El camino del desarrollo tecnológico de la gasificación de coque en Tsinghua

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La última edición de este post fue realizada por Qinghua Lu el 8-8-2016 a las 09:57. La fuente de información sobre el desarrollo tecnológico en el área de la gasificación del carbón es Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd. I. Resumen: Actualmente, el carbón representa aproximadamente el 66% del consumo total de energía primaria en nuestro país; la cantidad total de carbón consumido asciende a unos 3.7 mil millones de toneladas. La característica energética de nuestro país es una alta proporción de carbón, escasez de petróleo y poca cantidad de gas. La estructura del consumo energético, basada principalmente en el carbón, no cambiará significativamente a corto plazo. Con el avance de la industrialización y la urbanización, las exigencias relacionadas con el control del consumo total de energía y las restricciones ambientales se vuelven cada vez más estrictas. Por lo tanto, acelerar el uso limpio y eficiente del carbón, así como desarrollar tecnologías que permitan un uso más integral del mismo, se ha convertido en una tarea importante para nuestro país en la actualidad. Entre las numerosas tecnologías de uso integral del carbón, la gasificación es la técnica clave y fundamental para su conversión limpia. Nuestro país es el mayor usuario de tecnología de gasificación del mundo. La gasificación constituye la base para el desarrollo de productos químicos a base de carbón, combustibles líquidos a base de carbón, gas natural sintético, generación de energía mediante IGCC, producción de hidrógeno y procesos industriales como la reducción directa del hierro. Como país con una gran producción de carbón, la gasificación del carbón es la tecnología clave para lograr un uso eficiente y limpio de este recurso en nuestro país. Se trata de una tecnología importante para resolver los problemas ambientales causados por el uso del carbón. La tecnología de gasificación del carbón también es uno de los procesos más importantes y cruciales en el desarrollo de la química del carbón moderna. Su selección, así como su funcionamiento estable, eficiente y económico, son cruciales para el éxito o fracaso del proyecto. Actualmente, las tecnologías de gasificación más utilizadas en la industria petroquímica se dividen en dos categorías principales: la tecnología de ladrillos refractarios para pulpa de carbón acuosa y la tecnología de paredes refrigeradas por agua con polvo seco. Sin embargo, ambas tecnologías presentan sus propias desventajas. En comparación con estas dos tecnologías, la segunda generación de hornos Qinghua que utilizan la tecnología de gasificación con paredes refrigeradas por agua a base de slurry de carbón y agua, aprovecha al máximo todas las ventajas de los ladrillos refractarios para este tipo de aplicaciones y de las paredes refrigeradas por agua en forma de polvo seco. Al mismo tiempo, evita eficazmente sus desventajas. Esta tecnología representa un avance en el campo de la gasificación, gracias a los derechos de propiedad intelectual propios de nuestro país. A medida que estos hornos se utilicen cada vez más en la industria petroquímica, ello impulsará aún más el desarrollo de la industria química basada en el carbón en nuestro país, permitiéndole ocupar una posición de liderazgo en esta tecnología. II. Evolución del horno de Tsinghua. A partir del año 2001, la Universidad de Tsinghua y la empresa Beijing Dali Ke Technology Co., Ltd. comenzaron a trabajar en la investigación preliminar relacionada con la tecnología de gasificación del carbón. En el año 2011, Yingde Gas Group, el mayor proveedor independiente de gases industriales del país, asumió las funciones que antes desempeñaba Beijing Dali Ke Technology Co., Ltd. Se formó así una nueva alianza entre instituciones académicas y empresas para el desarrollo de tecnologías relacionadas con los hornos de tipo Tsinghua. Además, se creó la empresa Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd., la cual se encarga exclusivamente de desarrollar y utilizar la tecnología de gasificación de los hornos de tipo Tsinghua. Esta empresa colabora con la Universidad de Tsinghua en la investigación y promoción de las tecnologías derivadas de dichos hornos. El Departamento de Ingeniería de Energía Térmica de la Universidad de Tsinghua se ha dedicado durante mucho tiempo a la investigación y el desarrollo en áreas relacionadas con la combustión del carbón, la gasificación del carbón y las tecnologías relacionadas con el uso de carbón limpio. Ha participado en numerosos proyectos científicos y tecnológicos importantes, así como en proyectos financiados por fondos de ciencias naturales, programas 863 y 973. Gracias a ello, ha logrado muchos resultados significativos que están a la vanguardia a nivel nacional e incluso internacional. Con el apoyo del **Plan 863 (2002AA529050)**, en el año 2002 se completaron los estudios de modelado del primer modelo del horno de Tsinghua, así como los experimentos relacionados con el campo de flujo en estado frío, las simulaciones numéricas y las pruebas de simulación en estado caliente. Además, se resolvieron algunos de los problemas técnicos que surgieron durante el proceso de industrialización. Se introdujo de manera innovadora en el proceso de gasificación el concepto de suministro de aire por etapas, ampliamente utilizado en el área de la combustión, así como la estructura de los horno ciclónicos verticales. De este modo, se superaron las limitaciones técnicas relacionadas con la gasificación, y se rompió el monopolio extranjero sobre esta tecnología. Como resultado, se obtuvieron patentes relacionadas con la gasificación que cuentan con derechos de propiedad intelectual propios. Se ha establecido un conjunto completo de métodos experimentales para la investigación y desarrollo de tecnologías de gasificación del carbón, lo que ha permitido resolver la técnica clave de suministro controlado de oxígeno ； Se realizaron estudios teóricos y experimentales sobre la combustión de un chorro de oxígeno en gases inflamables bajo atmósferas altamente reductoras, resolviendo los problemas técnicos clave relacionados con la combustión inversa del chorro de oxígeno ； Se corrigieron los parámetros que describen el efecto de la presión en las condiciones de presión alta sobre la dinámica de la reacción de vaporización