ES2173819T3 - Aparato de filtrado de lecho granular movil para acondicionamiento de gas caliente. - Google Patents
Aparato de filtrado de lecho granular movil para acondicionamiento de gas caliente.Info
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Abstract
Aparato de filtración para la eliminación de material en partículas del gas caliente mediante el contacto de dicho gas caliente con material de filtración granular, dicho aparato siendo del tipo provisto de una cámara de filtración que contiene material de filtración granular y provista de una parte inferior cónica que comprende por lo menos un tubo de entrada para alimentar en el interior los gases calientes que van a ser filtrados y por lo menos un tubo de salida para extraer el gascaliente filtrado, caracterizado porque la mejora consiste en una unidad de filtración montada en la cámara de filtración por encima de cada tubo de entrada, dicha unidad de filtración comprendiendo: un primer elemento tubular montado por encima de los tubos de entrada de forma que se evita que material granular entre o bloquee dichos tubos de entrada; un segundo elemento tubular provisto de un extremo del fondo y un extremo superior, dicho segundo elemento tubular estando montado esencialmente en una relacióncoaxial y separado por encima de dicho primer elemento tubular; por lo que, durante el funcionamiento, el material de filtración es sifonado hacia arriba y fluidizado por los gases calientes a medida que se desplazan hacia arriba por el segundo elemento tubular, el materialdefitración granular entra en el extremo del fondo del segundo elemento tubular a través del espacio entre los elementos tubulares primero y segundo, sale por el extremo superior del segundo elemento tubular y cae fuera del segundo elemento tubular y hacia la parte inferior cónica de la cámara de filtración para, eventualmente, volver a circular y ser fluidizado por los gases calientes.
Description
Aparato de filtrado de lecho granular móvil para
acondicionamiento de gas caliente.
La presente invención se refiere al tratamiento
de gases calientes de cualquiera de los procesos de combustión,
gasificación o pirolisis. Más específicamente, la invención se
refiere a un aparato de filtrado de lecho granular para acondicionar
los gases indicados antes.
Las plantas de energía y las incineradoras
clásicas producen energía eléctrica mediante la generación de vapor
con gases de combustión calientes en una caldera y utilizando el
vapor para accionar turbinas de vapor. Los procedimientos de
generación de energía avanzados de alto rendimiento se basan en la
gasificación o pirolisis de materias primas apropiadas y la
utilización del gas sintético resultante tanto en quemadores
acoplados con turbinas de gas como en motores de combustión interna.
Las turbinas de gas alimentadas con gases de combustión calientes
son propensas a un rápido deterioro debido a la formación de
partículas y las partículas corrosivas contenidas en los gases de
combustión. Por lo tanto, es necesario filtrar y acondicionar de
algún modo los gases de combustión calientes antes de que entren
dentro de las turbinas de energía.
En un tratamiento preliminar, los gases calientes
que salen de la cámara de combustión están globalmente sometidos a
un tratamiento ciclónico para extraer el material en partículas
mayores de aproximadamente 10 \mum. Las partículas menores
permanecen en la corriente de gas y también se deben extraer para
evitar la corrosión, la corrosión por picadura y otros deterioros de
las turbinas. Estas partículas más pequeñas son el objetivo de los
filtros especiales de gas caliente.
Es conocida una variedad de filtros de gas
caliente. Una rama de la técnica anterior se refiere a los filtros
de lecho fijo. En un filtro de lecho fijo, los gases calientes pasan
a través de una masa de gránulos de filtrado. Estos filtros
requieren una limpieza y una regeneración frecuentes del medio de
filtrado ya que los filtros rápidamente se obturan.
