy - shy - Char ~ L--L

Vapor y

200 600 lOOO 1400 Temperature (Cl

Gas lit

Carbon

r I

Vapor I Oxllno Escorla

200 600 1000 1400 1800

Temperature (OCI

Carbon ~

Vapor I Oxlglno

t Gas

I SUfa neia derrlflda

FIGURA 34 Clasificacion y caracteristicas de los principales sistemas de gasificacion

a Lecho fijo (no escoria) b Lecho Iuidizado c Flujo circulanted Baiio fundido

200 600 1000 Temperature IC)

1400

102

I Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos pasan atraves de cada tipo de sistema (Ward C 1984)

Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica se pueden f obtener grandes ventajas cuando el proceso se lleva a cabo bajo incrementos de presion Estos incluyen un reactor de mas alta capacidad debido a las tasas mejoradas de calor y transferencia de masa un cambio en el equilibrio de la formacion de metano en la direccion deseada reducion del consumo de oxigeno debido a el calor adicional de la formacion incrementada de metano y por 10 tanto el volumen de entrada de oxigeno es de solo 10-20 con respecto al gas que se produce asi se tiene un ahorro importante en costos de compresion cuando el producto se requiere bajo presion

De los tres principales procesos de gasificacion en uso 0 en desarrollo actualmente el Winkler Koppers-Totzek y el Lurgi el ultimo opera a alta presion tiene el mas bajo consumo especifico de oxigeno presenta la mas alta produccion de gas seco y Syngas y da la mas alta eficiencia termica

A Gasificador Lurgi El gasificador Lurgi Figura 35 se basa en un contador de corriente autotermico que mueve ellecho usando vapor y oxigeno 0 vapor y aire como el agente gasificante

El reactor es una vasija cubierta de agua a presion que opera a una presion de 3 Mpa (30 bar) con la alimentacion del carbon atraves de un sistema de tolva y un distribuidor de carbon

El tamano de particula minimo del carbon de alimentacion es de 2 mm aunque una cierta cantidad de material por debajo de ese tamano tambien se puede tolerar si es necesario El oxigeno y el vapor se inyectan atraves de una rejilla rotatoria la cual al mismo tiempo se usa para extraer el residuo de las cenizas Estas se descargan atraves de una cerradura de cenizas

EI gas crudo deja el reactor a una temperatura que varia de 250 a 650degC Y se filtra por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador El gasificador estandar tiene un diametro intemo maximo de 39 m y una capacidad maxima de 750 GJ h-l (de energia de carbon)

103

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

- --

I T

amp

TABLA 15 R basicas d -_- ficacion del carbon (P 976)-H 00 de calor (Kcalfmol) de combustion Reacciones primarias

Reac gas-agua Cs + H20v CO+H2 +283 29 endotennica Reac Boundouard Cs + CO2 2CO +383 40 endotennica Comb Parcial Cs + 11202 CO - 294 30 exotennica Hidrogasificac Cs + 2H2 CH4 -209 22 exotennica

Reacciones secundarias Reac Shift CO + H20v H2 + CO2 -101 10 exotennica Metanacion 3H2 + CO CH4+H20v - 492 5 1 exotennica

Dos de esas reacciones la reaccion agua-gas y Boundouard son endotermicas Para gasificar una tonelada de carbono por el proceso agua-gas se requiere una cantidad de calor equivalente a quemar 029 toneladas adicion~les de carbono mientras en la reaccion boundouard la cual juega un importante papel en las reacciones en el alto homo se requieren 040 toneladas adicionales

Los gasificadores se pueden clasificar teniendo en cuenta el metodo usado para generar calor durante las reacciones de gasificacion En los gasificadores autotermicos el calor requerido se genera en los reactores usando vapor y oxigeno como el agente gasificador El oxigeno causa combustion de parte del carbon y as produce la reaccion de calor mientras el vapor reacciona con la otra parte del carbon para formar agua-gas Los tipos de reactores autotermicos incluyen lecho fijo lecho fluidizado y gasificadores de lecho circulante

Los procesadores alotermicos son aquellos en los cuales el calor que se requiere para las reacciones de gasificacion se generan por fuera del reactor Este calor se puede proporcionar por camaras de combustion extema que queman los gases del carbon 0

productos de carbonizacion y son transferidos a el gasificador por vapor supercaJentado mezclas vapor-gas 0 solidos transportadores de calor Otro concepto que se esta desarrollando usa un reactor nuclear a alta temperatura para calentar gas de helio el cual se alimenta a el gasificador Este sistema elimina la necesidad de usar cualquier carbon extemo para propositos de generacion de calor

472 Sistemas de gasificacion convencional

Muchos sistemas de gasificacion diferentes se han desarrollado y algunos de esos estan corrientemente en operacion comercial Otros se estan desarrollando con el objeto de obtener mas altas eficiencias termicas y mas bajos niveles de inversion de capital Esos gasificadores difieren uno del otro con respecto a los siguientes rasgos

1 El tipo y rango del carbon utilizado 2 La distribucion de tamaiios del carbon

11)0 NtCllil I~j~- ii

3 EI agente gasificante (vapor-oxigeno vapor-aire hidrogeno) lemiddot t-~~jt~~I~4 EI patron de flujo de los reactantes y los productos

101 ~ --

Dtrr~ itj ~t~LfHLC~

UbIfO~t~( imiddot I lui ~ bullbull InO

f

5 El tiempo de residencia del carbon 6 La temperatura y presion de la reaccion

Ellos ademas se pueden c1asificar como no productores de escoria (fondo seco) 0

formadores de escoria (fondo hUmedo) La Figura 34 ilustra los principaIes tipos de gasificadores y los perfiles de temperatura para los reactantes Y productos en cada caso Carbon 16-50 mml

la)

Vapor y Oxleno

(bl

Vapor y OXigno

Ie)

Vapor I

I t~r GhmiddotrLshy as

I~I~ W~J~ ~~~ tli~yen~~ ~~ ~r Qi

Cenba

tdJ Carbon laquo3 mm)

Vapor I - I Gas OXlgeno CA~r

It -7 ~~

r r------shySaa - ~-~--~--~~ Sustanda cferrt_ shy -- _- _ - _ -_ drrttlda tda Y ell

JCarbon

r Gas

Vapor y Oxlelno

200

t Gas

~ ICarbon

L I I

v Oxfuno

- bullbull - - shy - shy - Char ~ L--L

Vapor y

200 600 lOOO 1400 Temperature (Cl

Gas lit

Carbon

r I

Vapor I Oxllno Escorla

200 600 1000 1400 1800

Temperature (OCI

Carbon ~

Vapor I Oxlglno

t Gas

I SUfa neia derrlflda

FIGURA 34 Clasificacion y caracteristicas de los principales sistemas de gasificacion

a Lecho fijo (no escoria) b Lecho Iuidizado c Flujo circulanted Baiio fundido

200 600 1000 Temperature IC)

1400

102

I Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos pasan atraves de cada tipo de sistema (Ward C 1984)

Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica se pueden f obtener grandes ventajas cuando el proceso se lleva a cabo bajo incrementos de presion Estos incluyen un reactor de mas alta capacidad debido a las tasas mejoradas de calor y transferencia de masa un cambio en el equilibrio de la formacion de metano en la direccion deseada reducion del consumo de oxigeno debido a el calor adicional de la formacion incrementada de metano y por 10 tanto el volumen de entrada de oxigeno es de solo 10-20 con respecto al gas que se produce asi se tiene un ahorro importante en costos de compresion cuando el producto se requiere bajo presion

De los tres principales procesos de gasificacion en uso 0 en desarrollo actualmente el Winkler Koppers-Totzek y el Lurgi el ultimo opera a alta presion tiene el mas bajo consumo especifico de oxigeno presenta la mas alta produccion de gas seco y Syngas y da la mas alta eficiencia termica

A Gasificador Lurgi El gasificador Lurgi Figura 35 se basa en un contador de corriente autotermico que mueve ellecho usando vapor y oxigeno 0 vapor y aire como el agente gasificante

El reactor es una vasija cubierta de agua a presion que opera a una presion de 3 Mpa (30 bar) con la alimentacion del carbon atraves de un sistema de tolva y un distribuidor de carbon

El tamano de particula minimo del carbon de alimentacion es de 2 mm aunque una cierta cantidad de material por debajo de ese tamano tambien se puede tolerar si es necesario El oxigeno y el vapor se inyectan atraves de una rejilla rotatoria la cual al mismo tiempo se usa para extraer el residuo de las cenizas Estas se descargan atraves de una cerradura de cenizas

EI gas crudo deja el reactor a una temperatura que varia de 250 a 650degC Y se filtra por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador El gasificador estandar tiene un diametro intemo maximo de 39 m y una capacidad maxima de 750 GJ h-l (de energia de carbon)

103

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

f

5 El tiempo de residencia del carbon 6 La temperatura y presion de la reaccion

Ellos ademas se pueden c1asificar como no productores de escoria (fondo seco) 0

formadores de escoria (fondo hUmedo) La Figura 34 ilustra los principaIes tipos de gasificadores y los perfiles de temperatura para los reactantes Y productos en cada caso Carbon 16-50 mml

la)

Vapor y Oxleno

(bl

Vapor y OXigno

Ie)

Vapor I

I t~r GhmiddotrLshy as

I~I~ W~J~ ~~~ tli~yen~~ ~~ ~r Qi

Cenba

tdJ Carbon laquo3 mm)

Vapor I - I Gas OXlgeno CA~r

It -7 ~~

r r------shySaa - ~-~--~--~~ Sustanda cferrt_ shy -- _- _ - _ -_ drrttlda tda Y ell

JCarbon

r Gas

Vapor y Oxlelno

200

t Gas

~ ICarbon

L I I

v Oxfuno

- bullbull - - shy - shy - Char ~ L--L

Vapor y

200 600 lOOO 1400 Temperature (Cl

Gas lit

Carbon

r I

Vapor I Oxllno Escorla

200 600 1000 1400 1800

Temperature (OCI

Carbon ~

Vapor I Oxlglno

t Gas

I SUfa neia derrlflda

FIGURA 34 Clasificacion y caracteristicas de los principales sistemas de gasificacion

a Lecho fijo (no escoria) b Lecho Iuidizado c Flujo circulanted Baiio fundido

200 600 1000 Temperature IC)

1400

102

I Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos pasan atraves de cada tipo de sistema (Ward C 1984)

Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica se pueden f obtener grandes ventajas cuando el proceso se lleva a cabo bajo incrementos de presion Estos incluyen un reactor de mas alta capacidad debido a las tasas mejoradas de calor y transferencia de masa un cambio en el equilibrio de la formacion de metano en la direccion deseada reducion del consumo de oxigeno debido a el calor adicional de la formacion incrementada de metano y por 10 tanto el volumen de entrada de oxigeno es de solo 10-20 con respecto al gas que se produce asi se tiene un ahorro importante en costos de compresion cuando el producto se requiere bajo presion

De los tres principales procesos de gasificacion en uso 0 en desarrollo actualmente el Winkler Koppers-Totzek y el Lurgi el ultimo opera a alta presion tiene el mas bajo consumo especifico de oxigeno presenta la mas alta produccion de gas seco y Syngas y da la mas alta eficiencia termica

A Gasificador Lurgi El gasificador Lurgi Figura 35 se basa en un contador de corriente autotermico que mueve ellecho usando vapor y oxigeno 0 vapor y aire como el agente gasificante

El reactor es una vasija cubierta de agua a presion que opera a una presion de 3 Mpa (30 bar) con la alimentacion del carbon atraves de un sistema de tolva y un distribuidor de carbon

El tamano de particula minimo del carbon de alimentacion es de 2 mm aunque una cierta cantidad de material por debajo de ese tamano tambien se puede tolerar si es necesario El oxigeno y el vapor se inyectan atraves de una rejilla rotatoria la cual al mismo tiempo se usa para extraer el residuo de las cenizas Estas se descargan atraves de una cerradura de cenizas

EI gas crudo deja el reactor a una temperatura que varia de 250 a 650degC Y se filtra por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador El gasificador estandar tiene un diametro intemo maximo de 39 m y una capacidad maxima de 750 GJ h-l (de energia de carbon)

103

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos pasan atraves de cada tipo de sistema (Ward C 1984)

Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica se pueden f obtener grandes ventajas cuando el proceso se lleva a cabo bajo incrementos de presion Estos incluyen un reactor de mas alta capacidad debido a las tasas mejoradas de calor y transferencia de masa un cambio en el equilibrio de la formacion de metano en la direccion deseada reducion del consumo de oxigeno debido a el calor adicional de la formacion incrementada de metano y por 10 tanto el volumen de entrada de oxigeno es de solo 10-20 con respecto al gas que se produce asi se tiene un ahorro importante en costos de compresion cuando el producto se requiere bajo presion

De los tres principales procesos de gasificacion en uso 0 en desarrollo actualmente el Winkler Koppers-Totzek y el Lurgi el ultimo opera a alta presion tiene el mas bajo consumo especifico de oxigeno presenta la mas alta produccion de gas seco y Syngas y da la mas alta eficiencia termica

A Gasificador Lurgi El gasificador Lurgi Figura 35 se basa en un contador de corriente autotermico que mueve ellecho usando vapor y oxigeno 0 vapor y aire como el agente gasificante

El reactor es una vasija cubierta de agua a presion que opera a una presion de 3 Mpa (30 bar) con la alimentacion del carbon atraves de un sistema de tolva y un distribuidor de carbon

El tamano de particula minimo del carbon de alimentacion es de 2 mm aunque una cierta cantidad de material por debajo de ese tamano tambien se puede tolerar si es necesario El oxigeno y el vapor se inyectan atraves de una rejilla rotatoria la cual al mismo tiempo se usa para extraer el residuo de las cenizas Estas se descargan atraves de una cerradura de cenizas

EI gas crudo deja el reactor a una temperatura que varia de 250 a 650degC Y se filtra por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador El gasificador estandar tiene un diametro intemo maximo de 39 m y una capacidad maxima de 750 GJ h-l (de energia de carbon)

103

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

shyI

r i

Acclonomlento del dlstrlbuidor

Dlltrlbuidor

ReJllla

GQS producJdo

~~O~~Into~ ~ JAlqIt bullbullbullbull Chaqueta de aQua

VaPOf y Oxi gen 0

FIGURA 35 Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador Lurgi (Ward C 1984)

B Gasificador Winkler

EI gasificador Winkler es un gasificador de lecho fluidizado~ operado con oxigeno y vapor a presion atmosferica E1 carbon se muele a tamafio menor de 8 mm con produccion minima de finos~ se seca y ~uego se fluidiza por el agente gasificante Aunque la temperatura de reaccion es relativamente baja (800-11 OOdegC) hay contacto efectivo entre las particulas de carbon y la fase gaseosa la cual ayuda a mantener las tasas de reaccion satisfactorias y compensa el efecto de las temperaturas mas bajas Vapor U oxigeno suplementario se pueden adicionar en el reactor para quemar (a mayores temperaturas) cualquier carbono que no reaccione el cual se emite arriba de la capa fluidizada

Las cenizas volantes fundidas del proceso se enfrian a 350-400degC en una caldera de calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros

104

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

T I i humedos (donde esta se colecta) Cerca de 30 de las cenizas se remueven del fondo

de la capa de combustible Los gasificadores son de 20 m de alto tienen un diametro interno de 4 m y una

r

r

capacidad de produccion de gas de cerca de 50000 m3hora Carbones altamente reactivos y chares derivados de la carbonizacion de lignito son adecuados para este proceso

