PDF (Parte 3)

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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. 100°C (2.012°F). 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, >35%, 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
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 I.SOOoe (2.732°F). 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 Kg./Mg. (400 lb.lt). 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 Kg./Mg. (600
lb.lt). 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 presenta· 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.
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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.
.
4.7. 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.
4.7.1. 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.
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TABLA
15. R
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basicas
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'ficacion del carbon (P
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de calor
de combustion
0/0
(Kcalfmol)
Reacciones primarias
Reac. gas-agua
Reac. Boundouard
Comb. Parcial
Hidrogasificac.
Reacciones secundarias
Reac. Shift
Metanacion
Cs + H20v
Cs + CO2
Cs + 11202
Cs + 2H2
CO+H2
2CO
CO
CH4
CO + H20v
H2 + CO2
3H2 + CO
CH4+H20v
+28,3
+38,3
- 29,4
-20,9
29 endotennica
40 endotennica
30 exotennica
22 exotennica
-10,1
- 49,2
10 exotennica
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 0,29 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 0,40 toneladas adicionales.
Los gasificadores se pueden clasificar teniendo en cuenta el metodo usado para
En los gasificadores
generar calor durante las reacciones de gasificacion.
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.
4.7.2. 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
3. EI agente gasificante (vapor-oxigeno, vapor-aire, hidrogeno)
4. EI patron de flujo de los reactantes y los productos 101 .1:::1:).',0 N;t..Cll:.i'l ;"
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5. El tiempo de residencia del carbon
6. La temperatura y presion de la reaccion
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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
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FIGURA 34. Clasificacion y caracteristicas de los principales sistemas de gasificacion
a. Lecho
fijo (no escoria)
b. Lecho /Iuidizado c. Flujo circulante
d.
Baiio fundido.
102
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Los gnificos muestran la temperatura de los distintos componentes a las cuales ellos
pasan atraves de cada tipo de sistema, (Ward C, 1.984)
f
Aunque muchos tipos viejos de gasificadores operan a presion atmosferica, se pueden
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 650°C, Y se filtra
por circulacion de gas liquido en un dispositivo lavador enfriador. El gasificador
estandar tiene un diametro intemo maximo de 3,9 m y una capacidad maxima de 750
GJ h-l (de energia de carbon).
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Acclonomlento
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FIGURA 35. Seccion transversal que muestra la operacion de un gasificador
Lurgi, (Ward C, 1.984)
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 OO°C), 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 350-400°C en una caldera de
calor residua1 antes de salir del gasificador y antes de pasar a los cicIones y los filtros
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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
capacidad de produccion de gas de cerca de 50.000 m3/hora. 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 esta 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 1900°C. La temperatura de salida del
gas es de cerca de 1480°C. 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.
4.7.2.1. 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 & 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
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de 9.5 mm). EI contenido de humedad normal de el combustible tal como se carga es
cerca del 80/0, pero valores por encima del 180/0 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.
4.7.3. Sistemas convencionales avanzados
4.7.3.1. Gasificador Winkler de alta temperatura
Esta Tecnica 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.
4.7.3.2. 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.
4.7.3.3. 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.
4.7.3.4. 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.
4.7.3.5. 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
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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 1.150 a 1.400oF (621 a 760°C) 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 1.400 a 1.600°F
(760 a 871°C), es de aproximadamente una hora.
El diagrama (Figura 36), se ha trazado mediante la evaluaci6n de distintas pruebas de
gasificaci?n en la planta piloto de Holten (Alemania) entre 1.950 y 1.954. 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 en.relaci6n 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
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~
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(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
I bien 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 1.J000F (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
I· 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 el
!",polvo
de ceniza.
( El gas saturado de vapor pasa a la caldera de recuperacion del calor, en la cual dicho
1 calor, se recobra a temperaturas de 320°F (160 a 182°C ). Igualmente se recobran el
Lagua amoniacal - alquitnin.
('( gasificacion.
