Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 4: Tecnologias de combusti6n 4.3 COMBUSTION DE CARBON PULVERIZADO. EI uso de carbon pulverizado se da principalmente en la generacion de energia electrica. La combustion de carbon provee aproximadamente el 57% de la energia electrica generada en los Estados Unidos (dato suministrado en 1994). EI carbon pulverizado son polvos fin~s equivalente al 75%, los cuales pasan 200 US estcimdar. Oebido al problema que se presenta en cuanto al almacenamiento de estos por la contaminacion, la pulverizacion se lIeva a cabo inmediatamente antes de iniciar el proceso de alimentacion del carbon, el carbon es inyectado con aire primario en un quemador disenado para grandes mezclas de aire - combustible. Las particulas del carbon se asumen generalmente volatiles, ya que el proceso de desvolatilizacion es muy rapido, aproximadamente 0.1s, mientras que el proceso de quemado de char requiere aproximadamente 1s, 10 anterior depende tanto del tamano de particula como de la reactividad del char. Este tipo de ignicion se conoce como ignicion homogenea, esta se da con una mezcla gas - gas. Cuando la ignicion ocurre en la superficie de la particula del carbon se conoce como ignici6n heterogenea. haciendo que los volatiles extingan el frente de llama y la particula del char quema heterogeneamente Figura 4.8. Esquema de un sistema de combustion de carbon pulverizado . 171 Capitulo 5: Cinetica de combustion Carlos Arturo Londono Giraldo 5. CINETICA DE COMBUSTION DE CARBONES La investigacion acerca de la cinetica en los procesos de combustion especial mente del carbon ha lIegado a ser importante, ya que, la oxidacion del char en hornos que emplean combustibles pulverizados es un proceso lento en comparacion con la combustion de los volatiles, con una duracion entre 30 ms hasta 1s. Por 10 anterior la ve/ocidad de oxidacion del char puede lIegar a convertirse en el parametro mas importante que gobierna el proceso de quemado del carbon. Aunque la medicion de dicho para metro se hace complicada debido a los siguientes factores: I. Variaci6n de la estructura del carbon. II. Difusion de los reactantes. III. Efectos del tamano de particula. IV.Difusion por por~s. ,-> V. Catalisis de minerales. VI. Cam bios en e/ area de la superficie durante la reaccion . VII . Efectos de la temperatura y la presion. Para la medida de la velocidad de la oxidacion de manera parecida a como se da en el proceso de combustion, existen varios metodos dentro de los cuales se encuentra el propuesto p~r "Thornton Research Centre"; sus investigadores proponen operar bajo condiciones de alta temperatura, afectando la oxidaci6n del char de manera muy parecida a como ocurre en el proceso de combustion real.. Lo anterior se logra a traves de dos metodos. EI primer metodo ha sido denominado "combustion en tubo de carda libre", ya que la velocidad de oxidacion es obtenida mientras las particulas de char estan suspendidas en una corriente de gas oxidante. EI segundo metodo es p~r "analisis termogravimetrico", este es el metodo mas simple en la medicion de la velocidad de oxidacion, el cual opera a baja temperatura, arrojando un intervalo de resultados, a traves de los cuales se puede analizar el comportamiento del proceso de oxidacion del char. 5.1 ANAuSIS TERMOGRAVIMETRICO Esta tecnica como se habra expuesto anteriormente trabaja a bajas temperaturas (400 ­ 600°C) comparado con la combustion en reactor 0 tubo de carda libre. EI analisis termogravimetrico (t.g.a.) ofrece potencialmente un metodo alternativo atractivo de monitoreo de la velocidad de oxidacion del char. Esta tecnica utiliza equipos comerciales 172 Calios Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion estandar, rapidos y de facil manejo, dando resultados repetibles, y cuando no opera isotermicamente existe un amplio intervalo de temperaturas, en el cual se puede trabajar. 5.1.1 Perfiles de quemado del char por Itt. g. a.". En esencia el "t.g.a" registra de forma instantanea el peso de una cantidad determinada de muestra sometida tanto a temperatura como a velocidad de calentamiento constantes. EI resultado del perfil de quemado es una grafica que relaciona la velocidad de perdida de peso (mg/min.) con la temperatura en una atmosfera de aire. Las perdidas de humedad cesan antes de alcanzar la particula los 200°C de temperatura y en consecuencia los resultados se expresan en base seca libre de cenizas (d, a, f). Los perfiles del char son mas simples que los del carbon. Con frecuencia el perfil consiste en una figura que presenta un solo pico simetrico, el cual va acompanado por un segundo pico mas pequeno a baja temperatura, este ultimo se presenta gracias a la perdida de humedad, el resto de la figura es plana y horizontal. Un rasgo caracteristico de muchos de los perfiles de quemado de char investigados es la presencia de dos picos bien definidos, dichos picos estan intimamente relacionados con los contenidos de vitrinita e inertinita en las muestras analizadas. Investigaciones