C Gasificador Koppers-Totzek En esta ttknica el carbon pulverizado se presiona a las tolvas de alimentacion en un conjunto de quemadores montados en la pared del gasificador EI oxigeno transporta el carbon desde el tornillo sin fin a las boquillas de los quemadores a velocidades de 100 mis la cual previene la propagacion de la llama dentro del sistema de alimentacion EI gasificador est a forrado en refractario y recubierto de agua y el vapor generado en esta cubierta se adicionaa a los boquereles del quemador para mantener una temperatura de llama de cerca de 1900degC La temperatura de salida del gas es de cerca de 1480degC Cerca del 50 de las cenizas producidas deja el reactor con el gas producido como cenizas volantes y las que permanecen salen como cenizas de fondo (escoria) Debido a que en el proceso se utiliza alta temperatura y carbon pulverizado una variedad de diferentes tipos de carbon se pueden manipular sin cambio significante en la composicion del gas Los alquitranes se gasifican con el carbono solido y esto incrementa toda la eficiencia del proceso

4721 InOuencia de las propiedades del carbon en la gasificacion convencional El desempeiio eficiente de un gasificador con un carbon dado depende de la combinacion de todas las propiedades involucradas y no necesariamente de cualquier parametro en particular (Supp amp Bierbach 1979) Debido a que la calidad del carbon puede variar en cualquier deposito dado el material escogido para el proceso debe ser capaz de proporcionar suficiente flexibilidad operacional para tratar con esta variabilidad

EI gasificador Lurgi a presion puede operar adecuadamente con carbon de cualquier rango desde lignito hasta antracita Sinembargo ciertas propiedades del carbon se prefieren para una produccion mas economica del gas y para mayor operacion comercial Las propiedades carbonizantes del carbon son import antes porque el carbon sufre carbonizacion en el gasificador con la liberacion de gas alquitran y ticor Con carbones no coquizables (como por ejemplo con lignitos) el tratamiento termico causa encogimiento y cracking de las particulas y produce una excesiva formacion de polvo de char EI polvo tiene un efecto negativo en el flujo normal y la distribuci6n del gas en el reactor y reduce la eficiencia termica del proceso de gasificacion Este tambien tiende ha ser llevado con el gas crudo producido aumentando los problemas de manejo en los sistemas de enmamiento y limpieza del gas

105

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r Con los carbones coquizables las particulas tienden a hincharse y aglomerarse Las masas de coque que se forman producen interrupciones en el flujo normal del gas atraves del reactor y par 10 tanto causa disminucion en la eficiencia termica Para sobrellevar esos problemas operacionales se ha incorporado en el gasificador un distribuidor especial disefiado para quebrar cualquier pedazo grande de coque cuando este se forme Los problemas de formacion de polvo no son serios can carbones coquizables bajo dichas circunstancias

EI gasificador Lurgi es un gasificador de fondo seco disefiado para descargar los residuos de ceniza como particulas finas 0 en forma granular Si las cenizas se funden en el gasificador la escoria que se forma crea serios problemas operacionales debido a que esta no se puede manejar con el sistema de descarga normal Por esta razon la temperatura de fusion de la ceniza deberia ser tan alta como sea posible

El vapor se inyecta en varios puntos durante la operacion del gasificador can el fin de mantener la temperatura de las cenizas por debajo de su temperatura de fusion Con temperaturas de fusion altas se requiere menos enfiiamiento y por 10 tanto se necesita menos vapor para este proposito

Otra propiedad de importancia es la reactividad del carbon que se mide por el procedimiento de prueba Lurgi En esta prueba el carbon se somete a carbonizaci6n bajo condiciones de gasificacion simuladas y el char resultante reacciona con el C02 bajo las mismas presiones y temperaturas que se usan en el gasificador Esos datos derivados dellaboratorio se han correlacionado con datos de gasificadores comerciales y se pueden hacer las predicciones del consumo especmco de oxigeno para un carbon dado (volumen de 02 consumido pot unidad de volumen de gas crudo generado) La planta de oxigeno representa una parte significante de la inversion total de capital en tal proceso y su capacidad se puede obtener del valor de este panimetro

Para control operacional la temperatura del gas de salida debe permanecer por encima de la temperatura de formacion del rocio una vez que ocurra la condensacion dentro del gasificador Los factores los cuales tienden a reducir la temperatura del gas ascendente ( tal como la evaporacion del agua del carbon de alimentacion) se debe controlar cuidadosamente Los carbones que tienen humedades por encima del 35

se han procesado cuidadosamente en el gasificador Lurgi pero si estos carbones tienen que usarse se necesita el presecado

Contenidos de cenizas tan altos como el 35 tambien se han manejado satisfactoriamente aunque un alto contenido de cenizas afecta la produccion especifica e incrementa los costos de manejo de las cenizas y del carbon Amplias tlutuaciones en el contenido de las cenizas del carbon suministrado son quizas de mayores consecuencias que el contenido absoluto de las cenizas porque tales variaciones pueden hacer dificil eI control operacional del proceso

El proceso Winkler trabaja mejor con combustibles mas reactivos tales como el char de lignito y este deberia molerse a tamaiio menor de 16 mm (0 preferiblemente menor

106

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

l T

de 95 mm) EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es cerca del 800 pero valores por encima del 1800 se pueden manejar si es necesario Las plantas comerciales del tipo Kopper-Totzek han operado con slurries de combustibles carbomiceos turba lignito y carbones bituminosos

4 473 Sistemas convencionales avanzados

4731 Gasificador Winkler de alta temperatura Esta T ecnica opera a presiones mas elevadas y mayores temperaturas que la presion atmosferica comercial descrita para La unidad Winkler men cion ada anteriormente Las ventajas de este tipo de unidad son el mas bajo capital de inversion incremento en la produccion y mas facil uso del gas en sistemas de distribucion reduccion de minerales de hierro y procesos de generacion de energia

4732 Gasificador Shell Koppers Este es un gasificador de flujo circulante similar al gasificador Koppers-Totzek pero opera a elevadas presiones Hay tambien una provision para inyeccion directa de un gas de enfriamiento justo por encima de la zona de reaccion para solidificar cualquier escoria fundida Las ventajes asignadas a este tipo de equipo inc1uyen los mas bajos costos de la compresion si el gas producido es suministrado a presion

4733 Gasificador Texaco En el gasificador Texaco el carbon se aIimenta a el reactor en una mezc1a de agua Aunque este metoda de alimentacion es mas conveniente que el sistema de alimentacion seca usado con gasificadores de alta presion el requerimiento de oxigeno es alto y se necesita una considerable cantidad de calor para evaporar el agua

4734 Gasificador Lurgi Ruhr 100 Este sistema de gasificador es disenado para operar a una presIOn de 10 Mpa comparado con la presion de 2 a 3 Mpa en el gasificador Lurgi convencional Este permite usar un amplio range de tipos de carbon y da una mayor salida de productos con mas bajo consumo de vapor y oxigeno

4735 Gasificacion Lurgi a presion EI gasificador Lurgi es un reactor que lleva a cabo Ia gasificacion por contracorriente del carbon en un lecho en movimiento Vease Ia Figura 35 Los principales dispositivos que actilan mecanicamente son

1) La camara cerrada automatica para alimentar el carbon procedente de un deposito que 10 I1evan al reactor a presion

107

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

~-~=~=- r

2) EI distribuidor de carbon mediante el cual se introduce este al canon del reactor de forma que se logre una distribucion uniforme del carb6n en toda la amplitud de dicho canon (cuando se procesa carbon aglutinado se instalan paletas en el distribuidor las cuales giran en el interior dellecho)

3) La parrilla giratoria pennite introducir el agente de gasificacion y eliminar la ceniza

4) La camara cerrada para ceniza descarga la que procede del reactor a presion y va hacia un deposito de ceniza desde el cual se puede eliminar bien sea hidraulica 0

mecanicamente y

5) El separador en el que se enfria el gas crudo caliente y se Ie lava antes de pasarlo a la caldera de calor residual

EI funcionamiento del proceso de gasificacion aparece en Ia Figura 36 Se trata de una operacion en contra corriente en la cual las condiciones operativas se optimizan en relaci6n con las distintas reacciones

El primer paso consiste en el precalentamiento y secado del caroon A medida que el carbon gravita hacia abajo y se caIienta comienza la devolatilizacion y a partir de una temperatura de 1150 a 1400oF (621 a 760degC) se prosigue la devolatilizacion por gasificaci6n del char resultante La interaccion entre la devolatizacion y la gasificaci6n constituye un factor detenninante en la cinetica del proceso total de gasificaci6n

El tiempo minimo de pennanencia de un grano de carb6n para obtener un buen resultado en cuanto ala reaccion al nivel de temperatura deseado de 1400 a 1600degF (760 a 871degC) es de aproximadamente una hora

El diagrama (Figura 36) se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de gasificacin en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1950 y 1954 El gasificador era operado de tal fonna que la alimentacion de carb6n se detenia en tanto que el agente gasificador continuaba pasando al gasificador Este metoda suministra medici ones muy precisas

Una revision del anaIisis del gas en relaci6n con la altura del reactor revela un fen6meno muy interesante Consiste en que la temperatura de equilibrio de la reaccion heterogenea C +2H2 = CH4 es aproximadamente la misma que la temperatura real del gas en la zona respectiva del reactor en tanto que la temperatura de equilibrio de la reacci6n homogenea CO + 3H2 = CH4 + H20 es mucho mas baja que la temperatura real del gas 10 que no pareceria posible Cual es la razon para este fenomeno Es correcto deducir que el metano se ha formado de acuerdo con la ecuaci6n C + 2H2 =

CH4 Se han hecho intentos para obtener un mejor conocimiento enrelaci6n con el procedimiento de descomposici6n del carb6n y el proceso de las reacciones resultantes en la superficie del grana de carbon aplicando pruebas de laboratorio que simulan las distintas etapas del proceso de gasificaci6n Se observaron muchos fen6menos adicionales interesantes que a su vez plantearon nuevas preguntas Es

108

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

-r

~

(evidente que esta zona de la ciencia del carbon requiere unas investigaciones considerablemente mas avanzadas En este punto linicamente cabe deducir que la

)fonnacion en bruto del metano no resulta de la hidrogenacion del carbon sino mas Ibien es consecuencia de las interacciones entre la devolatizacion Y la gasificacion [actor que se ha utiIizado COn exito en la operacion de contracomente

El gas crudo sale del gasificador a temperaturas entre 700 Y 1J000F (371 Y 5930C) dependiendo del tipo de carbon utilizado El gas crudo contiene productos de la carbonizacion tales como el a1quitnin el petroleo la nafta los fenoles y el amoniaco y vestigios de carbon y polvo de ceniza El gas crudo pasa por un Separador en el que

Imiddot se Ie lava mediante agua amoniacal circulante y se Ie enfria a una temperatura a la cual el gas es saturado COn vapor A medida que se condensen fracciones mas elevadas de alquitnin el agua de lavado COntendn alquitnin aI que estara unido el carbOn y elpolvo de ceniza

( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor en la cual dicho 1calor se recobra a temperaturas de 320degF (160 a 182degC ) Igualmente se recobran elLagua amoniacal - alquitnin

( La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y( gasificacion

CarbOn

SeCdo y carbonlzclOn

GaslflccIOn

CombustiOn

~~

7 Oz

Campnlz8

AYance de I gallficaCIOn

COz CO CH4 H2

o

DlstrlbuCIOn de la tempera lura

i

I~~ I i

i

~ ~

(

500 1000 1500 2000 Temperatura en c

FIGURA 36 Accion de la gasificacion en un gasificador a presion (Rudolph P 1986)

109

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

En la Figura 37 aparece un equilibrio tipico de material en el proceso Es de interes observar que aproximadamente el 86 del carbon alimentado al gasificador se gasifica y el restante 14 en su mayor parte carbono se quema en la zona de combustion con eloxigeno De esta fonna el calor latente en el carbono se convierte en calor sensible el que se envia al agente gasificador que fluye bacia arriba en contracorriente con el carbon Esta tecnica hace posible llevar a cabo la gasificacion total del carbon Unicamente queda entre la ceniza una cantidad insignificante de carbon sin quemar EI calor sensible de la ceniza se utiliza en el proceso

74 Ib CllrbOn SSC C 76 flP H 5 o 151 N 1 eoo pce de gas crudo 5 1

25 111 Cenl18

2LHumedad ( CO2 CO H

28 pp 24 381

to4 Ib CarbOn CIl4 10

+ SO Ib de VIIpor 1I10ull(ln file

I t

Calor lalenle en el gll9 D 85X106 Blu 102 81u Calor tlltente fln elllloullrn elc a DaXlol 81u

093 YIOfi Blu

1 l Sec ado

Desvolatlllz8cl6n

GflllllcRclon

I Combusll6n de 118 Ib

de carbono

3071b 02 1050 Ib Vapor

25 Ib Cenln 2001b Vapor de II cmlu

FIGURA 37 Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion ssc = seco sin ceniza pp = por peso pce = pie ciibico estandar (Rudolph P 1986)

~ 474 Influencia de las propiedades del carbon en el proceso de gasificacion

La devolatilizacion constituye un proceso que avanza en fonna paralela con la gasificacion y de esta fonna el desarrollo del proceso de gasificacion esta influido por

la interaccion con la etapa de devolatilizacion Esta es la principal razon de los diferentes fenomenos que se observan en la gasificacion del carbon algunos de cuyos factores inc1uyen

bull Composicion del gas en funcion del rango del carbon bull Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion bull Relacion H2CO Reactividad del carbon e

bull Influencia de la presion

110

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r - ~ 4741 Composicion del gas en relacion con el rango del carbon

Los diferentes carbones reaccionan de varias maneras La Figura 38 muestra los componentes combustibles del gas en relacion con el rango del carbon (expresado por la materia volatil del carbon sec a y sin ceniza) Se observara que la c1asificacion de los carbones utilizando los volatiles es unicamente un metodo aproximado de la c1asificacion Las curvas constituyen valores promedios de los resultados de mas de 120 pruebas de gasificacion a largo plazo con 59 carbones distintos Se ha encontrado que el rendimiento de metano expresado en pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon seco y sin ceniza constituye una cifra razonablemente constante para cada tipo de carbon En el caso de los carbones sub-bituminosos el rendimiento en metana es de aproximadamente de 39 pies cubicos estandar de CH4 por libra de carbon secpound y sin ceniza a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (246 kg por cm )

40

035 Ib de vapor

1 pCB de 02 u ui 30 en c -0 eurofI 25 Ql

0 0 ~ i 20 Qt H2 ~ CD 0

a 5u ci -+-shy~o -----shy

tmiddot

o I 0 ~o 30 ~o

Suatancla votaW I pp

FIGURA 38 Produccion de gas versus el rango del carbon pce = pie cubico esbindar ssc= seco sin ceniza pp = por peso (Rudolph P 1986)

- 4742 Suministro de calor para la reaccion El metodo para suministrar el calor necesario para las reaeciones constituye un punto importante cuya influencia es decisiva en el proceso y su economia La gasificacion es un proeeso elevadamente endotennieo y por 10 tanto las necesidades de calor se deben eubrir mediante la adicion de calor 10 eual puede realizarse basicamente de cuatro maneras distintas

III

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

T 1 Suministro directo de calor mediante la combustion parcial con oxigeno

2 Suministro directo de calor sobreponiendo una reaccion qUlmlca exotermica adecuada tal como CaO +CO 2 CaC03 0 C + 2H 2 = CH4

3 EI suministro indirecto de calor utilizando un metodo semejante a los reformadores tubulares al proceso de homo de coque