La mezcla de alquitnin y polvo vuelve a enviarse al gasificador para su craqueo y
CarbOn
AYance de I. gall/ficaCIOn
DlstrlbuCIOn de la tempera lura
COz CO CH4 H2
SeC.do
y carbonlz.clOn
i
I~~
I \i
Gaslflc.c:IOn
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CombustiOn
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o
C&nlz8
500
1000 1500
Temperatura en
.c
FIGURA 36. Accion de la gasificacion en un gasificador a presion,
(Rudolph P, 1.986)
109
2000
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 S.S.C.
C
76% fl.P.
H
5%
o
15"1"
N
5
1%
1%
25 111 Cenl18
eoo p.c.e. de gas crudo
CO 2
CO
H..
CIl 4
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2!!L Humedad
to4 Ib CarbOn
+
I
10'2 81u
28% p.p.
24%
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10%
SO Ib de VIIpor, 1I10ull(l\n, file:.
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Calor lalenle en el gll9
Calor tlltente fln elllloullr'n, elc.
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093 YIOfi Blu
Sec ado
Desvolatlllz8cl6n
GflllllcRclon
I
Combusll6n de 11.8 Ib
de carbono
25 Ib Cenln
3071b 02
105.0 Ib Vapor
20.01b Vapor de
II c"mlu
FIGURA 37. Equilibrio de materiaIes para Ia gasificacion: s.s.c. = seco sin ceniza, p.p = por peso, p.c.e. = pie ciibico estandar,. (Rudolph P, 1.986) :;.,,:;~
4.7.4. 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:
• Composicion del gas, en funcion del rango del carbon;
• Suministro de calor de reaccion y fen6menos en la zona de combustion;
• Relacion H2/CO; .'. Reactividad
del carbon, e
.
• Influencia de la presion.
110
r
- ~ 4.7.4.1. 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 3,9 pies cubicos estandar de CH4 por libra de
carbon sec:£ y sin ceniza, a una presion operativa de 350 libras por pIg cuadrada (24,6
kg por cm ).
40
0.35 Ib de vapor
1 p.C.B. de 02
u
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Suatancla votaW,
'I, p.p.
FIGURA 38. Produccion de gas versus el rango del carbon; p.c.e. = pie cubico
esbindar, s.s.c.=. seco sin ceniza, p.p. = por peso, (Rudolph P, 1.986)
-;.. 4.7.4.2. 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 ­
oxigeno, puede obtenerse una mezcla vapor - C02 a alta temperatura, la que a
continuaci6n se utiliza como agente gasificador.
- --4.7.4.3. 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,
i"constituye 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
T
i
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 ceni:za 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, 1.986) 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. i
9
( 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 ceni:za)
,'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 ceni;zas, 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 la
ceniza.
113
T
I
!
'Relacion H2/CD. La reJacion vapor " oxigeno tiene una influencia sobre la
composicion del gas. La cantidad de (CO + HZ) depende del rango del carbon (Figura
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:
r
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 carbones
seleccionados.
f~ • Estas curvas convergen bacia una relacion Hz/CO de aproximadamente 0,3 a 0,4 con
<" . una relacion vapor" oxigeno de 0.05 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 sU!J..bituminoso. 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 fonnas
variadas, 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 Hz/CO 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 Hz/C O. Esta es simplemente un rasgo Caracteristico
de cada carbon individual. Para un proceso de produccion de gas con elevado Btu, la
reJacion Hz/CO debera l\iustarse mediante subsecuentes conversiones de cambio, y por
10 tanto, la relacion Hz/CO 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.
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I
1.5
0.3
0.4
05
Ib de 'Iopor/p.c.t'I. de 02
-
FIGURA 40. Relacion HVCO versns la relacion vapor/ox/geno:
1. Lignito A
2. Lignito B.
J. Carbon con alta voJatilidad
4. CarbOn snbbitnminoso A
6. Carbon bituminoso C
5. Carbon subbitnminoso B
7. Carbon bituminoso D
8. Antracita.
9. Coque, (Rudolph P, 1.986)
-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 b/lia 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 las' coales la reaccion se aproxima a cero son:
Tipo de carbon
Lignito
SUb-bituminoso
Semiantracita
Coque
Temperatura final de reaccion
OF
1.200
1.350
1.450
1.550
°C
649
742
788
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
r
equilibrio constituyen otra medicion de fa reactividad.
