Proceso de combustión con oxígeno puro

La combustión con oxígeno puro 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 nitrógeno del aire no se calienta, se reduce el consumo de combustible y se pueden alcanzar temperaturas de llama más elevadas. Históricamente, el uso principal de la combustión con oxígeno puro ha sido en la soldadura y el corte de metales, especialmente acero, ya que 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 tecnología potencial para la captura y el almacenamiento de carbono . ^{[ 2 ]}

Actualmente se está investigando la combustión de centrales eléctricas 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 es aproximadamente 95 % 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 gases de combustión reciclados , o combustión por etapas . Los gases de combustión reciclados también se pueden usar para transportar combustible a la caldera y asegurar una transferencia de calor convectiva adecuada a todas las áreas de la caldera. La combustión con oxígeno puro produce aproximadamente un 75 % menos de gases de combustión que la combustión con aire y produce gases de escape que consisten principalmente en CO ₂ y H ₂ O (ver figura).

La justificación para utilizar la combustión con oxígeno puro radica en la producción de gases de combustión ricos en CO₂ _listos para su almacenamiento . La combustión con oxígeno puro presenta ventajas significativas sobre las centrales térmicas tradicionales que utilizan aire comprimido. Entre ellas 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 dichos gases.
• El tamaño de los equipos de tratamiento de gases de combustión se puede reducir en un 75%.
• Los gases de combustión son principalmente CO₂ _, apto para su almacenamiento.
• La mayor concentración de contaminantes en los gases de combustión facilita su separación.
• La mayoría de los gases de combustión son condensables; esto hace posible la separación por compresión.
• El calor de condensación puede capturarse y reutilizarse en lugar de perderse en los gases de combustión.
• Debido a la ausencia de nitrógeno en el aire, la producción de óxido de nitrógeno se reduce considerablemente.
• Si el combustible contiene azufre, es posible recuperar el ácido sulfúrico en lugar de liberarlo como un contaminante ambiental peligroso o "perderse" en la desulfuración de los gases de combustión .

Desde el punto de vista económico, este método resulta más costoso que una central eléctrica tradicional alimentada con aire. El principal problema radica en la separación del oxígeno del aire. Este proceso requiere mucha energía; casi el 15 % de la producción de una central eléctrica de carbón puede destinarse a este proceso. Sin embargo, una nueva tecnología, aún no práctica, denominada combustión en bucle químico ^{[ 4 ]} , puede utilizarse para reducir este coste. 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. ^{[ 5 ]}

Actualmente, al no existir necesidad de reducir las emisiones de CO₂ _, la combustión con oxígeno puro no resulta competitiva. Sin embargo, sí constituye una alternativa viable para eliminar el CO₂ _{de los gases de combustión de una planta convencional} de combustibles fósiles que utiliza aire comprimido . No obstante, un concentrador de oxígeno podría ser útil, ya que simplemente elimina el nitrógeno.

En industrias distintas a la generación de energía, la combustión con oxígeno puro puede ser competitiva debido a la mayor disponibilidad de calor sensible . Este método es común en diversos aspectos de la producción de metales.

La industria del vidrio ha estado adoptando la combustión con oxígeno puro desde principios de la década de 1990, ya que los hornos de vidrio requieren una temperatura de aproximadamente 1500 °C, la cual no es económicamente alcanzable con las temperaturas de llama adiabáticas de la combustión aire-combustible, a menos que se regenere el calor entre el flujo de gases de combustión y el flujo de aire entrante. Desarrollados a mediados del siglo XIX, los regeneradores de hornos de vidrio son grandes y costosos conductos de ladrillo de alta temperatura, rellenos 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 gases de combustión se calienta completamente, el flujo de aire se invierte y el conducto se convierte en la entrada de aire, liberando su calor al aire entrante y permitiendo temperaturas más altas en el horno que las que se pueden lograr solo con aire-combustible. Dos conjuntos de conductos de gases de combustión regenerativos permitían invertir el flujo de aire a intervalos regulares y, por lo tanto, mantener una alta temperatura en el aire entrante. Al permitir la construcción de nuevos hornos sin el costo de los regeneradores, y especialmente con el beneficio adicional de la reducción de óxidos de nitrógeno , que permite a las fábricas de vidrio cumplir con las restricciones de emisiones, la combustión con oxígeno puro resulta rentable sin necesidad de reducir las emisiones de CO₂ _. La combustión con oxígeno puro 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 necesaria para producir el oxígeno para el proceso de combustión.

La combustión con oxígeno puro también puede resultar rentable en la incineración de residuos peligrosos de bajo poder calorífico . A menudo se combina con la combustión por etapas para la reducción de óxidos de nitrógeno , ya que el oxígeno puro puede estabilizar las características de combustión de una llama.

Hay plantas piloto que se sometieron a pruebas iniciales de prueba de concepto para evaluar las tecnologías para su ampliación a plantas comerciales, incluyendo:

• Central eléctrica Callide A en Queensland, Australia ^{[ 6 ]}
• Central eléctrica Schwarze Pumpe en Spremberg, Alemania
• CIUDEN en Cubillos del Sil , España ^{[ 7 ]}
• Instalación de demostración de energía NET en La Porte, Texas, EE. UU. ^{[ 8 ]}

Uno de los principales impactos ambientales de la quema _de combustibles fósiles es la liberación de CO₂ _, que contribuye al cambio climático . Dado que la combustión con oxígeno puro produce gases de combustión con una alta concentración de CO₂ , resulta 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 con oxígeno puro 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 oxígeno puro. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, una excepción notable es que las cenizas de la combustión con oxígeno puro suelen tener 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 mayor presión parcial de CO₂ desplaza el equilibrio a favor del CaCO₃ y _el MgCO₃ 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 combustión con oxígeno puro se lleva a cabo en una atmósfera rica en CO₂ _, la descomposición se reduce y la ceniza generalmente contiene menos cal libre. ^{[ 11 ] [ 12 ]} La desulfuración de gases de combustión se emplea habitualmente para aumentar el pH de los gases de combustión o de su producto al reaccionar 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.

• Separación de aire
• Almacenamiento de energía criogénica
• Llama premezclada
• combustión en bucle químico
• Captura y almacenamiento de carbono