4 Suministro directo de calor~ mediante calor electrotermico 0 calor nuclear

5 Suministro directo de calor por conductores de calor calentados separadamente (ceniza reciclada particulas solidas sales fundidas u otros materiales que se encuentran en estado liquido a la temperatura requerida de reaccion )

O -Todos los metodos se han aplicado 0 estan disponibles como procesos conceptuales

La combustion parcial con oxigeno esta representada por la gasificacion Lurgi a presion

Mediante la combustion parcial del carbono no gasificado con una mezcla vapor shyoxigeno puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura la que a continuaci6n se utiliza como agente gasificador

- --4743 Variables mas importantes del proceso en la zona de combustion La relaci6n vapor- oxigeno en el medio gasificador determina la temperatura en la zona de combustion Esta relacion tiene que ajustarse de tal forma que

1) No se funda la ceniza durante la combustion y

2) La temperatura sea 10 suficientemente elevada para lograr la gasificaci6n completa del carbon

La Figura 39 indica la temperatura maxima de combustion tmax versus la relacion Cj vapor-oxigeno La tmax es la temperatura maxima obtenible de combustion que ~ pueda establecerse si el carbono residual que entra en la zona de combustion se

convirtiera solamente en C02 Sin embargo la tmax nunca se alcanza y por 10 tanto iconstituye una caracteristica ficticia

Dado que las reacciones de gasificacion se inician en la zona de combustion la temperatura del gas se reduce considerablemente Por otra parte la zona de combustion es relativamente angosta La altura de la zona es aproximadamente de 5 a 10 veces el diametro de los granos de carbon Esto significa que el tiempo de permanencia de Ia ceniza y el carbon en la zona de combustion es breve Depende del contenido de ceniza la capacidad del gasificador el tamafio del grano de carbon que se usa como alimentacion y la reactividad del char El tiempo de permanencia es en

112

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

i T

0 general de 3 y 1 minutos Este breve tiempo de permanencia de la ceniza en la zona de alta temperatura no es sUficiente para calentar la ceniza hasta la temperatura del gas

FIGURA 39 Temperatura en Ia zona de combustion S =punto de ablandamiento M = punto de hemiesfera F =punto de fusion (Rudolph P 1986)

Para el anaJisis de las propiedades de fusibilidad de las cenizas en el laboratorio los punt os de ablandamiento hemiesfera y fusion se determinan habitualmente mediante un microscopio temuco EI calentamiento se realiza en una atmosfera de C02 _CO i9

( La Fig 3 muestra los resultados obtenidos mediante la prueba de a1gunas cenizas versus la relacion vapor - oxigeno en que operaban los gasificadores Es evidente que lIa temperatura de la zona efectiva de combustion (temperatura que adopta la ceniza) esta muy por debajo de la temperatura mitxima tmax En todos los casos la ceniza en

el gasificador estaba solo Iigeramente aglutinada y contenia solamente algunos terrones de escona Resulta ademas evidente que una relacion entre las propiedades fusibiJidad de las cenizas determinadas en eI Iaboratono y Ia temperatura a ajustar en la zona de combustion no puede estabIecerse fficilmente Sin embargo una suficiente elCpenencia operativa sinre para juzgar con base en las propiedades de la ceniza y del carbon la influencia que la reIacion vapor - oxigeno tiene sobre las propiedades de laceniza

113

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I T

Relacion H2CD La reJacion vapor oxigeno tiene una influencia sobre la composicion del gas La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura

r 40) pero en buena medida no se ve afectada por la variacion de la composicion del agente gasificador Sin embargo la relacion HZ ICO esta influenciada principal mente por

Las propiedades del carbon y

Z La relacion vapor oxigeno del agente gasificador aparece ilustrado en la Figura 40 aqui se han Seiialado los resultados operativos de de diversos carbonesseleccionados

f~ bull Estas curvas convergen bacia una relacion HzCO de aproximadamente 03 a 04 con lt una relacion vapor oxigeno de 005 Iibras por pie cubico estandar Esta es la relacion

vapor oxigeno de la denominada operacion caliente alcanzada en un gasificador escorificador tanto con coque como un carbon sUJbituminoso I La operacion caliente a altas temperaturas produce resultados operativos mas unifonnes y elimina la infIuencia de las propiedades de los distintos carbones

La zona cubierta por el diagrama (Figura 40) representa la operacion a temperaturas mas bajas las que deberan ser 10 suficientemente mas elevadas para que las reacciones puedan realizarse con una rapidez razonable Esto se traduce en un rendimiento eJevado de metano y en una buena actuaci6n del proceso Sin embargo con temperaturas bajas las propiedades de los distintcis carbones aparecen en fonnasvariadas diferentes de un carbon a otro

D Esto se puede observar en el diagrama en el que por ejemplo los carbones Con el -

mismo amilisis final lienen relaciones HzCO diferentes Estos SOn por ejemplo los carbones numero 6 y 4 Rasta el momento no bay regIa cientificamente justificada que baga posible predecir la funcion HzC O Esta es simplemente un rasgo Caracteristico de cada carbon individual Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu la reJacion HzCO debera liustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio y por 10 tanto la relacion HzCO del gas crudo no es criticamente importante

El diagTama (Figura 40) se presenta simplemente para demostrar un ejemplo de la influencia que tiene la variacion en las propiedades del carbon sobre el proceso de gasificacion

II4

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I I

I

I~ 10shy

I to ~

I I

p eo

I

I t-0I Igt

I ~~ I~

I ()

30

r

25

o ~

N J

20

15

03 04 05 Ib de IoporpctI de 02

FIGURA 40 Relacion HVCO versns la relacion vaporoxgeno 1 Lignito A 2 Lignito B J Carbon con alta voJatilidad 4 CarbOn snbbitnminoso A 5 Carbon subbitnminoso B 6 Carbon bituminoso C 7 Carbon bituminoso D 8 Antracita 9 Coque (Rudolph P 1986)

- -7 Reactividad

Otra caracteristica tipica de un carbon que define la conducta en la gasificacion es su reactividad Cuanto mas elevada sea esta mas baja sera la temperatura en la que siguen produciendose las reacciones Las temperaturas bajas de reaccion favorecen la fonnacion del metano y por su parte la reaccion exotennica del metano favorece las otras reacciones de gasificacion Cuanto mas blia sea la temperatura final de reaccion en la cual tenninan las reacciones mas sensible sera el calor del agente gasificador disponible para su conversion en el calor latente En otras palabras sera mayor la cantidad del carbon sobre eI proceso de gasificacion

Las temperaturas finales de reaccion en lascoales la reaccion se aproxima a cero son

Temperatura final de reaccion Tipo de carbon OFLignito degC1200SUb-bituminoso 649

1350Semiantracita 7421450Coque 7881550 843

Estas temperaturas no son por supuesto identicas a las temperaturas de equilibrio del gas que abandona la zona de gasificacion debido a que el acercamiento aI equilibrio

Il5

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r del gas no puede ser completo La diferencia entre la temperatura real del gas y el carbOn y la diferencia entre estas temperaturas y las distintas temperaturas de equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad

r Para el calculo del proceso de un carbon determinado ayuda a Contar con una escalar real de la reactividad Esto es especial mente necesario para predeterminar el consumode oxigeno

Un metodo de laboratorio bien conocido consiste en deterrninar la reactividad del carbOn midiendo la descomposicion de C02 Este metodo puede modificarse de tal forma que el C02 pase a 10 largo de un lecho ftio de carbon producido por la carbonizacion del mismo bajo presion en un crisoi Esta gasificacion simulada se Ileva a cabo bajo presion a una temperatura de 1470degF (7990C) en un pequeno reactor

El grado de descomposicion de C02 es un valor que representa la reactividad R En la Figura 41 la composicion de oxigeno se indica contra las valores de R El gnlfico

0 muestra que hay una relacion muy confiable entre dichos dos valores Para el carbon Navajo y muchos otros carbones del Oeste de los Estados Unidos el valor de Res

aproximadamente de 10 10 que representa una reactividad muy elevada para este tipo de carbon

Anlraclla

Llgnltooj d ci

x all

Coque AnlraClla

~ ()

+ ~

I 02 + o Q 41

11 - d ci

~ Ql

11

Coleshill Westfiela

50501

JC

deg1 20 30 CO aescomposlcl6n a 1lt470 OF

R= 100 CO 2C02 +CO

FIGURA 41 Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon (Rudolph PI986) II6

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r t

-shy -lntJuencia de la presion

Aun cuando la gasificacion se debe realizar a presion debera estudiarse el nivel que resulte mas economico Son varios los factores que influyen entre ellos esta de la presion operativa en el rendirniento de metanoi La Figura 42 ilustra la formacion del metano en un gasificador a presion operado con vapor _ oxigeno en funcion de la presion Las ciITas hasta 400 Ibplg2 se basan en la experiencia real de la planta e incluyen todas las perdidas que se pueden considerar por ejemplo el hidrogeno en el H2S y el NH3 el gas contenido en las camaras de contencion de carbon y otras Por otra parte en este caso el alquitnin no se ha procesado para convertirlo en gas elimimindolo por el contrario como valioso producto secundario En Olro carbon

diferiran las cifi-as absolutas pero la tendencia general sera la misma

400 r AImaniaCOn carbOn SUbbltumlnoso

CH4 total----_

----------~-------

u j fI)

C

CH par raaccOn aafallllea

CO + 3H2 CH + H2

0 0 lJ U tl 0

~ 200

~ J U

AO efl e gasHcad or

(190U -shy - --shy --shy - ---shy

0 0 -shy

OJ 0

~

100

C-A pOf desvolaUz8el6n del carbOn shy -----------shy

200 400 600 800 1000 1200 1400 PresiOn en Iblplg2

FIGURA 42 Fonnacion del metana en foncion de la presion (Rudolph P 1986)

475 Proceso Lurgi total

Gasificaci6n

ResUrniendo rapidamente esta parte del proceso el producto de la gasificacion es una mezcla de varios componentes principalmente C02 CO Cf4 H2 y H20 asi Como productos de la carbonizacion del carbon tales como el alquitrlin petroleo nafta fenoles etc mas compuestos del azuITe y otras impurezas En el primer paso del

117

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

proceso la gasificaci6n genera unicamente gas crudo y por 10 tanto la gasificacion debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas

_--1Conversi6n por desplazamiento del gas crudo La composicion del gas que sale del gasificador viene determinada por las condiciones de operacion del propio gasificador las que se determinan de fonna tal que el funcionamiento en cuanto a la gasificacion resulte el optimo La relacion resultante HzCO del gas no es adecuada para la subsecuente sintesis del metano Por 10 tanto se necesita una reaccion de conversion por desplazamiento (CO + H20= C02 + H2 ) para ajustar la relaci6n H2CO

La caracteristica mas importante del desplazamiento del crudo es el empleo del vapor no descompuesto en el flujo del gas crudo hacia la caldera de calor residual en la seccion de gasificacion para que se realice la reaccion de desplazamiento Sin embargo el gas crudo esta contaminado con compuestos de azufre y productos de la carbonizacion

l Utilizando un catalizador Comox y despues de resolver los problemas de disefio en el ~) cambiador de calor el desplazador de gas crudo puede realizar esta tarea Por otra lparte lei catalizador tiene la ventaja de contar con propiedades hidrogenantes De esta

forma los productos de la carbonizaci6n son hidrogenados y de manera especial resulta desulfatada la nafta del gas La cantidad de vapor no se descompone y asi mismo la cantidad de gas amoniacal no se reduce El proceso se ha probado comercialmente en varias instalaciones

~-~ Purification del gas

La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon hasta el grade de pureza requerido por el proceso de sintesis resulta dificil debido a las grandes cantidades de impurezas y la variedad de las mismas El proceso Rectisol fue creado para estas condiciones y constitriye un proceso de absorci6n fisica del gas en el que se utilizan solventes organicos de preferencia el metanol a bajas temperaturas entre 30 y 80degF (-1 Y 62degC) El proceso requiere poner en contacto el gas crudo con el solvente en una columna de absorci6n formada por bandejas regenerando el solvente gastado mediante destello y el posterior separado 0 vuelta a hervir en una columna de absorcion desde la cual se recicla hasta la parte alta del absorbedor

En el caso de la planta de gas natural sintetico (GNS ) que aqui describimos la unidad Rectisol cuenta con tres secciones

1 El prelavado para la eliminaci6n de la nafta del gas los hidrocarburos no saturados y otras impurezas del gas a alta ebullicion~

2 La secci6n para la eliminacion del C02 y la eliminaci6n del H2S y el COS (EI gas que sale de esta secci6n es el syngas que tiene la pureza requerida para la sintesis del metano)

118

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I

T 3 El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se

r

tI

elimina la ultima porci6n del C02 a la vez que se deshidrata tambien el gas

En la seCClOn ~ el solvente gastado se trata inicialmente mediante la extracci6n liquido- liquido con agua para eliminar los hidrocarburos disueltos y a continuaci6n mediante una destilaci6n en dos etapas se eliminan los hidrocarburos restantes y se separa el agua del solvente Los hidrocarburos consistentes principalmente de nafta liquida se recobran para uso de la planta 0 alternativamente se utilizan como un producto secundario valioso con bajo azufre y muy aromatico

La secci6n B tiene una regeneraclon caliente para evaporar totalmente los componentes acidos del gas En este circuito solvente entre la absorcion y la regeneracion final se puede instalarse una columna rectificadora (denominada reabsorbedora) para concentrar el H2S

La secci6n C no tiene una regeneraci6n separada ya que el solvente fresco vuelto a hervir de la secci6n B se utiliza primero para absorcion del C02 en la secci6n C y a continuaci6n parcialmente cargado con este C02 se utiliza de nuevo para la absorcion de H2S y COS en la secci6n B

Todas las impurezas contenidas en el gas se pueden eliminar en forma efectiva y completa en el proceso Rectisol el cual se ha utilizado en mas de 15 grandes instalaciones comerciales Las instalaciones han demostrado que puede mantenerse una pureza por debajo de 01 ppm de azufre en factores de flujo de mas del 95

-- Sintesis del metano El gas en sfntesis de la planta Rectisol consiste en C02~ CO YH2 Y se Ie convierte por reaccion catalitica en CR4 en un sistema de reactor tipo enfiiamiento multiple formado por varios reactores en serie de lecho fijo y con recuperacion del calor residual Si la relacion 4C02 + 3COI H2 es mayor de uno la porcion excedente de C02 permanecera en el gas metanado y se puede eliminar en un proceso de limpieza con flujo hacia abajo del C02 que preferentemente va combinado con la planta Rectisol de flujo hacia arriba

En varias plantas de demostracion se ha observado entre tanto la viabilidad de la metanacion de este gas en sintesis y una vida en el catalizador de mucho mas de un ano

~~Tratamiento del agua amoniacal En el metodo Lurgi total esta fase se denomina proceso Fenosalvan El gas que sale del gasificador de carbon contiene una cantidad moderadamente elevada de vapor el cual se condensa en las etapas posteriores del proceso El agua amoniacal resultante ha estado en contacto con los productos de la carbonizacion del carbon y contiene por ello componentes solubles en agua especialmente fenoIes amoniaco y acidos grasos

119

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

1 El proceso Fenosalvan elimina los fenoles y el amoniaco EI efluente purificado

resultante contiene menos de 20 ppm de fenoles y menos de 60 ppm de NH3 libre Este efluente se puede procesar en una planta biologica de tratamiento por agua de manera que el efluente final saldni de la pJanta en forma que se ajuste a las r reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales 0 pueda ser como agua sin depurar

476 Otros procesos

Los siguientes procesos denominados de generacion secundaria se describen en algun detalle por Speich 1976 Aceptor C02 Syntane Hygas Coalcon Bi-gas Hydrane

