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EL CARBÓN
Definición y formación
Es una roca sedimentaria de color negro, muy rica en carbono, utilizada como combustible fósil. Suele localizarse bajo una capa de pizarra y sobre una capa de arena y arcilla. Se cree que la mayor parte del carbón se formó durante el período carbonífero (hace 280 a 345 millones de años). En eras geológicas remotas, y sobre todo en el periodo carbonífero (que comenzó hace 345 millones de años y duró unos 65 millones), grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetación muy abundante que crecía en pantanos. Muchas de estas plantas eran tipos de helechos. Al morir las plantas, quedaban sumergidas por el agua y se descomponían. A medida que se producía esa descomposición, la materia vegetal perdía átomos de oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con un elevado porcentaje de carbono. Así se formaron las turberas . Con el paso del tiempo, la arena y lodo del agua fueron acumulándose sobre algunas de estas turberas. La presión de las capas superiores, así como los movimientos de la corteza terrestre y, en ocasiones, el calor volcánico, comprimieron y endurecieron los depósitos hasta formar carbón.
Ciclo del Carbón
Reservas e Historia
Se encuentra sobre todo en el Hemisferio Norte, porque durante el período Carbonífero los continentes que ahora están en el Hemisferio Sur, es decir Africa, América del Sur y Australia, estaban juntos formando un gran supercontinente llamado Gondwana, que estaba situado muy cerca del polo sur, con un clima poco propicio para la formación de grandes bosques. En cambio lo que ahora son Asia, Europa y América del Norte estaban situados junto al ecuador en una zona cálida, muy adecuada para el desarrollo de las grandes masas vegetales que formaron las capas de carbón.
Los mayores depósitos de carbón están en América del Norte, Rusia y China, aunque también se encuentra en cantidades considerables en algunas islas del Ártico, Europa occidental, India, África del Sur, Australia y la zona este de América del Sur.
Con el actual ritmo de consumo se calculan reservas de carbón para algo más de
200 años, aunque si se tienen en cuenta las que no son fáciles de explotar en el momento actual, las reservas podrían llegar para otros mil años.
Reservas de carbón en el mundo
Reservas
YACIMIENTOS DE CARBONES Y LIGNITOS EN ARGENTINA
Principales tipos de carbón en Argentina
TIPO DE CARBON YACIMIENTOSRESERVAS
MILLONES de t
BITUMINOSO MEDIO
Volátil
RIO TAMBILLOS (La Rioja)
SANTA MAXIMA -(Mendoza)
BURGOS (Neuquen)
0,7
BITUMINOSO ALTO
Volátil B
RICHARD (SanJuan)
J.NEWBERY (Neuquén)
PICO QUEMADO (R.Negro)
LEPÁ (Chubut)
3,1
SUB-BITUMINOSO A
a Alto volátil C
RIO TURBIO (Santa Cruz) 580
SUB-BITUMINOSO
AC
INDIO (Santa Cruz)
SANTA ANA (Chubut)
CABO CURIOSO (S. Cruz)
0,9
LIGNITOS RIO COYLE (Santa Cruz)
CURSO MEDIO RIO SANTA CRUZ (Santa Cruz)
5.000
2.350
Ubicación del yacimiento Río Turbio
Río Turbio. Estadísticas.