de coque y vapor de agua, lo que permitió establecer un modelo más completo y fiable de la dinámica del horno de vaporización ； Se ha ampliado aún más la capacidad del horno de gasificación de coque de agua para utilizar diferentes tipos de carbón ； Se han elaborado las directrices de diseño y el paquete de diseño para el proceso de gasificación por gradación del oxígeno. El grupo Yingde Gas cuenta con un equipo de ingenieros y técnicos altamente calificados, que poseen amplia experiencia en el diseño químico y en la operación de plantas industriales. Durante muchos años, han estado dedicados al desarrollo de tecnologías y procesos químicos, así como a su implementación en la práctica. Cuentan con una gran experiencia en el diseño e instalación de plantas químicas, además de conocimientos técnicos sólidos en el área de gasificación. Beijing Yingde Qingda Technology Co., Ltd., establecida por el Grupo de Gases Yingde y la Universidad de Tsinghua, cuenta con la autorización de esta última para ser la única empresa encargada de gestionar la tecnología de gasificación con hornos de Tsinghua. Dicha empresa se ocupa del diseño de los procesos relacionados con estos hornos, así como del apoyo técnico necesario para su implementación, resolviendo así algunos de los problemas técnicos que surgen durante el proceso de industrialización. Los grandes equipos industriales basados en la tecnología de gasificación con ladrillos refractarios de primera generación desarrollada por Tsinghua (tecnología de gasificación diferenciada entre escoria no fundida y escoria fundida) ya están en funcionamiento en Tangda Hulunbuir (proyectos 18/30), en Jin Cheng Tai Chemical Co., Ltd. en Ordos (planta de 600,000 toneladas anuales de metanol, fase I), y en la filial de Linxi de Shanxi Yangmei Fengxi Fertilizer Group. Hasta el momento, los tres equipos funcionan de manera estable. La tecnología de primera generación desarrollada por Tsinghua fue evaluada en diciembre de 2007 por la Asociación China de la Industria Petrolera y Química; se determinó que esta tecnología alcanza un nivel internacionalmente avanzado. En el año 2009, esta tecnología fue reconocida por la “Asociación China de la Industria de Fertilizantes nitrogenados” como una tecnología que contribuye al desarrollo de la industria. Además, recibió el primer premio por avances científicos y tecnológicos otorgado por dicha asociación en ese mismo año. 　 El proyecto de Tangda Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., que consiste en la producción de 180,000 toneladas anuales de amoníaco sintético y 300,000 toneladas anuales de urea, utiliza la tecnología de gasificación por combustión en hornos de primera generación desarrollada por Tsinghua. Se construirán dos sistemas de gasificación con una presión de 4.0 MPa y un diámetro de 2800 mm, además de sistemas complementarios para la preparación de la lechada de carbón y el tratamiento de los residuos. El proyecto Datang Hulunbuir (proyecto 18/30) utiliza el lignito local de Hulunbuir como carbón de materia prima para la gasificación. En comparación con el antracita y la carbón bituminoso, el lignito tiene un precio más bajo y una mayor reactividad. Sin embargo, su valor calorífico es relativamente bajo, y su contenido de humedad es elevado, generalmente entre el 25% y el 60%. 　　Con el fin de aprovechar mejor los recursos de lignito de nuestro país, en los últimos años se han llevado a cabo numerosas pruebas prácticas relacionadas con diversas tecnologías de gasificación del lignito, como la gasificación en lecho fijo, la gasificación en lecho fluidizado y la gasificación de polvo de carbón. Sin embargo, todas estas tecnologías requieren un cierto grado de pretratamiento del lignito antes de su introducción en el horno. Además, implican inversiones elevadas. En particular, algunas tecnologías no solo consumen grandes cantidades de agua, sino que también generan grandes cantidades de aguas residuales, lo que supone una gran carga ambiental para los proyectos relacionados con la industria del carbón. 　 Durante años, la industria petroquímica ha buscado una tecnología que permita utilizar el lignito en la industria química del carbón de manera económica, eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Hasta el año 2012, una aplicación exitosa de la primera generación de tecnología de gasificación de carbón en Tsinghua dio esperanzas a todos. En junio de 2012, en la empresa Datang Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., se logró por primera vez en el mundo la gasificación del lignito mediante slurry de carbón en agua. Y en enero de 2013, se logró con éxito el funcionamiento simultáneo de dos hornos de gasificación de lignito durante 240 horas. A finales de 2015, la empresa Datang Hulunbuir Fertilizer Company volvió a tener buenas noticias: el primer sistema del mundo para la gasificación de lignito en forma de slurry de carbón, proyecto 18.30, comenzó a funcionar antes de lo previsto 　 Antes de la tecnología de gasificación por lecho fluidizado con slurry de carbón, utilizada en la Universidad de Tsinghua, si se empleaba lignito como materia prima, su alto contenido de agua dificultaba la creación del slurry. La concentración del slurry resultante era baja, alrededor del 53%. Según las concepciones tradicionales de aquel entonces, un slurry con una concentración inferior al 58% no podía ser utilizado en la tecnología de gasificación por lecho fluidizado. Sin embargo, en la empresa Datang Hulunbuir Fertilizer Co., Ltd., el sistema de gasificación con hornos de tipo Tsinghua utiliza los recursos de lignito de la ciudad de Hulunbuir como materia prima para la gasificación; se emplea lignito de la mina de Dongming, con una concentración de pulpa de carbón del 46% al 51%. El sistema funciona de manera estable. Desde que se logró su funcionamiento exitoso en junio de 2012, el sistema ha estado operando sin problemas. Esto demuestra que la tecnología de gasificación de carbón desarrollada por Tsinghua representa un avance significativo en el uso de lodos de carbón de baja concentración, como el lignito. Esta tecnología tiene un gran valor como modelo para proyectos de ingeniería, ya que ofrece una solución viable para aprovechar los recursos de lignito, que son difíciles de procesar, mediante el uso de tecnologías avanzadas y ecológicas de gasificación. 　 