Desarrollos en los cuales el calor procesado se genera a partir de react ores nucleares se utilizan para las reacciones de gasificacion de los denominados procesos de tercera generacion(Speich 1976) Esos incluyen la hidrogasificacion de lignitos y carbones sub~bituminosos presecados y carbones bituminosos precalentados usando procesos nucleares con el objeto de obtener gas rico en metano Se anticipa a largo plazo que el costa de producir el calor de los reactores nucleares sera menor que el costa de producir el calor equivalente del carbon y as las significantes cantidades de carbon que se necesitan para suplir el proceso en las operaciones convencionales se ahorraran Se necesita entre 30 y 40 de la entrada del carbon al sistema de gasificacion convencional para producci6n de gas natural sintetico para suministrar al proceso los requerimientos del calor

~4761 Proceso Hygas para la gasificacion del carbon E1 proceso Hygas del instituto de tecnologia del gas (ITG) para la hidrogasificacion del carb6n esta orientado a lograr la maxima producci6n directa de metano en el reactor de hidrogasificacion mediante el empleo ~e altas temperaturas (1200 a L700degF 649 a 927degC) yalta presion (1000 lbplg) Este proceso puede utilizar como combustible los carbones bituminosos asi como el lignito y ios carbones subshybituminosos El carbon triturado se lleva al gasificador en suspension de aceite y alii en una atmosfera rica en hidr6geno se producen los dos tercios del metana correspondiente a la produccion final del gas El gas producido en el hidrogasificador se purifica hasta darle la cali dad de gas para distribucion por tuberia mediante la metanaci6n cataHtica El char hidrogasificado se utiliza para la produccion de hidrogeno Se estan investigando tres procesos para la produccion de hidrogeno partiendo del carbon

1) Vapor - oxigeno 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos

Quimica del proceso El metano se puede formar directamente del carb6n por

120

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

1 Carbon + H - CH4 0 indirectamente por 2 Carbon + H20 - CO + H2 3 CO + 3H2 - H4 + H20

r Como la eficiencia termica general del proceso mejora aumentando la formacion directa de metano las condiciones del proceso ITG de Hygas se orientaron a lograr dicho objetivo Se requiere una elevada temperatura para obtener unas velocidades de reaccion razonables~ se utiliza alta presion para aumentar el equilibrio en el rendimiento al metano La fraccion mas activa del carbon es hidrogasifica para formar metano En tanto que la fraccion menos activa se utiliza para generar hidrogeno para la hidrogasificacion EI gas en bruto del hidrogasificador contiene monoxido de carbono e hidrogeno Estos se convierten en metano mediante fa reaccion 3 por metanacion por limpieza cataHtica en una unidad que aumenta el poder calorifico del gas y reduce el contenido de monoxido de carbona hasta lograr el valor estandar para tuberia de menos de 0100 Del total del metano formado del 65 al 7000 se forma en el camino directo en el hidrogasificador esta constituye una caracteristica clave que contribuye significativamente a la eficiencia tennica total de mas del 70 del proceso

~Si el proceso se operase a baja temperatura se lograria mas metano por la via indirecta que por la directa incurriendose entonces en perdidas en la eficiencia

La segunda caracteristica clave del proceso consiste en el empleo de hidrogeno y vapor en la hidrogasificacion La reaccion carbon - vapor (2) es fuertemente endotennica Utilizando una mezcla de hidrogeno y vapor en lugar de utilizar solamente hidrogeno el calor liberado por la reaccion (1) se absorbe in situ por la reaccion (2) 10 que se traduce en ( a) control en la temperatura de produccion y ( b ) produccion intema de hidrogeno

~~ 4762 Proceso BI-GAS para la produccion de gas de gasoducto con elevado Btu a partir del carbon

Gasificacion en dos etapas El corazon del proceso BI-Gas es el gasificador en dos etapas que aparece en la Figura 44 el cual utiliza carbon pulverizado (70 malla -200) de flujo en suspension EI carbon fresco y el vapor se introducen a la seccion alta (etapa 2) del gasificador con presiones en el margen de 70 a 100 atmosferas En la etapa 2 el carbon se pone en contacto con un flujo de gas caliente en sintesis que se eleva desde la seccion baja en donde se produce (etapa 1) Y se convierte parciaIrnente en metana y en mas gas en sintesis EI char residual arrastrado por el gas en brute producido es barrido hacia arriba y hacia afuera del gasificador EI char se separa del flujo de gas producido y se vuelve a enviar a la etapa 1 del gasificador

En la etapa 1 el char es completamente gasificado en la forma de escoria con oxigeno Y vapor produciendo tanto el gas en sintesis como el calor requerido en la etapa 2 para la gasificacion parcial del carbon fresco

121

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r-

El carbon en bruto de la etapa 2 cuyo amilisis tipico aparece en la Tabla 16 deja la centrifuga de char y pasa a traves de una columna de lavado en agua en donde se enfiia de nuevo a la vez que se elimina e) polvo La columna de lavado opera de tal forma que mantiene unicamente la humedad requerida para la conversion del desplazamiento en flujo hacia bajo

Gas combustible

Gas de tube ria a

1000 Ibplg2 man

Gas en bruto rico en oxlgeno de carbono aromitteos IIQuicJOS azulrbullbull amoniaco

Cenlza

FIGURA 43 Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de superpresion en dos etapas(Grace R 1986)

TABLA 16 Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS Grace R_ 1986 de _1shy 1

1 2 3 4 Gas Producto Alimentac de Alimentac de Producto de

componente gasificador desplazam la planta de la planta de CO alimentac de eliminacion

gas icido de gas icido

CO 162 126 31 0 02 CO 22 1 172 132 193 H 242 190 407 595

Cfu 118 92 13 7 200 N 05 04 06 09 HS 06 05 07 00 HO 246 41 I o1 o1 Total 1000 1000 1000 1000

122

5 Gas final

para tubeFla

05 o I 46 927 21 00 00

1000

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

r

-) Procesado del gas

EI resto de las etapas del proceso con excepcion de la metanacion constituyen operaciones comerciales nonnales EI gas en bruto ya Iimpio se desplazar nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2CO EI sulfuro de hidrogeno y el dioxido de carbono se eliminan selectivamente del f1ujo total de gas en una unidad Selexol A continuacion el HzS se convierte en un producto del azufre en una unidad Claus Sin embargo despues de que se ha eliminado el H2S se toman medidas para desviar una parte 0 la totalidad del gas en bruto que contiene C02 directamente hacia la metanacion En la planta piloto se instala un sistema de metanacion catalitica con lecho f1uidizado en el que se utilizan tubos embebidos enfiiados por agua EI gas metanado en la planta piloto recibira un tratamiento final para la eliminacion del C02 en la unidad SELEXOL para producir gas de tuberia con alto Btu La Tabla I tambien muestra eI amilisis de los gases despulls de varias etapas de tratamiento asi como el gas final para tuberia

- Evaluation del proceso

EI proceso BI-GAS ofrece varias ventajas en la pro due cion de gas natural sintetico

I Se obtiene un rendimiento elevado de metano directamente del carbon disminuyendose hasta el minimo el posterior procesado del gas producido

2 Pueden gasificarse todos los tipos de carbon sin previo tratamiento ya que este proceso utiliza un sistema en suspension en lugar de otro fijo 0 de lecho f1uidizado

3 Las condiciones de reaccian en la etapa alta del gasificador son tales que no se forman petr6Ieos ni alquitranes durante el proceso de gasificacion

4 Todo el carbon que se carga aI proceso se consume con los productos secundarios mas importantes integrados por la escoria para eliminacion yazufre para la venta

5 EI gasificador en dos etapas por constituir una unidad integral es relativamente simple en su diseilo y adecuado para su produccion en tamaiios mayores

6 EI gas se puede generar a las a1tas presiones requeridas para el transporte en los sistemas actuales de distribucian sin ser sometidos a nueva compresian

7 Cuando el gasificador se opera con aire en lugar de COn oxigeno a presiones moderadas en el sistema se produce un gas aI cual se Ie puede eliminar Iacilmente el azufre y limpiarlo para producir un gas combustible no contaminante con un poder calorifico de aproximadamente 175 Btu por pie cubico estandar

123

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

----_---shy

_ 4763 Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02 Fundamentos del proceso

Los pasos principales implicitos en el proceso son

1) Preparacion 2) Precalentamiento 3) Presurizacion 4) Gasificacion 5) Purificacion del gas 6) Metanado y 7) Deshidratacion y com presion

En la seccion de preparacion del carbon este se muele y seca para lograr un producto de alimentacion con tamano aproximado de 8 x 100 malla Tyler y substancialmente una humedad cero Ellignito y los carbones sub-bituminosos no son aglutinantes y por 10 tanto al utilizarse no requieren petratamiento

La presion del material de alimentacion se eleva a la presion del sistema mediante tolvas con compuerta Estas fueron escogidas porque su posibilidad de operacion esta determinada comercialmente y suponen una inversion baja y un reducido costo de operacion La operacion confiable de las tolvas con compuerta en las condiciones del proceso ha quedado demo strada en la planta piloto

La seccion de gasificacion del proceso aparece en la Figura 45 Se cuenta con dos reactores 1) el gasificador 2) el regenerador La alimentacion del carbon bien sea lignito 0 carbon sub-bituminosose envia desde las tolvas con compuerta al gasificador en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l500 a 1550degF ( 816 a 843degC)

La introduccion del carbon se lleva a cabo en la parte baja del lecho fluidizado del gasificador para obtener un tiempo de retencion del vapor adecuado para lograr la desintegracion de la sustancia vohitil del carbon Loshidrocarburos volatiles que contienen aproximadamente el 35 del carbo no del carbon se convierten en metano monoxido de carbono dioxido de carbono e hidrogeno La devolatilizacion es

~

esencialmente termoneutra el calor requerido es unicamente el necesario para calentar el carbon hasta la temperatura del gasificador

-4

124

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

~ 1

AlII

fitposlelOn de aeptor

Gas de combustiOn

--0 producldo

llgnlto

L-_____~ vapor

Gas elevador

FIGURA 44 Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador (Fink C y otros 1986)

~gt 4764 Produccion de gas con alto Btu mediante el proceso Hydrane EI Hydrane ( HYDRANE ) es un prometedor proceso de gasificacion del carbon para la produccion de gas con alto Btu (900 a 100 Btu por pie cubico estandar) con cualquier carbon en brute de los rangos bituminoso 0 mas bajo y esta basado en el concepto hidrogasificador en dos etapas creado por el US Bureau of Mines (Lewis et al 1967) La hidrogasificacion es la reaccion del carbon 0 del char directamente con hidr6geno para producir metano La reaccion hidrogeno-carb6n formada por pirolisis e hidrogasificacion se hace significativa aproximadamente a 400degC y a temperaturas mas elevadas es inicialmente muy rapida A medida que aumenta la conversion el residuo de coque char se va haciendo menos reactivo debido a que se presenta una reaccion competitiva de polimerizacion que forma una estructura en anillo mas grafitica (Lowry H H 1963)

125

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

-

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas

en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de r carbonizacion del carbOn para que este se haga no aglutinante IEvitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbo del este y del

nesMedio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 400degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar1 Una caraeteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fuse diluida y caida libre (FDL) EI carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fuse diluida de tal fonna que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrOgeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan nipidamente hasta 750degC ya una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 300 de conversion del carbon por pirolisis e hidrogasificacion Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso a1tamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior aI 4 del monoxido de carbono que pennanece en el gas en bruto producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanaci6n catalitica del mon6xido de carbono

~Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden seilalaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasifieacion es temucamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitiea1 Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 Y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusion es decir la produccion directa del metano en el gasificador es temucamente mas eficiente y mas economica que la metanacion catalitica En el estudio de Wen el proceso Hydrane presentola mas elevada eficiencia tennica (78) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados i

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias caractensticas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbOn ya que aI reactor de fase diluida se Ie alimenta carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta fonna la materia vOllitil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aprOximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayo ria de los procesos restantes del 36 aI 4000 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de fonna que el gasificador no se obstruya Con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carbono e hidrogeno que se habra convertido a dioxido de carbono y agua En segundo lugar se requiere menos hidrogeno para el proceso de produccion del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas en sintesis utilizado en el proceso basado en vaporoxigeno En primer lugar no resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar 0 un pretratamiento de carbonizacion del carbon para que este se haga no aglutinante ~Evitar la aglutinacion es de gran importancia debido a que la mayor parte de los carbones del este y del Medio Este de los Estados Unidos se ablandan se hinchan y se hacen pegajosos a temperaturas superiores a 409degC especialmente en presencia de hidrogeno siendo por 10 tanto dificiles de procesar Una caracteristica unica del proceso Hydrane es la primera etapa del hidrogasificador denominado reactor de fase diluida y caida libre (FDL) El carbon pulverizado y sin pretratamiento se alimenta al reactor de fase diluida de tal forma que las particulas caen libremente en nube diluida a traves de una atmosfera rica en hidrogeno Durante la caida libre las particulas de carbon se calientan rapidamente hasta 750degC y a una presion de 70 atmosferas produciendose de un 20 a un 30 de conversion del carb6n por pirolisis e hidrogasificaci6n Este nivel de conversion hace no aglutinantes a las particulas y genera un char muy poroso altamente reactivo La segunda diferencia consiste en que el 95 del metano se produce directamente del carbon en un hidrogasificador de dos etapas requiriendo solo por ello una etapa de metanacion con limpieza catalitica para convertir una cantidad inferior al 4 del monoxido de carbo no que permanece en el gas en brute producido Por contraste otros procesos generan hasta el 50 de metano mediante metanacion catalitica del monoxido de carbono

-- Ventajas del proceso En 1956 Channabasappa y Linden sefialaron que la produccion directa de metano a partir del carbon mediante la hidrogasificacion es termicamente mas eficiente y por 10 tanto menos costosa que la gasificacion vaporoxigeno seguida de la metanacion catalitica II Recientemente Henry y Louks y Wen 1979 y sus compafieros de trabajo compararon varios procesos tanto los comerciales como los que se encontraban en proceso de desarrollo y llegaron a la misma conclusi6n es decir la producci6n direct a del metana en el gasificador es termicamente mas eficiente y mas econ6mica que la metanaci6n catalitica estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica ( 78 ) Y el precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados if

En el

La elevada eficiencia termica del proceso Hydrane es consecuencia de varias catacteristicas del proceso En primer lugar se elimina el pretratamiento del carbon ya que al reactor de fase diluida se Ie aliment a carbon pulverizado aglutinado siendo este desaglomerizado por devolatilizacion durante su caida libre De esta forma la materia volatil rica en hidrogeno se convierte en metano utilizando aproximadamente del 10 al 15 adicionales del carbon En la mayoria de los procesos restantes del 36 al40 de la materia volatil debe reducirse a 10 sumo a un 26 de forma que el gasificador no se obstruya con el char aglutinado Incluso si se recuperan los gases del pretratamiento sera grande la cantidad de carqono e hidrogeno que se habra convertido a dioXido de carbono y agua En segundo lugar serequiere menos hidrogeno para el proceso de producci6n del metano cuando el hidrogeno reacciona directamente con el carbono en el carbon en lugar de hacerlo con el carbono en el

126

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I

monoxido de carbono durante la metanacion catalitica EI proceso basado en vaporoxigeno por otra parte oxida el carbono en el carbon para formar monoxido de carbono en el gasificador requiriendo a continuacion hidrogeno para volverlo a una situacion reducida como metano durante la metanacion catalitica

i En la hidrogasificacion no se produce oxidacion y el hidrogeno se agrega directamente al carbono ya parcialmente reducido del carbon requiriendo menor cantidad de hidrogeno La necesidad menor de hidrogeno se manifiesta en unas