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 consumo
de 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 1.470°F (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
all
Coque\
x
AnlraClla
~
()
+
~
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+
o
0.2
Coleshill
Westfiela
Q
50501
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-;
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JC
1::1
Llgnlto
oj
d
ci °1
20
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,
30
CO, aescomposlcl6n a 1<470 OF
R= 100 CO
2C02 +CO
FIGURA 41. Consumo de oxigeno versus la reactividad del carbon, (Rudolph P,I.986)
II6
r
t
-­ .:-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 metano.i 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 Ib/plg2 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
AI/maniaC/On: carbOn SUbbltumlnoso
----_CH
4 total
..
u
----------~-------
CH.. par raacc/On aafallllea:
.j
CO + 3H2 :: CH" + H 0
2
fI')
.
C
'0
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U
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200
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AO
,(1'90U
0"""
J:
U
\
0
efl e\ gasH\cad
-­ -
or
--­ --­ -
---­
-.,..­
OJ
'0
~
100
C\-\A pOf desvolaUz8el6n del carbOn
.... ­ ..... .-...----------­ ....
200
400
600
800
1000 1200 1400
PresiOn en Iblplg2
FIGURA 42. Fonnacion del metana en foncion de la presion, (Rudolph P, 1.986)
4.7.5. Proceso Lurgi total
Gasificaci6n
R.esUrniendo 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 .gasificac.i6n., genera unicamente gas .crudo y por 10, tanto, la gasificacion
debeni contmuar aphcando un proceso de tratamlento del gas .
..._--1"Conversi6n 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
Hz/CO 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 H2/CO.
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
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.
~\) cambiador
~-~
Purification del gas
La purificacion del gas procedente de la gasificacion del carbon, hasta el" grade de
pureza re"querido 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
80°F (-1 Y 62°C). 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
T
r
\
3. El flujo hacia abajo de la secci6n de sintesis del metano es una secci6n en la que se
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.
I
\
tI
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 0,1 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 Y H2, 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.
~~T ratamiento
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
\
r
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
reglamentaciones para la eliminacion de los licores residuales, 0 pueda ser como agua
sin depurar.
4.7.6. 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.
~4.7.6.1.
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 (1.200 a
L700°F; 649 a 927°C) yalta presion, (1.000 lb/plg). Este proceso puede utilizar
como combustible los carbones bituminosos, asi como el lignito y ios carbones sub­
bituminosos. 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:
Vapor - oxigeno, 2) Vapor - hierro y 3) Los sistemas electrotermicos. 1)
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 0,10/0. Del total del metano formado del 65 al 700/0 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.
~~
4.7.6.2. 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 Ib/plg2 man
Gas en bruto rico en oxlgeno
de carbono, aromitteos IIQuicJOS,
azulr•• amoniaco
Cenlza
FIGURA 43. Diagrama simplificado del flujo en el gasificador de
superpresion en dos etapas,(Grace R., 1.986)
TABLA 16. Composicion del flujo del gas en el proceso BI-GAS
'Grace R._ 1.986 % de _1­
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..,
126
02
31 0
162
172
193
CO
132
22 1
H..,
190
407
242
595
92
13 7
Cfu
118
200
N..,
04
06
05
09
H.,S
05
07
06
00
H..,O
41 I
o1
o1
246
100.0
100.0
Total
100.0
100.0
122
5
Gas final
para tubeFla
05
oI
46
927
2.1
00
00
100.0
r
!
.-;) Procesado del gas
r
EI resto de las etapas del proceso, con excepcion de la metanacion constituyen
operaciones comerciales nonnales.
EI gas en bruto, ya Iimpio, se desplaza
nonnalmente para obtener la adecuada relacion H2/CO. 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
.. ----_.....--'-­
_;.. 4.7.6.3. Proceso de gasificacion del carbon por aceptor de C02
Fundamentos del proceso
Los pasos principales implicitos en el proceso son:
1) Preparacion, 2)
3)
4)
5)
6)
7)
Precalentamiento, Presurizacion, Gasificacion, Purificacion del gas, Metanado, y 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-bituminoso,se envia desde las tolvas con compuerta al gasificador, en donde se Ie volatiliza y gasifica a temperaturas en el intervalo de l.500 a 1.550°F ( 816 a 843°C). ~
-',4
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.