PRODUCCION DE CARBON BRUTO
0
500
1000
1500
1950 1960 1970 1980 1990
AÑO
PR
OD
UC
CIO
N,
mil
es d
e t
Etapas en la vida de Río Turbio
PROYECTO
PARA LA PRODUCCION AÑOS
COMIENZO DE LA EXPLOTACION
METAS DE PRODUCCION DE ACUERDO A NECESIDADES DEL PAIS 1952 – 1964
3 MILLONES DE t/año DE CARBON BRUTO 1965 – 1974
4 MILLONES DE t/año DE CARBON BRUTO 1987 – 1988
1,2 MILLONES DE t/año DE CARBON BRUTO 2007 – 2026
Generación de energía eléctrica en la Argentina - 2006
POTENCIA INSTALADA (MW)
TURBO VAPOR 4.463
TURBO GAS 2.266
DIESEL 4
CICLO COMBINADO 6.361
HIDRAULICA 9.934
NUCLEAR 1.005
TOTAL TERMICA 13.094
TOTAL INSTALADO 24.033
CONSUMO TOTAL DE COMBUSTIBLES
FUEL OIL 1.548.527 t
GAS OIL 95.887 t
GAS NATURAL
11.011.947 dam3
CARBON MINERAL
581.702 t
Estimación de los costos de inversión y generación
COMBUSTIBLE NUCLEAR FUEL OILCARBON MINERAL
POTENCIA 2 X 1100 MW 2 X 600 MW 2 X 600 MW
COSTO DE CONSTRUCCION
( u$s/kwh )700 350 450
COSTO TOTAL PROMEDIO POR kwh a 5500 h/año
(Milésimas de u$s)
23,8 50,0 22,6
Tipos de carbón
Según las presiones y temperaturas que los hayan formado distinguimos distintos tipos de carbón: turba, lignito, hulla (carbón bituminoso) y antracita. Cuanto más altas son las presiones y temperaturas, se origina un carbón más compacto y rico en carbono y con mayor poder calorífico.
Existen distintos tipos de carbón que se pueden clasificar en dos grandes grupos:
Carbones duros: totalmente carbonizados, entre los que están la antracita y la hulla.
Carbones blandos: pertenecen a épocas posteriores al carbonífero y que no han sufrido proceso completo de carbonizados . Entre ellos están los lignitos, pardos y negros y la turba
Una clasificación global, sería:
Clasificación ASTM de carbones
CLASE GRUPOPODER CALORIFICO
Kcal./kg
CARACT.
AGLUTINANTES
I. ANTRACITA No aglutinantes
II. CARBONES BITUMINOSOS
1. Bajo volátiles
2. Medio volát.
3. Alto volát. A
4. Alto volát. B
5. Alto volát.
-
≥ 7.780
7.230 a 7.780
6.400 a 7.230
5.840 a 6.400
Comúnmente aglutinantes
Aglutinantes
III. CARBONES SUB-BITUMINOSOS
1. Sub-bitum. A
2. Sub-bitum. B
3. Sub-bitum. C
5.840 a 6.400
5.280 a 5.840
4.500 a 5.280 No aglutinantes
IV. LIGNITOS 1. Lignito A
2. Lignito B
3.500 a 4.600
< 3.500
Otra clasificación
Atendiendo a su grado de metamorfismo (cambio de la forma y estructura debido a las acciones del calor, la presión y del agua) sería:
Antracita: son los de mayor calidad, contienen del 85% al 98% en peso de carbono.
Hullas: dentro de esta clasificación aparece una amplia gama de carbones cuyo contenido en carbono abarca desde el 40% hasta el 85%.
Lignitos: son los de peor calidad, con contenidos en carbono inferior al 40%.
Turbas: No se consideran carbones según la ASTM, tienen un contenido en humedad muy alto (90%).
Historia del Carbón
Siglo XVIII: Invención de la máquina a vapor que permitió una transformación eficiente de energía calórica en energía mecánica.
Siglo XIX: el uso del vapor generado con carbón se difundió a nivel mundial (revolución industrial, la máquina de vapor y la producción de acero), en un contexto de expansión de la industria y de los sistemas de transporte.
Con la II Guerra Mundial comienza un paulatino desplazamiento del carbón por otras fuentes energéticas.
Hasta la década de los 60, el carbón fue la más importante fuente primaria de energía en el mundo. Al final de los 60 fue superada por el petróleo.
Historia del Carbón
La denominada “crisis energética” de los años 70 entrega una irrebatible lección: el petróleo es un recurso limitado y privilegio de unos pocos países. Estos acontecimientos provocan un consenso mundial tendiente a buscar fuentes de energía alternativas, donde el carbón resurge como una importante opción.
