Usos y Transformaciones del Carbón
Combustión Directa del Carbón
Los parámetros más importantes en la combustión del carbón son el rango, el contenido de cenizas, azufre y humedad, ya que todos ellos están directamente relacionados con su poder calorífico y la facilidad de quemado. Existen básicamente dos métodos de combustión del carbón: la combustión en lecho fijo y la combustión en suspensión (lecho fluidizado). Este último método se desarrolló con el objetivo de obtener mayores tasas de transferencia de calor, controlar las emisiones de azufre y disminuir la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx), gracias a las menores temperaturas que se alcanzan en la zona de combustión.
Carbonización del Carbón
La carbonización es un proceso industrial que utiliza la descomposición térmica del carbón para la obtención de un residuo sólido carbonoso, además de líquidos y gases combustibles.
Carbón → Residuo sólido + Líquidos + Gases
Este proceso se puede realizar a baja (500-700 ºC) y a alta temperatura (900-1500 ºC). Los cuatro principales productos que se obtienen en el proceso de carbonización a baja temperatura son:
- Carbón tostado o coque
- Alquitranes orgánicos complejos
- Gases
- Licor acuoso
Las proporciones de estos productos vienen determinadas, en parte, por la tasa y el tiempo de calentamiento o residencia. Los carbones que se suelen utilizar a baja temperatura son los lignitos y subbituminosos, y uno de los carbonizadores más utilizados es el de Lurgi-Spülgas.
Cuando se habla de alta temperatura, estos procesos se emplean básicamente para la producción de coque. El carbón tostado sufre posteriormente una serie de tratamientos secundarios, en función de su uso posterior (metalurgia, centrales térmicas, etc.), y se manufactura en forma de briquetas o bolas.
A partir de los alquitranes del carbón, mediante destilación fraccionada, se pueden obtener:
- Aceites ligeros (<220 ºC): pueden reprocesarse para obtener gasolinas.
- Aceites medios (220-375 ºC): incluyen queroseno y gasoil.
- Aceites pesados (450-550 ºC): sirven para la obtención de hidrocarburos como el antraceno.
Licuefacción del Carbón
La licuefacción es la producción de combustibles líquidos a partir del carbón. Se puede dividir en dos métodos principales:
Pirólisis
Consiste en calentar el carbón en una atmósfera deficiente de oxígeno a temperaturas superiores a 400 ºC. El carbón se convierte en gases, líquidos (con acumulación de hidrógeno) y un compuesto sólido deficiente en hidrógeno. El residuo sólido representa más del 45% en peso del carbón inicial. Si se realiza en presencia de hidrógeno, el proceso se denomina hidrocarbonización.
Extracción por Disolventes
El carbón se mezcla con un disolvente capaz de transferir hidrógeno del disolvente al carbón, bajo condiciones de altas temperaturas y presiones. Generalmente se utilizan líquidos (a menudo derivados del propio carbón) como disolventes donantes.
Usos y Transformaciones del Petróleo
El petróleo, tal como se extrae de los pozos, es un combustible. Sin embargo, para obtener diversos productos derivados, es necesario someterlo a un tratamiento que lo transforme en los productos adecuados. Por lo tanto, es siempre necesario refinar el petróleo crudo, lo cual implica dos procesos fundamentales:
- División en fracciones de volatilidad distinta.
- Alteración física o química de algunas de esas fracciones.
Craqueo (Cracking) del Petróleo
El craqueo (o cracking) produce la rotura de las grandes moléculas de hidrocarburos para dar otras más pequeñas. Este proceso aumenta la calidad y el rendimiento de las fracciones de gasolina.
Tipos de Craqueo:
- Craqueo térmico: Implica calor y presión.
- Craqueo catalítico: Requiere menor calor y presión, pero se realiza en presencia de un catalizador.
Destilación del Petróleo Crudo
En el refinado del petróleo, la destilación es el proceso más utilizado. El crudo puede ser separado en distintas fracciones según sus niveles de volatilidad: gases, líquidos y semisólidos. Para cada fracción se requiere un tratamiento posterior que las convierta en aptas para el consumo.
Proceso de Destilación en Columnas:
En las columnas de destilación, el petróleo calentado se introduce en la torre (generalmente a media altura). A medida que el líquido desciende por la torre, entra en contacto con el vapor ascendente de la parte inferior de la columna. El líquido arrastra la fracción más pesada de los gases ascendentes. Como resultado, las fracciones más volátiles ascienden hacia la parte superior, mientras que las más pesadas descienden. A las fracciones obtenidas se les pueden aplicar una segunda destilación o tratamientos adicionales, tales como:
- El hidrocraqueo: añade hidrógeno en la operación de craqueo.
- El reformado o conversión catalítica: produce hidrógeno al eliminarlo de las naftas.
- Extracción mediante disolventes.
Usos y Transformaciones del Gas Natural
El gas natural puede utilizarse directamente como combustible o como gas de síntesis para la industria petroquímica. Las transformaciones y productos que se pueden obtener a partir de él son similares a los que se obtienen del gas de síntesis derivado del refino del petróleo crudo.
El gas natural es considerado el combustible fósil más limpio desde el punto de vista de la polución, ya que produce la menor cantidad de CO2 por unidad energética en comparación con otros combustibles fósiles. Sin embargo, es más difícil de almacenar y transportar que los combustibles sólidos y líquidos.