I

necesidades mas bajas de vapor y carbon En tercer lugar el calor sensible en el char residual que se elimina en el hidrogasificador se utiliza en la reaccion endotermica carbono-vapor para producir gas en sintesis para el proceso de produccion de

hidrogeno Esto se logra transfiriendo el char residual caliente del hidrogasificador

i t

directamente al gasificador vaporoxigeno En los procesos que descansan fundamentalmente en la reaccion de metanacion catalitica muy exotermica para producir metano una gran cantidad de calor a baja temperatura (480 degC como limite de temperatura del cataliZador) se genera en el reactor de metanado y no es utilizable en el gasificador Por el contrario el calor de gasificacion es suministrado por 1a combustion del char utilizando oxigeno una fuente de calor relativamente mas costosa Las anteriores ventajas de la hidrogafisicacion disminuyen de esta forma al minimo el consumo de carbon y oxigeno en algunas unidades de tamaiio comercial

-~ 4765 Proceso Syntane para la gasificacion del carbon EI proceso Syntane fue creado para producir gas con alto Btu sacado del carbon como sustituto del gas natural EI producto sera un gas limpio con un poder calorifico de aproximadamente 1000 Btu por pie cubico estandar El gas se produce a alta presion y por 10 tanto esta listo para su envio directo a un sistema de tuberias Los pasos principales en el proceso Syntane los cuales fueron desarrollados por el US Bureau ofMines Son los siguientes Frith 1 1986

1 Pretratamiento del carbon pulverizado para hacerlo adecuado para la gasificacion en lecho fluidizado

2 El propio proceso de gasificacion y

3 El proceso para metanar el gas producido

Estos pasos del procesado se han combinado con otras operaciones mas convencionales en una planta continua ubicada en Brucenton Pensilvarua (cerca de Pittsburgh) La planta es capaz de procesar todos los rangos de carbones bituminosos o ligniticos que contengan hasta 5 de azufre procesando en total tres toneladas de

carbon por hora

~ En general las operaciones del proceso y los diseiios mecarucos determinados en Ia planta prototipo son adaptables a futuros aumentos en tamaiio

127

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I T

~

La planta lIeva a cabo la siguiente secuencia de operaciones unit arias del proceso

1 Manejo y preparacion del carbon para lograr un material adecuado para alimentar los pasos de reaccion

2 Presurizacion del carbon y su transporte para introducirlo en el sistema de alta presion

3 Tratamiento del carbon para reducir la tendencia a la aglutinacion de ciertos carbones

4 Gasificacion del carbon para producir gas en bruto mas char residual

5 Eliminacion del char para extraer char del ambiente de alta temperaturaalta presion

6 Purificacion del gas para eliminar los finos solidos char y vapor del gas en bruto

7 Conversion por desplazamiento para ajustar la relacion COIH2 en el gas limpio

8 Supresion del gas acido para eliminar C02 y H2S del gas convertido

9 Supresion de los vestigios de compuestos del azufre del gas limpio

10 Metanacion para aumentar el valor termico del gas por conversion de CO y H2 a CH4

11Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable para su descarga a la atmosfera

- 48 GASIFICACION SUBTERRANEA

1 En los ultimos alios el interes por el proceso de gasificacion subterranea del carbon (GSC) ha crecido nlpidamente de tal forma que en la actualidad se puede considerar como una tecnica factible cuando se pretenden obtener combustibles alternativos a partir del carbon

Varias razones han hecho que la GSC se haya desarrollado De un lade el conocimiento tecnico de dicho proceso permite llevar a cabo proyectos economicamente rentables mediante el empleo de la GSC se pueden aprovechar en condiciones ventajosas mantos que por su profundidad inc1inacion poco espesor y tamalio no son recuperables por mineria convencional de una manera economica lograndose de este modo aumentar considerablemente las reservas explotables del carbon Ademas hay que resattar el aspecto modular de la GSC por 10 que el tamalio

128

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I

r

de la planta se puede ajustar aI tamaiio del yacimiento La GSC produce un impacto ambiental pequeno debiendose considerar principalmente los efectos geologicos ysobre los acuiferos proximos

r 481 Realization del proceso

EI proceso de la GSC consiste en la combustion incompleta del carbon in situ mediante la inyeccion de aire 0 vapor mas oxigeno para mantener dicha reaccion1 La Figura 45 muestra esquematicamente el desarrollo de la GSC

it

FIGURA 45 Esquema general de la gasificacion subteminea del carbOn (Meseguer V Y Alcaraz D 1987)

La inyeccion de oxidante se puede realizar de fonna vertical u horizontal En el caso de inyeccion vertical el mantenimiento del punto original de inyeccion se hace dificil pues si la combustion sobrepasa dicho punto este se puede destruir tennicamente yademas se puede producir el derrumbamiento del techo

Existe poca infonnacion sobre la inyeccion hOrizontal Los datos existentes indican que dicha inyeccion facilita la conservacion de la linea Ademas se ha comprobado que el uso de una relacion 31 de vapor de aguaoxigeno 0 aire no produce deterioro de las ineas de inyeccion mientras que relaciones III de vaporoxigeno si causandafios en las mismas

129

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

Las lineas de produccion se pueden conservar mediante el enfriamiento con agua y se puede prevenir su oxidacion manteniendo la temperatura por debajo de 500degC

Las cavidades producidas por la gasificacion subterninea son en general simetricas a o una linea que una los puntos de inyeccion y de produccion y est an parcial 0

lt completamente rellenas por carbon alterado termicamente cenizas y rocas desprendidas del techo EImiddot diametro de la cavidad parece estar influenciado por la situacion del punto de inyeccion (en la zona superior e inferior del yacimiento) y por la posible entrada de agua no habiendose establecido relacion alguna con respecto a la

composicion del gas inyectado (oxigeno + vapor 0 aire)

El progreso de la combustion en la zona inferior del yacimiento esta impedido por la presencia de cenizas y trozos del techo En las proximidades del punto de inyeccion existe a menudo la suficiente turbulencia para forzar la combusti6n hacia el piso del manto Si se produce una entrada considerable de agua en la zona de combusti6n esta se forzani hacia la zona superior

Cuando la combusti6n aleanza el techo del manto eomienza la perdida de calor produciendose la disminucion del poder calorifico del gas generado

Dependiendo de las propiedades mecarucas y del contenido en agua de la roca del techo esta disminucion puede ser brusea 0 gradual siendo aceptable en el caso de que el material del techo sea muy seeo

~ 4811 Composicion del gas producido El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2 CO C02 Cf4 Y vapor de agua Tambien se presentan pequenas cantidades de SH2 alquitran y particulas

La Tabla 17 muestra la composicion 1ipica y el poder ca1orifico del gas producido por GSC en funcion del inyectante utilizado

TABLA 17 Composicion y poder calorifico del gas producido por GSC en - -- _ -7-------- --- --J -------- -----------1 -- -_ ___ - --- 87)

----~---

bull 1

Inyectante Composicion del gas seco vol Poder calorifico H2 CO CO2 CHd N (Kcalm3)

Aire 133 180 136 48 503 1335 yapor +02 311 196 330 163 J200

130

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

i T

El rendimiento y cali dad del gas producido en la GSC depende principalmente del agente de gasmcacion presion del proceso y caracteristicas del carbon

La produccion de metano esta influida notablemente por la presion 10 que se pone de manifiesto en la Figura 46

Un aumento en la presion produce un gas de mayor poder calorifico y una disminucion en Ia cantidad de particulas presentes en el gas 10 que reduce el costo de su eliminacion

24

-0 22E tJ omiddot c S III

i 20

18 I I I I I

6 7 8 9 10 _ Presion en el reactor (atm)

FIGURA 46 Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a la presion (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

Un aumento en la relaci6n vapor de aguaJoxigeno aumenta la produccion de gas reduciendo asi e] oxigeno requerido uno de los mayores costos del proceso

La Figura 47 muestra la dependencia entre la relaci6n vapor de aguaJoxigeno y la cantidad de gas producido

La inyeccion de vapor mas oxigeno se prefiere a la de aire ya que se produce un gas de poder calorifico medio 0 gas de sintesis de mejor comerciabilidad que el gas de bajo poder calorifico obtenido con inyecci6n de aire La utilizacion de vapor mas oxigeno aumenta la eX1ensi6n en que se produce la reacci6n carb6n - vapor de agua y elimina los efectos de dilucion del nitrogeno en el producto 10 que permite mejorar el control de su composicion

131

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

T~

10

0 c laquo ~ u w )0shy S ~ Q0 u w (Jl

(Jl 6 laquo I)

0 )

l J U

4 2 J 4 5

VAPOR INYECTAOOOXIGENO INYECTAOO

FIGURA 47 Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El azufre presente en el gas esta principalmente en forma de SH2

EI contenido de agua del gas producido es funcion del contenido en agua del carbon de la cantidad de agua inyectada y principalmente del exceso de agua presente en el techo del manto

En el rango de composiciones de carbon ensayadas su contenido en cenizas no parece afectar a la composicion del gas 0 a su poder calorifico

Las cenizas pueden causar restricciones de flujo por bloqueo de los canales y por encostramiento que puede ademas impedir el acceso del oxigeno al carbon en las paredes inclinadas yen el suelo de la cavidad

gt4812 Comercializacion de los productos de GSC EI gas producido en la GSC se puede utilizar directamente como gas combustible de poder calorifico medio 0 como gas de sintesis intermedio para producir otros productos comercializables como se muestra en la Figura 48

De las diversas posibilidades existentes la combinaci6n de factores de consumo y econ6micos determinaran el producto mas rentable

EI producto primario de la GSC es un gas cuyo poder calorifico es de 2670 a 3560 Kca1Jm3 el cual se puede usar como gas combustible De este gas se deben eliminar las particuIas el alquitran el agua y los gases acidos~ el gas se comprime y envia por

1j-

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

T

tuberia al consumidor El C02 presente se puede eliminar y vender si se encuentra un mercado local Esto aumentani el poder calonfico del gas combustible restante y disminuinllos costos de transporte Este gas puede sustituir el gas natural en muchas aplicaciones industriales lDebido a los costos de transporte su consumo se realizara como maximo a 160 Km de la fuente de produccionl

CarbOn Gas de poder --- Gas combustible

Vapor + Oxigeno CalOriCo medio

Gas de Sintesis

1------4 Gas Natural Sintetico

1--____ Productos quimicos

I--___-I~ Metanol

I--___-I~ Gasolina

1--___ Hidrogeno

FIGURA 48 Principales aplicaciones del gas producido en la GSC (Meseguer V y Alcaraz D 1987)

El gas natural sintetico se puede producir a partir del gas de sintesis y es intercambiable con el gas natural En este caso el capital requerido es mayor ya que es preciso

bull Promover la reacci6n CO + H20 -+ H2 + C02 bull Eliminar C02 bull Realizar un proceso de metanaci6n bull Efectuar la limpieza del gas

482 Desgasificacion de pozos verticales - La tecnologia probada

La tecnica de perforaci6n vertical permite a cualquier manto de carbon volverse un objetivo potencial para producci6n de gas mientras que las tecnicas previas solo se han aplicado a areas asociadas con minena subterrimea

La estimulacion hidniulica de carbones desde pozos verticales se puede usar sobre mantos mas profundos delgados y de baja calidad los cuales no sen a rentable explotarlos de otra manera Este metodo tambien se puede usar para desgasificar los mantos en la mina en frentes de explotacion

133

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I

~ (shy

El metodo de pozos verticales acede a la zona objetivo atraves de pozos perforados desde la superticie Varias tecnicas de completacion se usan de acuerdo a las condiciones especificas del sitio Una tecnica de completacion comunmente usada consiste en perforar 30 m debajo del manto objetivo mas profundo (Figura 49) Luego se coloca el revestimiento 1 m por encima del carbon mas profundo Un zapato empaquetador se usa sobre el fondo de el revestimiento el cual permite que este sea cementado en ellugar sin colocar el cementa at raves de la cara del manto mas inferior Se usa un cemento de peso liviano se usa para cementar el revestimiento EI cemento se coloca generalmente a 50 m arriba del carbon mas alto EI manto 0 los mantos pueden estimularse para aumentar la produccion de gas El carbon normal mente tiene permeabilidades muy bajas y por 10 tanto es dificil la produccion comercial a partir de el sin algun tipo de tratamiento EI metodo de hidrofracturamiento produce fracturas en el manto de carbon por presion hidniulica Las fracturas se extienden al bombear a presiones suficientemente grandes el fluido y un propagante a altas tasas para mantener las fracturas abiertas produciendose asi la propagacion de la fractura y el transporte del propagante (Figura 50) Los fluidos usados consist en de agua geles y espumantes

Los propagantes los cuales mantienen la fractura abierta son usualmente una fraccion de arena subredondeada del mismo tamaiio Los propagantes se escogen principalmente por sus caracteristicas de arrastre penneabilidad y por su resistencia y durabilidad Comunmente se usa arena rica en cuarzo con tamaiio 2040 y 1020

_

Rlvulimimo superficiol

Hueeo superficial

RlYlltimitnlO dl prodllccion

Hlileo de produceiamp

Cemellfo de peso iviono

061lUvo suprior MOlllol

ManIa mal profunda

Hulleo pora

duagul

FIGURA 49 Completacion tipica (Battino S y otros 1989)

134

I ~

f

r

I

I

I middot4 l

Fracturo abierta porWbull presiOn hldraullco

-----1-------J~ j bull bull Manto de carbon-=----t--middot_middot=middot~middotcc~~ lt0

FIGURA 50 Procedimiento de hidrofracturamiento de mantos de carbon (Battino S y otros 1989)

Usando el metoda de completacion anterior el manto mas bajo se expone y queda listo para estimulacion A los otros mantos se accede usando una pistola de perforaci6n 0 una tecnica de acanalamiento (Figura 51)

EI hidrofracturamiento continua hacia arriba en el pozo hasta que todas las zonas objetivo son fracturadas Varios procedimientos tales como empaquetadores y arena ~e usan para aislar las zonas mas inferiores a medida que cada manto en el pozo se fractura Es po sible fracturar tres zonas en un dia ademas de reducir el Costa par zona

135

T - Ilk

Gal

--I 10Ij( 1

UlIIlloeioll 0 d agua comprtllonStporodor -

-t

u

Manto d carbonIII~

FIGURA 51 Pozo produciendo metano de un manto de carbon (Battino S y otros 1989)

Despues de la estimulaci6n hidniulica la presi6n de fonnaci6n decrece hasta que los propagantes no seran jalados dentro del pozo Las bombas se colocan luego para producir agua desde el manto de carb6n Esto reduce la presi6n hidrostatica sobre el carb6n permitiendo que el metano y otros gases salgan desde el carb6n A medida que este proceso de desorpci6n continua el gas libre y el gas en soluCi6n en el agua que se encuentra dentro de los poros del carb6n fluye hacia el pozo

Las curvas de producci6n de gas varian ampliamente con respecto a las curvas producidas por el gas chisico convencional debido a los procesos de desorpci6n Una curva de producci6n tipica de gas de los mantos de carb6n se muestra en la Figura 54

La producci6n se puede describir en dos etapas principales La primera etapa se caracteriza generalmente por una declinaci6n rapida en la producci6n de agua y un maximo incremento en la producci6n de gas La segunda etapa consiste de una declinaci6n gradual en la producci6n de gas y decrecimiento muy gradual en la producci6n de agua