Actualmente casi el 40% de la electricidad generada mundialmente es producida por carbón. La industria mundial del hierro y el acero también depende del uso del carbón, al ser éste el principal agente reductor en la industria metalúrgica.
Se estima que, a los niveles actuales de producción, las reservas conocidas de carbón pueden durar aproximadamente cuatro veces más que las reservas combinadas de petróleo y gas.
Métodos de aprovechamiento del carbón
Las técnicas posibles para el aprovechamiento con fines químicos son:
La destilación o pirogenación, calentando el carbón en recipientescerrados, hasta unos 1000ºC, con lo que el carbón se descompone en gases ylíquidos que destilan; en este proceso queda un residuo sólido, el coque, enproporción de un 65-80%.
La hidrogenación consiste en hacer reaccionar en caliente carbón con H2para romper su estructura y obtener hidrocarburos líquidos que se podránbeneficiar como petróleos artificiales.
La gasificación consiste en transformar en gases toda la materiacarbonosa, mediante reacción del carbón con O2, aire, vapor de agua, SO2, COetc., con lo que, según el agente gasificante, aparecen gases de composicióndiversa que pueden utilizarse como combustible, en unos casos, y comomateria prima química en otros.
Gasificación del Carbón
Se refiere a la fuerte reacción del carbón con un agente de gasificación para obtener una mezcla de gases.El propósito es llevar a cabo la mayor conversión posible del carbón presente en la materia prima. En síntesis, es un proceso de hidrogenación.En el proceso de gasificación del carbón lo que se obtiene es el gas de síntesis según la siguiente reacción:
C + H2O(v) + O2(aire) ------> CO + H2
Gasificación del Carbón
Actualmente existen varias patentes para obtener el gas de síntesis a partir del carbón. En general todas las patentes y procesos responden a los distintos tipos de reactor o gasificadores, de acuerdo con esto tenemos tres tipos de procesos:Proceso en suspensión.Proceso en lecho fluido.Proceso en lecho fijo o restringido.
Proceso en suspensión.
El procedimiento consiste en mantener al carbón en un estado constante de agitación (suspendido), mediante agitación con movimiento exterior. El tamaño granular del carbón no es importante.Este es un proceso continuo; el carbón se pone en contacto con la mezcla vapor/aire (O2) en contracorriente, lo cual permite un íntimo contacto dando lugar a tres zonas:
Zona uno: el carbón se calienta y se desvolatiliza,
Zona dos: el carbón comienza a producir gases y residuos parciales.
Zona tres: se completa la reacción produciendo el resto del carbón residual que luego es desalojado del reactor.Se trabaja a elevadas Tº (800-1100ºC) pero no se alcanza a fundir, el producto básico que se obtiene es gas de síntesis con una relación CO/H2 de 1.4 a 1. Este gas es una fuente importante de H2 aunque arrastra muchas impurezas.
Proceso en lecho fluido.
Se basa en el principio de que una corriente gaseosa que atraviesa una masa sólida con una cierta granulometría (pulverizado) provoca un estado de burbujeo o fluidificación que mejora notablemente el contacto y también el desprendimiento del gas formado.
El material carbonoso se encuentra suspendido mediante una placa Guilla la cual es atravesada por el aire. La carga y descarga se realizan en forma continua. El principal inconveniente es lograr que el carbón posea una cierta granulometría adecuada y estrecha entre ciertos valores.
Este proceso está en la etapa de aplicación semiindustrial por dos razones económicas, porque el caudal de aire debe ser grande para mantener el lecho fluido y por la granulometría del carbón.
Es necesario una alta temperatura de trabajo (1400-1600ºC), si el carbón se quema y produce llama los gases obtenidos tienen entre el 85 y 90% de CO+H2.
Proceso en lecho fluido.
Proceso en lecho fijo o restringido.
Aquí el carbón es arrastrado a la cámara de reacción por la corriente de vapor y oxígeno que lo lleva en la forma ascendente al mismo tiempo que lo va haciendo reaccionar dentro de la misma. Lo producido sale por la parte superior, mientras que por la inferior se retira el producto sólido residual.
