La combustión de oxicombustible es el proceso de quemar un combustible utilizando oxígeno puro, o una mezcla de oxígeno y gas combustible, en lugar de aire. Dado que el componente de nitrógeno del aire no se calienta, se reduce el consumo de combustible y son posibles temperaturas de llama más altas. Históricamente, el uso principal de la combustión de oxicombustible ha sido en la soldadura y corte de metales, especialmente acero, ya que el oxicombustible permite temperaturas de llama más altas que las que se pueden lograr con una llama de aire y combustible. [1] También ha recibido mucha atención en las últimas décadas como una posible tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [2]
Actualmente se están realizando investigaciones para encender plantas de energía de combustibles fósiles con una mezcla de gas enriquecida con oxígeno en lugar de aire. Casi todo el nitrógeno se elimina del aire de entrada, lo que produce una corriente que contiene aproximadamente un 95% de oxígeno. La combustión con oxígeno puro daría como resultado una temperatura de llama demasiado alta, por lo que la mezcla se diluye mezclándola con gas de combustión reciclado o combustión por etapas . El gas de combustión reciclado también se puede utilizar para transportar combustible a la caldera y garantizar una transferencia de calor por convección adecuada a todas las áreas de la caldera. La combustión de oxicombustible produce aproximadamente un 75% menos de gas de combustión que la combustión de aire y produce gases de escape que consisten principalmente en CO 2 y H 2 O (ver figura).
Economía y eficiencia
La justificación para usar oxicombustible es producir un gas de combustión rico en CO 2 listo para secuestrar . La combustión de oxicombustible tiene ventajas significativas sobre las plantas tradicionales de combustión de aire. Entre estos se encuentran:
- La masa y el volumen de los gases de combustión se reducen aproximadamente en un 75%.
- Debido a que se reduce el volumen de los gases de combustión, se pierde menos calor en los gases de combustión.
- El tamaño del equipo de tratamiento de gases de combustión se puede reducir en un 75%.
- El gas de combustión es principalmente CO 2 , apto para secuestro.
- La concentración de contaminantes en los gases de combustión es mayor, lo que facilita la separación.
- La mayoría de los gases de combustión son condensables; esto hace posible la separación por compresión.
- El calor de la condensación puede capturarse y reutilizarse en lugar de perderse en los gases de combustión.
- Debido a que el nitrógeno del aire está ausente, la producción de óxido de nitrógeno se reduce considerablemente.
En términos económicos, este método cuesta más que una planta tradicional de combustión por aire. El principal problema ha sido separar el oxígeno del aire. Este proceso requiere mucha energía, casi el 15% de la producción de una central eléctrica de carbón se puede consumir para este proceso. Sin embargo, una nueva tecnología que aún no es práctica llamada combustión en bucle químico [3] puede usarse para reducir este costo. En la combustión en bucle químico, el oxígeno necesario para quemar el carbón se produce internamente mediante reacciones de oxidación y reducción, en lugar de utilizar métodos más costosos para generar oxígeno separándolo del aire. [4]
En la actualidad, en ausencia de la necesidad de reducir las emisiones de CO 2 , el oxicombustible no es competitivo. Sin embargo, el oxicombustible es una alternativa viable para eliminar el CO 2 de los gases de combustión de una planta convencional de combustibles fósiles alimentada con aire . Sin embargo, un concentrador de oxígeno podría ayudar, ya que simplemente elimina el nitrógeno.
En industrias distintas de la generación de energía, la combustión de oxicombustible puede ser competitiva debido a una mayor disponibilidad de calor sensible. La combustión de oxicombustible es común en varios aspectos de la producción de metales.
La industria del vidrio se ha estado convirtiendo en oxicombustible desde principios de la década de 1990 porque los hornos de vidrio requieren una temperatura de aproximadamente 1500 grados C, que no se puede alcanzar a temperaturas de llama adiabáticas para la combustión de aire y combustible a menos que se regenere calor entre la corriente de combustión y la entrada. corriente de aire. Históricamente, los regeneradores de hornos de vidrio eran conductos de ladrillos de alta temperatura grandes y costosos llenos de ladrillos dispuestos en un patrón de tablero de ajedrez para capturar el calor cuando los gases de combustión salen del horno. Cuando el conducto de humos se calienta completamente, el flujo de aire se invierte y el conducto de humos se convierte en la entrada de aire, liberando su calor en el aire entrante y permitiendo temperaturas del horno más altas que las que se pueden alcanzar con aire-combustible solamente. Dos conjuntos de conductos de humos regenerativos permitieron invertir el flujo de aire a intervalos regulares y, por lo tanto, mantener una temperatura alta en el aire entrante. Al permitir que se construyan nuevos hornos sin el gasto de regeneradores, y especialmente con el beneficio adicional de la reducción de óxido de nitrógeno , que permite que las plantas de vidrio cumplan con las restricciones de emisión, el oxicombustible es rentable sin la necesidad de reducir las emisiones de CO 2 . La combustión de oxicombustible también reduce la liberación de CO 2 en la ubicación de la planta de vidrio, aunque esto puede ser compensado por la producción de CO 2 debido a la generación de energía eléctrica que es necesaria para producir oxígeno para el proceso de combustión.
La combustión de oxicombustible también puede ser rentable en la incineración de combustibles residuales peligrosos de bajo valor en BTU. A menudo se combina con la combustión por etapas para la reducción del óxido de nitrógeno , ya que el oxígeno puro puede estabilizar las características de combustión de una llama.