Los resultados obtenidos con la tecnología de hornos de Tsinghua en la aplicación del lignito han atraído la atención de más empresas del sector. En julio de 2013, la empresa Inner Mongolia Ulan Tai’an Energy Chemical Co., Ltd. eligió la tecnología de calderas de segunda generación desarrollada por Tsinghua para su proyecto de producción anual de 1,35 millones de toneladas de amoníaco sintético. Esta tecnología utiliza el lignito disponible en la región de Xing’an League como materia prima, con una concentración del slurry de carbón del 53%. Antes de iniciar el proyecto de construcción, Ulan Tai’an Energy and Chemical Co., Ltd. dedicó casi cuatro años a la selección de la tecnología más adecuada. Se realizaron evaluaciones técnicas y económicas de más de una docena de tecnologías de gasificación, tanto nacionales como internacionales. Al final, se determinó que el horno de Tsinghua era la tecnología más adecuada para la gasificación del lignito de la región de Xing’an League. También en 2013, el proyecto de Xinjiang Tianye para la producción anual de 200.000 toneladas de etilenglicol, así como el proyecto de Xinjiang Guotai Xinhua Mining Co., Ltd. para la producción de 1,4-butilenglicol, eligieron los hornos de Tsinghua como tecnología de gasificación para su producción. Para ello, utilizaron lignito de Xinjiang, con una concentración de pulpa de carbón del 53%. La tecnología de aplicación de lechada de agua y carbón a bajas concentraciones se ha convertido hoy en día en una carta ganadora para que las calderas de segunda generación de Tsinghua ganen mercado. En el año 2005, la Universidad de Tsinghua comenzó a desarrollar la segunda generación de sus calderas. En esta versión, las paredes refrigeradas por agua se utilizan en la cámara de combustión del horno de gasificación. Los componentes internos del horno de gasificación cuentan con paredes refrigeradas por agua, las cuales están instaladas dentro de la carcasa resistente a presiones del horno. Cuando el horno de gasificación está en funcionamiento, la capa de cenizas solidificadas en la pared membranosa de la sección de reacción de gasificación puede proteger a las paredes refrigeradas por agua, evitando que estas sean dañadas por las escorias fundidas. De este modo, se logra un efecto de “protección contra las escorias mediante otras escorias”. El 22 de agosto de 2011, se logró por primera vez en el mundo la operación exitosa del primer horno de gasificación de slurry de carbón con paredes refrigeradas por agua, en la empresa Yangmei Fengxi Fertilizer en Shanxi. Desde su primera operación, el horno entró en un estado de funcionamiento estable, cumpliendo así plenamente los objetivos de su desarrollo e diseño. El plan de mantenimiento, programado para el 9 de enero de 2012, permitió lograr un milagro en la industria de la química del carbón: se logró una operación segura, estable y continua durante 140 días desde el inicio de su funcionamiento. El 3 de septiembre de 2012, la Federación China de la Industria Petrolera y Química organizó en Pekín una reunión con expertos para evaluar los logros tecnológicos relacionados con la tecnología de gasificación de coque mediante paredes refrigeradas por agua, desarrollada por la Universidad de Tsinghua. Las pruebas realizadas tras 72 horas de funcionamiento continuo demuestran que el dispositivo funciona de manera estable, tiene un alto nivel de automatización, es seguro y fiable, además de ofrecer un buen rendimiento en cuanto a su manejo ； Los costos de inversión y operación son bajos, y tiene una buena adaptabilidad a diferentes tipos de carbón ； Todo el equipo utiliza tecnología desarrollada en nuestro país y equipos de fabricación nacional, alcanzando así un grado de nacionalización del 100 %. Los datos de evaluación cumplen con los indicadores de diseño: consumo específico de oxígeno de 404,3 Nm3/1000 Nm3 (CO+H2); consumo específico de carbón de 605,0 kg de carbón/1000 Nm3 (CO+H2). El contenido efectivo del gas sintético (CO+H2) es del 78,46%, mientras que la tasa de conversión de carbono es del 97,6%. El comité de evaluación consideró que esta tecnología de gasificación presenta una innovación notable, cuenta con derechos de propiedad intelectual propios, y además posee las ventajas de los ladrillos refractarios para la mezcla agua-carbón y de los muros de refrigeración por agua en polvo. Sus prestaciones generales son excelentes, lo que le confiere claros beneficios económicos y sociales. En conjunto, esta tecnología se encuentra a un nivel líder a nivel internacional; por lo tanto, se acordó por unanimidad aprobar su evaluación técnica. La tecnología de gasificación en lecho de flujo a alta presión puede dividirse, en cuanto al método de alimentación, en dos tipos: alimentación con pulpa de carbón (método húmedo) y alimentación con polvo seco (método seco). El método de alimentación con slurry de carbón húmedo se caracteriza por una transmisión de flujo estable y fiable, lo que permite mantener la relación entre oxígeno y carbón en el horno de gasificación dentro de rangos controlables, garantizando así su funcionamiento estable. La alimentación por vía seca utiliza un sistema de transporte a alta presión y en estado concentrado; el flujo del carbón en polvo es inestable, lo que puede causar un desequilibrio entre la cantidad de oxígeno y el carbón dentro del horno de gasificación, afectando así la seguridad en su funcionamiento. Al mismo tiempo, la alimentación por vía húmeda permite operar a altas presiones; existen dispositivos comerciales ya desarrollados para sistemas de gasificación que funcionan a presiones de 4,0 MPa, 6,5 MPa y 8,7 MPa. Actualmente, la presión máxima en los hornos de gasificación con alimentación en polvo seco es de solo 4,0 MPa. Aumentar la presión del sistema de gasificación permite reducir el tamaño de los equipos, disminuir el consumo energético del sistema y lograr una síntesis a presión constante en los sistemas químicos. Desde el punto de vista de su estructura de protección, los hornos de gasificación se pueden dividir en ladrillos refractarios y paredes refrigeradas por agua. Gracias a la estructura de paredes refrigeradas por agua, la temperatura de operación del horno de gasificación puede alcanzar los 1500 °C o incluso más. Esto permite **ampliar la compatibilidad del horno de gasificación con diferentes tipos de carbón y reducir los costos de los materiales utilizados en su funcionamiento**. Por su parte, la temperatura de funcionamiento del horno