124 ~
1
Gas de combustiOn
....--0. .... producldo
AlII
l.lgnlto
fitposlelOn
de ae.ptor
L...-_ _ _ _ _
.~
vapor
Gas elevador
FIGURA 44. Proceso aceptor mostrando el regenerador y el gaslficador,
(Fink C. y otros, 1.986)
~> 4.7.6.4.
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 U.S 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 400°C, 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
!
r
Hay dos diferencias fundamentales entre el metodo de la hidrogasificacion y el de gas
en sintesis utilizado en el proceso basado en vapor/oxigeno. En primer lugar no
resulta necesaria una oxidacion parcial preliminar, 0 un pretratamiento de
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
nes pegajosos a
Medio Este de los Estados Unidos se ablandan, se hinchan y se hacen
temperaturas superiores a 400°C, especialmente en presencia de hidrogeno, siendo por
10 tanto dificiles de procesar.1 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 750°C ya una presion de 70 atmosferas, produciendose
de un 20 a un 30"/0 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
vapor/oxigeno seguida de la metanacion catalitiea.1 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 400/0
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 vapor/oxigeno. 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 409°C, 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 750°C 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
vapor/oxigeno seguida de la metanacion catalitica. I 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. En el
estudio de Wen el proceso Hydrane presento la mas elevada eficiencia termica
( 78% ) Yel precio relativo de gas mas bajo entre los procesos considerados. if
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 alimenta 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
vapor/oxigeno, 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
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
directamente al gasificador vapor/oxigeno.
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 °C 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.
I
!
\
\
t
i
-~
4.7.6.5. 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 prod,ucto sera un gas limpio, con un poder
calorifico de aproximadamente 1.000 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
U.S. Bureau of Mines. Son los siguientes, Frith 1., 1.986:
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
T
I
\
~
.;
, 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 temperatura/alta
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
11.Supresion del azufre del liquido regenerador de gas acido para hacerlo aceptable
para su descarga a la atmosfera.
-'" 4.8. 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
r
!
!
r
de la planta se puede ajustar aI tamai'io del yacimiento. La GSC produce un impacto
ambiental pequeno, debiendose considerar principalmente los efectos geologicos y
sobre los acuiferos proximos.
I
4.8.1. 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 reaccion.1 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., 1.987) 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 y
ademas 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 3/1 de vapor de agua/oxigeno 0 aire no produce deterioro
de las en
!ineas
de inyeccion, mientras que relaciones III de vapor/oxigeno si causan
dafios
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 500°C,
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
completamente rellenas por' carbon alterado termicamente, cenizas y rocas
desprendidas del techo. EI· 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.
~
4.8.1.1.
Composicion del gas producido
El gas producido por gasifieacion subterninea esta compuesto principalmente por H2,
CO, C02, Cf4 Yvapor 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
-------- --- --J --------
" • .1
-------""'"----:;1
,-.-.--.~,...---
--
-
- _ . _._.._ .. -
--
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---
Poder calorifico
(Kcal/m3)
Aire
Composicion del gas seco, % vol.
CO
CO2
N?
CHd
H2
13,,6
4,8
50,3
18,0
13,3
'y"apor +02
31,1
33,0
J.200
Inyectante
19,6
16,3 ,
130
1.335
87)
T
i
\
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.
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Presion en el reactor (atm)
I
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FIGURA 46. Contenido en metano en el gas producto de la gasificacion frente a
la presion, (Meseguer V. y Alcaraz D., 1.987)
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.
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VAPOR INYECTAOO/OXIGENO INYECTAOO
5
FIGURA 47. Dependencia entre la cantidad de gas producido y la relacion vapor de agualoxigeno inyectado, (Meseguer V. y Alcaraz D., 1.987) 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.
>
4.8.1.2. 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
1....j -"
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 produccion.l
CarbOn
Vapor + Oxigeno
.....
.....
---...
