Gasificacion

Gasificación Dr. David Bell Profesor asociado Departamento de Ingeniería Química y Petróleo Universidad de Wyoming Laramie, Wyoming, EE.UU.

Gasificador de Siemens

Aire

ASU

N2

secciόn de separaci όn de aire aire

CO2 para secuestrarlo

Cabόn

Gasificador Gas

vapor

Shif Shiftt de aguagas

Eliminaciόn

Gas

del Gas Ácido

H2S ceni cenizza o escoria

Proc Proces eso o de Claus

S

Gas de síntesis: H2 + CO

Gasificación versus Combustión •

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•

•

•

La gasificación es como quemar un combustible sólido, con oxígeno insuficiente. La combustión: C y H en un combustible se queman para formar CO2 y H2O. La gasificación : producto final deseado es una mezcla de H2 y CO que se llama gas de síntesis. El combustible puede ser carbón, biomasa, coque de petróleo, o la basura de la ciudad. Esta conferencia se centra en la gasificación del carbón.

Etapas principales: pirólisis •

La pirólisis es la descomposición térmica sin aire.

•

Carbón→ coque (sólido)+ volátiles (gas)

•

Descomposición rápida cuando el carbón entra al gasificador caliente.

•

Cuando se enfría, parte de los volátiles se condensan para formar alquitrán de carbón.

Efecto de la temperatura sobre el alquitrán de carbón •

Volátiles se pueden descomponer posteriormente.

•

T se produce alquitrán de carbón

•

T ≈ 1.000 C => CH4 + trazas de hidrocarburos de alto

peso molecular •

T >> 1.000 C => no hay producción de alquitrán

•

El alquitrán puede ser difícil de procesar.

Las reacciones de combustión •

Las reacciones de combustión calientan la mezcla hasta las temperaturas de reacción, generan calor para otras reacciones.

•

Volátiles + gas de síntesis + O 2 → CO2 + CO + H2O + H2 + H2S + SO2

•

2 C + O2 → 2 CO ΔHorxn = -221 kJ/mol C + O2 → CO2 ΔHorxn = -394 kJ/mol

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•

Más O2 se requiere cuando la gasificación es a mayor temperatura.

Gasificación del coque •

Más lenta que la combustión.

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Rápida: C + H 2O → CO + H2 ΔHorxn = + 131 kJ/mol Más lenta : C + CO2 → 2 CO ΔHorxn = +173 kJ/mol Lentísima: C + 2 H2→ CH4 ΔHorxn = -75 kJ/mol

• •

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La combustión proporciona el calor para estas reacciones.

Otras reacciones •

La reacción shift agua-gas : CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔHorxn = -41 kJ/mol

•

La reacción de reformado metano-vapor: CH4 + H2O ↔ CO + 3 H 2 ΔHorxn = +206 kJ/mol

Termoquímica de las cenizas •

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Se requiere calor para elevar las cenizas a la temperatura de gasificación. Si el gasificador es diseñado para funcionar en el modo de escoria (ceniza fundida), se requiere el calor de fusión para fundir las cenizas.

Suministro de oxígeno •

Si el aire es utilizado como suministro de oxígeno, el producto del gas será diluido por N 2.

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La mayoría de las aplicaciones utilizan al menos el 95% de O2 proveniente de una unidad de separación de aire ( ASU: air separation unit ) donde se destila el aire a baja temperatura.

•

Algunos gasificadores son alimentados con O 2 + vapor, y otros solo con O2.

Las velocidades de reacción •

La velocidad de reacción global depende de la conversión de la gasificación del coque y del H 2O, CO2.

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T < 1.000 C => La velocidad global es limitada por la velocidad de la gasificación en la superficie de coque

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T >> 1.000 C => La velocidad global es limitada tanto por una combinación de velocidades de reacción en la superficie del coque como por la transferencia de masa.

•

Los metales de los grupos IA y IIA actúan como catalizadores (naturales o adicionales).

1

PRB gasificación de vapor a 700 C

0,9 0,8

1 % Na añadido como Na 2CO3

    l    a    n    o    i    c    c    a    r     f

0,7 0,6 0,5

   n     ó    i    s    r    e    v    n    o    c

0,4 0,3 Sin añadir Na

0,2 0,1 0 0

50

100

150

200 Tiempo, Min

250

300

350

400

Tipos de gasificadores

Carbón búnker

Lecho fijo:

alimentador Bloqueo de carbón

Gasificador de SasolLurgi El carbón entra arriba, ceniza sale al fondo. Gas sube a través de los espacios entre las partículas de carbón. Temperatura baja: se produce alquitrán.

Agua o licor de enfriamiento

Carbón El agua Aire

rotación de la parrilla

Bloqueo de cenizas

cenizas

Enfriador

gas vapor y el oxígeno

Gasificador de Lecho Fluidizado Burbujeante: Gasificador de U-Gas gas de síntesis y cenizas volantes

trabaja a ≈ 1.000 C (justo bajo la temperatura de inicio de adherencia de las cenizas a las paredes por fusión)

Silo de carbón

No genera alquitrán, algo de CH4Alimentador sinfín Pequeñas partículas de carbón puede ser desplazadas por el gas de síntesis antes de que la conversión se haya completado.

hidrociclón

vapor  agua

Lecho o borde libre

Retorno de finos

Lecho fluidizado burbujeante

Carbón

vapor y aire u oxígeno

Parrilla rotatoria

cenizas de fondo

Gasificador de Lecho Fluidizado Circulante:

unidad de separación de sólidos

Gasificador de transporte KBR

enfriador de gas primario gas de síntesis

Trabajo ≈ 1.000 C

Mayor conversión para carbones de bajo rango debido a su alta reactividad en comparación a los carbones de mayor rango.