de gasificación con ladrillos refractarios no puede superar los 1400 °C. El desarrollo exitoso y puesta en funcionamiento del segundo modelo de horno Tsinghua, con paredes refrigeradas por agua para la mezcla de agua y carbón, resolvió de forma definitiva los problemas de estabilidad en los hornos de gasificación con paredes refrigeradas por agua y alimentación en seco, así como los problemas relacionados con la adaptabilidad de los diferentes tipos de carbón en los hornos de gasificación con ladrillos refractarios y alimentación en húmedo ； Se logró la gasificación del carbón de “tres altos”, lo que permitió utilizar carbón local para la gasificación y reducir los costos del carbón utilizado en las calderas ； Al mismo tiempo, las características de la tecnología de gasificación con paredes refrigeradas por agua en los sistemas de slurry de carbón se ajustan a la tendencia actual hacia un uso más limpio y eficiente del carbón. En el año 2012, la tecnología de gasificación de carbón mediante paredes refrigeradas por agua, desarrollada por la Universidad de Tsinghua, fue incluida en el “Plan de implementación para la promoción de tecnologías avanzadas de gasificación con bajo consumo energético”, elaborado por el Ministerio de Industria y Tecnología. En 2015, el Ministerio de Industria y Tecnología Informática, junto con el Ministerio de Finanzas, emitieron el «Plan de Acción para el uso limpio y eficiente del carbón en el sector industrial (2015-2020)». El horno Qinghua con paredes refrigeradas por agua, que utiliza pulpa de carbón, fue incluido entre las 21 tecnologías referentes para un uso eficiente del carbón en el sector industrial. III. Principios de la tecnología de gasificación en los hornos de Tsinghua. La tecnología de gasificación en los hornos de Tsinghua utiliza el carbón como materia prima, y oxígeno puro como agente de gasificación. En el horno de gasificación se produce una reacción de oxidación parcial a altas temperaturas, lo que permite obtener un gas procesal cuyos componentes principales son CO y H2. Este gas procesal, una vez purificado mediante un baño de agua en la cámara de enfriamiento y una torre de lavado, es enviado a las etapas posteriores del proceso como gas de alimentación. El proceso de gasificación de pulpa de carbón acuosa es un proceso de oxidación parcial no catalítico. El oxígeno de alta pureza y la lecha de carbón se mezclan mediante quemadores especiales, y luego se inyectan en el horno de gasificación. Allí, bajo altas temperaturas y presiones, tienen lugar reacciones de oxidación parcial, lo que genera un gas bruto cuyos componentes principales son el CO y el H2. En el horno de gasificación, las principales reacciones entre la lecha de carbón y el oxígeno son las siguientes:
CmHnO + m/2 O2 → m CO + (n/2 – r) H2 + r H2S
CmHnO → (m/4 – r/2) CH4 + (m – n/4 + r/2) C + H2S
C + O2 → CO2 + Q
C + O2 → CO + Q
C + CO2 → 2 CO – Q
C + H2O → CO + H2 – Q
C + H2O → H2 + CO2 – Q
C + H2O → CO2 + H2 + Q
C + H2 → CH4 + H2O + Q
C + H2 → CH4 + CO2 + Q
CO2 + H2 → CH4 + H2O + Q
C + H2 → CH4 + Q
H2 + O2 → H2O + Q
CH4 + O2 → CO2 + H2O + Q
En el horno de gasificación ocurren principalmente tres tipos de reacciones: la oxidación del carbono, la descomposición del vapor de agua y la reducción del dióxido de carbono. La oxidación del carbono libera una gran cantidad de calor, lo cual es necesario para mantener las otras dos reacciones endotérmicas y las altas temperaturas dentro del horno. Los productos de la reacción de gasificación son principalmente CO + H2, además de pequeñas cantidades de H2O(g), así como gases como CO2, H2S, CH4 y N2. Un lecho de flujo de gas es un reactor de gasificación en flujo paralelo de dos fases. La lecha de carbón se mezcla uniformemente con el agente de gasificación; luego, a través de boquillas especiales, se atomiza y entra en la cámara de reacción. Allí, se produce una ignición instantánea, dando lugar a una reacción de combustión; la temperatura alcanza valores de 1300–1700 °C. El oxígeno y la lecha de carbón se mezclan a través de una boquilla y luego entran en el horno de gasificación, donde se produce la gasificación en cuestión de segundos. Para lograr una mayor tasa de conversión, se utiliza la oxidación parcial para liberar energía, manteniendo así el horno de gasificación a una temperatura superior al punto de fusión de las cenizas del carbón, para que pueda tener lugar la reacción. La temperatura de reacción se determina en función de las características del tipo de carbón seleccionado. La presión de gasificación se fija según los requisitos del proceso. La velocidad de reacción de gasificación es muy alta; el tiempo que los sólidos permanecen en el horno suele ser de solo unos segundos. El contenido de metano en el gas sintético resultante es bajo, generalmente inferior al 0,1%. Por su parte, la tasa de conversión del carbono puede llegar hasta el 98%. Debido a la alta temperatura de reacción, no se generan subproductos condensables como alquitrán, fenoles y hidrocarburos de alto peso molecular, por lo que la contaminación del medio ambiente es menor, y también se emiten menos aguas residuales. El proceso de gasificación se divide en tres partes: el proceso de pulpa, el proceso de gasificación y el proceso de tratamiento de las cenizas. El carbón en bruto, junto con agua y una pequeña cantidad de aditivos, se muele en la molinería para obtener un slurry de carbón con un contenido del 58~65%. Este slurry, bajo la acción de una bomba de alta presión, pasa a través de las toberas de combustión hacia el horno de gasificación con paredes refrigeradas por agua ； El oxígeno proveniente de la separación del aire entra en el horno de gasificación a través de las tomas de combustible. La lecha de carbón y el oxígeno realizan la reacción de gasificación dentro del horno. El gas sintético y los escorias producidos pasan por la cámara de enfriamiento ubicada en la parte inferior del horno, donde se procede a su enfriamiento y lavado. El gas sintético, una vez enfriado, pasa por las tuberías de transporte hacia el sistema de purificación ； La escoria enfriada es eliminada periódicamente a través de tolvas y tuberías de evacuación hacia el tanque de escoria. El agua oscura que contiene escoria fina es dirigida al sistema de tratamiento de escorias, donde, tras ser tratada, vuelve a ser utilizada en el sistema. Figura 1: Diagrama simplificado del proceso de fabricación de pulpa.