Gas de poder
Gas combustible
CalOri:Co 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., 1.987)
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:
•
•
•
•
Promover la reacci6n: CO + H20 -+ H2 + C02
Eliminar C02
Realizar un proceso de metanaci6n
Efectuar la limpieza del gas
4.8.2. 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
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 1m 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 20/40 y 10/20.
Rlvulimi.mo superficiol
Hueeo superficial
RlYlltimitnlO dl prodllccion
Hlileo de producei&!
Cemellfo de peso /iviono
061lUvo sup.rior
MOlllol
ManIa mal profunda
_
Hulleo pora
duagul
FIGURA 49. Completacion tipica, (Battino S., y otros, 1.989)
134
~
. . .'..
I
f
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I
I
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I
·4
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-.:-:""J'.~ :.:': ..
-=----t--.
. ·_·..,=·~·cc~~
<0
Fracturo abierta por
presiOn hldraullco
/
j
•
•
Manto de carbon
. . . . :.:.: . . . . .
FIGURA 50. Procedimiento de hidrofracturamiento de mantos de carbon,
(Battino S., y otros, 1.989)
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
-
--',"'j( I.
0I....
d. agua Ilk
Gal
1
UlIIlloeioll
0
comprtllon
Stporodor
1
-
t
.,
:::
u
III~
Manto d. carbon
FIGURA 51. Pozo produciendo metano de un manto de carbon, (Battino S., y otros, 1.989) 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
PRODOCCIO/f DE GAs
--------- ..........................
.......
PRODUCCION DE' AGUA
TIEMPODE PRODUCCION
FIGURA 52. Curva generalizada de produccion de gas, (Battino S., y otros,
1.989)
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.
• Red de tuberias dedicada a los requerimientos de operacion de las minas de carbon
• Venta de excedentes de la produccion de gas a empresas de gas que continuan la
purificacion.
• Produccion de gas natural liquido (LNG)
• Produccion de gas natural comprimido (CNG)
Generacion de energia
• Generacion de turbina de gas (GTG)
• Cogeneracion por GTG mas recuperacion de calor residual por calderas y turbinas
de vapor.
• Generacion de turbina de vapor
137
T" Petroq uimica
• Amonio y derivados
• Metanol y derivados
Procesos quimicos y metalurgicos
4.9. LICUEFACCION
Los combustibles liquidos se pueden producir de carbon a partir de un material semi­
solido 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 (oxigen'o, 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
(0/0)
93,7
C
H
0
N
S
HlC
Nota:
Bit. MY
Bit. A
AV
BitB
AV
Lignito Petroleo Gasolina
Tolueno
84,5
80,3
72,7
82-87
86,0
5,5
11-14
14,0
5,6
4,2
2,4
7,0
11,1
21,3
2,4
1,9
L,2
0,2
1,6
0,9
1,2
0,6
1,0
O,S
1,3
0,6
0,82
0,69
1,76 ,_ 1,94
(b79
0,67
0,31
Los an3.lisis del carbon se dan libres de agua y ceniza
88,4
5,0
4,1
1,7
I
EI contenido de cenizas del carbon varia entre 3 y 15% Relacion atomica HlC de asfaltenos residuales de petr6leo 1. IS,
yaceite 1.67. 13S
resina 1.47 91,3
8,7
1,14
T
\
I
i
t
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) .
Carbon
Pir6lisis Gas
Liquido
Char
Separaci6n
I
I
Gasificaci6n Agua
:I
I
I
I
I
I
~-------------------------------------------------------------~
b) Carbon
Agua
=
I
c) Carbon Gasificaei6n
H
Sintesi,
Fieher- Trosch
t:
Separaci6n
Hidrogenaci6n
...
I
I
~
_____________1f______________________ ~___ ~
I
I
I
I
I
I
I
I
I
Gasificaci6n Agua
I
I
I
I
I
I
~----------------------------------------------------~
FIGURA 53. Procesos para la licuefaccion del carbon. A. Pirolisis,
B. SintesisFischer-Tropsch, C. Hidrogenacion
(White 1.979).
139
Gas
Liquido
Gas
Liquidos
Char
T
4.9.1. 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:
4.9.1.1. 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 volumen· 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
..
II
!
i
I
H
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.