Otra rama de la técnica anterior se refiere a los
equipos de filtrado de lecho móvil en los que los gránulos de
filtrado se mueven constantemente. El movimiento se consigue
generalmente mediante recirculación neumática y cascada gravitatoria
entre deflectores. Esta técnica permite una mejor interceptación de
la materia en pequeñas partículas y permite la regeneración del
gránulo de filtrado sin interrumpir la operación de filtrado. Por
ejemplo, la patente americana US 4,017,278 propone la utilización de
dos piezas cilíndricas concéntricas verticales. La pared interior
estando perforada para permitir sólo el paso de gas mientras la
pared exterior está apropiadamente formada en persiana para permitir
que las partículas pasen a través con el gas mientras mantiene el
material granular de filtrado atrapado en el espacio anular y en
movimiento continuo hacia abajo. Los gránulos que dejan el filtro
desde la parte inferior del filtro siendo reciclados de vuelta
neumáticamente después de haber sido limpiados en un colector
ciclónico. Sin embargo, la recirculación de las partículas de
filtrado requiere una energía y unos instrumentos adicionales.
Todavía otra rama de la técnica anterior se
refiere a los filtros de lecho de fluido. En los filtros de lecho de
fluido, el material de filtrado se mantiene fluidificado por el
flujo de gas caliente. Por ejemplo, la patente americana US
4,157,959 propone un procedimiento de filtrado de tres etapas. En
una primera etapa, se utiliza un lecho cilíndrico fijo de gránulos
para filtrar las partículas de una corriente de gas que fluye hacia
arriba, durante esta operación se construye una capa de partículas
(bizcocho) en el fondo del lecho fijo, la cual se mantiene inmóvil
por medio de una combinación ajustable de placa y varilla. En una
segunda etapa, la placa se eleva, permitiendo que el lecho de
partículas se convierta en uno fluidificado de borboteo. El filtrado
continúa hacia arriba hasta una caída de presión máxima permisible
que ocurre cuando el filtro requiere limpieza. En la tercera y
última etapa, se regeneran los gránulos de filtrado. La principal
desventaja de una técnica de este tipo es el requisito de piezas
móviles y el tiempo de inactividad asociado con la regeneración del
granulo de filtrado.
Por lo tanto, a pesar de los avances en la
técnica, se mantiene la importante necesidad de un sistema de
filtrado mejorado de gas caliente capaz de superar las desventajas
de la técnica anterior.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un aparato de filtrado de gas caliente el cual combina
los beneficios de un lecho de filtrado granular móvil y un lecho
fluidificado.
Un objeto adicional es proporcionar un aparato de
filtrado de gas caliente capaz de funcionar a elevadas temperaturas
y preferiblemente sin piezas móviles y sin el requisito de bombas de
recirculación.
La presente invención proporciona un aparato de
filtrado granular para la extracción de material en partículas de
gas caliente mediante el contacto de dicho gas caliente con el
material granular de filtrado. El aparato siendo del tipo que tiene
una cámara de filtrado que contiene material granular de filtrado y
provista de una parte inferior cónica que comprende por lo menos
unas tuberías de admisión para alimentar en ellas gases calientes
para ser filtrados y por lo menos unas tuberías de salida para
conducir el gas caliente filtrado. Las principales características
de la presente invención consisten en una unidad de filtrado montada
en la cámara de filtrado por encima de cada una de las tuberías de
admisión. La unidad de filtrado comprendiendo un primer elemento
tubular montado por encima de las tuberías de admisión de forma que
evita que el material granular entre o bloquee dichas tuberías de
admisión y un segundo elemento tubular provisto de una parte
inferior y una parte superior y que están montadas esencialmente en
una relación coaxial y separada por encima del primer elemento
tubular. Durante el funcionamiento, el material granular de filtrado
es sifonado hacia arriba y fluidificado por los gases calientes a
medida que se desplazan hacia arriba en el segundo elemento tubular,
el material granular de filtrado entra en el extremo inferior del
segundo elemento tubular a través del espacio entre los elementos
tubulares primero y segundo, sale en el extremo superior del segundo
elemento tubular y cae en la parte inferior cónica de la cámara de
filtrado para eventualmente volver a circular y ser fluidificado por
los gases calientes.