Figura 2: Diagrama simplificado del proceso de tratamiento con gas. http://ydqd.yingdegas.com/chinese/DataBase/UploadFile/20160808091722822.jpg
Figura 3: Diagrama simplificado del proceso de tratamiento de aguas residuales.
IV. Características técnicas del horno Qinghua con paredes refrigeradas por agua a base de pulpa de carbón. 4.1 Alta seguridad: Se utiliza pulpa de carbón como material de alimentación, lo que garantiza un funcionamiento seguro y fiable. De esta manera, se evitan problemas como la inestabilidad de la alimentación con carbón en polvo, su facilidad para inflamarse o explotar, así como su tendencia a causar fugas. La pared de enfriamiento por agua utiliza una estructura de tubos verticales suspendidos, tecnología ya consolidada en el campo de la ingeniería térmica. Esto no solo garantiza la seguridad del ciclo del agua, sino que también evita problemas complejos relacionados con la expansión térmica. El ciclo del agua está diseñado para funcionar de forma natural, pero también puede operar en modo forzado. En caso de emergencias, es posible que el ciclo vuelva a ser natural, lo que garantiza al máximo el funcionamiento seguro de las paredes refrigeradas por agua. 4.2 Alta adaptabilidad a los diferentes tipos de carbón: La temperatura de gasificación no está limitada por los materiales refractarios; en las condiciones reales de operación industrial, esta temperatura puede alcanzar los 1520 °C (o incluso más). La reacción de gasificación es rápida y la tasa de conversión del carbono es alta. El carbón es muy adaptable, pudiendo procesarse incluso aquel con alto contenido de ceniza, alto punto de fusión de la ceniza y alto contenido de azufre. Esto facilita la producción local de carbón para su uso en procesos de gasificación. 4.3 Alta tasa de operatividad del sistema: El dispositivo funciona de manera continua y estable. La parte superior de la boquilla está tratada de forma especial, lo que permite un ciclo de funcionamiento continuo de más de 120 días. No es necesario detener la instalación para reemplazar las baldosas refractarias cada año; por lo tanto, el tiempo de operación anual puede llegar a las 8000 horas. 4.4 Amigable con el medio ambiente y eficiente desde el punto de vista ecológico: La temperatura de reacción es alta, lo que reduce la cantidad de carbono residual. No se generan subproductos condensables como alquitrán, fenoles o hidrocarburos de alto peso molecular; por lo tanto, hay menos contaminación del medio ambiente. Además, la cantidad de aguas residuales que se generan es menor, lo que facilita su recolección y tratamiento ； Al mismo tiempo, la sección de pulpa puede utilizar diversos efluentes orgánicos difíciles de tratar. 4.5 El sistema arranca rápidamente: el proceso de encendido y calentamiento combinado se simplifica, y los procedimientos de encendido e inyección de materiales se realizan de forma integrada. La encendida del combustible de pulpa de carbón utiliza una tecnología única de “encendido por llama”; el horno de gasificación necesita solo cinco horas para pasar de estado frío a plena carga. 4.6 Ahorro de energía: La presión de gasificación es alta y no se ve afectada por el sistema de transporte de las materias primas. Se puede elegir una presión más adecuada según las necesidades de las etapas posteriores, lo que permite alcanzar la misma presión que en la síntesis de metanol y así reducir el consumo energético. Puede digerir carbón con alto contenido en cenizas, alto punto de fusión de las cenizas y alto contenido en azufre. Esto facilita la gasificación local del carbón, lo que permite ahorrar costos de transporte y aumentar su valor en varias veces ； Se reduce la necesidad de reemplazar los ladrillos refractarios, lo que permite ahorrar más de 3 millones de yuanes al año en costos de reemplazo ； 4.7 Ahorro en inversiones: La instalación de gasificación es 100% de fabricación nacional, lo que permite un ahorro de inversiones del 30~50% en comparación con otras tecnologías de gasificación a presión utilizadas en el país. 4.8 Se han gestionado bien los detalles técnicos: la tecnología de gasificación de Tsinghua presenta muchas innovaciones en el diseño detallado durante el proceso industrial, como el distribuidor de gases en la parte inferior de la torre de lavado, lo que permite una mezcla adecuada entre las aguas residuales y el gas de carbón, garantizando así una eficaz limpieza del mismo ； El diseño del distribuidor de canales en el tanque de destilación flash facilita las tareas de mantenimiento del sistema ； El diseño de sello líquido para la destilación al vacío evita que el tanque de destilación se obstruya, y las mejoras en los detalles permiten que el sistema de gasificación funcione de manera estable durante largos períodos de tiempo. V. La exitosa implementación del horno Tsinghua con paredes de enfriamiento por agua a base de slurry de carbón. La tecnología de gasificación utilizada en los hornos Tsinghua representa un nuevo logro resultante de la combinación entre ingeniería térmica y tecnologías químicas. Estos hornos tienen una buena capacidad de adaptación a diferentes tipos de carbón, lo que permite utilizar carbón local y reducir así los costos de los materiales de entrada. De esta manera, se abre un camino innovador para el desarrollo de un carbón más limpio, aprovechando las abundantes reservas