Ducto de ascenso dispositivo de control de partículas

carbón (tolva cerrada) Aire, O2, vapor 

zona de mezcla

Quemador de partida

Despresurizador de cenizas

Desarrollado para el carbón de PRB. Primera planta comercial: Lignito (Kemper

Ducto vertical

reciclaje de gas de síntesis aire, O2 , vapor 

Despresurizador de cenizas

County, Mississippi, EE.UU.) cenizas de fondo

cenizas volantes

Gasificador de Flujo de Arrastre

Carbón/agua

O2

( slurry)

Gasificador de GE

Alimentación mediante un slurry de carbón + agua

vapor 

vapor 

T ≈ 1.300 C

Ceniza se funde para formar escoria. Escoria se solidifica mediante agua de enfriamiento. La mayor parte de los gasificadores de flujo de arrastre son gasificadores con escoria: Demanda alta de O2 Sin alquitrán, CH4

agua

enfriamento en agua

agua

Gas de síntesis

Slurry de Escoria/agua

Compresor de reciclo

Gasificador de Flujo de Arrastre: Gasificador Shell

Gas de enfriamiento gasificador 

Alimentación seca. carbón

T ≈ 1.600 C  N2

cenizas volantes

vapor 

vapor  Enfriador  de gas de síntesis

agua de Molienda, alimentación Secado y de la caldera Alimentación

agua de alimentación de la caldera

O2 escoria

Remoción de sólidos secos

Cenzias volantes (reciclado)

Gas de síntesis

Gasificador de Flujo de Arrastre: Gasificador Siemens Alimentación seca. Las paredes se enfrían para formar una pared de escoria solidificada en lugar de refractarios. Agua pulverizada solidifica la escoria en el fondo del gasificador.

Carbón de Isla Riesco • • •

•

•

•

Bajo grado Mayor contenido de cenizas Baja concentración de metales del Grupo IA y IIA (catalizadores gasificación). Ceniza con alto punto de fusión. Gasificadores de flujo de arrastre, gasificadores de escoria: requieren añadir piedra caliza o minerales alcalinos para disminuir el punto de fusión de cenizas. Calentamiento y fusión de las cenizas consume gran cantidad de energía.

•

• •

•

Mejor opción: Gasificador de Leche Fluidizado, como U-Gas o de transporte KBR. Sin escorificación Carbón de Isla Riesco es menos reactivo que carbones similares a la misma temperatura por falta de catalizadores naturales. Debido al alto punto de fusión de cenizas el gasificador puede operar a mayor temperatura para mejorar la conversión.

Reacción SHIFT Agua-gas ΔHorxn = -41 kJ/mol

•

CO + H2O ↔ CO2 + H2

•

Se utiliza para aumentar la proporción de H 2/CO

•

En gasificador: no hay necesidad de catalizador (altas temperaturas)

•

A temperaturas más bajas: Requiere catalizador

•

Catalizadores antiguos pueden “envenenarse” por

•

azufre. Nuevos catalizadores toleran el azufre (gases ácidos)

Equilibrio del SHIFT Agua-Gas    o    i    r     b    i     l    i    u    q    e    e     d    e    t    n    a    t    s    n    o    c

Las bajas temperaturas favorecen la reacción hacia adelante

100

10

1 200

300

400 Temperatura, C

500

600

•

Si el producto deseado es hidrógeno con poco CO, se usan reactor SHIFT agua-gas de dos etapas.

•

Primera etapa: entra en el reactor gas de síntesis a 370 C y sale a 440 C. Estas temperaturas dan una conversión rápida. Segunda etapa: gas de síntesis se enfría a 220 C antes de entrar en reactor. Sale del reactor a 240 C. Estas temperaturas generan altas conversiones.

•

•

Si hay algo de CO se requiere en el gas de síntesis, se puede utilizar un reactor de una fase.

La eliminación de gas ácido •

Los gases ácidos son H 2S, CO2.

•

Después reactores SHIFT gas-agua.

•

CO2 comprimido cerca de 14 MPa y secuestrado

•

H2S se convierte en S por proceso Claus  –  –

2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O 2 H2S + SO2 → 3 S + 2 H2O

Gas de síntesis purificado

CO2

H2S

Absorbedor CO2 Solvente pobre

Absorbedor de azufre

Proceso Selexol Para la eliminación de gases ácidos

Solvente cargado con CO2

Solvente cargado con H2S

agua H2S separador 

•

Gas de síntesis es a alta presión (1  – 10 MPa).

•

Los gases procedentes de la combustión de carbón pulverizado salen a baja presión(≈ 0.1 MPa).

•

Menos energía es necesaria para separar el CO 2 del gas de síntesis.

Conferencias •

(1) La industria del carbón

•

(2) (Esta conferencia) Gasificación

•

(3) (siguiente) Aplicaciones de la Gasificación  –

Conversión de gas de síntesis a: • • • • •

Electricidad CH4 (gas natural sustituto) NH3 y compuestos de nitrógeno El metanol y el metanol a gasolina Petróleo sintético (Fischer-Tropsch)