La combustión oxi-combustible 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 de nitrógeno del aire no se calienta, el consumo de combustible se reduce y es posible alcanzar temperaturas de llama más altas. Históricamente, el uso principal de la combustión oxi-combustible ha sido en la soldadura y corte de metales, especialmente acero, ya que el oxi-combustible permite alcanzar 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 que las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles utilicen una mezcla de gases 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. [3] 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 llevar combustible a la caldera y garantizar una transferencia de calor convectivo adecuada a todas las áreas de la caldera. La combustión con oxicombustible produce aproximadamente un 75 % menos de gas de combustión que la combustión alimentada con aire y produce un escape que consiste principalmente en CO2 y H2O ( ver figura).
La justificación para el uso de oxicombustión es producir un gas de combustión rico en CO2 listo para su secuestro . La combustión de oxicombustión tiene ventajas significativas sobre las plantas tradicionales de combustión por aire. Entre ellas se encuentran:
En términos económicos, este método cuesta más que una planta tradicional de combustión de 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 puede consumirse para este proceso. Sin embargo, una nueva tecnología que aún no es práctica, llamada combustión química en bucle [4], se puede utilizar para reducir este costo. En la combustión química en bucle, el oxígeno necesario para quemar el carbón se produce internamente mediante reacciones de oxidación y reducción, a diferencia de utilizar métodos más costosos de generación de oxígeno separándolo del aire. [5]
En la actualidad, dado que no existe ninguna necesidad de reducir las emisiones de CO2 , el oxicombustible no es competitivo. Sin embargo, es una alternativa viable para eliminar el CO2 de los gases de combustión de una planta convencional de combustible fósil que funciona con aire . Sin embargo, un concentrador de oxígeno podría ser de ayuda, ya que simplemente elimina el nitrógeno.
En otras industrias distintas a la generación de energía, la combustión de oxicombustible puede ser competitiva debido a la 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 ido convirtiendo al oxicombustible desde principios de los años 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 aire-combustible a menos que se regenere el calor entre la corriente de humos y la corriente de aire entrante. Desarrollados a mediados del siglo XIX, los regeneradores de hornos de vidrio son conductos de ladrillo grandes y costosos de alta temperatura llenos de ladrillos dispuestos en un patrón 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 por completo, 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 lograr solo con aire-combustible. Dos juegos de conductos de humos regenerativos permitieron que el flujo de aire se invirtiera a intervalos regulares y, de esta manera, 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, la combustión con oxicombustible es rentable sin la necesidad de reducir las emisiones de CO2 . La combustión con oxicombustible también reduce la liberación de CO2 en la planta de vidrio, aunque esto puede verse compensado por la producción de CO2 debido a la generación de energía eléctrica que es necesaria para producir oxígeno para el proceso de combustión.
La combustión de oxicombustible también puede resultar rentable en la incineración de combustibles de residuos peligrosos de bajo valor BTU. A menudo se combina con la 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 están realizando pruebas iniciales de concepto para evaluar las tecnologías a fin de ampliarlas a plantas comerciales, incluidas
Un caso de estudio de la combustión de oxicombustible es la planta White Rose, en Yorkshire del Norte (Reino Unido). El proyecto previsto era una planta de energía de oxicombustible acoplada a una separación de aire para capturar dos millones de toneladas de dióxido de carbono al año. El dióxido de carbono se transportaría luego por tuberías para ser secuestrado en un acuífero salino debajo del 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 con fondos insuficientes para continuar 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 con oxicombustible produce gases de combustión que ya tienen una alta concentración de CO2 , es más fácil purificar y almacenar el CO2 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. Estas cenizas también deben eliminarse, lo que puede afectar al medio ambiente. Hasta ahora, 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 entorno de aire o de oxicombustible. [11] [12] Sin embargo, una excepción notable es que las cenizas de oxicombustible a menudo tienen concentraciones más bajas de óxido de calcio o hidróxido de calcio (cal libre). La cal libre se forma cuando los minerales de carbonato 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 mayor presión parcial 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, al aumentar la alcalinidad de la ceniza. Debido a que la combustión de oxicombustible se lleva a cabo en una atmósfera rica en CO2 , la descomposición se reduce y las cenizas generalmente contienen menos cal libre. [11] [12] La desulfuración de 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 del óxido nítrico y nitroso que interactúa con el agua: eliminar el nitrógeno de la combustión reduce este factor por completo.