de carbón de alta calidad. Calculando con un horno de gasificación que consume 1000 toneladas de carbón al día, si el precio del carbón de partida disminuye en 100 yuanes por tonelada, se reducen los costos de carbón de partida en más de 30 millones de yuanes al año por cada horno. Al reemplazar los ladrillos refractarios por paredes de enfriamiento por agua, disminuyen los costos de mantenimiento de los ladrillos refractarios. El ciclo de vida de los ladrillos refractarios suele ser de aproximadamente 1,5 años; el costo de reemplazarlos cada vez es de unos 2 millones de yuanes. Si se considera que la vida útil de la pared de enfriamiento por agua es de 10 años, se puede calcular que se ahorrarán más de un millón de yuanes al año en costos de mantenimiento. En comparación con los hornos de gasificación con paredes refrigeradas por agua para la producción de slurry de carbón y otros hornos de gasificación que utilizan ladrillos refractarios, este tipo de instalaciones ofrece beneficios económicos y sociales muy significativos una vez en funcionamiento. La gasificación del carbón es una de las tecnologías importantes para su transformación limpia. El horno Qinghua, que utiliza paredes refrigeradas por agua para procesar la mezcla de carbón y agua, presenta ventajas como una amplia adaptabilidad a diferentes tipos de carbón, alta eficiencia en la gasificación, bajas emisiones contaminantes, funcionamiento estable y eficiente. Además, en comparación con otras tecnologías similares, ofrece ventajas como un menor costo de inversión y una mayor tasa de disponibilidad. Esto permite a las empresas dedicadas a la industria del carbón contar con una tecnología de gasificación de bajo costo y operaciones económicas, lo cual mejora su competitividad en el mercado. También contribuye al desarrollo económico local, protege el medio ambiente y ayuda a aumentar los ingresos fiscales locales, ofreciendo así beneficios sociales significativos. Gracias a las ventajas estructurales del horno Qinghua con paredes refrigeradas por agua, es posible modificar fácilmente los hornos de gasificación existentes que utilizan ladrillos refractarios para el procesamiento de coque hidratado. Esto abre perspectivas aún más amplias para la difusión y aplicación de este tipo de hornos. La tecnología de gasificación de carbón del horno Qinghua fue desarrollada con el objetivo de lograr una forma más limpia de utilizar el carbón. Gracias a los abundantes recursos de carbón de alta calidad, se ha encontrado una solución innovadora para su uso. La segunda generación de esta tecnología ya está en funcionamiento en empresas como Yangmei Fengxi en Shanxi, Tianye en Xinjiang y Yangmei Jishan. Además, se han firmado acuerdos con más de una docena de empresas, entre ellas Shijiazhuang Yingding, Weifang Yingde, Karamay Yingde, CNOOC Tianye Chemical Co., Ltd., Jiangsu Debang Xinghua Chemical Technology Co., Ltd., Shandong Jincheng Chemical Technology Co., Ltd., Hebei Zhengyuan Chemical Group Company, Yangquan Coal Industry (Group) Co., Ltd. y Xing’an League Wulantai’an Energy Chemical Co., Ltd. Actualmente, se está llevando a cabo una reforma tecnológica en los muros de refrigeración por agua de los hornos de ladrillos refractarios utilizados en la empresa Xinsheng Coal Chemical Co., Ltd., perteneciente al grupo minero de Shuicheng en Guizhou; en la filial de Haolianghe de la empresa Heilongjiang Beidahuang Agricultural Co., Ltd.; y en la empresa Anhui Huaihua Northwest Energy Chemical Co., Ltd. Esto ofrecerá perspectivas de desarrollo aún más amplias para la promoción y aplicación de la tecnología de calderas Qinghua con paredes refrigeradas por agua para la pulpa de carbón acuosa. El proyecto de Xinjiang Tianye para la producción anual de 200,000 toneladas de etilenglicol se construye con una capacidad de producción de gas sintético efectivo (CO+H2) de 120,000 Nm3/h en la zona designada. El dispositivo de gasificación utiliza la tecnología de gasificación de horno Tsinghua con paredes refrigeradas por agua a base de pulpa de carbón. El horno de gasificación opera a una presión de 6,5 MPa y tiene un diámetro de 2800 mm; se trata de un horno de dos cámaras. La capacidad de producción diseñada para cada horno es de 1500 t/d de carbón. Se utiliza lignito local de Xinjiang; cuando se emplea el lignito por sí solo, su concentración para formar una pasta es del 53%. Al añadir coque, esta concentración puede aumentarse a más del 58%. Figura 4: Dos unidades de gasificación tipo “Tsinghua” de Xinjiang Tianye. Tipo de carbón utilizado: Shenhua. Análisis industrial: Humedad: 24,4%; Ceniza: 6,56%; Contenido volátil: 30,99%; Carbono fijo: 62,45%. Análisis elemental: Carbono: 75,71%; Hidrógeno: 3,7%; Nitrógeno: 0,54%; Azufre: 0,58%; Oxígeno: 12,91%. Cloro: 0,014%. Arsénico: 0,35 mg/g. Calor específico de combustión: 20,01 MJ/kg. Índice de molienda: HGI/100. Punto de fusión de la ceniza: 1250 °C. Temperatura de ablandamiento: 1280 °C. Temperatura de fluidez: 1300 °C. Concentración de la pulpa obtenida mediante el proceso convencional: 53,04 %. Viscosidad aparente de la pulpa de carbón (100 s-1, 25 °C): 954 mPa·s. Tabla 1: Parámetros del lignito utilizado como materia prima por Xinjiang Tianye. En agosto de 2015, la primera unidad de gasificación tipo “Tsinghua” de Xinjiang Tianye funcionó con éxito desde su puesta en marcha. En