Plantas piloto
Hay plantas piloto que se someten a pruebas iniciales de prueba de concepto para evaluar las tecnologías para escalar a plantas comerciales, que incluyen
- Central eléctrica Callide A en Queensland Australia [5]
- Central eléctrica Schwarze Pumpe en Spremberg, Alemania
- CIUDEN en Cubillos del Sil , España [6]
- Instalación de demostración de energía .NET [7]
Planta de rosa blanca
Un caso de estudio de la combustión de oxicombustible es el intento de planta White Rose en North Yorkshire, Reino Unido. El proyecto planeado era una planta de energía de oxicombustible junto con separación de aire para capturar dos millones de toneladas de dióxido de carbono por año. Luego, el dióxido de carbono se enviaría por tuberías para ser secuestrado en un acuífero salino debajo del Mar del Norte. [8] Sin embargo, a finales de 2015 y principios de 2016, tras la retirada de la financiación por parte del Grupo Drax y el gobierno del Reino Unido, se detuvo la construcción. [9] La pérdida imprevista del Programa de Comercialización de CCS federal, junto con la disminución de los subsidios para la energía renovable, dejó a la Planta White Rose con fondos insuficientes para continuar su desarrollo. [8]
Impacto medioambiental
Uno de los principales impactos ambientales de la quema de combustibles fósiles es la liberación de CO 2 , que contribuye al cambio climático . Dado que los resultados de combustión de oxicombustible en los gases de combustión que ya tiene una alta concentración de CO2, que hace que sea más fácil de purificar y almacenar el CO 2 en vez de liberarlo a la atmósfera. [2]
Muchos combustibles fósiles, como el carbón y la pizarra bituminosa , producen cenizas como resultado de la combustión. Esta ceniza también debe eliminarse, lo que puede afectar al medio ambiente. Hasta el momento, los estudios indican que, en general, la combustión de oxicombustible no afecta significativamente la composición de las cenizas producidas. Las mediciones han mostrado concentraciones similares de minerales y metales pesados independientemente de si se utilizó un ambiente de aire o de oxicombustible. [10] [11] Sin embargo, una excepción notable es que las cenizas de oxicombustible a menudo tienen concentraciones más bajas de cal libre . La cal libre se forma cuando los minerales de carbonato en combustibles como el carbón y la pizarra bituminosa se descomponen a las altas temperaturas que ocurren durante la combustión. La cal libre es reactiva y potencialmente puede afectar el medio ambiente, por ejemplo, aumentando la alcalinidad de la ceniza. Debido a que la combustión de oxicombustible tiene lugar en un CO 2 atmósfera rica en, la descomposición se reduce y la ceniza contiene generalmente cal menos libre. [10] [11]
Ver también
Referencias
- ^ Markewitz, Peter; Leitner, Walter; Linssen, Jochen; Zapp, Petra; Müller, Thomas; Schreiber, Andrea (1 de marzo de 2012). "Innovaciones mundiales en el desarrollo de tecnologías de captura de carbono y la utilización de CO2" (PDF) . Ciencias de la energía y el medio ambiente . 5 (6): 7281–7385. doi : 10.1039 / C2EE03403D .
- ^ a b Bui, Mai; Adjiman, Claire S .; Bardow, André; Anthony, Edward J .; Boston, Andy; Brown, Solomon; Fennell, Paul S .; Alboroto, Sabine; Galindo, Amparo; Hackett, Leigh A .; Hallett, Jason P. (2018). "Captura y almacenamiento de carbono (CAC): el camino a seguir" . Ciencias de la energía y el medio ambiente . 11 (5): 1062-1176. doi : 10.1039 / C7EE02342A . ISSN 1754-5692 .
- ^ "Método de tecnología de captura y secuestro de carbono de Oxy Fuel CO2 - Planta de energía CCS" . www.powerplantccs.com . Archivado desde el original el 5 de septiembre de 2013 . Consultado el 19 de octubre de 2010 .
- ^ "combustión de bucle químico | netl.doe.gov" . www.netl.doe.gov . Consultado el 5 de mayo de 2017 .
- ^ Spero, Chris; Yamada, Toshihiko; Nelson, Peter; Morrison, Tony; Bourhy-Weber, Claire. "Proyecto Callide Oxyfuel - Combustión y desempeño ambiental" (PDF) . www.eventspro.net . 3ª Jornada sobre combustión de oxicombustible . Consultado el 5 de mayo de 2017 .[ enlace muerto permanente ]
- ^ "Ciudad de la Energía" . www.ciuden.es . Fundación Ciudad de la Energía . Consultado el 5 de mayo de 2017 .
- ^ "Página de inicio de NET Power" . Consultado el 24 de julio de 2019 .
- ^ a b "Proyecto CCS de rosa blanca | Instituto global de captura y almacenamiento de carbono" . www.globalccsinstitute.com . Consultado el 5 de mayo de 2017 .
- ^ "Tecnologías de captura y secuestro de carbono @ MIT" . secuestro.mit.edu . Consultado el 5 de mayo de 2017 .
- ^ a b Konist, Alar; Neshumayev, Dmitri; Baird, Zachariah S .; Anthony, Edward J .; Maasikmets, Marek; Järvik, Oliver (11 de diciembre de 2020). "Composición de minerales y metales pesados de cenizas de esquisto bituminoso de combustión de oxicombustible" . ACS Omega . 5 (50): 32498–32506. doi : 10.1021 / acsomega.0c04466 . ISSN 2470-1343 . PMC 7758964 . PMID 33376887 .
- ^ a b Vaya, Lauri; Konist, Alar; Neshumayev, Dmitri; Pihu, Tõnu; Maaten, Birgit; Siirde, Andres (mayo de 2018). "Cenizas y gases de combustión de la combustión de lecho fluidizado circulante de oxicombustible de esquisto bituminoso" . Energías . 11 (5): 1218. doi : 10.3390 / en11051218 .