Efecto del tamaño de carbón en los inquemados en ceniza utilizando un Reactor de Flujo Laminar

Efecto del tamaño de partícula de carbón en el carbono no quemado mediante un Reactor de Flujo Laminar.

RESUMEN.

En este estudio se utilizó un Reactor de Flujo Laminar (RFL) para investigar el efecto de partículas de carbón con tamaños mayores de 300 micras en los inquemados de la ceniza de dos muestras de carbón, una nacional y otra importada. El efecto del tamaño de partículas grandes en la producción de carbono no quemado en la ceniza, resultó más importante, en el carbón nacional que en el importado. El estudio realizado en esta investigación mostró que incrementar hasta 10% la concentración de partículas con tamaños mayores de 300 micras, ocasiona que la pérdida de energía por carbono no quemado en la ceniza, con respecto a la energía del combustible, puede incrementarse de 50 a 100%. Lo cual representaría pérdidas económicas muy importantes en un generador de vapor.

ABSTRACT

A Laminar Flow Reactor was used to study the effect of large particle size (> 300 microns) on ash unburned carbon production of two coal types, one national and one imported. The particle size effect on the unburned carbon production was more important in the national coal than the imported one. This research shown that an increase up to 10% of particles larger than 300 microns, can result in an unburned carbon energy lost, regarding fuel energy. Which represent major economic losses in a steam generator.

INTRODUCCIÓN

En una caldera, la combustión de partículas de carbón pulverizado en las flamas se realiza en dos etapas [1,2]. En la primera, las partículas se calientan rápidamente liberando compuestos ligeros, los cuales logran la ignición y combustión cerca de la salida de los quemadores, y se produce un residuo sólido de carbono (char). En la segunda etapa, este residuo se quema a través de un mecanismo de reacción sólido – gas.

La velocidad y la cantidad de compuestos ligeros impactan la ignición y la estabilidad de las flamas en las calderas [3]. Por otro lado, la eficiencia de combustión del residuo sólido determina la cantidad –mayor o menor– de carbono no quemado en la ceniza.

El carbón, generalmente, se caracteriza a través de los análisis aproximado y elemental, así como por el contenido de ceniza y el poder calorífico. Si bien estos análisis son muy útiles, en muchas ocasiones no han sido suficientes para predecir cómo se quemará el carbón ni cuál será la concentración de carbono no quemado en la ceniza en una caldera. Ello debido, a que las condiciones de los análisis señalados están lejos de las condiciones de operación de una caldera. Para establecer las condiciones de combustión (temperatura, tiempo de residencia, velocidad de calentamiento de las partículas y composición de gases de combustión) muy similares a las que se tienen en generadores de vapor, se utiliza un reactor de flujo laminar.

En un reactor de flujo laminar (RFL) se pueden aislar los procesos de liberación de volátiles y de combustión del residuo sólido [4]. Para el primero, los gases se calientan a 1,200 °C sin oxígeno. En el segundo, se simula la composición y temperatura de gases de combustión que se presenta en el último tercio de la longitud de la flama (1400 °C, con 6 a 12% de oxígeno). Para quemar eficientemente el carbón pulverizado, una de las variables más importantes a controlar es el tamaño de las partículas [5]. Pues el tiempo requerido para la combustión de ellas depende del diámetro al cuadrado; así, si las partículas aumentan al doble de tamaño, se requerirá cuatro veces más tiempo para quemarse. En las calderas, la cantidad de partículas de este tamaño dependerá, entre otros factores, de la operación y del estado mecánico de los pulverizadores.

Este estudio permitió cuantificar el efecto de la concentración de partículas de carbón con tamaños mayores de 300 micras en los inquemados de la ceniza.

Un RFL es un instrumento en el cual se reproducen algunas condiciones de combustión que se presentan en un generador de vapor [6]; las más relevantes son las siguientes:

• Atmósfera de combustión con gases similares a la de una flama,
• Temperatura de los gases de combustión de 1,400 a 1,600 °C,
• Velocidad de calentamiento de las partículas de 104 a 105 °C/s,
• Tiempo de residencia en milisegundos para evaluar la liberación de compuestos ligeros, y de 1 a 2 segundos para cuantificar la reducción de carbono no quemado en la ceniza,
• Tamaño de partículas como las empleadas en los quemadores,

Por ello, un reactor de flujo laminar es un instrumento que se emplea para separar y analizar, de manera independiente, la liberación de materia volátil y la combustión del residuo de carbono (el que queda una vez que se han quemado los volátiles).

Para el estudio de liberación de compuestos ligeros, las partículas de carbón se introdujeron al reactor laminar en una atmósfera en donde prácticamente no se tuvo presencia importante de oxígeno y con concentración dominante de nitrógeno. Para la combustión de las partículas –sin compuestos ligeros–, la atmósfera se controló simulando la de la parte final de la flama, que es donde se define la cantidad de carbono no quemado en la ceniza. Así, la concentración de oxígeno a la entrada del reactor laminar se mantuvo en 6.8% en volumen. Es decir, no se utilizó 21% de oxígeno como ocurre en el aire que entra a los quemadores de una caldera; pues se simuló la composición de los gases de combustión de la última sección de una flama, en donde ya se consumió el oxígeno [2].

DESARROLLO

Descripción del reactor de flujo laminar

El reactor de flujo laminar es un horno vertical cilíndrico, formado por un tubo de cerámica (tubo de proceso) de 1.6 metros de longitud y 76 milímetros de diámetro interno. El horno se calienta por medio de 16 resistencias eléctricas de carburo de tungsteno distribuidas en 4 módulos a lo largo del tubo de proceso. En la Figura 1 se muestra una representación esquemática de este equipo experimental y sus sistemas auxiliares, en la Fotografía número 1 se presenta este reactor.

[pic 1]

Figura 1. Reactor de flujo laminar y sistemas auxiliares

Para la operación de este reactor se utilizan gases de combustión que provienen de un horno auxiliar, el cual emplea gas LP. Este equipo auxiliar está instalado en la parte superior del reactor referido. Emplea alrededor de 2,400 litros normales de aire por hora y 80 litros normales de gas LP. Además, se utiliza oxígeno y nitrógeno –provenientes de cilindros– para cambiar la composición de la atmósfera de gases dentro del tubo de proceso.

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