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
precalentamiento reduce la carga tennica de la retorta, y aumenta la producci6n de
esta para una circulacion detenninada de bolas cenimicas; ofl-ece al mismo tiempo un
metoda eficaz para recobrar calor residual procedente del tll!io 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
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
VI
10
(5
Ll
..,
o
o
o
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UJ
a venIa
FIGURA 54. PrincipaJes elementos del proceso ToscoaJ, (Carlson F., 1.986) EI tamano del carbon de alimentacion es de % de pulgada (1,90 cm) y asi se ha
utilizado en la planta pilato, aun cuando se prefieren carbones de un tamano hasta de
~ pulgada (1,21 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
(0,63
em).que el tamano promedio de las particulas del coque es inferior a '4 pulgada
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 como
combustible 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 1.000"F (427 a 5380C), 10 que
constituye el rango de interes general. En temperaturas de retortado por encima de
1000"F, 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 1.000"F.
Tambien aumenta el rendimiento del gas con la temperatura, y el ritmo de aumento por
encima de aproximadamente 1.000"F corresponde al probable craqueado del alquitran.
En temperaturas por debajo de 800°F, los rendimientos de alquitran y gas disminuyen
nipidamente, y el producto principal que se obtiene es esencialmente carb6n see~, que
contiene 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 ser
procesados 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.
4.9.1.2. 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 Gas de gasogeno 'i
polvo de chcr a 10 caldera
if(
Separodor de chaT caliente
Gas rico 'i vapor
de alquitran
d
Carbon suriidor
de vapor
Entrada de calor
y elevacion del
char
Pirolizador
i
Airs
FIGURA 55. Pirolisis Lurgi-Ruhrgas No. ill
(Smith &Stitnai 1.975)
4.9.1.3. Pirolizador Garrett
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.
4.9.1.4. 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 650°F (316 a 343°C) en la primera
etapa~ 800 a 850 of (427 a 454°C) en la segunda etapa; 1.000°F (538°C) en la tercera
etapa y 1600°F (871°C) en la cuarta etapa.
143
Gu combustible
•
CarbOn
Trlluraclon V
secado
Vapor/oxlpeno
Calb6n loalado
•
.GaSllICaCIO"1L
~dlll
carbOn
- loalado
I
•
iT
L
- . - . -too-
0 -0
~
Gas d, bllo Bfu
CorrlllOls da alra
t
FIGURA 56. Diagrama de flujo en el proceso COED,
(Jones J., 1.986)
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 react:£r catalitico de lecho fijo
que opera a 750°F (400°C) Y 2.500 Ib/pulg (175 kg/cm). EI hidrotratamiento
elimina el azufre, el hidrogeno y el oxigeno del petroleo de carbon, y produce un
petroleo crudo sintetico con 25° 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
Resultados principales
r
I
Los rendimientos en petroleo crudo sintetico en el proceso COED varian desde I a 1,5
barriles por tonelada de carbon bituminoso, segun sea el tipo de carbon a1imentado. EI
rendimiento en gas es de 8.000 a 10.000 pies cubicos estandar por tonelada de carbon,
con poder calorifico de 500 Btu por pie cubico estandar.
EI rendimiento en Coque es aproximadamente de 0,5 toneladas por tonelada de carbon.
La conversion de este coque, aplicando tecnologia posterior para obtener combustible
limpio, produce aproximadamente 56.000 pies cubicos estandar por tonelada de
carbon con 220 Btu por pie cubico de gas, para su empleo como combustible en las
plantas 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 de
eI 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 la
produccion de gas de sintesis.
4.9.1.5. Proceso COGAS para la conversion del carbOn en gas y productos
del 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 de
gasificacion 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
petroleo, 10 que aparece en Ia Figura 57 y
0
sustituto del gas natural (GNS) y
produccion de gas con Btu moderado y petroleo, 10 que se observa en la
2.' Figura
Para la58.
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 ql;le 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~
aumentar la calidad del gas producido.
0
mezclarse de nuevo para
El coque caliente, procedente de la etapa de pir6lisis a 1.000oF (538°C), se alirnenta al
gasificador.
