La combustión del carbón

Proceso de combustión del carbón

El carbón es un combustible sólido fósil natural que procede de la descomposición de la materia vegetal (sobre todo de la lignina). Cuando queremos combustionar un carbón es necesario llegar a una cierta temperatura para provocar su inflamación, por lo que será necesario aportar una cierta cantidad de calor. Hay que acumular calor hasta superar la llamada temperatura de inflamación.

Desde el punto de vista técnico, para que se origine un proceso de combustión tiene que ocurrir que la velocidad de oxidación debe ser lo bastante alta para que el calor desprendido en la reacción sea elelevado. Debido a lo complicado de la estructura del carbón, se pueden producir ciertas reacciones de descomposición o transformación (pirólisis), lo que puede hacer que el carbón, tras sufrir este proceso, no sea tal, sino que se convierta en una serie de compuestos derivados. En la prirólisis, el carbón se descompone en ciertos productos, siempre en ausencia de oxígeno. Primero se segrega el agua, después moléculas de mayor tamaño que se desgajan, y así sucesivamente. El hecho de que esto se produzca en ausencia de oxígeno implica que no se produzca la combustión. Sin embargo, puede darse el caso de que el calor producido sea suficiente para alcanzar la temperatura de inflamación, y se produce la oxidación del carbón.

Normalmente la llama resulta de la incandescencia del carbono elemental, que se produce por cracking de las materias volátiles. Por lo tanto, cuantas más materias volátiles haya, más llama se producirá.

Otro factor que se debe tener en cuenta en la combustión del carbón es que se encuentra en estado sólido, por lo que para favorecer el contacto entre combustible y comburente hay que aumentar la superficie de contacto. Para ello se hace necesario disminuir el tamaño de partículo, por lo que se tiende a formar prácticamente polvo.

Resumiendo, el proceso de combustión del carbón es cuando se pone el carbón en contacto con el O₂ y a una temperatura tal que el carbono se convierta en carbono fijo y volátil y así se consiga un buen contacto entre ambos.

La parrilla es el lugar donde se pone el carbón para su combustión. Hace falta que la parrilla tenga orificios para que el aire comburente atraviese el lecho del combustible y se ponga así en contacto con él.

Tipos de lechos de combustible por el método de alimentación

Las parrillas, enrejado que sustenta la masa del carbón, se clasifican en fijas y móviles

Dentro de las parrillas fijas están las de alimentación superior y las alimentación inferior.

El tipo de parrilla se escoge dependiendo de muchos factores: tipo de instalación, tamaño de partícula, rendimiento necesario,...

La masa de parrilla en el carbón va a presentar cuatro zonas bien diferenciadas:

• Zona de cenizas: Perjudicial porque apantalla la cantidad de calor. Sin embargo protege la parrilla
• Zona de oxidación: Aquí se produce la combustión primaria
• Zona de reducción:
• Zona de destilación: La materia volátil se recalienta y se obtiene el residuo de coque

Factores que influyen sobre el proceso de combustión

Durante la reacción de combustión de un carbón se nos hace necesario regular los siguientes aspectos:

• Suministro de aire
• Tiempo de combustión
• Enfriamiento de gases de horno
• Granulometría

Es necesario tener en cuenta la velocidad de suministro, la cantidad y calidad del aire, distribución del aire y el exceso del mismo.

Si queremos que se realice una combustión completa no llega en la práctica con aportar el aire primario requerido teóricamente para quemar el carbono fijo del carbón (transformando este en CO₂). Si el lecho de carbón es poco profundo, no habrá un buen contacto con el aire. Si aumentamos el espesor del lecho de carbón, no habrá entonces suficiente aire para realizar completamente la reacción. Es por todo esto que necesitamos del aporte del aire secundario. Este aire secundario se aporta normalmente por encima de la parrilla. De este modo conseguimos que se produzcan las siguientes reacciones:

C + ½ O₂ CO

CO + O₂ CO₂

C + O₂ CO₂

La velocidad de suministro de aire influye de manera que a mayor suministro de aire, mejor se realizará la reacción, mientras que si la velocidad es baja, la reacción se producirá con más dificultad.