Procesos vigentes (patentes)
En la actualidad se pueden englobar las distintas patentes dentro de cualquiera de los tres tipos de procesos ya descriptos anteriormente, o sea que los procesos industriales responden a la forma o tipo de reactor o regenerador con el cual se obtiene el gas de síntesis:
Proceso TexacoProceso Lurgi
Proceso TexacoCaracterísticas del proceso: Previo al ingreso del reactor de síntesis, el carbón se mezcla con H2O. La relación de mezclado con el H2O va desde 1.5-0.8 dependiendo del carbón. La suspensión producida es alimentada al reactor. El carbón es gasificado a una temperatura que va desde los 1100-1500ºC con
una inyección de O2 que entra por una boquilla central. Después de la fusión, las cenizas son enviadas a un recipiente separador a
presión y son enfriadas con vapor produciéndose el quemado de las cenizas y la recuperación del polvo de carbón.
El gas crudo que sale del reactor va a un intercambiador de calor residual para enfriarse y se aprovecha este calor para obtener vapor.
Las partículas sólidas que pudo haber arrastrado el gas son eliminadas en un separador.
El gas crudo es entonces enviado a la zona de purificado para eliminarles el CO2 y SH2 y el oxisulfuro de carbono formado.
Así obtenemos el gas de síntesis puro con una relación CO:H2 resultante casi siempre un poco mayor 1:1.
Este proceso es adecuado para todo tipo de combustibles sólidos y además puede ser operado con petróleo o gas natural.
La presión de trabajo es de aproximadamente 30kg/cm2, el poder calorífico del gas de síntesis es de 1500cal/Kg. y para obtener 100m3 de gas de síntesis se necesitan 600kg de carbón y 350m3 de O2.
Proceso Texaco
Proceso Lurgi
Existen dos tipos de procesos Lurgi:
De alta presión De presión de trabajo atmosférica
Aquí hablaremos sobra todo del proceso de alta presión. La producción de gas de síntesis esta vinculada directamente con la obtención de los mejores rendimientos y la mas alta relación de gas a volumen de reactor.
La composición aproximada del gas que se obtiene es:
CO 23% H2 39% CO2 27% CnHn 0.4% CH4 9.8% N2 0.7%
Además se obtiene carbón semigasificado o sin gasificar, vapor, alquitrán, fenoles, amoniaco, ácidos grasos, azufre y naftalina. El reactor o generador de gas es de lecho fijo.
Proceso Lurgi
Reactor de lecho fijo:
En este el carbón sin lavar pero clasificado dentro de una granulometría que va desde 5 a 30 mm de diámetro, es introducido en la cámara de carbón que esta presurizada.
Proceso Lurgi
El ingreso del carbón al reactor desde la cámara de carbón se realiza de forma continua sobre la sección transversal por medio de un distribuidor de carbón.La gasificación del combustible se lleva a cabo con una mezcla de O2 y vapor, que es inyectada dentro del reactor por el fondo de este a través de la parrilla giratoria.El falso lecho de cenizas formado en la parrilla sirve para distribuir uniformemente la inyección del agente de gasificación y para precalentar este.El calor sensible necesario para que se produzcan las reacciones endotérmicas es producido en la zona de gasificación.En la gasificación en lecho fijo, cada granito de carbón pasa continuamente; desde que entra al reactor hasta que llega a la parrilla y se convierte en cenizas; por las siguientes zonas:
Zona de secado, Zona de desgasificación Zona de gasificación Zona de combustión.
El polvo de carbón que no ha reaccionado y el alquitrán son eliminados del gas crudo a la salida del reactor por medio de una lluvia de agua en un separador condensador de agua, el gas es aún enfriado más en un intercambiador de calor residual.
Proceso Lurgi
La suspensión alquitrán-polvo es reciclada al generador después de haberle sacado casi todo el alquitrán. La relación CO-H2, e ajustada por medio de la conversión del gas bruto, puede ser reformado de CH4:
O conversión de CO:
Esta conversión depende del uso que se le va a dar al gas de síntesis obtenido.