Debido a su excelente mezcla con el aire, el gas natural requiere una menor cantidad de este para lograr una combustión completa. Esto no solo permite un ahorro de energía, sino también una mejor regulación y transmisión del calor. Además, facilita el control de la forma de la llama y, por ende, un mejor control de la temperatura del proceso y de la potencia específica.
Al ser el gas natural menos denso que el aire, las posibles fugas tienden a dispersarse en la atmósfera, lo que reduce el riesgo de acumulación en lugares bajos y, por consiguiente, la posibilidad de inflamabilidad en zonas peligrosas.
En la industria, el gas natural se recibe en condiciones de uso inmediato, lo que elimina la necesidad de instalaciones de bombeo o calentamiento, así como el uso de aditivos. Tampoco son necesarias conducciones aisladas térmicamente.
Ventajas del Gas Natural como Combustible
- Bajo contenido de azufre: Los productos de combustión tienen bajos contenidos de compuestos de azufre, lo que permite reducir la temperatura de emisión, mejorar el rendimiento y eliminar la corrosión en el circuito de humos.
- No nocivo para productos: Los productos de la combustión no tienen efectos nocivos sobre los materiales a calentar, lo que posibilita su uso directo en procesos con productos alimenticios, esmaltes cerámicos, etc. Además, prolonga la vida útil de los refractarios.
- Ausencia de cenizas: La ausencia de cenizas permite mantener limpias las superficies de intercambio, mejorando el rendimiento y reduciendo significativamente el mantenimiento.
Por otra parte, el rendimiento de una caldera de gas es del orden del 71%, un valor muy alto comparado con el que se obtiene al utilizar el gas natural para producir electricidad (aproximadamente 40%). Si posteriormente se utiliza esta electricidad para producir calor, el rendimiento disminuye aún más. Por ello, lo más adecuado sería utilizar el gas natural para calefacción en el ámbito doméstico y para la producción combinada de calor y electricidad (cogeneración) en la industria.
Centrales de Gasificación Integrada en Ciclo Combinado (IGCC)
Estas centrales están formadas por dos plantas principales:
- La planta de gasificación, donde se produce el gas sintético.
- La planta de ciclo combinado, donde se produce electricidad mediante una turbina de gas y una turbina de vapor.
Se utiliza como combustible para la turbina de gas el producto resultante de la gasificación de otros combustibles (generalmente carbón o coque de petróleo), proceso que se lleva a cabo en la propia central. A continuación, se aprovecha el calor residual para, mediante una caldera de recuperación, alimentar una turbina de vapor. La energía eléctrica final producida es, por lo tanto, la suma de la generada en el ciclo de vapor y la generada en el grupo de gas.
Ventajas de las Centrales IGCC
Las ventajas de este proceso incluyen una mejora significativa del rendimiento de la conversión (alrededor del 45% frente al 38% típico de otras centrales), lo que reduce no solo el coste de la electricidad producida, sino también la cantidad de dióxido de carbono emitido por cada kWh.
Proceso Operativo de una Central IGCC
En las centrales de gasificación integrada en ciclo combinado, el carbón es transportado y descargado por camiones en el parque de carbones de la central. Desde el parque, una cinta transportadora envía el carbón de mina a la planta de preparación de combustibles, donde es pulverizado y secado. En dicha planta, se limpia y enfría el aire para obtener oxígeno (utilizado para la gasificación del carbón) y nitrógeno (empleado para aumentar el rendimiento del grupo de gas).
El gasificador recibe el combustible pulverizado procedente de la planta de preparación. En su parte inferior, mediante la inyección de oxígeno y vapor de agua, se produce un gas sintético a muy alta temperatura. El calor de este gas se aprovecha para calentar el agua del ciclo y generar parte del vapor que se expandirá en la turbina de vapor. Una vez enfriado el gas sintético, las cenizas existentes solidifican y pueden ser separadas. El gas obtenido en el gasificador, antes de ser quemado, pasa por la unidad de desulfuración, donde se extrae el azufre. Una vez limpio, el gas es enviado al grupo de gas.
Componentes del Grupo de Gas:
- Compresor: Toma aire exterior y lo adapta a las condiciones necesarias para una combustión óptima.
- Cámara de combustión: Donde se quema el gas sintético.
- Turbina de gas: Los gases de combustión se expanden y mueven un generador eléctrico.
La energía eléctrica generada en este grupo es enviada a los transformadores del parque de alta tensión para adaptar sus condiciones de tensión e intensidad a las de la red de transporte de alta tensión.
Generación de Vapor y Electricidad Adicional:
En la caldera de recuperación, se aprovecha el calor residual de los gases de combustión procedentes de la turbina de gas para producir vapor a diferentes presiones antes de liberarlos a la atmósfera. Este vapor es enviado a la turbina de vapor. Como se mencionó anteriormente, en la caldera del gasificador también se produce vapor, aprovechando la alta temperatura a la que se genera el gas sintético para vaporizar agua precalentada en la caldera de recuperación.
Al igual que la turbina de gas, la turbina de vapor mueve un generador que produce energía eléctrica. Esta energía es enviada a continuación al parque de alta tensión y de allí a la red de transporte.
El vapor de agua a la salida de la turbina es condensado mediante el intercambio de calor con el agua del circuito de refrigeración. Esta agua es enviada a la torre de refrigeración para liberar el calor recibido.
Los residuos líquidos de la central son tratados en la planta de tratamiento de efluentes.