en carbones de bajo rango permitieron concluir 10 siguiente: que el char derivado de carbones con alto contenido de vitrinita dan perfiles con un solo pico cerca de los 500°C, mientras que el char formado a partir de carbones con alto contenido de inertinita presentaron perfiles con un pico de quemado 80°C mas alto, y por ultimo que para muestras que contienen gran proporcion de ambos macerales el resultado de los perfiles del char muestran dos picos. Una tecnica complementaria conocida como medicion diferencial calorimetrica (Differential Scanning Calorimetry "d.s.c") es generalmente empleada para confrontar los resultados de los perfiles de quemado que se obtienen por medio de "t.g.a". Los perfiles obtenidos por medio de "d.s.c" muestran el cambio en el flux instantaneo de calor entre la muestra y un inerte estandar como una funcion de la temperatura, para ello se coge una determinada cantidad de muestra, la cual es sometida a una velocidad de calentamiento constante y a traves de un intervalo de temperatura (400 - 600°C). AI igual que con "t.g.a" los perfiles de quemado "d.s.c" arrojaron que el char de alto rango exhibio un solo pico, mientras que en carbones de bajo rango se desarrollaron dos picos poco definidos. Lo anterior se Ie atribuye a las cantidades de inertinita y vitrinita presentes. 5.1.2 Perfiles de quemado del carb6n. Los perfiles de quemado del carbon son generalmente caracterizados por eventos importantes, mirar Figura 5.1. En dicha figura se observa en primer lugar un pico al inicio del perfil por debajo de los 100°C de temperatura que corresponde a la liberacion de humedad. Seguidamente se presenta una disminuci6n en la velocidad de perdida de peso entre 200 - 300°C (usualmente a un valor negativo), esto es causado racia a ~r:ci6n-<ie.-Oxi9-e de la combustion. A continuaci6n el perfil de quemado presenta un gran pico, lIamado pico principal e combusti6n, este a su vez es usualmente precedido por un pico mas pequeno, el cual es atribuido en parte a la Iiberaci6n de volatiles. Vale la pena aclarar que la desvolatilizaci6n y el quemado del char no son procesos que se dan por separado, la desvolatilizaci6n se completa antes de la 173 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion temperatura a la cual se genera el principal pico de combustion (PT). Subsecuentemente la velocidad de perdida de peso cae dramaticamente a cero . PT (pn ";'~ E 8 ~ ~if 6 Q) a. Q) "0 4 co ~ "0 2 ffi 8T 0..0 (l) "0 N OJ "0 ~ a:: o 200 400 600 800 Temperatura, DC Figura 5.1. Temperaturas caracteristicas en los perfiles de quemado del carbon • Temperatura de pico (PT). Es el punto donde la velocidad de quemado esta en un maximo. Donde la muestra presenta una resolucion mas nitida del pico mayor 0 principal (PT,) . EI pico inferior que acompana al mas importante, se denomina pico de baja temperatura (PTv). • Temperatura de quemado (BT). Es la temperatura en la cual la oxidaci6n de la muestra es completa . Esta es asumida como el punto inmediatamente antes que la reaccion pare, es decir cuando la velocidad de perdida de peso esta alrededor de 1% min- 1 . 5.1.3 Interpretaci6n de los perfiles de quemado del carb6n. Los efectos sobre los perfiles de quemado del carb6n se deben al rango del carbon y a la composicion de los macerales. • Macerales. Estudios sobre el char han demostrado que la concentracion de macerales influye en la velocidad de quemado, observandose que en un char donde abunde la inertinita quemara mas lentamente que cuando abunda la vitrinita. Asi la diferencia que se observa en la temperatura de quemado, probablemente es causada p~r el contenido de macerales, los cuales influyen sobre la reactividad del char durante el analisis termogravimetrico del carb6n . 174 Cartos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combusti6n • Rango. Se han realizado analisis de c6mo afecta el range en la reactividad entre la vitrinita y la inertinita, lIegando a /a conclusi6n que entre el rango y las temperaturas PT y 8T existe una relaci6n directa, es decir que al aumentar el range tambien aumentan dichas temperaturas, pese a esto la diferencia en la reactividad tanto para la vitrinita como la inertinita disminuye con el incremento del rango . 5.1.4 Efectos del rango y la composici6n maceral sobre la reactividad del char a condiciones isotermicas. Una alternativa interesante para medir la reactividad del carb6n por "t.g.a." fue adoptada por Crelling y otros, la cual consiste en que a partir de carbones australianos y norteamerica nos se produce char a 700 °c dentro del analizador termogravimetrico y subsecuentemente se oxida isotermicamente a 500 °c. Vale /a pena anotar que el procedimiento presenta una gran desventaja, que los char producidos de esta manera no son representativos de aquellos producidos bajo condiciones operantes de muy altas temperaturas en los combustores de combustible pulverizados. 2 . 41---------~==============:;:_T Vela" Kltlanlng" r .. Vela "Hartshorne" ~ 2­ - I -0 -­ .~ <:; ­ ~ 1.6­ ~ 1 .2­ -2l ­ .