La invención también proporciona una placa de
distribución de admisión del gas novedosa fijada entre la parte
cónica inferior de la cámara de filtrado. La placa de distribución
está provista de una pluralidad de toberas de distribución del gas y
está encerrada con el primer elemento tubular como se ha descrito
antes.
Otras características y el ámbito adicional de
aplicabilidad de la presente invención se harán evidentes a partir
de la descripción proporcionada aquí más adelante. Debe entenderse,
sin embargo, que esta descripción detallada, mientras indica
realizaciones preferidas de la invención, se proporciona a título
ilustrativo sólo, ya que diversos cambios y modificaciones dentro
del espíritu y el ámbito de la invención se harán evidentes a
aquellos expertos en la técnica.
La figura 1 es una vista en perspectiva del
filtro de la presente invención.
La figura 2 es una vista desde arriba del
filtro.
La figura 3 es una vista en alzado lateral del
filtro.
La figura 4 es una vista en perspectiva cortada
del filtro mostrando los componentes interiores.
La figura 5 es una vista a mayor escala de la
figura 4 mostrando en detalle la alimentación de gas caliente al
filtro.
La figura 6 es una vista en alzado lateral, en
sección transversal, del filtro en funcionamiento.
La figura 7 es una representación esquemática de
la batería de muestreo del gas utilizada para evaluar el rendimiento
de retención de partículas del filtro.
Antes de describir la presente invención en
detalle, debe entenderse que la invención no está limitada en su
aplicación a los detalles de la construcción y a las piezas
ilustradas en los dibujos que se acompañan y que se describen aquí.
La invención es capaz de plasmarse en otras realizaciones y de ser
llevada a la práctica de diversos modos. También debe entenderse que
la fraseología y la terminología utilizada aquí son con fines
descriptivos y no limitativos.
La presente invención proporciona un filtro de
gases calientes novedoso para recuperar la materia en partículas en
el gas caliente antes de su utilización. El filtro de la presente
invención combina el funcionamiento de un filtro de lecho
fluidificado con un filtro de lecho granular que se mueve
lentamente. Por lo tanto, en funcionamiento, el lecho de filtrado
del filtro de la presente invención es móvil, homogeneizado y su
superficie se renueva continuamente.
A diferencia de otros filtros de lecho granular
móvil, el filtro de la presente invención no tiene piezas mecánicas
móviles interiores o exteriores. Esta característica es ventajosa ya
que evita el cierre hermético mecánico y los fallos de
funcionamiento debido a las elevadas temperaturas y a los entornos
frecuentemente agresivos químicamente.
Con referencia ahora a los dibujos, más
específicamente a las figuras 1, 2 y 3, la presente invención
comprende una vasija cilíndrica 10 con una parte inferior de forma
cónica 12. La vasija contiene material granular de filtrado.
Ventajosamente, el material granular de filtrado puede ser cuarzo,
preferiblemente con un tamaño de malla de tamiz 24, o arena,
preferiblemente de alta esfericidad y preferiblemente también de
tamaño de malla de tamiz 24. Por supuesto, también se puede utilizar
otro material granular de filtrado.
Una admisión de gas caliente 14 está
operativamente conectada a la parte inferior 12. Una salida de gas
filtrado 16 está situada en la pared vertical de la vasija 10. Debe
entenderse que el número de admisiones y de salidas de gas es una
función del tamaño de la vasija. Para vasijas de diámetro inferior a
1 m, 1-2 admisiones y salidas son suficientes,
mientras que para vasijas mayores, se recomiendan hasta cuatro
salidas.
Durante la instalación, la vasija 10 se desplaza
a la posición mientras está suspendida de la argolla 18. Placas de
anclaje 20 fijan la vasija a una estructura de soporte rígida (no
representada).