En cuanto a la cantidad y velocidad de entrada de aire de entrada, influye del mismo modo que el punto anterior.

La distribución de aire en el horno es un factor que viene condicionado por el rango del carbón. Por lo tanto, el contenido en materias volátiles del carbón nos va a influir en la distribución de aire.

El exceso de aire influye porque la cantidad de aire en exceso aportada a la combustión depende en parte del tipo de combustible, del modo de apilar el carbón en la parrilla,...

Combustión del carbón sin emparrillado

Según veremos, será necesario utilizar otro soporte distinto del emparrillado para poder sujetar el carbón; por ello es necesario que el carbón esté especialmente preparado. Existen dos procedimiento, según el tamaño que presente el carbón, que puede ser pulverizado y menudo:

Carbón pulverizado sin parrilla

Se usa cuando el carbón tiene un tamaño muy pequeño. Tiene la ventaja de que al estar el carbón muy pulverizado, la superficie de contacto va a ser mucho mayor. Va a presentar su combustión una llama larga, casi como la que presentan los gases. Sin embargo, la combustión es más lenta. Se necesitan cámaras de combustión más grandes. Presenta su combustión un rendimiento alto y es fácil de regular

Ventajas:

• Aplicable a gran variedad de carbones
• Alto rendimiento
• Altas temperaturas
• Exceso de aire bajo
• Velocidad de alimentación y suministro de aire fácilmente regulable

Inconvenientes:

• Cuando el carbón tiene ceniza, ésta es difícil de eliminar
• La instalación inicial es cara (hay que efectuar una serie de procesos previos: molido, tamizado, transporte,...)
• Tiene tendencia a escorificar en las paredes refractarias. Esto requerirá un mayor mantenimento
• Mayor cantidad de cenizas por inquemados
• Es necesaria una cámara de combustión más grande
• Para carbones húmedos es necesario mayor gasto en la preparación previa.

El proceso de combustión de este tipo de carbón se realiza en 3 etapas:

1. Pre-ignición: Se produce un pequeño cambio en la forma y tamaño de las partículas.
2. Ignición y combustión: Se queman los componentes volátiles
3. Combustión del residuo carbonoso

Con este tipo de combustión, los carbones que tienen tendencia a la aglomeración forman lo que se llaman cenosferas, que son esferas huecas de paredes finas.

Al haber mucha superficie de contacto, en este tipo de combustión se va a requerir gran cantidad de aire, y por lo tanto, el volumen del hogar deberá ser grande. Lo que se suele hacer es emplear combustible coloidal, que es una suspensión de polvo muy fino de carbón en un aceite o fueloil residual que se estabiliza mediante un agente dispersante. Este combustible se puede atomizar, dividiendo el combustible en pequeñas gotas, regulando fácilmente la combustión. Esto permite menos volumen de hogar.

Carbón menudo

El carbón menudo es aquél que tiene un tamaño inferior a 6.5 mm. El horno usado se denomina BACCOCK. Para poder usar este proceso, el carbón debe cumplir una serie de requisitos:

• Carbón rico en materias volátiles, para que tenga llama larga y que entre fácilmente en ignición
• Cenizas con punto de fusión inferior a 1430ºC en una atmósfera reductora
• Viscosidad de la escoria de 250 poisses a 1480ºC

Es necesario que se produzca un 3^er aporte de aire para que se queme totalmente el combustible. El aire se insufla con una cierta velocidad. El porcentaje de exceso de aire para la combustión completa es relativamente bajo. El tamaño de horno va a ser menor que el del carbón pulverizado. La ceniza va a ser más gruesa y por lo tanto más fácil de eliminar que en el carbón pulverizado.