~ 0.8­ -g .. '" ­ -0.4­ - - - -. .. .. . -....- 0~-.1-.1-.1-.1~1-.1-.1-.1r-1.-·1-.1.-.-1.-1'1-.1r-1"1,-1 0.4 0.6 0.8 1 12 1. 4 1 .6 Refractancia de la vitr1rit a. % 1.B 2 Figura 5.2. Variaci6n de la reactividad con el range para dos carbones norteamericanos. Reactividad del char medido a 500 DC, 5% en volumen O2 en N2. EI efecto del rango sobre la reactividad es mostrado en la Figura 5.2, para dos muestras \I ricas en vitrinita, el indice de reactividad (R T) fue calculado a partir de la siguiente ecuaci6n: ~ I <J ( . t ~ v· Ij l . '\lc, ( \ \t (5.1) Donde: Wo: Es la masa inicial del char (a, f) . dw/dt: Velocidad de perdida de peso. En la Figura 5.2 puede observarse claramente que la reactividad decrece rapidamente para un carb6n bituminosos de bajo range (Ro 2.2 - 0.8, % vitrinita 0.5 - 1.0). Para un carb6n bituminoso de rango medio la reactividad decrece lentamente (Ro:0.8 - 0.4, % 175 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion vitrinita: 1.0 - 1.5). Mientras que en un carbon bituminoso de alto rango, la reactividad permanecio constante (Ro: ~ 0.5, % vitrinita : 1.5 - 2.0 %). La influencia de la composicion sobre el indice de reactividad (Ro) ha sido estudiada para muestras de un litotipo del mismo rango, ver Figura 5.3, en la cual se puede observar que la reactividad decrece linealmente con el aumento del contenido de inertinita. ~- 0.7 "C :i u (1l ~ 0. 6 O.5L...-_ _---'-_ _ _....J.-_ _ _.l....-_ _- - ' -_ _- - - - ' 25 35 45 55 65 75 Contenido de ine rtinh, % 'tol Figura 5.3. Variaci6n de la reactividad con el contenido de inertinita. Mediciones realizadas a un char a 500 GC, 5% en volumen de O2 en N2 . 5.1.5 Desempeno de los inquemados. Se hace necesario el conocimiento de para metros como PT y 8T en los combustibles, especial mente al carbon, para poder asi evaluar su combustibilidad relativa 0 el tiempo de residencia dentro del homo, para controlar y minimizar las perdidas de inquemados de carbono y obtener asi un buen resultado en la eficiancia de combustion. Sa ha desarrollado y validado ·un metodo para predecir las perdidas de combustible no quemado. Dicho metodo permite determinar la velocidad de oxidacion a 1050 °c y 1250 °C, en el flujo de entrada del char al reactor, el cual fue preparado previamente por pirolisis rapida. Durante su estudio, estas velocidades son relacionadas con parametros como el contenido de cenizas y el rendimiento del char, a 10 anterior se Ie agrega el uso de model os de combustion de carbon, para con estes calcular el quemado de diferentes distribuciones de tamanos de particulas de carbon que ingresan en la corriente de alimentacion a condiciones de combusti6n apropiadas, 10 que permite optimizar el manejo y funcionamiento de los homos. Tambien se pueden cuantificar anomalias en el funcionamiento de los equipos durante el quemado causadas por las propiedades del carbon, estas pueden ser cuantificadas manteniendo constantes las condiciones de combustion (tamano de particula, temperatura, relacion aire - combustible) durante el proceso de evaluacion. 176 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion 14 2 ' SgO , 590 6{)() , I 6 10 62D , 630 Temperetura aT del char, °c Figura 5.4. Relaci6n entre la velocidad de reacci6n y la temperatura BT del char 10 Peor 8 • • l14ejor • 590 600 610 620 630 Te~urtI BT del carbOn,Oc Figura 5.5. Relaci6n entre el rango y la temperatura BT del carb6n 2.0 \ \['.Q (I) :;; ~~ E~ ~ 1;) O"~ 1.6 • 'J.- 0 .;{ '1. ...Y~ c..r..... <..0' <J' rj J C) t 7 1.2 - .£~ (1)0 "00 ~Q5 ---53 I 1 580 600 620 640 660 . Temeperatura BT del combustible,OC Figura 5.6. Relaci6n entre el porcentaje en peso de los inquemados del combustible y la temperatura BT del mismo 177 Carlos Arturo Londorio Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion 5.1.6 Estudio de mezclas de carbones. Veloodad de calertamlefto 10 ) -------- CatbOnamr!lllano - - - ltl ---- R t cDY, - . - • - . - Mezelei Byton - 0be8 ··•• ~b l 100 ZOO lOO · 400 500 600 700 800 900 Temperalura. 1000 1100 zoo °c Figura 5.7. Comparacion de perfiles de quemado entre una mezcla y los carbones puros. Es dificil de relacionar el perfil de quemado de la mezda con los perfiles de quemado de sus carbones componentes. Sin embargo otros investigadores han encontrado que una mezcla de carbon bituminoso y antracitico muestra dos picos distintos en la curva obtenida en la t. g. a., 10 que indica que los dos carbones queman independientemente. Por 10 que sa encontro que el carbon bituminoso no ayudaba en la ignicion de la antracita. (Su y otros 2001) 5.2 COMBUSTION EN REACTOR 0 TUBO DE CAiDA LlBRE Se han diseriado homos para la combustion an tubo de caida libre para medir la velocidad de combustion, a los cuales solo se les alimenta con particulas de char 0 de carbon, variando y a la vez controlando condiciones de: temperatura, concentracion de oxfgeno, y tamario de particula principal mente, las cuales son necesarias no solo para medir la velocidad de combustion de pequerias cantidades de char si no tam bien facilita el desarrollo de modelos matematicos que la predigan. EI reactor 0 tubo de cafda libre para medir /a oxidacion del char puede ser diseriado de acuerdo con las Figuras 5.8 y 5.9 178 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combusti6n Carbon char + nitrogeno Gas oxidante Entrada de gas precalentaao ....