224 3HCOOHCH
222 HCOOHCO
Proceso Lurgi
Después de esto, el gas de síntesis se lo somete a un proceso de lavado en dos etapas con Rectisol para eliminarle las impurezas, especialmente azufre y CO2.
Condiciones operativas: Agente de gasificación: mezcla de O2/vapor recalentado (450 ºC), el O2
tiene una pureza del 95%, la relación de 1 a 1.5 mol vapor/mol de O2 Temperatura de entrada de la mezcla:350-400 ºC Temperatura del carbón a la entrada:700 ºC Temperatura del carbón en la zona de gasificación: 1000-1200 ºC Salida de cenizas: 500 ºC Salida del gas sin purificar: 750 ºC
Las temperaturas de trabajo no deben ser muy elevadas para facilitar la formación de metano y mejorar el poder calorífico del gas obtenido.El tiempo de residencia debe ser lo suficiente para precalentar (secar) el carbón de entrada, desvolatilizar (desgasificacion), provocar las reacciones de síntesis (gasificación, combustión) y eliminar los productos residuales.
Proceso Lurgi
Usos del gas de síntesis.
Proceso Fisher- Tropsch
El proceso Fischer-Tropsch es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos (nafta, kerosene, gasoil y lubricantes) a partir de gas de síntesis (CO y H2), reacciones exotérmicas.
Producción de parafinas
Producción de oleofina
ΟnΗΗC1)Η(2nnCΟ 222nn2
ΟnΗΗC(2n)ΗnCΟ 22nn2
Proceso Fisher- Tropsch
Reacciones secundarias, indeseadas:Producción de metano
Producción de alcoholes
Deposición de C sólido
OHCH3HCO 242
OHCH3HCO 242
2(s) COC2CO
Proceso Fisher- Tropsch
La reacción se lleva a cabo sobre catalizadores de cobalto o hierro. Para un buen rendimiento se requiere alta presión (típicamente 20 - 30 bar) y temperatura (200 - 350 °C). Por encima de los 400 °C la formación de metano resulta excesiva.El gasoil obtenido mediante el proceso Fischer-Tropsch (abreviado FT) tiene las ventajas de apenas contener azufre y tener un alto índice de cetano, gracias a su bajo contenido en aromáticos. Por ello, es un combustible con fácil salida al mercado.Sin embargo, tanto el gasoil como la nafta y los otros productos FT pueden obtenerse de forma más sencilla y barata mediante el refino de petróleo. Las Nf que se producen tienen RON de 80. Siempre es necesaria una etapa ulterior de hidrotratamiento para que los productos alcancen la calidad exigida por el mercado.
Consecuencias de la combustión del carbón
El carbón contiene elementos que pueden ser liberados durante la combustión, gasificación opirólisis, dando lugar a contaminantes potenciales de la atmósfera. El nivel deemisión de partículas y polvo en el gas de combustión procedente de todas lascalderas y hornos que queman combustibles fósiles, está reglamentado en todala comunidad. Se han desarrollado equipos, tales como ciclones, precipitadoreselectrostáticos, filtros húmedos y secos, destinados a atrapar partículas y polvoemitidos.
Consecuencias de la combustión del carbón
La emisión de CENIZAS: Existe la necesidad de eliminar la cenizaacumulada sin perjudicar al medio ambiente. Ciertas cenizas seutilizan principalmente en aplicaciones de ingeniería civil tales como rellenopara la construcción, sustitutivo del cemento en el hormigón o en elementosprefabricados.
La emisión de DIOXIDO DE AZUFRE: El carbón y petróleo en la combustión, emiten dióxidode azufre a la atmósfera, que retornar en forma de lluvia ácida, la emisión dedióxido de azufre de centrales térmicas de carbón puede reducirse de tresmaneras:
pretratamiento del carbón tratamiento durante la combustión eliminación del dióxido de azufre del gas de combustión
La emisión de OXIDOS DE NITROGENO: Los óxidos de nitrógeno puedenpropiciar la formación de ozono con la luz solar, contribuyendo también a la formación de lluvia ácida.