136

r 1

Aunque Ia Figura 52 represent a una curva de produccion tipica desde el manto de carbon la longitud y amplitud de la curva se afectan por muchos factores Todos esos factores afectan la tasas de produccion Los facto res de mayor importancia son Ia permeabilidad in-situ del carbon la cual depende en gran medida del peso de sobrecarga (profundidad) y en un menor grado del rango del carbon la geometria del fracturamiento principalmente longitud y altura~ cercania a la produccion previa y concurrente (espaciamiento del pozo) rasgos estructurales los cuales afectan la permeabilidad y los cuales actuan como trampas

ETAPA 2

PRODOCCIOf DE GAs

PRODUCCION DE AGUA--------- TIEMPODE PRODUCCION

FIGURA 52 Curva generalizada de produccion de gas (Battino S y otros 1989)

Utilizacion del metano Hay muchasmaneras posibles de utilizar el metano extraido de las capas de carbon mediante la tecnologia antes descrita Algunas de las principales opciones son

Transmision de gas bull Red de tuberias dedicada a los requerimientos de operacion de las minas de carbon bull Venta de excedentes de la produccion de gas a empresas de gas que continuan la

purificacion bull Produccion de gas natural liquido (LNG) bull Produccion de gas natural comprimido (CNG)

Generacion de energia bull Generacion de turbina de gas (GTG) bull Cogeneracion por GTG mas recuperacion de calor residual por calderas y turbinas

de vapor bull Generacion de turbina de vapor

137

T Petroq uimica

bull Amonio y derivados bull Metanol y derivados

Procesos quimicos y metalurgicos

49 LICUEFACCION

Los combustibles liquidos se pueden producir de carbon a partir de un material semishysolido bajo en sulfuros denominado solvente refinado de carbon (SRC) el cual se puede usar para generacion electrica 0 incorporarse en las mezc1as en los homos de coque para la elaboracion del coque metalurgico generar aceites combustibles pesados y aceites destilados Esos materiales pueden refinarse para producir combustibles de transporte como gasolina para automotores) diesel y combustible de aviacion

La comparacion de la composicion elemental del carbon de varios rangos con la del petroleo crudo (Tabla 18) ilustra las transfonnaciones quimicas esenciales necesarias para convertir carbon en hidrocarburos liquidos La mas alta relacion atomica de hidrogeno a carbo no en el aceite crudo significa que el proceso que se aplique al carbon debe remover carbono 0 incrementar hidrogeno 0 ambos Los heteroatomos en el carbon (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien se deben remover al igual que la materia mineral Esas transformaciones son complejas involucran significantes gastos de energia y requieren el uso de plantas y equipos muy costosos

Element Antracita Bit MY Bit A BitB Lignito Petroleo Gasolina Tolueno (00) AV AV

C 937 884 845 803 727 82-87 860 913 H 24 50 56 55 42 11-14 140 87 0 24 41 70 111 213 N 09 17 16 19 L2 02 S 06 OS 13 12 06 10

HlC 031 067 (b79 082 069 176 _ 194 114 Nota Los an3lisis del carbon se dan libres de agua y ceniza

I

EI contenido de cenizas del carbon varia entre 3 y 15 Relacion atomica HlC de asfaltenos residuales de petr6leo 1 IS resina 147 yaceite 167

13S

T I t i Hay tres tipos principales de procesos para convertir carbon a Hquidos Esos se

pueden distinguir p~r facto res tales como el metodo y las condiciones de procesamiento la produccion de liquidos por tonelada de carbon procesado y las caracteristicas del producto liquido

Los procesos son

1 Pirolisis 2 Indirecto (Gasificacion y sintesis Fischer-Tropsch) 3 Hidrogenacion

La hidrogenacion se puede subdividir en procesos de extraccion con solventes e hidrogenacion directa mientras una variante del proceso de pirolisis se denomina hidropirolisis La Figura 53 ilustra los principales pasos en cada uno de los tres principales procesos de licuefaccion

a) GasPir6lisis Separaci6nCarbon Liquido

CharI I

Gasificaci6n IAgua I

I I I I

~-------------------------------------------------------------~

b) Sintesi t GasCarbon= IGasificaei6n H Fieher- Trosch Liquido Agua

c) Gas LiquidosCarbon Hidrogenaci6n Separaci6n

I

I I

~_____________1f______________________~___~ I

Char

I I I I I

Gasificaci6n I I

IAgua I I I I

~----------------------------------------------------~

FIGURA 53 Procesos para la licuefaccion del carbon A Pirolisis B SintesisFischer-Tropsch C Hidrogenacion (White 1979)

139

I

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T - Ilk

Gal

--I 10Ij( 1

UlIIlloeioll 0 d agua comprtllonStporodor -

-t

u

Manto d carbonIII~

FIGURA 51 Pozo produciendo metano de un manto de carbon (Battino S y otros 1989)

Despues de la estimulaci6n hidniulica la presi6n de fonnaci6n decrece hasta que los propagantes no seran jalados dentro del pozo Las bombas se colocan luego para producir agua desde el manto de carb6n Esto reduce la presi6n hidrostatica sobre el carb6n permitiendo que el metano y otros gases salgan desde el carb6n A medida que este proceso de desorpci6n continua el gas libre y el gas en soluCi6n en el agua que se encuentra dentro de los poros del carb6n fluye hacia el pozo

Las curvas de producci6n de gas varian ampliamente con respecto a las curvas producidas por el gas chisico convencional debido a los procesos de desorpci6n Una curva de producci6n tipica de gas de los mantos de carb6n se muestra en la Figura 54

La producci6n se puede describir en dos etapas principales La primera etapa se caracteriza generalmente por una declinaci6n rapida en la producci6n de agua y un maximo incremento en la producci6n de gas La segunda etapa consiste de una declinaci6n gradual en la producci6n de gas y decrecimiento muy gradual en la producci6n de agua

136

r 1

Aunque Ia Figura 52 represent a una curva de produccion tipica desde el manto de carbon la longitud y amplitud de la curva se afectan por muchos factores Todos esos factores afectan la tasas de produccion Los facto res de mayor importancia son Ia permeabilidad in-situ del carbon la cual depende en gran medida del peso de sobrecarga (profundidad) y en un menor grado del rango del carbon la geometria del fracturamiento principalmente longitud y altura~ cercania a la produccion previa y concurrente (espaciamiento del pozo) rasgos estructurales los cuales afectan la permeabilidad y los cuales actuan como trampas

ETAPA 2

PRODOCCIOf DE GAs

PRODUCCION DE AGUA--------- TIEMPODE PRODUCCION

FIGURA 52 Curva generalizada de produccion de gas (Battino S y otros 1989)

Utilizacion del metano Hay muchasmaneras posibles de utilizar el metano extraido de las capas de carbon mediante la tecnologia antes descrita Algunas de las principales opciones son

Transmision de gas bull Red de tuberias dedicada a los requerimientos de operacion de las minas de carbon bull Venta de excedentes de la produccion de gas a empresas de gas que continuan la

purificacion bull Produccion de gas natural liquido (LNG) bull Produccion de gas natural comprimido (CNG)

Generacion de energia bull Generacion de turbina de gas (GTG) bull Cogeneracion por GTG mas recuperacion de calor residual por calderas y turbinas

de vapor bull Generacion de turbina de vapor

137

T Petroq uimica

bull Amonio y derivados bull Metanol y derivados

Procesos quimicos y metalurgicos

49 LICUEFACCION

Los combustibles liquidos se pueden producir de carbon a partir de un material semishysolido bajo en sulfuros denominado solvente refinado de carbon (SRC) el cual se puede usar para generacion electrica 0 incorporarse en las mezc1as en los homos de coque para la elaboracion del coque metalurgico generar aceites combustibles pesados y aceites destilados Esos materiales pueden refinarse para producir combustibles de transporte como gasolina para automotores) diesel y combustible de aviacion

La comparacion de la composicion elemental del carbon de varios rangos con la del petroleo crudo (Tabla 18) ilustra las transfonnaciones quimicas esenciales necesarias para convertir carbon en hidrocarburos liquidos La mas alta relacion atomica de hidrogeno a carbo no en el aceite crudo significa que el proceso que se aplique al carbon debe remover carbono 0 incrementar hidrogeno 0 ambos Los heteroatomos en el carbon (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien se deben remover al igual que la materia mineral Esas transformaciones son complejas involucran significantes gastos de energia y requieren el uso de plantas y equipos muy costosos

Element Antracita Bit MY Bit A BitB Lignito Petroleo Gasolina Tolueno (00) AV AV

C 937 884 845 803 727 82-87 860 913 H 24 50 56 55 42 11-14 140 87 0 24 41 70 111 213 N 09 17 16 19 L2 02 S 06 OS 13 12 06 10

HlC 031 067 (b79 082 069 176 _ 194 114 Nota Los an3lisis del carbon se dan libres de agua y ceniza

I

EI contenido de cenizas del carbon varia entre 3 y 15 Relacion atomica HlC de asfaltenos residuales de petr6leo 1 IS resina 147 yaceite 167

13S

T I t i Hay tres tipos principales de procesos para convertir carbon a Hquidos Esos se

pueden distinguir p~r facto res tales como el metodo y las condiciones de procesamiento la produccion de liquidos por tonelada de carbon procesado y las caracteristicas del producto liquido

Los procesos son

1 Pirolisis 2 Indirecto (Gasificacion y sintesis Fischer-Tropsch) 3 Hidrogenacion

La hidrogenacion se puede subdividir en procesos de extraccion con solventes e hidrogenacion directa mientras una variante del proceso de pirolisis se denomina hidropirolisis La Figura 53 ilustra los principales pasos en cada uno de los tres principales procesos de licuefaccion

a) GasPir6lisis Separaci6nCarbon Liquido

CharI I

Gasificaci6n IAgua I

I I I I

~-------------------------------------------------------------~

b) Sintesi t GasCarbon= IGasificaei6n H Fieher- Trosch Liquido Agua

c) Gas LiquidosCarbon Hidrogenaci6n Separaci6n

I

I I

~_____________1f______________________~___~ I

Char

I I I I I

Gasificaci6n I I

IAgua I I I I

~----------------------------------------------------~

FIGURA 53 Procesos para la licuefaccion del carbon A Pirolisis B SintesisFischer-Tropsch C Hidrogenacion (White 1979)

139

I

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

r 1

Aunque Ia Figura 52 represent a una curva de produccion tipica desde el manto de carbon la longitud y amplitud de la curva se afectan por muchos factores Todos esos factores afectan la tasas de produccion Los facto res de mayor importancia son Ia permeabilidad in-situ del carbon la cual depende en gran medida del peso de sobrecarga (profundidad) y en un menor grado del rango del carbon la geometria del fracturamiento principalmente longitud y altura~ cercania a la produccion previa y concurrente (espaciamiento del pozo) rasgos estructurales los cuales afectan la permeabilidad y los cuales actuan como trampas

ETAPA 2

PRODOCCIOf DE GAs

PRODUCCION DE AGUA--------- TIEMPODE PRODUCCION

FIGURA 52 Curva generalizada de produccion de gas (Battino S y otros 1989)

Utilizacion del metano Hay muchasmaneras posibles de utilizar el metano extraido de las capas de carbon mediante la tecnologia antes descrita Algunas de las principales opciones son

Transmision de gas bull Red de tuberias dedicada a los requerimientos de operacion de las minas de carbon bull Venta de excedentes de la produccion de gas a empresas de gas que continuan la

purificacion bull Produccion de gas natural liquido (LNG) bull Produccion de gas natural comprimido (CNG)

Generacion de energia bull Generacion de turbina de gas (GTG) bull Cogeneracion por GTG mas recuperacion de calor residual por calderas y turbinas

de vapor bull Generacion de turbina de vapor

137

T Petroq uimica

bull Amonio y derivados bull Metanol y derivados

Procesos quimicos y metalurgicos

49 LICUEFACCION

Los combustibles liquidos se pueden producir de carbon a partir de un material semishysolido bajo en sulfuros denominado solvente refinado de carbon (SRC) el cual se puede usar para generacion electrica 0 incorporarse en las mezc1as en los homos de coque para la elaboracion del coque metalurgico generar aceites combustibles pesados y aceites destilados Esos materiales pueden refinarse para producir combustibles de transporte como gasolina para automotores) diesel y combustible de aviacion

La comparacion de la composicion elemental del carbon de varios rangos con la del petroleo crudo (Tabla 18) ilustra las transfonnaciones quimicas esenciales necesarias para convertir carbon en hidrocarburos liquidos La mas alta relacion atomica de hidrogeno a carbo no en el aceite crudo significa que el proceso que se aplique al carbon debe remover carbono 0 incrementar hidrogeno 0 ambos Los heteroatomos en el carbon (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien se deben remover al igual que la materia mineral Esas transformaciones son complejas involucran significantes gastos de energia y requieren el uso de plantas y equipos muy costosos

Element Antracita Bit MY Bit A BitB Lignito Petroleo Gasolina Tolueno (00) AV AV

C 937 884 845 803 727 82-87 860 913 H 24 50 56 55 42 11-14 140 87 0 24 41 70 111 213 N 09 17 16 19 L2 02 S 06 OS 13 12 06 10

HlC 031 067 (b79 082 069 176 _ 194 114 Nota Los an3lisis del carbon se dan libres de agua y ceniza

I

EI contenido de cenizas del carbon varia entre 3 y 15 Relacion atomica HlC de asfaltenos residuales de petr6leo 1 IS resina 147 yaceite 167

13S

T I t i Hay tres tipos principales de procesos para convertir carbon a Hquidos Esos se

pueden distinguir p~r facto res tales como el metodo y las condiciones de procesamiento la produccion de liquidos por tonelada de carbon procesado y las caracteristicas del producto liquido

Los procesos son

1 Pirolisis 2 Indirecto (Gasificacion y sintesis Fischer-Tropsch) 3 Hidrogenacion

La hidrogenacion se puede subdividir en procesos de extraccion con solventes e hidrogenacion directa mientras una variante del proceso de pirolisis se denomina hidropirolisis La Figura 53 ilustra los principales pasos en cada uno de los tres principales procesos de licuefaccion

a) GasPir6lisis Separaci6nCarbon Liquido

CharI I

Gasificaci6n IAgua I

I I I I

~-------------------------------------------------------------~

b) Sintesi t GasCarbon= IGasificaei6n H Fieher- Trosch Liquido Agua

c) Gas LiquidosCarbon Hidrogenaci6n Separaci6n

I

I I

~_____________1f______________________~___~ I

Char

I I I I I

Gasificaci6n I I

IAgua I I I I

~----------------------------------------------------~

FIGURA 53 Procesos para la licuefaccion del carbon A Pirolisis B SintesisFischer-Tropsch C Hidrogenacion (White 1979)

139

I

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T Petroq uimica

bull Amonio y derivados bull Metanol y derivados

Procesos quimicos y metalurgicos

49 LICUEFACCION

Los combustibles liquidos se pueden producir de carbon a partir de un material semishysolido bajo en sulfuros denominado solvente refinado de carbon (SRC) el cual se puede usar para generacion electrica 0 incorporarse en las mezc1as en los homos de coque para la elaboracion del coque metalurgico generar aceites combustibles pesados y aceites destilados Esos materiales pueden refinarse para producir combustibles de transporte como gasolina para automotores) diesel y combustible de aviacion

La comparacion de la composicion elemental del carbon de varios rangos con la del petroleo crudo (Tabla 18) ilustra las transfonnaciones quimicas esenciales necesarias para convertir carbon en hidrocarburos liquidos La mas alta relacion atomica de hidrogeno a carbo no en el aceite crudo significa que el proceso que se aplique al carbon debe remover carbono 0 incrementar hidrogeno 0 ambos Los heteroatomos en el carbon (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien se deben remover al igual que la materia mineral Esas transformaciones son complejas involucran significantes gastos de energia y requieren el uso de plantas y equipos muy costosos