Combustión del carbón y legislación medioambiental

En la combustión se van a formar una serie de compuestos (humos y gases de combustión), que se suelen expulsar a la atmósfera, ya que suelen ser desechos. El problema radica en la composición de estos gases y en sus cantidades. Los gases de combustión suelen tener los siguientes compuestos, cuando la combustión es buena.

CO₂, H₂, SO₂, N₂, O₂

Si la combustión es mala tendremos:

CO₂, CO, H₂O, SO₂, N₂, O₂.

Los peores compuestos desde el punto de vista ambiental son: CO₂, CO, SO₂, siendo éste último, el dióxido de azufre el peor legislativamente hablando.

El SO₂ emitido, en contacto con el H₂O (en humos o en la propia atmósfera, forma el H₂SO₄, que es el responsable de la lluvia ácida.

Si existe una mala combustión tendríamos C_s (hollín), que produce un gran impacto visual (ennegrecimiento) amén de otros.

Las legislaciones tienden a ser cada vez más estrictas, sobre todo en cuanto a emisiones de CO₂ y SO₂. La legislación tiene en cuenta tanto concentraciones puntuales como continuadas.

Lo primero que debe tratar de cumplir la legislación medioambiental deben ser las propias instalaciones industriales. Esto va a tener un buen efecto publicitario e incluso económico, porque estar dentro de los parámetros medioambientales implica estar dentro de los parámetros de una buena combustión; esto sobre todo en cuanto a la emisión de CO₂. En caso del SO₂ el control es más administrativo y legislativo que empresarial, ya que no se ve un beneficio económico directo claro.

La combustión del carbón es una combustión ‘sucia’: produce 2 veces más de CO₂ que la que produce el gas natural y un 20% más que la del fuelóleo (referido a 1 Kw.h de electricidad).

Tendencias actuales en la combustión del carbón

En la actualidad se tienden a utilizar procedimientos que permitan unas condiciones lo más ideales posibles para la combustión del carbón. Son las denominadas tecnologías limpias del carbón. Estas tecnologias limpias del carbón son:

CFBC: Combustión en lecho fluidizado circulante (Circulating fluidized bed com- bustion)

PFBC: Combustión en lecho fluidizado a presión (Pressure fluidized bed combus- tion)

IGCC: Ciclo combinado de gasificación integrada

CFBC: El fluido que sostiene el carbón es aire y caliza. La caliza sirve para ayudar a fijar el SO₂ que se produce, como sulfato cálcico, y además baja la temperatura del proceso, lo que evita la formación de los No_x. La secuencia de reacciones es:

S + O₂ SO₂

SO₂ +CaCO₃ CaSO₄ desciende la temperatura

PFBC: En este proceso existe una cierta presión en el horno. El gas de combustión se va a depurar y expandir en una turbina de gas, para así aprovecharlo.

IGCC: En este proceso el carbón se gasifica parcialmente con aire en un horno a presión. Lo que se obtiene en este proceso es un gas con monóxido de carbono y H₂. El gas se depura, y una vez frío se quema (oxida) y una vez quemado se emplea la energía obtenida para producir electricidad en una turbina de gas. Parte de estos gases vuelven a realimentar el proceso. Además, los gases de escape se van a emplear en alimentar una turbina convencional y obtener de este modo una energía adicional.

Briquetas u ovoides

Se llaman briquetas a los productos que resultan de la compactación de restos finos y menudos que se producen en la obtención del carbón y que en gran parte se estarían perdiendo en el proceso de lavado del carbón. Que se llegue más o menos lejos en la recuperación de este carbón dependerá de la calidad del carbón. Estamos en una tamaño en el que las cenizas son más grandes que las propias partículas del carbón. Este aumenta al aumentar la mecanización de la mina.