La emisión de DIOXIDO DE CARBONO: es responsable deAprox. el 50% de cualquier efecto de gases de invernadero, entre los que también se incluyen el metano, el óxido nitroso y los clorofluorocarbonos, que dan lugar a un aumento de lastemperaturas, alteración de los regímenes. En algunas ocasiones se pueden encontrar pequeñas cantidades de elementos tales como plomo, cadmio y arsénico, emanados.
AplicacionesEl carbón suministra el 25% de la energía primaria consumida en el mundo, por detrás del petróleo. Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial. Las aplicaciones principales son:
Generación de energía eléctrica. Coque. Siderurgia.
Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono Acero: entre 0,2% y 1,2% de carbono Fundición: más del 1,2% de carbono
Industrias varias. Uso doméstico. Petróleo sintético Carboquímica.
Amoniaco Metanol Gasolina y gasoleo de automoción a través del proceso Fischer-
Tropsch . Estas dos últimas aplicaciones antiguas son muy contaminantes y requieren
mucha energía, desperdiciando así un tercio del balance energético global. Debido a la crisis del petróleo se han vuelto a utilizar.
Ventajas Fáciles de extraer. Gran disponibilidad. Gran continuidad. Baratas. Abundante: Las reservas de carbón son extensas y están presentes en
muchos países; en la actualidad el carbón se explota en más de 50 países.
Seguro: El carbón es estable y por tanto es el combustible fósil más seguro desde los puntos de vista de su transporte, almacenamiento y utilización.
Suministro Garantizado: La abundancia de las reservas significa que a los usuarios de carbón se les puede garantizar la seguridad de los suministros del recurso y ello a su vez, a precios competitivos, asegura el suministro de la electricidad necesaria para los usos industriales y domésticos.
Limpio: Usando tecnologías disponibles, puede ahora quemarse el carbón limpiamente en todo el mundo.
Económico: A nivel mundial, el carbón es un combustible competitivo para la generación de electricidad.
Desventajas
Su uso produce la emisión de gases (CO2 y SO2) que contaminan la atmósfera, responsables de efectos como la lluvia ácida, el efecto invernadero, la formación de smog y resultan tóxicos para la vida.
Su extracción a cielo abierto produce destrucción del paisaje natural.
Contaminación de agua usadas en el proceso. Se puede producir un agotamiento de las reservas a
corto o medio plazo. Al ser utilizados contaminan más que otros productos
que podrían haberse utilizado en su lugar.
Producción mundial de carbón en los últimos años
Consumo Global Energía Primaria. A nivel mundial.
Evolución de emisiones de CO2 a nivel mundial.
Argentina: demanda energía primaria.
Argentina: demanda energía primaria
Evolución de emisiones de CO2. Argentina.
Participación del carbón a futuro.
Esquema de funcionamiento de una planta termoeléctrica
Esquema de funcionamiento de una planta termoeléctrica
Esquema de funcionamiento de una planta termoeléctrica
Esquema de funcionamiento de una planta termoeléctrica
Aunque pueden usarse combustibles diversos (carbón, petróleo, gas...), la producción de energía sigue en todos los casos el esquema siguiente:
1. El calor generado al quemar el combustible (carbón, petróleo) se emplea para calentar agua en una caldera, que se transforma en vapor.
2. Este vapor de agua se dirige hacia unas turbinas y las hace girar, debido a su empuje.
3. Un generador, el aparato capaz de producir electricidad, está acoplado a las turbinas, de manera que a medida que estas giran, se produce la energía eléctrica.
4. El generador está conectado a un transformador que convierte la corriente eléctrica para que se distribuya por los tendidos eléctricos.
Además, como puede verse en el esquema inferior, existe un sistema de refrigeración que permite convertir el vapor de agua que ha pasado por las turbinas en agua líquida, que vuelve a comenzar el ciclo a partir de la energía térmica obtenida de los combustibles.
Muchas Gracias!!!!