El material en partículas gastado se puede
extraer a través de la tubería 22. Esta extracción puede estar
ayudada por tuberías de inyección de agua de retroceso 24 las cuales
están conectadas a una fuente de aire comprimido o de gas
inerte.
Con referencia ahora a la figura 4, se representa
una vista en sección transversal del interior de la vasija 10.
La admisión 14 está provista de una placa de
distribución del gas 26 que comprende una serie de toberas 28 que
favorecen una distribución equitativa del gas. El gas que entra en
la vasija 10, a través de las toberas 28, se desplaza hacia arriba
en un tubo 30 provisto de una parte superior abierta. Directamente
por encima del tubo 30 está el tubo 32, abierto por ambos extremos.
Los tubos 30 y 32 son coaxiales y de igual diámetro. La
fluidificación del material de filtrado en partículas tiene lugar en
los tubos 30 y 32. La separación vertical entre los tubos 30 y 32
dependerá del material de filtrado utilizado y generalmente varía
entre 5 - 10 cm. Los materiales altamente esféricos requieren una
pequeña cantidad de separación vertical mientras que los gránulos
que pueden formar cavidades fácilmente necesitan una mayor
separación vertical.
El tubo 30 está unido a una placa de distribución
del gas 26. El tubo 32 está unido a la pared interior de la vasija
10 mediante las varillas de soporte 34.
Aunque la forma preferida de los tubos 30 y 32 es
la de un cilindro, debe entenderse que la forma exacta de los tubos
30 y 32 se puede variar a voluntad siempre que la forma general se
mantenga tubular. Por ejemplo, los cilindros 30 y 32 pueden tener
unas secciones transversales elípticas, triangulares o
cuadradas.
La posición exacta de la salida del gas 16
incluyendo su altura desde la parte inferior de la vasija es función
de diversos parámetros. Estos parámetros incluyen: la altura total
de los tubos centrales del lecho fluido 30 y 32, la posición
vertical de la separación entre los tubos 30 y 32, la naturaleza y
la altura total del lecho de material de filtrado. El funcionamiento
óptimo del filtro depende del equilibrio apropiado entre la presión
de avance y la pérdida de presión a través del lecho.
Ventajosamente, la caída de presión a través del lecho fluidificado
será aproximadamente de 0,05 hasta 0,20 atmósferas.
Con referencia ahora a la figura 6, en
funcionamiento, el gas caliente entrará a través de las toberas 28,
se desplazará hacia arriba por el tubo 30 y continuará hacia arriba
por el tubo 32. Esto sifonará eficazmente el material granular hacia
arriba por el tubo 32 y forma en su interior un lecho fluidificado.
A medida que le gas sale por la parte superior del tubo 32,
arrastrará el material granular fluidificado el cual caerá hacia
abajo hacia la parte inferior 12 de la vasija 10. Esto creará una
recirculación constante de material granular de filtrado en la
vasija 10. El gas que sale de la salida 16 entrará en contacto con
el material granular que sube por el tubo 32 y caerá hacia abajo
alrededor del tubo 32. Debe entenderse que las dimensiones del
cilindro 32 deberán ser suficientes para asegurar el tiempo de
contacto apropiado entre el gas y los gránulos de filtrado. El
tiempo de contacto será preferiblemente de aproximadamente 2
segundos.
Debe indicarse que algunos de los gránulos que
permanecen en la parte inferior 12 de la vasija 10 sirven como
material de soporte para los gránulos fluidificados en lugar de
participar directamente en el filtrado.
Por lo tanto, el filtro de gas caliente novedoso
utiliza el mecanismo de "impacto" en lugar de la "capa de
superficie" para filtrar las partículas de tamaño inferior a 1
micra o menos con elevados rendimientos. La columna de lecho
fluidificado arrastrado ventajosamente a) renueva continuamente el
medio de filtrado y b) homogeneiza el grueso de medio de
filtrado.