Los objetivos del briqueteado del carbón son:

1. Convertir el carbón fino o menudo, barato o desecho, en combustible utilizable
2. Producir a partir de carbones que decrepitan en las parrillas combustibles sólidos que se comportan satisfactoriamente durante la combustión
3. Producir combustibles sólidos sin humos a partir de carbones finos no aglutinantes

Fabricación de las briquetas

Se realizan por medio de la compresión de las partículas de carbón de menor tamaño. Esta compresión se puede realizar con dos procedimiento distintos:

1)   Briqueteado sin aglomerado: Esta basado en propiedades inherentes al carbón. Tiene 3 variables fundamentales: temperatura, presión y humedad. Del ajuste óptimo de estas variables va a depender que el briqueteado sea exitoso o no. La facilidad para sufrir briqueteado disminuye cuánto más se parezca el carbón considerado a la antracita. El mejor carbón para briquetear son los lignitos pardos.

Los países que han desarrollado preferentemente las técnicas para briqueteado han sido Alemania y Australia (Victoria), que poseen grandes reservas de lignitos.

Para formar estas briquetas sin aglomerantes, puede ser que tengamos las briquetas autoaglomerantes, en las que habrá que usar una presión alta (del orden de 700 kg/cm² en lignito pardo. Para fabricar estas briquetas se utilizan las prensas de autobriqueteado, que pueden ser de dos tipos:

• Extrusión: De émbolo o acción directa. Sección rectangular
• Rodillos: Funcionan con dos ruedas tangentes (anillos). Esrtán pensadas para grandes instalaciones. Utilizan secciones de diferentes formas

Las hullas, para que sufran un proceso de autobriqueteado, hay que calentarlas para que se reblandezcan primero y además de este modo el bitumen actúa como aglomerante.

2)   Briqueteado con aglomerado. Es muy útil para aprovechar los carbones de desecho de alto rango que están en finos sólidos. Se aplica pues a carbones bituminosos, carbonosos, antracitas o coque.

El aglomerante es la sustancia que aglutina los trozos de carbón. Hay dos tipos de aglomerante

• Inorgánicos: Silicato sódico, lejía de sulfato, sílice, oxicloruro de magnesio, cementos. Estos aglomerantes, por su carácter inorgánico, van a provocar un aumento de las cenizas del carbón, por lo que rebajará la calidad del mismo
• Orgánicos: Este tipo de aglomerantes no aumenta las cenizas; aumenta el calor de combustión. Se usan cereales e hidrocarburos pesados (asfaltos). Los cerales son almidones, harina de maíz,... El inconveniente de este tipo de aglomerantes es que en condiciones húmedas se desintegra.

Con el empleo de hidrocarburos pesados se aumenta la resistencia a la humedad de las briquetas y nos da un producto más útil que se maneja y usa mejor. Lo que se emplea en la actualidad es brea de alquitrán de petróleo.

Características físico-químicas que deben cumplir las briquetas

No importa la procedencia de las briquetas. Deben cumplir las siguientes propiedades.

• Resistencia a la rotura por flexión
• Resistencia a la rotura por compresión
• Resistencia al frotamiento
• Resistencia frente a la humedad
• Estabilidad frente a agentes atmosféricos

Balance de la combustión del carbón

En un carbón, como sabemos, rara vez se conoce su composición química exacta; pero es posible conocer su composición en contenido de C, H₂O, H, O y cenizas. El balance de la combustión de un carbón se hace básicamente igual que el de cualquier combustible

Componente	% (C-H2O)	% (C-H2O-cenizas)	Reacción	Gases de combustión
C	C1	C2	C+O2 → CO2	CO2
H	H1	H2	H2+½O2 → H2O	H2O
S	S1	S2	S+O2 → SO2	SO2
H2O				H2O
Cenizas
	Porcentajes calculados libres de cenizas y agua	Porcentajes calculados libres de agua

Se calcula el aire mínimo, oxígeno mínimo, gases de combustión, etc. de igual forma que para un combustible general. Se deben calcular los porcentajes libres de cenizas y agua, porque el contenido en cenizas del carbón es bastante importante. Por ello, si queremos decir el peso total de los gases de combustión habrá que decir el combustible empleado, el aire real y las cenizas. Las cenizas no se obtienen en la combustión. Los porcentajes se dan en masa.