- - b l........- Tubo de caida de la alimentaci6n Tuba de ceramic a para el flujo Homo Pir6metro - .......""'""lIU~~~.!:R~ecoleccion de estras de agua fria ==-...... Salida del gas Char quemado Figura 5.8. Esquema de un tuba de cafda libre 179 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion t salida Completar el nitrOgeno Filtro sinterizado de sa·-i-:-l..... id a~:....::.......-ftI....~".)I ~L ' . .., Plato ~, golpeador , . -;-, I ' I C~h~o 7--+--tI~: ~~a:::;;;:::==~= ~ Tubo de goteo ,:.::or de particulas : Tubo de recoleccion del char I -- 150 nll/ min - 0.3 g char/hr I I I ,:,.....-r-- Tubo venturi ', . I .. :.~;. I ::.~: .. I Orificio venturi Lecho --..;:= .~. :~~~ I ;j e char lltt~~;:::=:=~ Corriente de nitrogeno ~~~-~rogeno fl uidizante ~rador Figura 5.9. Alimentador en lecho fluidizado EI reactor de caida libre general mente es disenado para operar con un flujo laminar de oxigeno/nitrogeno (velocidad entre 5 y 16 Umin.), dentro del reactor se maneja un 180 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combusti6n intervalo de temperatura entre 1000 y 2000 °C. Los gases son calentados p~r medio de un precalentador ubicado en la parte superior del reactor, pequenas cantidades de char son alimentadas (::::: 0.3 g/h) , las cuales son alimentadas con un pequeno flujo de nitr6geno gaseoso « 150 ml/min). En la parte inferior del reactor hay un enfriador, el cual permite que la corriente compuesta por oxigeno - nitr6geno - char quemado al entrar en contacto con el enfriador el nitr6geno se apaguen rapidamente las particulas de char incandescentes, para que estas puedan ser recolectadas un filtro en fibra de vidrio, y luego ser pesadas, cabe anotar que la recolecci6n de la muestra de char quemado se realiza en un intervalo de tiempo preestablecido, asumiendo generalmente un tiempo de residencia entre 0.07 -0.7 s. Estos hornos simulan en forma mas aproximada las condiciones que se presentan en la combusti6n de carb6n pulverizado que un t. 9 .a. Las velocidades de calentamiento de 104 a 105 Kls junto con el comportamiento dinamico de las partfculas en fase diluida, permite la combusti6n de partfculas individuales como tam bien de una nube de elias. 5.2.1 Medici6n de la velocidad de oxidaci6n. Durante la oxidaci6n se puede asumir como constante la cantidad masica de cenizas. Mientras que la masa de char tiene que ser corregida restimdole la cantidad masica de ceniza, de esta manera se esta asegurando que 10 analizado hace parte de la masa carbonosa del char. Gracias a 10 expuesto anteriormente se hace necesario hablar de la importancia de la "relaci6n de correcci6n masica experimental de cenizas m/mo" , la cual, se ha convertido en un parametro importante a la hora de la fermulaci6n y desarrollo de modelos matematicos que permitan predecir la cinetica de los procesos de combusti6n, una conclusi6n interesante ha sido que a m/mo bajas (::::: 0.2), es decir con grandes correcciones de cenizas arrojaron modelos de ecuaciones cineticas con diferencias importantes entre sf, mientras que cuando la relaci6n m/mo fue un valor muy superior, los modelos cineticos no presentaron diferencias importantes. La velocidad por unidad de area de la superficie extema Rs == [kg m-2 S-1], fue obtenida a partir de: el tiempo de residencia t, la relaci6n de correcci6n masica experimental de cenizas (m/mo), la densidad de particula p, y el diametro de particula; utilizando la siguiente ecuaci6n: (5.2) Para obtener la velocidad de oxidaci6n como una funci6n del tamano de la particula y de la concentraci6n de oxigeno se hace necesario realizar dos correcciones. La concentraci6n de oxigeno en la superficie de la particula es menor que en todo el sene del fluido, en la cantidad RJkd, donde ~ == [kg m-2 S-1 (atm 02r1] es una funci6n del diametro de partfcula y de la temperatura tanto del gas como de la particula. Las particulas del char lIegan a estar tan calientes con respecto al gas, a tal grade que la velocidad se ve afectada tanto per la concentraci6n de oxigeno como por el tamario de la I 181 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combustion La concentracion de oxfgeno en la superficie de la particula es menor que en to do el seno del fluido, en la cantidad RJk.i, donde k.i =' [kg m-2 S-l (atm O2)"1] es una funcion del diametro de particula y de la temperatura tanto del gas como de la particula. Las particulas del char Jlegan a estar tan calientes con respecto al gas, a tal grado que la velocidad se ve afectada tanto por la concentracion de oxfgeno como por el tamano de la particula. Entonces, se hace necesario el calculo de la temperatura de las particulas a partir de un balance de energia y asumiendo que el char es oxidado localmente a CO. 