El aparato de filtrado novedoso está
ventajosamente equipado con un sistema de tubos, válvulas e
instrumentos automáticos apropiados que aseguran su funcionamiento
continuo, los ciclos de regeneración y la inyección de agua de
retroceso si es necesario. Debe entenderse que los diámetros de los
tubos deben lo suficientemente grandes como para evitar las
incrustaciones y se seleccionarán ángulos de inclinación para que
proporcionen un funcionamiento adecuado. Los materiales utilizados
para fabricar las diferentes piezas de la vasija de filtrado 10 se
seleccionarán por su capacidad para resistir la erosión y los
regímenes a elevadas temperaturas. Ventajosamente, partes de la
vasija de filtrado expuestas a elevadas temperaturas estarán
recubiertas con material aislante y refractario adecuado.
Finalmente, como se ha mencionado anteriormente,
la vasija 10 está provista de diversas tuberías de inyección de agua
de retroceso 24 que introducen impulsos de inyección de aire de
retroceso o de gas inerte. Las tuberías 24 están conectadas a la
salida de gas 16, en la parte superior de la vasija 10 y aguas
arriba de la admisión de gas 12. El propósito de las tuberías de
inyección de agua 24 es limpiar periódicamente las admisiones y las
salidas, cuando sea necesario. La frecuencia de estas inyecciones de
agua es una función de la cantidad y la naturaleza del material que
se filtra del gas. En los peores casos, una inyección de agua por
día se considera suficiente.
El aparato de la presente invención se probó en
una planta a escala piloto. Se hace referencia ahora a la figura 7.
Las pruebas se refieren al filtrado de un gas pobre para extraer
partículas. El gas proviene de un gasificador de lecho de fluido de
borboteo alimentado con polietileno residual. El gas caliente recibe
un tratamiento previo en un ciclón primario utilizado para extraer
las partículas más gruesas. El gasificador es alimentado con 30 kg
de polietileno por hora y aire a una relación estequiométrica de
0,3. Funciona a una temperatura de aproximadamente 760ºC y produce
aproximadamente 120 Nm^{3} de gas pobre/hora. Un chorro de
deslizamiento de este gas, igual aproximadamente al 10% del flujo
principal es desviado a través del filtro de lecho móvil, utilizando
una bomba de gas de succión/compresión de anillo líquido HIBON.
Los ejemplos presentados más adelante ilustran
cuatro pruebas diferentes:
a) cuarzo nuevo de baja esfericidad como medio de
filtrado;
b) arena Ottawa nueva de alta esfericidad como
medio de filtrado;
c) arena Ottawa regenerada de alta esfericidad
como medio de filtrado;
d) comportamiento del filtro con el tiempo.
Las pruebas piloto fueron llevadas a cabo a
temperaturas entre 400 y 550ºC. Son posibles temperaturas más
elevadas (hasta 850ºC).
Las pruebas mostraron que con arenas de alta
esfericidad cada ciclo de funcionamiento - regeneración era de
aproximadamente 60 horas y por consiguiente preferible sobre las
arenas de baja esfericidad en las que el ciclo de funcionamiento -
regeneración era aproximadamente de 24 horas.
Para evaluar la capacidad de filtrado y el
rendimiento del filtro, el gas pobre se probó aguas arriba y aguas
abajo del filtro. Con este propósito se utilizaron dos trenes de
aparatos de muestreo isocinéticos idénticos descritos en la figura
7. Estos aparatos de toma de muestras permiten una evaluación de
ambos, las partículas y alquitrán condensable. Las partículas son
retenidas por un filtro de fibra de vidrio que funciona a una
temperatura por encima de 400ºC. Se tomó esta precaución a fin de
evitar la deposición de alquitrán condensable de peso molecular
elevado el cual puede ser medido como partículas y por lo tanto
puede desviar los resultados del muestreo. A fin de verificar el
rendimiento del filtrado como una función del tiempo de filtrado, se
tomaron muestras duales.