Element Antracita Bit MY Bit A BitB Lignito Petroleo Gasolina Tolueno (00) AV AV

C 937 884 845 803 727 82-87 860 913 H 24 50 56 55 42 11-14 140 87 0 24 41 70 111 213 N 09 17 16 19 L2 02 S 06 OS 13 12 06 10

HlC 031 067 (b79 082 069 176 _ 194 114 Nota Los an3lisis del carbon se dan libres de agua y ceniza

I

EI contenido de cenizas del carbon varia entre 3 y 15 Relacion atomica HlC de asfaltenos residuales de petr6leo 1 IS resina 147 yaceite 167

13S

T I t i Hay tres tipos principales de procesos para convertir carbon a Hquidos Esos se

pueden distinguir p~r facto res tales como el metodo y las condiciones de procesamiento la produccion de liquidos por tonelada de carbon procesado y las caracteristicas del producto liquido

Los procesos son

1 Pirolisis 2 Indirecto (Gasificacion y sintesis Fischer-Tropsch) 3 Hidrogenacion

La hidrogenacion se puede subdividir en procesos de extraccion con solventes e hidrogenacion directa mientras una variante del proceso de pirolisis se denomina hidropirolisis La Figura 53 ilustra los principales pasos en cada uno de los tres principales procesos de licuefaccion

a) GasPir6lisis Separaci6nCarbon Liquido

CharI I

Gasificaci6n IAgua I

I I I I

~-------------------------------------------------------------~

b) Sintesi t GasCarbon= IGasificaei6n H Fieher- Trosch Liquido Agua

c) Gas LiquidosCarbon Hidrogenaci6n Separaci6n

I

I I

~_____________1f______________________~___~ I

Char

I I I I I

Gasificaci6n I I

IAgua I I I I

~----------------------------------------------------~

FIGURA 53 Procesos para la licuefaccion del carbon A Pirolisis B SintesisFischer-Tropsch C Hidrogenacion (White 1979)

139

I

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T I t i Hay tres tipos principales de procesos para convertir carbon a Hquidos Esos se

pueden distinguir p~r facto res tales como el metodo y las condiciones de procesamiento la produccion de liquidos por tonelada de carbon procesado y las caracteristicas del producto liquido

Los procesos son

1 Pirolisis 2 Indirecto (Gasificacion y sintesis Fischer-Tropsch) 3 Hidrogenacion

La hidrogenacion se puede subdividir en procesos de extraccion con solventes e hidrogenacion directa mientras una variante del proceso de pirolisis se denomina hidropirolisis La Figura 53 ilustra los principales pasos en cada uno de los tres principales procesos de licuefaccion

a) GasPir6lisis Separaci6nCarbon Liquido

CharI I

Gasificaci6n IAgua I

I I I I

~-------------------------------------------------------------~

b) Sintesi t GasCarbon= IGasificaei6n H Fieher- Trosch Liquido Agua

c) Gas LiquidosCarbon Hidrogenaci6n Separaci6n

I

I I

~_____________1f______________________~___~ I

Char

I I I I I

Gasificaci6n I I

IAgua I I I I

~----------------------------------------------------~

FIGURA 53 Procesos para la licuefaccion del carbon A Pirolisis B SintesisFischer-Tropsch C Hidrogenacion (White 1979)

139

I

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T 491 Procesos de pirolisis

Como la carbonizacion la pir6lisis del carbon se basa en el calentamiento del material en ausencia de aire para desprender los materiales volatiles y dejar un residuo solido En el caso de los carbones coquizables el residuo solido se denomina coque mientras que en un carbon no coquizante este se conoce como char Aunque los terminos pirolisis y carbonizacion ftecuentemente se usan intercambiablemente la pirolisis se aplica generalmente a los procesos en los cuales se produce char Una revision de varios procesos de pirolisis ha sido hecha por Smith and Stnai (1975) y los principios de operacion de algunos de ellos se discuten a continuacion

4911 Proceso Toscoal para la pir6lisis del carbon La pirolisis la carbonizacion 0 el retortado son expresiones que se utilizan de una manera general para describir la misma operacion basica de calentar el carbon para lograr un cierto grade de descomposicion y separacion del carbon en varios productos La pirolisis se puede llevar a cabo dentro de un amplio margen de condiciones de procesado y pueden lograrse productos con un amplio margen de caracteristicas Los cambios fisicos y quimicos que se producen durante la pirolisis son complejos pero no implica grandes intercambios de calor tales como los que se originan durante la reaccion vapor-carbono correspondiente a la gasificacion La pirolisis constituye una tecnica relativamente simple en funcion de sus necesidades de energia de control y en cuanto a la complejidad del proceso siendo utilizada para separar el carbon en varios componentes cuyo valor es potencialmente mas elevado

Los productos de la pirolisis son el coque el alquitnin y el gas expresados en orden de volumenmiddot decreciente Se produce tambien unaftacci6n acuosa que contiene algunos materiales orgamcos tales como los acidos carboxilicos pero en general esa ftaccion no tiene un valor economico Con algunos carbones se puede lograr una considerable concentracion 0 aumento en el poder colorifico del coque el alquitran y el gas mediante la pirolisis eliminando la humedad inherente El aumento en el poder calorifico del producto final en relaci6n con el carbon original con elevada humedad especialmente en 10 relativo al co que ofrece la posibilidad de reducir en forma considerable el costa del transporte del combustible producido que haya de ser utilizado a distancia EI alquitran a baja temperatura contiene muchas especies qui micas y puede resultar valioso como fuente de productos quimicos en el futuro Actualmente la separacion de los productos quimicos (que se manifiestan habittialmente en concentraciones bajas) obteniendolos del alquitran no es rentable econ6micamente

El plan del proceso Toscoal utilizando una planta piloto de 25 toneladas por dia aparece en la Figura 54 En el proceso se calienta el carbon y se Ie piroliza por contacto con bolas calientes de ceramica en un tambor 0 retorta giratorio de pirolisis Las bolas ceramicas se separan del carbon pirolizado (coque) mediante una criba colocada en la salida del tambor Las bolas ceramicas se transportan al calentador de

140

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

---------------- -----

r bolas y son recalentadas para un nuevo cicio en la retorta EI coque caliente sacado de la retorta se enfria en un enfiiador de tuba giratorio

I I EI carbon de alimentacion se seca y precalienta en la tuberia de subida mediante su arrastre en un t1ujo de gas caliente procedente del calentador de bolas EI paso de i

precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta y aumenta la producci6n de I esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas ofl-ece al mismo tiempo un metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tllio de gas del calentador de bolas Se requiere combustible suplementario en el precalentador para secar carbones que tengan elevado contenido de humedad La temperatura optima para el

H precalentamiento del carb6n es en general la temperatura mas elevada que pueda obtenerse sin que se produzca una emision excesiva de vapores de hidrocarburo procedentes del Iimpiador precaJentador

Salida del gas ala atm6slera

a venIa

VI 10 (5 Ll o

o o 10 gt UJ

FIGURA 54 PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ (Carlson F 1986)

EI tamano del carbon de alimentacion es de de pulgada (190 cm) y asi se ha utilizado en la planta pilato aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de ~ pulgada (121 em) EI tamano superior estaba Iimitado en la planta pilato par la capacidad elevadora del precalentador utilizado Los finos del carbon no afectan en fonna ad versa la operacion de la retorta perc es deseable levar a cabo la trituracion can el minima de finos para evitar un exceso de carga en el col ector de paiva EI carbon crepita y se desgasta par mcdon tanto en eI precalentador como en la retorta de modo que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a 4 pulgada(063 em)

141

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

I

~

~

1

El vapor de alquitnin se enfiia y condensa en el fraccionador en el cual se mantiene una temperatura maxima de tal forma que toda el agua de pirolisis y el vapor se condensen y se recojan en el acumulador superior La fase acuosa del acumulador se trata para recuperar los productos quimicos ylo para su eliminacion EI gas del acumulador se puede tratar para eliminar el azufre y venderse 0 utilizarse comocombustible en el calentador de bolas

EI proceso Toscoal tiene una considerable tlexibilidad en cuanto a la temperatura de pir6lisis asi como en la distribucion y caracteristicas de los productos generados Sin embargo la temperatura de pir61isis es de 800 a 1000F (427 a 5380C) 10 que constituye el rango de interes general En temperaturas de retortado por encima de 1000F el coque (prOCedente del carbon sub-bituminoso) contiene menos del 16 de materia volatil y requeriria modificaciones en la mayor parte de los sistemas de combustion para que estos se usen satisfactoriamente La producci6n de la retorta baja y los costos operativos aumentan a medida que incrementa la temperatura de la retorta El rendimiento de alquitran aumenta con la temperatura de retorta pero el ritmo de aumento declina considerablemente con temperaturas por encima de 1000F Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura y el ritmo de aumento por encima de aproximadamente 1000F corresponde al probable craqueado del alquitran

En temperaturas por debajo de 800degF los rendimientos de alquitran y gas disminuyen nipidamente y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~ quecontiene todas las materias volatiles iniciales

EI proceso Toscoal se ha aplicado Unicamente a carbones no aglutinantes Los carbones aglutinantes requeririan algim pretratamiento oxidante antes de serprocesados por este metodo

En Resumen en el proceso Toscoal el carbOn molido se alimenta en un homo rotatori0 donde este se pone en contacto con bolas cenimicas calientes Los productos volatiles de pirolisis (gas y alquitran) se limpian y reeuperan mientras las bolas se separan del residuo solido (char) por tamizado Despues de la separaci6n las bolas se recalientan antes de recicIarse a el homo rotatorio

4912 Proceso Lurgi-Ruhrgas

En el proceso Lurgi-Ruhrgas Figura 55 el carbOn molido se inyecta atraves de un surtidor de vapor dentro de un chorro de caida de char caliente EI gas y el alquitran que se produce se recuperan despues de limpiarlos mientras el char el cual gravita en el fondo del pirolizador se recalienta en una camara de lado vertical por combustion parcial con aire y luego se colecta para desecharse Otros productos del proceso son el polvo fino de char y gas (monoxido de carbona + nitrogeno) ambos de los cUales se pueden usar como combustibles de combustion

142

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

if(

d

Gas de gasogeno i polvo de chcr a 10 caldera

Separodor de chaT caliente

Entrada de calor y elevacion del

char

i Airs

FIGURA 55 Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No ill (Smith ampStitnai 1975)

4913 Pirolizador Garrett

Gas rico i vapor de alquitran

Carbon suriidor de vapor

Pirolizador

En el proceso Garrett el carbon se pone en contacto con char caliente y se calienta nipidamente a su temperatura de pirolisis El aceite y el gas se recuperan del char por separacion de cic1ones y algo del char que se produce se recic1a para posteriores operaciones de pir6lisis

4914 EI proceso COED EI proceso basico COED mejora el carbon obteniendo tres productos utiles mediante el calentamiento en lechos fluidizados multietapas como aparece en la Figura 56 En cada lecho el carbon pulverizado actua como un Jiquido debido a los gases que fluyen hacia arriba a traves de dicho lecho

En estas etapas el carbon se calienta nipidamente a temperaturas sucesivamente mas elevadas hasta obtener esencialmente toda Ia materia volAtil (petroleo y contenido de gas) del carbon La temperatura optima y el numero de etapas varia con el tipo de carbon EI calentamiento por etapas se utiliza para evitar la aglomeracion del carbon y la obturacion del sistema reactor Las temperaturas de cada etapa se eligen justamente por debajo de la temperatura maxima a la cua el carbon se puede calentar sin que se aglutine Dichas temperaturas tipicas son 600 a 650degF (316 a 343degC) en la primera etapa~ 800 a 850 of (427 a 454degC) en la segunda etapa 1000degF (538degC) en la tercera etapa y 1600degF (871degC) en la cuarta etapa

143

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

bull

iT

CarbOn Trlluraclon V Vaporoxlpeno secado

Gu combustible

Calb6n loalado

bull GaSllICaCIO1L ~

bull - loaladoI ~dlll carbOn

L 0 -0 - - -too- Gas d bllo Bfu CorrlllOls da alra

t FIGURA 56 Diagrama de flujo en el proceso COED

(Jones J 1986)

EI calor para la pirolisis se obtiene principalmente quemando una porcion del char con oxigeno en la ultima etapa Los gases calientes de dicha ultima etapa fluyen a continuacion por contracorriente para servir como gas fluidizante y fuente de calor para las etapas tercera y segunda El char caliente se puede reciclar de una a otra etapa para completar el calor de los gases EI medio fluidizante de la primera etapa se suministra quemando una porcion de los productos coque 0 gas

Los productos volatiles liberados del carbon en los reactores de lecho fluidizado pasan a un sistema de recuperacion de productos en el que se condensa el petroleo y se enfiian los gases En este sistema dichos gases calientes se enfrian directamente con Hcor (agua generada en el proceso) en un sistema separador Venturi El agua se decanta del petroleo antes de que este pase a un deshidratador para su secado final Un filtro giratorio a presion de revestimiento previo para eliminar las particulas de polvo fino del petroleo ya seco tambien forma parte del sistema de recuperacion Despues de filtrado el petroleo ya sin soIidos se bombea hasta lograr fa presion y mezclado con hidrogeno para su hidrotratamie~to en un reactpoundr catalitico de lecho fijo que opera a 750degF (400degC) Y 2500 Ibpulg (175 kgcm) EI hidrotratamiento elimina el azufre el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon y produce un petroleo crudo sintetico con 25deg API uno de los productos finales del proceso COED

EI gas se enfiia y trata para eliminar el dioxido de carbona y el sulfuro de hidrogeno A continuacion se puede vender como gas combustible 0 convertirlo mediante la aplicacion de tecnologia adicional en gas para tuberia 0 hidrogeno EI coque residual se puede utilizar como combustible para plantas de energia 0 se gasifica mediante fa aplicaci6n de posteriores tecnoIogias para producir gas combustible La selecci6n del gas final producido y el empleo ultimo del coque dependen del carbon que se utilice en el proceso y del mercado que exista para los productos enel lugar donde se encuentre la planta

144

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

~ I I I

r

I

Resultados principales

Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 15 barriles por tonelada de carbon bituminoso segun sea el tipo de carbon a1imentado EI rendimiento en gas es de 8000 a 10000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar

EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 05 toneladas por tonelada de carbon La conversion de este coque aplicando tecnologia posterior para obtener combustible limpio produce aproximadamente 56000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon con 220 Btu por pie cubico de gas para su empleo como combustible en lasplantas de energia electrica

En resumen en el proceso COED el carbon pasa atraves de una serie de pirolizadores de lecho t1uidizado a temperaturas progresivamente mayores EI calor requerido para el proceso se genera por combustion parcial del char en el pirolizador final EI objeto de este proceso es producir un aceite crudo sintetieo por hidrotratamiento catalitico deeI aIquitnin

La reaeeion del char producido eon el vapor se usa para haeer el hidrogeno necesario para este proceso y el char sobrante puede usarse para generacion de energia 0 laproduccion de gas de sintesis

4915 Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productosdel petr61eo

EI proceso COGAS para la conversion del carbon en gas y productos del petroleo utiliza la alta eficiencia de la pinllisis en muJtietapas del carbon y fa reactividad del vapor del coque de dicha piroIisis

Como resultado con la produceion en este sistema de petroleo y gas en bruto el proceso puede ser economicamente competitivo con otros procesos mas complejos degasificacion del carbon a alta presion