5.2.2 Variabilidad experimental. La experiencia ha demostrado que la variabilidad experimental surge desde la alimentacion del char, ya que esta siempre sera un problema en las investigaciones del laboratorio, puesto que nunca se ha logrado una alimentacion verdaderamente constante. La velocidad de alimentacion generalmente decrece con el tiempo, este fen6meno reduce el tiempo de muestreo, el cual debe ser de 15 minutos por cada medicion efectuada. Una consecuencia de la disminucion en los tiempos de muestreo, es que el peso recolectado por medida es pequeno (~ 5 - mg), el cual aunque representa un gran numero de particulas (~ 105) es una porcion muy pequena con respecto al total alimentado. Otro factor de variabilidad experimental es la separacion de las particulas por tamano aerodinamico, este hecho ocurre desde la misma alimentacion, aunque 10 mas conveniente es alimentar de forma tal que el mencionado fenomeno de separacion se minimice. Tambien la elutriacion selectiva de partfculas dara variaciones evidentes al final del quemado, introduciendose asi mas errores por las suposiciones asumidas en cuanto a propiedades promedio al momenta de analizar los datos. Las diferencias de densidad ( ± 100 kg/m 3 ) en las particulas del char reflejan diferencias en cuanto a la porosidad y estas a su vez introducen una relativa variacion en la cantidad de char quemado. Analizando las particulas en forma individual es comun encontrar contenidos de ceniza oscilando entre 0 - 100 %, pero la variacion en el contenido promedio de cenizas sobre un gran numero de partfculas muestreadas es insignificante. Por 10 anterior el contenido de cenizas en la partfcula no tiene efecto significativo sobre el comportamiento en el proceso de combustion del camano de una particula, a no ser que las cenizas inhiban la difusi6n del oxigeno hacia la superficie del carbon, fenomeno que dificilmente ocurre. Entonces 10 mas recomendable es ignorar la posibilidad de catalisis de combusti6n del char por componentes de cenizas. Sin embargo vale la pena anotar la importancia de conocer la cantidad de cenizas contenidas en el char para poder calcular el peso de camano quemado. 182 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 5: Cinetica de combusti6n Tabla 5.1. Influencia del anal isis petrografico del carbon en la cinetica de combustion Ecuaci6n 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 r: n.s.: 1og lO (~ 127 ) =0.114 - 0.41Ro - 0.001/ =-0.994 +0.016VM EA =99.3 + 248Ro EA =150.0 - 0.97VM \OgIO(Ao) = 4.59 - 0.01141 \og]o(Ao) =4 .60-0 .020VM loglO (k Il27 ) Coeficiente de correlaci6n. No significante «90%). S.L.: S.E.: Refractancia de la vitrinita, %. Contenido de inertinita, % d.m.m.f. Contenido de materia volatil, %d.a.f. Energia de activaci6n, kJ * mor1. Factor pre - exponencial, kg * m­ 2 * S-1 (atm 02r 1 . 183 S.L. >99% S.E. 0.165 0.482 >95% 0.183 0.471 >95% 14.9 0.359 n.s. 0.431 >95% 0.187 n.s. Nivel de significancia. Error estandar estimado. K112 ( Ro: I: VM : EA : Ao: r 0.638 0.61 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6: Cenizas 6. CENIZAS Las cenizas del carb6n son la materia mineral que acompana al carb6n desde su extracci6n y que despues de su proceso de combusti6n conforma los residuos no quemados del mismo. EI manejo y utilizaci6n de las cenizas se ha convertido en un problema importante, tanto en el diseno, como en el funcionamiento de los homos, ya que estas deben ser removidas rapidamente del homo para evitar interrupciones durante las operaciones del mismo, por 10 anterior las cenizas se han convertido en un factor basico de diseno no solo para el mejoramiento del proceso y aumento de la eficiencia de combustiOn sino tambien en cuanto a los costos que conlleva el manejo de estos residuos s6lidos. Otro problema que trae consigo las cenizas dentro del homo son los dep6sitos de estas, no solo en las paredes sino tambien en los intercambiadores de calor, y demas accesorios que se encuentran dentro del homo. Existen dos tipos basico de dep6sitos de las cenizas como son: 1. Encostramiento (slagging): EI cual se forma generalmente durante el proceso de combusti6n en la zona del homo y consiste de ceniza derretida. 2. Ensuciamiento (fouling): Este se forma despues de la combusti6n en los pasos convectivos del homo, y esta intimamente ligado a la presencia de sales sulfatadas. 6.1 CLASIFICACION DE LOS DEPOSITOS DE CENIZAS Un sistema de clasificaci6n de los depOsitos de cenizas (Hatt 1984) usado para describir los diferentes tipos de depOsitos es el siguiente: 1. Dep6sitos metalicos: Estas escorias tiene brillo metalico y estan usualmente asociadas con la combusti6n de carbones ricos en pirita bajo condiciones reductoras. 2. Dep6sitos amorfos: La escoria es s6lida, oscura, vitrea, y generalmente muestra fractura concoidea. Estas son frecuentemente halladas en regiones del homo donde se presentan muy altas temperaturas. 