menos de una semana, se logró completar todo el proceso posterior. En octubre de 2015, las dos unidades de gasificación tipo “Tsinghua” operaron en paralelo, produciendo una cantidad de gas superior a 120.000 Nm³/h. Hasta marzo de 2016, el ciclo de funcionamiento continuo del horno de gasificación superó los 100 días, logrando así el objetivo de un funcionamiento estable, prolongado y óptimo. Principales indicadores técnicos: Concentración de la lechada de carbón: 58% (con 40% de coque en polvo); composición gaseosa útil: CO+H2 ≥ 78%; consumo específico de oxígeno: ≤ 420 Nm3/1000 Nm3 (CO+H2); consumo específico de carbón: ≤ 620 kg/1000 Nm3 (CO+H2); tasa de conversión del carbono: ≥ 98%; contenido de materiales combustibles en los residuos: ≤ 5%. Hasta la fecha, el horno Qinghua con paredes refrigeradas por agua para pulpa de agua y carbón ha logrado operar de forma industrial durante períodos prolongados en Tianye, en Xinjiang. Gracias al éxito en su funcionamiento en Tianye, en Xinjiang, el horno de Tsinghua ha alcanzado un nivel avanzado a nivel nacional en cuanto al consumo energético total en la gasificación del carbón marrón en esa región. VI. Perspectivas de desarrollo de la gasificación con coque en Tsinghua 1. Transformación de las capacidades obsoletas de las empresas pequeñas y medianas dedicadas a la producción de fertilizantes nitrogenados. La mayoría de las plantas químicas basadas en el carbón utilizan tecnologías de gasificación en lecho fijo a presión atmosférica. Estas tecnologías se caracterizan por un alto consumo energético, altas emisiones, alta contaminación y bajos rendimientos; en otras palabras, se trata de los llamados “tres altos y un bajo”. Ante la presión de los “tres altos y un bajo”, es inevitable reestructurar la industria química basada en el carbón y llevar a cabo su modernización. Actualmente, más de 500 empresas en el país que utilizan sistemas de generación de gas con lechos fijos se enfrentan a la necesidad de modernizarse. Por su parte, los hornos de gasificación por presurización de carbón pulverizado resultan difíciles de adoptar para las pequeñas y medianas empresas productoras de nitrógeno, que ya se enfrentan a dificultades económicas, debido a su alto costo de inversión. Por lo tanto, la tecnología de gasificación con paredes refrigeradas por agua, basada en slurry de agua y carbón y desarrollada por Tsinghua, será la opción preferida por muchas de estas empresas, así como por los fabricantes de gas. En comparación con el proceso de producción de amoníaco en lecho fijo, al cambiar el tipo de carbón utilizado como materia prima y reducir el consumo, el costo por tonelada de amoníaco puede disminuir en más de 500 yuanes. Para una empresa que produce 200 mil toneladas de amoníaco al año, esto representa un ahorro anual de 100 millones de yuanes. Al utilizar la gasificación en horno Tsinghua con paredes refrigeradas por agua a base de slurry de carbón y agua, no solo se logra seguridad y protección ambiental, sino que también se prolonga el ciclo de operación, además de reducirse los costos de inversión y operación. Esto mejorará en gran medida la eficiencia productiva de las empresas, contribuirá a la protección del medio ambiente y ayudará al desarrollo económico local así como a aumentar los ingresos fiscales. De este modo, se obtendrán buenos beneficios tanto sociales como económicos. 2. La tecnología de gasificación integral en la industria química del carbón moderna: Los proyectos relacionados con esta industria suelen caracterizarse por un alto consumo de carbón, una gran cantidad de agua necesaria, además de grandes cantidades de aguas residuales, gases y residuos sólidos que se generan. Entre los “tres tipos de residuos” generados por la industria del carbón, hay muchos componentes nocivos, lo que dificulta su tratamiento. Por ejemplo, en el caso del gas natural a partir del carbón, además de la gasificación con lechada de carbón, si se utilizan métodos de gasificación en lecho fijo o en lecho fluidizado, el tratamiento de las aguas residuales se convierte en un gran desafío; de hecho, este problema ha sido incluido en el proyecto tecnológico **“863”**. Aunque actualmente existen muchos procesos para el tratamiento de las aguas residuales provenientes de la industria del carbón en el país, su rendimiento es, por lo general, inestable; y mucho menos se puede lograr una “emisión nula”. Debido a las dificultades para resolver los problemas de tratamiento de aguas residuales, varios proyectos de química del carbón en el país han visto pospuestos una y otra vez su puesta en marcha. 　　Actualmente, en el país, las tecnologías de gasificación distintas a la gasificación de coque hidratado, como los hornos Lurgi, BGL, Aero, GSP, SHELL y End, requieren la adición de vapor durante el proceso de gasificación. El agua necesaria para generar ese vapor debe haber sido sometida a un proceso de desalinización; es decir, el agua dulce se procesa para convertirla en agua adecuada para calderas. La tasa de utilización del agua es inferior al 80%. En las regiones escasas en agua de Inner Mongolia y Xinjiang, donde el contenido de sales en el agua es alto, la tasa de utilización del agua es aún menor. En un contexto en el que los requisitos ambientales se vuelven cada vez más estrictos y los recursos hídricos son cada vez más escasos, es muy probable que el tratamiento de las aguas residuales y la conservación del agua sean uno de los factores clave que determinen el éxito o fracaso de un proyecto de química basada en el carbón. 　　