La tabla 1 que sigue a continuación resume los
principales parámetros y resultados de estos experimentos.
Ventajosamente, el filtro de la presente
invención se montará en paralelo con unidades similares. Por lo
tanto, un filtro puede temporalmente dejar de estar en servicio con
fines de mantenimiento sin interrumpir la producción de gas caliente
del gasificador.
Claims (10)
1. Aparato de filtrado para la extracción de
material en partículas del gas caliente mediante el contacto de
dicho gas caliente con material granular de filtrado, dicho aparato
siendo del tipo provisto de una cámara de filtrado que contiene
material granular de filtrado y provista de una parte inferior
cónica que comprende por lo menos una admisión para alimentar en el
interior los gases calientes que van a ser filtrados y por lo menos
una salida para conducir el gas caliente filtrado, dicho aparato de
filtrado granular comprendiendo una unidad de filtrado montada en la
cámara de filtrado por encima de cada admisión, dicha unidad de
filtrado comprendiendo:
- -
- un primer elemento tubular montado por encima de la admisión de forma que se evita que material granular entre o bloquee dicha admisión;
- -
- un segundo elemento tubular provisto de un extremo inferior y un extremo superior, dicho segundo elemento tubular estando montado esencialmente en una relación coaxial y separado por encima de dicho primer elemento tubular;
por lo que, durante el funcionamiento, el
material granular de filtrado es sifonado hacia arriba y
fluidificado por los gases calientes a medida que se desplazan hacia
arriba por el segundo elemento tubular, el material granular de
filtrado entra en el extremo inferior del segundo elemento tubular a
través del espacio entre los elementos tubulares primero y segundo,
sale por el extremo superior del segundo elemento tubular y cae
fuera del segundo elemento tubular y hacia la parte inferior cónica
de la cámara de filtrado para, eventualmente, volver a circular y
ser fluidificado por los gases calientes.
2. El aparato de la reivindicación 1 en el que
dicha unidad de filtrado comprende una única admisión de gas
caliente.
3. El aparato de las reivindicaciones 1 ó 2 en el
que dicha admisión de gas caliente comprende una placa de
distribución del gas que comprende una pluralidad de toberas de
distribución del gas.
4. El aparato de cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3 en el que dicha vasija de filtrado es
esencialmente cilíndrica y dicha parte inferior de dicha vasija es
cónica y se estrecha hacia una única admisión de gas.
5. El aparato de la reivindicación 4 en el que
dichos elementos tubulares primero y segundo son cilíndricos.
6. El aparato de la reivindicación 5 en el que
dicho primer elemento tubular está fijado a dicha placa de
distribución del gas.
7. El aparato de la reivindicación 6 en el que
dicho segundo elemento tubular está fijado por varillas de soporte a
dicha vasija de filtrado.
8. El aparato de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la caída de presión a través
del aparato de filtrado, medida entre la admisión y la salida del
gas, es aproximadamente de 0,05 hasta aproximadamente 0,20
atmósferas.
9. El aparato de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que dicha cámara está
interiormente recubierta con un material aislante o refractario
adecuado de forma que soporte las condiciones de funcionamiento a
temperaturas tan altas como de 600ºC.
10. El aparato de la reivindicación 1 en el que
dicha admisión de gas comprende una placa de distribución del gas
fijada a la parte inferior cónica de dicha cámara de filtrado, dicha
placa de distribución del gas comprendiendo una pluralidad de
toberas de distribución del gas de forma que se evita que el
material granular entre o bloquee dichas admisiones, dicha placa de
distribución del gas estando encerrada en un elemento tubular
abierto es su extremo superior por lo que, durante el
funcionamiento, el material granular de filtrado se mantiene alejado
de dicha placa de distribución del gas y es arrastrado y
fluidificado por los gases calientes.
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