IP053 - Gestión de la contaminación atmosférica

Asignatura:

IP053 - Gestión de la contaminación atmosférica

CASO PRACTICO:

OXI-COMBUSTIÓN

Mayo 2022

Fundación Universitaria Iberoamericana

-FUNIBER-

Medellín, Colombia

CUESTIONAMIENTOS

1. Describa el funcionamiento de  ambos procesos indicando en especial aquellas etapas  que

suponen un gasto energético externo.

1. Describa el funcionamiento de  ambos procesos indicando en especial aquellas etapas  que suponen un gasto energético externo.

• Combustión Tradicional:

En este proceso se liberan gases contaminantes como son CO2, NOx provenientes de la combustión directamente a la atmosfera por medio de chimeneas.

En este proceso las entradas son de aire y combustible. El Aire está compuesto por Nitrógeno 78%, Oxigeno 21%, CO2 0,04% y otros gases como el Argón 0,93%. El aire que respiramos esta principalmente compuesto por Nitrógeno. Y la entrada un combustible el cual se une con el Aire en una cámara de combustión como por ejemplo una caldera  a altas temperaturas generando salidas de trabajo y calor el cual es objetivo del proceso y por otro lado se generan gases de la combustión y residuos contaminantes.

De acuerdo con (Amell Arrieta, 2009) La combustión tradicional se emplea con aire (21% O2 y 79% N2) como oxidante, siendo el N2 un consumidor de energía y el responsable de los NOx, los cuales son contaminantes indeseados. Al disminuir el N2 presente en la reacción se reducen las pérdidas de calor sensible.

En el proceso de combustión tradicional se genera un gasto de energía en la cámara de combustión donde reacciona el combustible con componentes del aire, donde el Nitrógeno consume energía generando una combustión incompleta lo cual produce las emisiones contaminantes como dióxido  de  carbono (CO2), metano (CH4), óxido  nitroso  (N2O), óxidos  de  nitrógeno (NOx), monóxido  de  carbono (CO) y otros compuestos.

• Combustión Oxi-combustible.

En este método de combustión los combustibles fósiles se queman en oxigeno casi puro eliminando el nitrógeno del aire produciendo gas de combustión altamente concentrado con CO2 y H2O.

En el proceso de Oxicombustión inicialmente entra el aire a una unidad de separación de aire donde se separa el Oxigeno del Nitrógeno por medio de separación criogénica del aire mediante enfriamiento del aire a hasta que varios gases se convierten en líquidos siendo la temperatura del oxigeno liquido a -183°C y del Nitrógeno líquido a -195°C.

Posteriormente el Oxigeno casi puro pasa a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible generando trabajo o calor como objetivo principal del proceso y por otro lado sale el CO2 + H2O y algunas impurezas. El agua se condensa y se enfría quedando agua liquida dejando mas puro el CO2. El CO2 se recircula a la cámara de combustión el cual ayuda a reducir la temperatura de la cámara. En relación con (climate science, 2021) La cámara de combustión cuando se hace la combustión con oxigeno puro la temperatura puede alcanzar los 2800°C en comparación con los 2000°C que puede alcanzar con aire. Hoy en día no hay materiales de construcción de cámaras de combustión que puedan soportar una temperatura tan alta. Finalmente el resultado de la oxicombustión genera CO2 comprimido.

1. Desde el punto de vista de las emisiones contaminantes, ¿qué diferencias se observan en ambos procesos? ¿Cuáles serían las consecuencias sobre la salud y el entorno como resultado de dichas emisiones?

La principal diferencia radica en que la combustión tradicional libera gas de combustión en humo a través de chimeneas directamente a la  atmósfera. Todos los contaminantes que contiene, como CO₂ y NOₓ, se liberan junto a él. Las plantas de energía de oxi-combustible, por otro lado, capturan el gas de combustión que es rico en CO₂ para recircularlo, comprimirlo y almacenarlo.

En la combustión tradicional no se realiza ningún tratamiento a las emisiones de gases emitiendo estos gases directamente a  la atmosfera  produciendo la contaminación ambiental. Estas emisiones generan enfermedades  a  las  personas y animales y adicionalmente generan lo que se conoce como lluvias acidas.

En relación con las consecuencias sobre la salud y el entorno y con información tomada de la OMS  una cuarta parte de las defunciones de niños menores de cinco años son consecuencia de la contaminación ambiental. Cada año, las condiciones insalubres del entorno, tales como la contaminación del aire en espacios cerrados y en el exterior, la exposición al humo de tabaco ajeno, la insalubridad del agua, la falta de saneamiento y la higiene inadecuada, causan la muerte de 1,7 millones de niños menores de cinco años.

1. El funcionamiento de una planta de oxi-combustión supone que sus rendimientos sean de tan sólo el 21% en comparación con el de una central térmica convencional, que maneja rendimientos del 35% ¿A qué cree que puede deberse este hecho? ¿Cree que sería complicado acoplar este sistema a instalaciones ya existentes?

De acuerdo con (climate science, 2021) la separación de oxígeno al principio del proceso se realiza criogénicamente (donde el gas se hace líquido). Para alcanzar temperaturas tan bajas, este método requiere cerca de 22 kWh de energía por tonelada de oxígeno generado. Para una planta de energía típica a carbón de 500 MW, el suministro de oxígeno puro requeriría alrededor del 15% de toda su producción eléctrica. De hecho, los grandes requisitos de energía para la producción de oxígeno y el compresor de CO₂ reducirían la eficacia energética de la planta de energía un 25-30%.

Por lo anterior el proceso de Oxi-combustión utiliza grandes cantidades de energía el costo de la electricidad aumentaría sustancialmente lo que generaría para las empresas altos costos de producción.

1. Existen otras dos propuestas principalmente para la captura de CO2 como la post- combustión y la pre-combustión. Haga una breve descripción de cada una de ellas y señale las diferencias con la oxi-combustión. ¿Qué aplicaciones podría tener el CO2 comprimido?

• Pre-combustión.

Particularmente para una planta de gas natural el proceso iniciaría con la separación del gas natural (CH4) en CO2 y H2 sometiendo el gas natural a altas temperaturas y baja presión (CH4 + H2O 🡺 CO + 3H2) y eliminando otras impurezas debido a que estas pueden causar corrosión a los componentes e impurezas pueden aumentar las emisiones contaminantes al medio ambiente.

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