Elementos principales del proceso COGAS

En los diagramas de t1ujo en bloque aparecen dos versiones del proceso

1 Para la produecion de gas de calidad tuberia 0 sustituto del gas natural (GNS) ypetroleo 10 que aparece en Ia Figura 57 y

2 Para la produccion de gas con Btu moderado y petroleo 10 que se observa en laFigura 58

EI petnlleo producido puede ser un combustible semipesado 0 un petroleo crudo sintetico segun sean las condiciones de hidrogenado del petroleo en bruto procedente de la pirolisis del carbon

145

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T t

Pir6lisis En el proceso COGAS se emplea una variante del metodo de baja presion con lecho fluidizado en multietapa En la etapa de alta temperatura del COED para la pirolisis del carbon la produccion del calor en la cual una parte del coque se quema con oxigeno se puede eliminar y el calor para la pirolisis se suministra reciclando el coque caliente y el gas de sintesis procedente del gasificador El petroleo producido por pirolisis seria semejante al descrito en el proyecto COED

El hidrogeno para el hidrogenado se sunurustra refonnando una parte del gas producido en la forma qlle se indica en los diagramas de flujo La Tabla 1 contiene los amilisis tipicos del gas de pirolisis Este gas se limpia de hidrocarburos ligeros y luego se procesa al mismo tiempo que el gas en sintesis procedente de la gasificaci6n del co que

Los hidrocarburos livianos pueden ser productos vendibles~ 0 mezclarse de nuevo para aumentar la calidad del gas producido

El coque caliente procedente de la etapa de pir6lisis a 1000oF (538degC) se alirnenta al gasificador

~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles

Preparaci6n del carbOn

Agua limpia

Vapor

H2 S

Ceniza

CenLta

Aire

FIGURA 57 Diagrama de hloques del proceso COGAS gas con Btu medio (Bloom R y Malakoff H 1986)

146

C02-H2S

Amoniacc

Azulre

Gas con 340 Btu

PetrOleo slnt6l1CO

crudo

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

En resumen en el proceso COGAS el cual es una variante del proceso COED un gas de poder calorifico medio se produce con el char y el aceite de las reacciones de pirolisis EI carbon fino se lleva atraves del pirolizador en un chorro de gas caliente Y se somete a pirolisis extremadamente rapida a cerca de 900oe con un periodo de reaccion de aproximadamente 1 s EI char producido por este proceso se considera tambien muy reactivo y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado

r-------------------------------------------------------------------~-------------+- FenoiesAcua

limpla HZ S Amoniaco

Camza Azufre

acida Ceniza

C02-H2SVapor Aire

I I

Preparaci6n del carbon

~------~- Gasod~o Pefroho

sintetico crudoFIGURA 58 Diagrama de bloques de) proceso COGAS gas para

gasoducto (Bloom R y Malakoff H 1986)

4916 Extraccion supercritica de gas La tecnica de extraccion supercritica de gas es descrita por Owen (1979) Una mezcla de carbon fino y un gas solvente tal como tolueno bajo condiciones supercriticas se mezcla precalienta y bombea a la vasija del reactor Algunos de los extractos solventes de las sustancias del carbon bajo esas condiciones y el material extraido luego puede recuperarse a medida que la presion y la temperatura del sistema se reducen Los residuos solidos del proceso se gasifican mientras el solvente separado se recicla para uso posterior

La produccion de hidrocarburos liquidos de los procesos de pirolisis tambien como la composicion qui mica de los liquidos depende en gran medida de la tasa de calentamiento involucrada Tasas de calentamiento relativamente bajas tales como en las operaciones de retort a tradicional permiten la descomposicion termica de los productos de licuefaccion mientras la pirolisis ultra nipida que involucra altas tasas de calentamiento y particulas de carbon pequefias dan mayor produccion de alquitranes

147

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T 4917 Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida

La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno I La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura pera la I

produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas i

I En la hidropirolisis ultra nipida (FHP) el carbon se calienta nipidamente a una alta I

temperatura bajo presion de hidrogeno Los productos despues de limpiarse y despues del procesamiento consisten de gas natural sintetico (GNS) aromaticos I destilados (principalmente benceno tolueno y xileno (BTX) aceite combustible sulfuro amonio y char utilizable EI hidrogeno se puede obtener aI gasificar el char 0 por reformar a]go del GNS

~~

Uno de tales procesos ha sido descrito por Singh (I 978) Carbon pulverizado e hidrogeno precalentado se a1imentan a un reactor a presiones de 42 a 208 Mpa y a temperaturas de 593 a 982degC El tiempo de residencia es de 01-02 s y el gas caliente producido se enfiia posterionnente aI intercambiar calor con el hidrogeno mas frio a1imentado Los gases itcidos se remueven y el monoxido de carbono y los gases de hidrocarburos se convierten a metano e hidrOgeno Esos dos gases se separan criogenicamente el metano se a1macena y el hidrogeno se recicla por el reactor de hidropirolisis ultra ritpida Los productos liquidos y aceites combustibles se separan como una fracci6n en BTX y el amonio y agua como la otra

El char producido en el proceso se separa del gas enfiiado y reacciona con el vapor y el oxigeno para producir gas de sintesis Este luego se somete a conversion para producir hidrogeno por la reaccion CO + H20 - C02 + HZ

492 Gasificaci6n indirecta y sintesis Fischer Tropsch

EI monoxido de carbono e hidrogeno producido por la gasificacion del carbon se puede convertir en hidrocarburos Iiquidos por un proceso catalitico conocido como sintesis Fischer -Tropsch Este proceso se desarrollo en los aiios 1920 Y 1930 y fue operatlo de una manera comercial en Alemania Inglatena y Japon durante la Segunda Guerra Mundial En los aiios siguientes fue reemplazado por petrol eo y gas natural debajo costo

La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg Reptibica de Sur Afiica en 1955 para sacar aI pais del aislamiento del mercado mundial del petroleo y esta representa la Unica planta comercial de licuefaccion del carbon en el mundo basta ahora Sinembargo otro proceso de tipo similar esta en desarrollo principalmente ayudando a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis) a gasoIina

148

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

~

4921 Proceso SASOI La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg (SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12700 toneladas diarias y produce productos quimicos y combustibles tales como butano propano olefinas ceras y gasolina Esta operacion consiste en la gasificacion de carbon granular con vapor y oxigeno en un gasificador Lurgi seguida por sintesis catalitica Fischer -Tropsch usando dos tipos de procesos

1 Proceso ARGE de lecho fijo y 2 Proceso Synthol en lecho fluidizado

Esos dos tipos de sintesis combinado con la seleci9n de las condiciones de operacion y composicion del catalizador permite producir un amplio rango de productos EI proceso Synthol es adecuado para la produccion selectiva de hidrocarburos en el rango de la gasolina y presenta una alta produccion por unidad de reactor El proceso de lecho fijo tiene una menor produccion por unidad de reactor y aunque se pueden obtener productos similares al del proceso Synthol los productos son principalmente hidrocarburos parafinicos tales como combustible diesel aceite pesado y ceras

Aunque el numero cetano del diesel es excelente el numero octano de la gasolina ARGE esta por debajo de las especificaciones premium del combustible de grado mctor De otro lado la gasolina Synthol tiene un mayor numero octano

Las operaciones en la Republica de Sur Africa se han expandido a una escala muy grande con el desarrollo de dos nuevos complejos (SASOL II Y SASOL III) Cada una de ellas produce productos liquidos a una tasa de alrededor de 20 millones de toneladas por ano cerca de 10 veces la de SASOL I

4922 Proceso Mobil EI gas de sintesis elaborado a partir del carbon se puede usar para hacer metanol el cual a su vez se puede convertir en gasolina usando un catalizador especial de zeolita desarrollado por la Corporacion de Investigacion y Desarrollo de la Mobil De una manera distinta se estan haciendo intentos para producir gasolina directamente del gas de sintesis eliminando asi la coproduccion de otros quimicos para los cuales no hay mercado disponible En el proceso metanol - gasolina la gasolina tiene un alto numero octano y esta libre de residuos pesados asi que no hay necesidad de producir una de mas alto grado Usando la gasificacion del carbon Lurgi se estima que se puede obtener una eficiencia termica de mas del 66

493 Procesos Basados en Hidrogenaci6n

En la pirolisis el hidrogeno del carbon se redistribuye entre el char y los productos liquidos En la hidrogenacion suficiente hidrogeno se adiciona desde una fuente extema para transformar una alta proporcion de los componentes orgarucos del carbon a hidrocarburos liquidos

149

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

EI primer proceso de este tipo incluye la reaccion de carbon pulverizado 0 mezclas carbOn-aceite con hidrogeno gaseoso a altas temperaturas Y presiones Tales procesos se usaron con la gasificacion y el proceso de sintesis Fischer-Tropsch para abastecer la demand a para combustibles de transporte en A1emania durante la II guerra mundial

Varios procesos recientes se basan en la transferencia de hidrogeno desde liquid os donores y han surgido varias ventajas para tales procesos en comparacion con las tecnicas de hidrogenacion directa tradicional (Borkowrtz 1979)

La hidrogenacion se puede aplicar a carbones que varian en rango desde lignito hasta bituminosos altos en volatiles aunque se prefieren los carbones que tienen una alta concentracion de macerales reactivos (vitrinita y liptinita) y bajo contenido de cenizas La concentracion de heter01itomos (oxigeno nitrogeno y sulfuro) tambien influencian los requerimientos del proceso el consumo de hidrogeno y la naturaleza y produccion de los productos de licuefaccion

La hidrogenacion ofrece la ventaja de una mayor produccion de Iiquidos por toneIada de carbon consumido comparado a otros procesos aplicados a el mismo carbon

4931 Procesos de extracci6n con solventes

Mucha de Ia materia orgaruca en algunos tipos de carbOn puede ser disuelta en solventes tales como aceites de a1quitran de carbon a temperaturas por encima de 400C dejando la materia mineral yalgunos constituyentes inertes como un residuo Este proceso se puede usar directamente en la elaboracion de electrodos de carbono (Owen 1 979) 0 combinado con la adicion de hidrogeno para la produccion de combustibles liquidos

Un proceso para la extraccion con solventes del carbon con la adicion de hidrogeno fue patentado p~r dos cientificos alemanes Pot y Broche en 1932 y muchas de las investigaciones mas recientes sobre extraccion con solventes tienen en cuenta los principios de esta primeta tecnica EI principal objetivo de esta investigacion es producir combustibles ambientalmente aceptables a partir de carbones altos en sulfuros pero otras opciones tambien son posibles tales como la produccion de crudo sintetico y un conjunto de productos quimicos

Dos procesos denominados SRC I Y SRC IT se estan desarrollando en Estados Unidos el primero produce un material solido bajo en sulfuro yen cenizas yel ultimo un hidrocarburo liquido como los aceites combustibles pesados

EI proceso SRC I involucra la preparacion de un slulJY de carbon mezclando carbon pulverizado y un sol vente a base de carbOn EI sluny se bombea atraves de un precalentador y un reactor a una presion de cerca de 7 Mpa y una temperatura de cerca de 425degC EI hidr6geno se adiciona aI sluny antes de la etapa de precalentamiento y se separa con otros gases producidos de la fraccion liquida en el sistema de salida de presion Los carbones que no reaccionen se separan del extracto

150

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

T

I I ~

) j

por liltracion y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando elslurry a la zona de preparacion

EI producto de esta etapa esta en la forma de un Iiquido pesado y puede alimentarse a una caldera como tal si se previene el enfriamiento Altemativamente este puede enfiiarse y formarse en terrones de material semejante a la brea y usarse como si este fuera un combustible solido La aplicacion tecnica del proceso depende de el desarrollo de un medio eliciente de separar el carbon que no reacciona del slurry producido Aunque el proceso se describe como no catalitico muchos de los carbones que han respondido bien a este tipo de procesamiento han tenido un Contenido comparativamente alto de sulfuro y existe la posibilidad que la pirita y otros minerales asociados aI carbon puedan ejercer una infJuencia catalitica sobre la operacion de conversion

El proceso SRC II es esencialmente el mismo que el SRC I con respecto aI sistema precaJentador-reactor y la temperatura y presion operante Sinembargo con el SRC II no hay filtracion y la separacion del carbon que no reacciona desde el slutTy producido se efectlia por destilacion (Figura 59a) Ademas parte del slurry producido continuamente se recicla it la zona de preparacion de alimentacion del slurry para tomar ventaja de cualquier efecto catalitico desde la materia mineral asociada

4932 Proceso Carbon - H

Se basa en la bidrogenacion de un lecho fluidizado de carbon y aceite solvente en la presencia de un catalizador (Figura 60) El tamailo de particula de el catalizador se selecciona para permitir el paso del carbon los productos de licuefaccion y el residuo mientras se retiene el catalizador en el reactor y el lecho fluidizado se disefia para extender la vida del catalizador reduciendo la depositacion del carbOn no cubierto y la materia mineraI sobre las superficies de reacci6n

El grado de bidrogenacion puede variarse y el reactor Carbon-H se puede operar ya sea para producir aceite combustible bajo en suIfuro 0 aceite crudo sintetico que es adecuado para refinamiento posterior Un flujo diagrama del proceso para la producci6n de aceite combustible se muestra en la Figura 59b

4933 Proceso solvente donor Exxon

EI bidrogeno se suministra por el solvente usado produciendo un extracto desde el carbon que posteriormente se refina por tratamiento con bidrogeno gaseoso (Figura 59c) EI carbon que no reacciona se separa del slurry producido por destilacion yel solvente es cataliticamente bidrogenado antes de recicIarse a la zona de preparacion del slurry La gasificacion de los residuos de destilacion proporcionan una fuente de bidrogeno para el tratamiento con solvente y para el mejoramiento del producto

4934 Proceso mejorado IG Faben (Bergius)

Durante la segunda guerra mundial el primer proceso IG F aben se usa junto con la sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte

151

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152

r En Leuna 100000 toneladas por ano de gasolina se produjeron por hidrogenacion de lignitos y en 1945 se habian construido 12 plantas de hidrogenacion basadas en lignito carbon bituminoso y alquitnin La presion de reaccion en el primer proceso Faben fue de 72 Mpa y los asfaltenos se recicIaron pero en las plantas modernas los asfaltenos no son recicIados durante el proceso y esto permite bajar las presiones a cerca de 3 1 Mpa

a)

Co

b)

Carbon

o c)

Precalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n

Reactor no cataHtico

Gas producido

Destilacion

Liquidos

Cenizas y carbon sin transfonna

Producto destilado

L--shy__t Solvente refinado d carbon bajo en aceit

Productos llquidos Liquidos pesados ------------------- ~ combustible de

Solvente recirculado

recalentador

Hidrogeno

Recirculaci6n solvente donor de hidrogeno

Reactor catalftico

productos gaseosos para generaci6n de Hidrrogeno

~______ Recirculacion deIHidrognaci6n I solventer------------l catalitlca

Precalentador Reactor no catalitico

Destilaci6n

caldera

Cenizas y carb6n no transfonnado para

generaci6n de Hidrogeno

Productos gaseosos para generacion de hidrogeno

Coquey Ishy_____~ cenizas

para generar hidrogeno

Destilado sintetico

FIGURA 59 Diagrama de Oujo de los procesos SRCIl Carb6n-H y Solvente Donor Exxon a Proceso solvente refinado de carbon con hidrotratamiento b Proceso Carb6n-H (modo aceite combustible) c Proceso Solvente Donor Exxon (EDS) (Instituto investigaciones en energia electrica 1981)

152