184 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6: Cenizas 3. Dep6sitos vesiculares: Escorias vitreas con burbujas atrapadas. Estas son asociadas con regiones de muy altas temperaturas en el homo como son los pasos convectivos de los intercambiadores de calor. 4. Dep6sitos sinterizados: Son depositos que estim compuestos de particulas parcialmente fundidas . Estas presentan una textura granular 0 arenosa, se hallan generalmente en las partes mas altas del homo y en los pasos convectivos y se pueden asociar con escorias de tipo vesicular. 6.2 CALDERAS DE FONDO HUMEDO Estos son equipos diseiiados para manejar porciones de cenizas del carbon como escoria derretida 0 fundida. Estas calderas de fondo humedo tienen configuraciones de quemadores que producen y liberan altos calores y por 10 tanto manejan altas temperaturas de llama. La viscosidad de las cenizas es baja de manera que un gran porcentaje entre el 30 - 70% del total de las cenizas forman escorias del tipo amorto, las cuales fluyen fuera del homo a traves de aberturas /lamadas "monkey". En este tipo de calderas se presentan problemas con estos depositos cuando las cenizas presentan viscosidades altas, ya que estas no fluyen facilmente, taponando las aberturas de salida, y por 10 tanto permitiendo la acumulacion peligrosa de las escorias fundidas dentro del homo. La viscosidad de las cenizas puede ser redudda por medio de adiciones de minerales como la caliza mol ida 0 conchas de mar. Como la temperatura tiene una incidencia importante sobre la viscosidad de las cenizas, entonces se ha adoptado como regia general para las calderas de fondo humedo que "Ia temperatura a la cual la escoria presenta una viscosidad de 250 poises es la temperatura usada como referenda", la cual se presenta a una temperatura maxima de 2600 oF. 6.3 ESCORIA EN LA PARED Las paredes sobre las cuales ocurre la depositacion severa dentro del homo son la de los tubos de los intercambiadores de calor dentro de los cuales circula el agua. Este sistema de intercambiadores son usados no solo para controlar las temperaturas del homo si no tambien la producciOn de vapor, el cual absorbe casi la mitad del calor producido en el proceso de combustion. debido a 10 anterior un excesiva cantidad de escaria en las paredes de dichos tubos traera consigo los siguientes problemas: 1. En calderas no diseiiadas para fondo humedo (fondo seco) , la escoria sobre la pared sufre cambios desde la sinterizacion vesicular 0 amorta ocasionando taponamientos en el fondo del homo. 2. La escoria sobre la pared actua como un aislante e impide la transferencia de calor desde la pared al agua. Esto incrementa la temperatura de los gases de combustion que salen y ademas las particulas solidas se derriten dentro del homo ocasionando encostramiento sobre los tubos y los pasos convectivos. 185 Carlos Arturo Londorio Giraldo Capitulo 6: Cenizas 3. Escoria alrededor de los quemadores puede ocasionar bloqueos en el flujo del carb6n dentro del homo. Esto puede desembocar en una combusti6n que toma lugar detras de los quemadores causando averias en la caja que contiene a los quemadores y en la tuberia que transporta carb6n. 6.4 ENCOSTRAMIENTO EN LOS SOBRECALENTADORES EI primer paso convectivo en el cual el flujo de gas tiene contacto con una pantalla de tubos es en el sobrecalentador. Estos tubos estan generalmente espaciados 18 - 36" para minimizar la posibilidad de formaci6n de puentes de escoria transversales a los tubos. Lo anterior se da cuando la escoria se deposita en tal cantidad que genera unos conectores en forma de puente entre tubo y tubo, esto se da usualmente en el tipo vesicular 0 sinterizado. Como la escoria aumenta su tamario, la velocidad del flujo de gas aumenta, mientras que la transferencia de calor disminuye, ya que como se menciono anteriormente la escoria actUa como un aislante. Lo anterior da origen a 10 que se denomina soldadura por escoria y se presenta comunmente en los pasos convectivos de los intercambiadores de calor en banco de tubos. Para dar solucion a los problemas de encostramiento severo hay la necesidad de modificaciones importantes tanto en el diserio del homo como en la calidad del carb6n a quemar. Las modificaciones en el diserio del homo generalmente decrecen la temperatura del gas que sale del homo, gracias al aumento que se realiza en el area del homo, 0 tam bien por la adici6n de ventiladores en las paredes del homo, 0 tambien la adici6n de removedores de costras para mejorar la transferencia de calor. 