En cuanto a la tecnología de gasificación de polvo seco, en el proceso de preparación del polvo de carbón, se utiliza principalmente gas combustible u otro medio para secar la humedad excesiva presente en el carbón; generalmente, se busca que la humedad quede alrededor del 2%. Esta cantidad de agua es especialmente valiosa en regiones con escasez de recursos hídricos como Inner Mongolia y Xinjiang, pero hasta el momento no existe forma de recuperarla. Para mantener secas las tuberías de polvo de carbón, es necesario utilizar calefacción por vapor en dichas tuberías; parte del líquido de condensación no puede ser recuperado, lo que genera desperdicio. 　 La gasificación en la Universidad de Tsinghua consiste en añadir la mayor parte del agua en forma de pulpa de carbón. No se exigen requisitos especiales en cuanto al contenido de humedad del carbón, y también son bajos los requisitos relacionados con la calidad del agua utilizada. Por lo general, se utiliza agua residual orgánica difícil de tratar para preparar la pulpa, lo cual tiene ventajas desde el punto de vista ambiental. La gasificación en polvo seco consiste en eliminar el exceso de humedad presente en el carbón, para luego añadir gradualmente la cantidad necesaria de humedad. La humedad requerida en el horno de gasificación debe suministrarse en forma de vapor sobrecalentado a alta presión; por su parte, la humedad necesaria en las etapas de transformación debe suministrarse en forma de vapor sobrecalentado o agua proveniente de calderas. Por lo tanto, en comparación con la gasificación en horno de Tsinghua, la gasificación de polvo seco requiere una calidad del agua más alta y una cantidad mayor de agua que la gasificación con lechada de carbón. En cuanto a los proyectos actuales de producción de gas natural a partir del carbón, se considera que los hornos de tipo Ruhr contienen entre el 8% y el 12% de metano. Por lo tanto, su uso es económico para la producción de gas natural a partir del carbón. Sin embargo, estos hornos solo pueden utilizar carbón en bloques de tamaño entre 8 mm y 50 mm. Durante el proceso de extracción del carbón, una gran cantidad de residuos no puede ser utilizada. Además, los hornos de tipo Ruhr generan grandes cantidades de aguas residuales que contienen fenoles, y su tratamiento es difícil. El horno de gasificación de pulpa de carbón utiliza un sistema de suministro de carbón semicerrado, molienda húmeda del carbón y gasificación en lecho de flujo. Todo el proceso genera poca contaminación. Ni la gasificación ni la conversión requieren uso de vapor. Para la molienda del carbón se puede utilizar agua residual que contiene alcohol. Además, la cantidad de agua residual generada es baja; los contaminantes presentes en ella son pocos. El valor de COD en las aguas residuales es de solo 200 a 760 mg/l, lo que facilita su tratamiento biológico. Gracias a la tecnología de gasificación en horno Tsinghua con paredes refrigeradas por agua y slurry de carbón, en primer lugar, se puede utilizar el carbón en polvo obtenido durante el proceso de extracción del carbón ； En segundo lugar, se pueden tratar las aguas residuales difíciles de manejar que se generan en los hornos de tipo Luzzi ； En tercer lugar, se puede ahorrar parte de la inversión necesaria para el tratamiento de aguas residuales ； En cuarto lugar, se pueden ahorrar algunos de los costos de operación de los dispositivos para el tratamiento de aguas residuales. 　　Por lo tanto, en cuanto a los proyectos específicos de producción de gas natural a partir del carbón, los expertos recomiendan que, en primer lugar, se establezca un equilibrio entre el carbón en bloques y el carbón en polvo, teniendo en cuenta la proporción de carbón en bloques y la cantidad de carbón en polvo utilizada. Si, después de este equilibrio, aún queda carbón en polvo sin otro destino posible, entonces el sistema de gasificación debería utilizar tecnología de gasificación en lecho fijo como método principal, complementada con la tecnología de gasificación de tipo “Tsinghua”. Además, es necesario equilibrar la cantidad de agua dulce y de aguas residuales para su reutilización. 　 VII. Conclusión En el mundo actual, la competencia se reduce, en última instancia, a la lucha por los recursos energéticos. La experiencia es la mejor maestra: China cuenta actualmente con más de 1000 unidades de diferentes tipos de calderas. Por lo tanto, tiene una gran cantidad de experiencias y lecciones que aprender. La gasificación del carbón es la tecnología clave para su transformación limpia. La elección de este método, así como su funcionamiento estable, eficiente y económico, son cruciales para el éxito o fracaso de un proyecto. El éxito en la aplicación de la tecnología de gasificación con paredes refrigeradas por agua en el caso del slurry de carbón ha abierto un camino innovador para el aprovechamiento limpio de los abundantes recursos de carbón de alta calidad. Esto ha fortalecido enormemente la posición y la influencia de nuestro país en el campo de la gasificación a nivel mundial, además de proporcionar un sólido soporte técnico para un uso eficiente y ecológico del carbón en sí.