Agua
limpia
~--------------------~--------------------------------------------------~~-- Fenoles
Amoniacc
H2 S
Azulre
Ceniza
CenLta
Vapor
Aire
C02-H2S
Preparaci6n
del carbOn
Gas con
340 Btu
PetrOleo
slnt6l1CO
crudo
FIGURA 57. Diagrama de hloques del proceso COGAS: gas con Btu medio,
(Bloom R y Malakoff H., 1.986)
146
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 1s. EI char producido por este proceso se considera
tambien muy reactivo, y adecuado para el uso en calderas de carbon pulverizado.
Ac;ua limpla r-------------------------------------------------------------------~-------------+HZ S
Camza
acida
I
I
Azufre
Ceniza
Vapor
\
Fenoies
Amoniaco
Aire
C02-H2S
Preparaci6n
del carbon
!
~------~- Gasod~o
,
FIGURA 58. Diagrama de bloques de) proceso COGAS: gas para
gasoducto (Bloom R y Malakoff H., 1.986)
4.9.1.6. 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
Pefroh!o
sintetico
crudo
T
4.9.1. 7. Hidropirolisis e hidropirolisis ultra rapida
,;
I!
I
i
I
I
I
La hidropirolisis involucra la pirolisis del carbon bajo una alta presion de hidrogeno.
La fonnacion de metano se favorece si el proceso se opera a alta temperatura, pera la
produccion de hidrocarburos IJquidos se incrementa a temperaturas mas bajas.
En la hidropirolisis ultra nipida (F.H.P.) el carbon se calienta nipidamente a una alta
temperatura bajo presion de hidrogeno. Los productos, despues de limpiarse y
despues del procesamiento, consisten de gas natural sintetico (GNS), aromaticos
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 4,2 a 20,8 Mpa y a
temperaturas de 593 a 982°C. El tiempo de residencia es de 0.1-0,2 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
4.9.2. 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 1.920 Y 1.930, 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 de
bajo costo.
La principal planta de este tipo se establecio en Sasolburg, Reptibica de Sur Afiica en
1.955, 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
aayudando
gasoIina. a la conversion catalitica de metanol (producido a partir del gas de sintesis)
148 ~
!
4.9.2.1. Proceso SASOI
La primera planta de gasificacion y sintesis Fischer - Tropsch construida en Sasolburg
(SASOL I) usa una tasa de alimentacion de carbon de 12.700 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
mc::tor. 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 2.0 millones de
toneladas por ano, cerca de 10 veces la de SASOL I.
4.9.2.2. 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%.
4.9.3. 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.
4.9.3.1. 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
400"C, 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 1.932 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 425°C.
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
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por liltracion, y el liltrado se destila aI vacio para recuperar el solvente reciclando el
slurry 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.
4.9.3..2. 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.
4.9.3.3. 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. 4.9.3.4. Proceso mejorado IG. Faben (Bergius)
Durante la segunda guerra mundial, el primer proceso I. G. Faben se usa junto con la
sintesis Fischer-Tropsch para abastecer Ia demanda por combustibles de transporte.
151
r
En Leuna, 100.000 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)
Recirculaci6n
Co
Reactor no
cataHtico
Precalentador
Hidrogeno
Cenizas y
carbon sin
transfonna
Destilacion
Gas
producido
Producto
destilado
Liquidos
t Solvente refinado d
carbon bajo en aceit
Liquidos pesados
~ combustible de
caldera
L . . - - ­_ _
b)
Solvente recirculado
Productos llquidos
,..-------------------"...,.
,
Carbon
o
recalentador
Reactor
catalftico
productos gaseosos
para generaci6n
de Hidrrogeno
Hidrogeno
c)
Recirculaci6n solvente
donor de hidrogeno
~______ Recirculacion
IHidrog:naci6n
I
catalitlca
r------------l
Precalentador
Cenizas y carb6n no
transfonnado para
generaci6n de Hidrogeno
Reactor no
catalitico
de
solvente
Productos gaseosos
para generacion de
hidrogeno
Destilaci6n
Coquey
cenizas
para generar
hidrogeno
Destilado sintetico
I ­_____~.
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 1.981)
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