6.5 ENSUCIAMIENTO EN EL PASO CONVECTIVO EI ensuciamiento consiste en dep6sitos, los cuales ocurren cuando los 6xidos sulfurosos que estan suspendidos en el flujo de gas reaccionan con los componentes alcalinizados de las cenizas. Estas sales su/fatadas actuan como un pegante de las cenizas volantes. Este tipo de dep6sitos tiende a ocurrir en los pasos convectivos del homo, en especial en los recalentadores, sobrecalentadores horizontales, y en los economizadores. EI espacio libre entre tubo y tubo suele estar entre % - 2", espacio entre el cual tambien se forman pequerios depositos que conectan entre si a los tubas como especie de puentes. Estos depositos aparecen y aumentan en cuestion de semanas de forma dramatica adhiriendose fuertemente a las superficies. Los componentes alcalino primarios conciemen al sodio y al calcio, los cuales estan presentes tanto en los minerales inorganicos como en los organicos adheridos a la matriz del carb6n. Los criterios de diserio son una herramienta eficaz a la hora de controlar y prevenir los problemas de ensuciamiento. Las soluciones mas empleadas son el 186 Carlos Arturo Londorio Giraldo Capitulo 6: Cenizas incremento en el numero de removedores de hollin en las regiones afectadas la frecuencia 0 intensidad de la remocion. 0 aumentar Los diseriadores de combustores tienen encuenta muchas areas del homo, las cuales absorben gran cantidad de calor favoreciendo el proceso de ensuciamiento, por 10 anterior se ven en la necesidad de idear formas para disminuir la temperatura de la llama. Ademas de un amplio espaciamiento entre los tubos en las secciones de pasos convectivos es tambiem un mecanismo muy empleado para disminuir y controlar los fenomenos de ensuciamiento, y contrarrestar la bajas velocidades del gas. 6.6 ENSUCIAMIENTO A BAJA TEMPERATURA (CALENTADOR DE AIRE) Oespues que el flujo de gas abandona los pasos convectivos del homo, este contiene una considerable cantidad de energia. Para recuperar una gran cantidad de esta energia se emplean intercambiadores de calor (0 calentadores de aire), los cuales a su vez son utilizados para precalentar el aire de combustion. Hay dos sistemas de calentamiento del aire primario, el primero es un recuperador tubular y el segundo es un regenerador 0 plato rotativo. EI calentador de aire tubular precalienta el aire para la combustion a medida que este pasa alrededor de los tubos de forma transversal. En el plato rotativo los gases de combustion pasan primero a traves de laminas metalicas para absorber el calor y luego estas pasan a traves del aire frio de combustion para liberar el calor. Los dos tipos de calentadores antes mencionados experimentan taponamientos, debido al acido sulfUrico condensado a partir de los gases de combusti6n, el cual se mezcla con las cenizas volantes dando origen a un tizne acido. Estos depositos se forman gracias al flujo restringido de gas y de aire, a la cantidad de sulfuros en el carbon, junto con otros factores tales como el aire en exceso, y la influencia de la cantidad de tri6xido de azufre (S03) formado en el flujo de gas. La cantidad de S03 en el gas determina el punto de rocio. Tipicamente el punto de rocio dado puede estar en el intervalo de 240 - 300 of. Este es el factor limitante para determinar la temperatura minima del gas. Entre mayor sea la cantidad de sulfuros en el carbon, la temperatura promedio requerida tambien sera mayor. 6.7 DEPOSITOS EN LA CHIMENEA Depositos similares a los que se presentan sobre los calentadores de aire, como la capa de tizne acido, se presentan en los ductos de la chimenea, no solo ocasionando darios sobre la estructura de la chimenea si no tambien los perjuicios sobre el medio ambiente local, cuando estas costras acidas son desprendidas par los gases, principal mente durante los periodos de arranque y parada de las calderas. Estas costras acidas pueden causar darios sobre carros, botes, edificios, y el follaje de la vegetacion circundante. 187 Capitulo 6: Cenizas Carlos Arturo Londono Giraldo 6.8 CONSTITUYENTES DE LOS DEPOSITOS INORGANICOS 6.8.1 Tipos de dep6sitos y temperatura de formaci6n. Los depositos formados en calderas de carbon son predominantemente causados por reacciones fisica - quimicas. Se canocen cinco tipos principales de depositos, los cuales se presentan a continuacion, en orden secuencial a su formacion , desde el inicio del proceso de combustion cerca de los quemadores hasta los puntos de la salida de la unidad. * Depositos de escoria (slagging): Son depositos que se presentan suave 0 fuertemente adheridos a las paredes del homo, y en otras superficies del mismo, esto se da gracias al calentamiento por radiacion. * Depositos de ensuciamiento (fouling) a alta temperatura: Relaciona las superficies convectivas de calentamiento como son los sobrecalentadores y los recalentadores. * Depositos corrosivos: Este es un subgrupo de los depositos de ensuciamiento a alta temperatura. * Depositos de ensuciamiento a baja temperatura (tizne acido): Se presenta sobre superficies de enfriamiento, como calentadores de aire y economizadores de calor que estan cerca a los puntos de salida de la unidad de combustion. • Depositos de escaria a baja temperatura: Son depositos que se adhieren fuertemente en las mismas regiones donde se presenta el ensuciamiento a baja temperatura. La Figura 6.1 Muestra las zonas dentro de una unidad de combustion de carbon, mas vulnerables a los cinco tipos de depOsitos anteriormente mencionados. Mientras que la Figura 6.2 muestra las temperaturas aproximadas en las regiones en las cuales se presentan cuatro tipos diferentes de depositos. Zona de ensuciamlento y corrosion f-­ Carb6n mas~ SIre lona de depositacion fII Mja temperatura Figura 6.1. Zonas de depositacion frecuente dentro de una unidad que quema carbon. 