La oxicombustión es el proceso de quemar un combustible utilizando oxígeno puro, o una mezcla de oxígeno y gases de combustión recirculados, en lugar de aire. Dado que el componente nitrógeno del aire no se calienta, se reduce el consumo de combustible y es posible alcanzar temperaturas de llama más altas. Históricamente, el uso principal de la combustión de oxicombustible ha sido la soldadura y el 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-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 centrales eléctricas de combustibles fósiles con una mezcla de gases enriquecidos 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. [3] Disparar con oxígeno puro daría como resultado una temperatura de llama demasiado alta, por lo que la mezcla se diluye mezclándola con gases de combustión reciclados o mediante combustión por etapas . Los gases de combustión reciclados también se pueden 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 gases de combustión que la combustión alimentada por aire y produce gases de escape que consisten principalmente en CO 2 y H 2 O (ver figura).
La justificación para utilizar oxicombustible es producir un gas de combustión rico en CO2 listo para su secuestro . La oxicombustión tiene importantes ventajas sobre las plantas tradicionales alimentadas por aire. Entre estos están:
Desde el punto de vista económico, este método cuesta más que una planta tradicional alimentada por aire. El principal problema ha sido separar el oxígeno del aire. Este proceso requiere mucha energía; en este proceso se puede consumir casi el 15% de la producción de una central eléctrica de carbón. Sin embargo, se puede utilizar una nueva tecnología que aún no es práctica, llamada combustión química en bucle [4], para reducir este coste. En la combustión en circuito 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. [5]
Actualmente, al no ser necesario reducir las emisiones de CO 2 , el oxicorte no es competitivo. Sin embargo, el oxicorte es una alternativa viable para eliminar el CO 2 de los gases de combustión de una planta convencional de combustible fósil alimentada por aire . Sin embargo, un concentrador de oxígeno podría ayudar, ya que simplemente elimina el nitrógeno.
En industrias distintas a la generación de energía, la oxicombustión puede ser competitiva debido a una mayor disponibilidad de calor sensible. La oxicombustión es común en varios aspectos de la producción de metales.
La industria del vidrio se ha estado convirtiendo al oxicombustible desde principios de la década de 1990 porque los hornos de vidrio requieren una temperatura de aproximadamente 1500 grados C, que no es económicamente alcanzable a temperaturas de llama adiabáticas para la combustión de aire y combustible a menos que se regenere calor entre la corriente de humos y el corriente de aire entrante. Desarrollados a mediados del siglo XIX, los regeneradores de hornos de vidrio son conductos de ladrillos grandes y costosos para alta temperatura, llenos de ladrillos dispuestos en forma de tablero de ajedrez para capturar el calor a medida que 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 al aire entrante y permitiendo temperaturas del horno más altas que las que se pueden alcanzar solo con aire-combustible. Dos conjuntos de conductos de humos regenerativos permitieron invertir el flujo de aire a intervalos regulares y así mantener una temperatura alta en el aire entrante. Al permitir la construcción de nuevos hornos sin el gasto de regeneradores, y especialmente con el beneficio adicional de la reducción de óxido de nitrógeno , que permite a las plantas de vidrio cumplir con las restricciones de emisiones, el oxicombustible es rentable sin necesidad de reducir las emisiones de CO 2 . La oxicombustión también reduce la liberación de CO 2 en la ubicación de la planta de vidrio, aunque esto puede compensarse con la producción de CO 2 debido a la generación de energía eléctrica, que es necesaria para producir oxígeno para el proceso de combustión.
La oxicombustión también puede ser rentable en la incineración de combustibles residuales peligrosos de bajo valor de BTU. A menudo se combina con combustión por etapas para la reducción de óxido de nitrógeno , ya que el oxígeno puro puede estabilizar las características de combustión de una llama.
Hay plantas piloto que se encuentran en pruebas iniciales de prueba de concepto para evaluar las tecnologías para su ampliación a plantas comerciales, incluidas
Un caso de estudio de oxicombustión es el intento de plantar White Rose en North Yorkshire, Reino Unido. El proyecto planificado era una planta de energía de oxicorte combinada con separación de aire para capturar dos millones de toneladas de dióxido de carbono por año. Luego, el dióxido de carbono sería transportado por tuberías para ser secuestrado en un acuífero salino bajo el Mar del Norte. [9] 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, la construcción se detuvo. [10] La pérdida imprevista de la financiación del Programa de Comercialización de CCS del gobierno del Reino Unido, junto con la disminución de los subsidios para la energía renovable, dejó a la planta White Rose sin fondos suficientes para continuar con el desarrollo. [9]
Uno de los principales impactos ambientales de la quema de combustibles fósiles es la liberación de CO2 , que contribuye al cambio climático . Debido a que la combustión de oxicorte produce gases de combustión que ya tienen una alta concentración de CO 2 , hace que sea más fácil purificar y almacenar el CO 2 en lugar de liberarlo a la atmósfera. [2]
Muchos combustibles fósiles, como el carbón y el esquisto bituminoso , 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 oxicombustión 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 u oxicombustible. [11] [12] Sin embargo, una excepción notable es que las cenizas de oxicorte a menudo tienen concentraciones más bajas de óxido de calcio o hidróxido de calcio (cal libre). La cal libre se forma cuando los minerales carbonatados en combustibles como el carbón y el esquisto bituminoso se descomponen a las altas temperaturas que se producen durante la combustión ( calcinación ). La calcinación es una reacción de equilibrio y una presión parcial más alta de CO 2 desplaza el equilibrio a favor de CaCO 3 y MgCO 3 respectivamente. La cal libre es reactiva y puede afectar potencialmente al medio ambiente, por ejemplo aumentando la alcalinidad de las cenizas. Debido a que la oxicombustión tiene lugar en una atmósfera rica en CO2 , la descomposición se reduce y las cenizas generalmente contienen menos cal libre. [11] [12] La desulfuración de los gases de combustión se emplea generalmente para aumentar el pH de los gases de combustión o su producto cuando reaccionan con la humedad atmosférica ( lluvia ácida ). Además del azufre y sus óxidos, otro componente potencial de la lluvia ácida se forma a partir de la interacción del óxido nítrico y nitroso con el agua; la eliminación del nitrógeno de la combustión reduce este factor por completo.