188 Carlos Arturo Londono Giraldo Capitulo 6: Cenizas Depositos de encostre.mie:7nto-t-----1 a baja temperatu 1093~C 1649 0 C (3000 of) (2000 F) Temper~hra Figura 6.2. Regiones de temperaturas aproximadas, para las cuales se da la formacion de depositos dentro de las unidades que queman carbon. 6.9 MECANISMOS DE DEPOSITACION Y TRANSFORMACIONES FislCAS DE LA MATERIA MINERAL DURANTE LA COMBUSTION DEL CARBON. (Gat y Wagoner 1984) ..- ) ­ 1-: ·" ..... ' ;~.: .. J -----------~~~ . /'~:~ !:IoCII..::IIoII0~-_ CI • :.0 ..... » Figura 6.3. Esquema de la formacion de particulas de ceniza y los mecanismos de depositacion. La mayor parte de la materia mineral del carbon terminara en los residuos de cenizas producidos por la coalescencia de las inclusiones minerales fundidas en el carbon durante el proceso de apagado del carb6n (ST). Una partfcula de carbon se puede fragmentrar durante la combustion y cada fragmento puede producir una particula de cenizas. EI 189 Carlos Arturo Londorio Giraldo Capitulo 6: Cenizas tamario de las particulas de ceniza dependera del tamario inicial de la particula de carb6n, su contenido de materia mineral y la uniformidad de su distribucion y el numero y tamario de fragmentos producidos durante la combustion . Los dos primeros fenomenos son conocidos no tanto el ultimo. Como las reacciones ocurren dentro de los poros de char, lIega un punto en el cual hay rompimiento dentro de los poros del char parcial mente quemado uy salen como fragmentos. La distribucion de tamario de particula de la ceniza residual es posteriormente modificada por la formaci6n de cenosferas como resultado de la evolucion del gas dentro de las particulas de ceniza fundida. Las particulas de cenizas estan distribuidas en un amptio range debido a estas transformaciones fisicas. Con la excepcion de las pocas cenosferas, la mayor parte de las particulas de los residuos de cenizas son mucho menores que las particulas de carbon original del cual fueron formados. La distribucion masica disminuye mucho hacia los tamarios de particula muy fin~s debido ya se a la cantidad limitada de cenizas presentes en las particulas de combustible mas pequerias 0 en los fragmentos de aste y a la distribucion de tamario de las incluiones de mineral en el carbon. La Figura 6.4 muestra una distribuci6n de tamario de particula de cenizas tipica obtenida a la salida de una caldera de carb6n. La gran mayoria de las cenizas estan el intervalo de ditribuci6n de tamario de particulas grandes. Estas particulas son los residuos de cenizas. Una masa mucho menos se encuentra en el intervalo de particulas muy pequerias con diametros entre 0.01 y 0.2 \-1m . Estas particulas tan finas son mas pequerias que 10 razonablemente esperado debido a la fragmentacion de las particulas de carbon. La fuente de este humo es la ceniza volatilizada la cual forma nucleos homogeneos a medida que el vapor se difunde desde la atmosfera reductora caliente cerca de la superficie de las particulas de char que se estan quemando hasta la atmosfera oxidante mas fria lejos de la superficie de la particula. Los nucleos son inicialmente muy pequerios pero van creciendo rapidamente p~r condensacion 0 adicion de vapor de cenizas y p~r coagulaci6n, produciendo un estrecho pico observado en la distribucion de tamario de submicrones. ~o. -- ~ ..oo ~ r 2. 1-•i . 1.00 '.0 --_.... -.-...... . --- ,- '--~ """" i I 4JOO o ~~~~~~~~~~~~~ Q~ LA .. .um.euu. - Dc....) Figura 6.4. Distribucion de tamano de particula de cenizas vol antes de carbon entrando a un precipitador electrostatico en una caldera de carbon pulverizado 190 Capitulo 6: Cenizas Carlos Arturo Londono Giraldo 6.10 REACCIONES DE COMBUSTION DEL CARBON COMPUESTOS IMPUROS DURANTE LA Existen tres tipos principales de reacciones: 1. Las reacciones de los compuestos de hierro, principalmente la pirita (FeS2). 2. Las reacciones de los compuestos alcalino y alcalino - terreos. 3. Las reacciones acido - base. 6.10.1 Descomposici6n termica y tendencia a la oxidaci6n. En la Figura 6 .5 se muestran algunas reacciones de equilibrio, causadas principal mente por descomposici6n termica, en la cual se muestran zonas de reducci6n donde la pirita (FeS2) forma un compuesto intermedio que es el sulfato ferroso (FeS) en la regi6n de los 540oF, mientras que en zonas de oxidaci6n para FeS2 causa una evoluci6n del S02, para formar oxido ferrico (Fe203) en la region de los 970°F . KCMg, Biaitll Fe):tIIJSi3JlI(OH~ 1371K (2010~) •Oti 'vim es (Mg, Fe)£;iO • Completamerte hquido Figura 6.5. Comportamiento en el equilibrio de los principales minerales cuando son sometidos a calentamiento. En la Tabla 6.1 se muestran las tendencias relativas de los compuestos impuros a ser oxidados durante la combusti6n del carb6n. Las abundantes impurezas de pirita (Fe~) y las escasas impurezas de FeAs2, muestran la gran reactividad de oxidaci6n con el aire. 191