ES2256263T3 - Procedidmiento y montaje para la combustion de residuos organicos. - Google Patents
Procedidmiento y montaje para la combustion de residuos organicos.Info
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Abstract
Procedimiento para la combustión de residuos orgánicos, en el que el residuo se quema en una cámara de combustión con un gas de fluidización que contiene oxígeno bajo formación de una capa fluidizada de partículas y que se hace pasar desde abajo a través de un dispositivo de fluidización, y el gas de combustión generado se evacua a través de un espacio libre por encima de la capa de partículas y se quema posteriormente en una zona (13) de reacción complementaria o en una cámara de postcombustión, caracterizado porque la capa fluidizada (3) de partículas se enriquece con oxígeno, introduciéndose oxígeno puro o una mezcla gaseosa con un contenido en oxígeno de al menos el 80% en volumen, y se ajusta un contenido medio de oxígeno en el intervalo de 0 a 3% en volumen en el espacio (6) libre.
Description
Procedimiento y montaje para la combustión de
residuos orgánicos.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para la combustión de residuos orgánicos, en el que el
residuo se quema en una cámara de combustión con un gas de
fluidización que contiene oxígeno bajo formación de una capa
fluidizada de partículas y que se hace pasar desde abajo a través de
un dispositivo de fluidización, y el gas de combustión generado se
evacua a través de un espacio libre por encima de la capa de
partículas y se quema posteriormente en una zona de reacción
complementaria o en una cámara de postcombustión.
Además, la invención se refiere a un montaje para
la ejecución del procedimiento, con una cámara de combustión para la
recepción de un residuo orgánico, con un dispositivo de suministro
para el suministro del residuo orgánico a la cámara de combustión,
con una entrada de gas, que comprende un dispositivo de fluidización
para la introducción de un gas de fluidización para la creación de
una capa fluidizada de partículas, y con un dispositivo de medición
para la medición de una concentración de gas en un espacio libre por
encima de la capa de partículas.
Las reacciones de combustión de combustibles en
reactores de lecho fluidizado estacionarios o circulantes, con aire
como gas de fluidización, son conocidas y estado de la técnica.
Especialmente se quema residuo orgánico en reactores de lecho
fluidizado estacionarios, para evitar que se extraiga polvo fino sin
quemar del lecho fluidizado, que se separa en la ceniza de filtrado
como carbono orgánico sin quemar.
En el caso del residuo orgánico, se trata, por
ejemplo, de lodo de aclaración, agua residual, lejías, residuos de
materias plásticas granulados, licor negro de la producción de
papel, lodo de decoloración, etc.
Se crean capas fluidizadas de partículas o lechos
fluidizados, conduciendo un gas de fluidización por medio de un
dispositivo de fluidización adecuado, como por ejemplo un suelo de
entrada o unas toberas, desde abajo a través de una capa o lecho de
partículas de materia sólida de grano fino o con fluidez. A partir
de una velocidad de fluidización característica dependiente del
tamaño, la forma y densidad de las partículas de materia sólida, la
velocidad de relajación, las partículas empiezan a estar
suspendidas, se fluidiza la capa de partículas. Al incrementar la
velocidad de fluidización, se aumenta la altura del lecho
fluidizado, siendo la velocidad de fluidización proporcional al
caudal del gas de fluidización.
Al alcanzar una velocidad límite característica,
la denominada velocidad de extinción, se extrae material de lecho de
grano fino del lecho fluidizado. Este intervalo de velocidad entre
velocidad de relajación y velocidad de extinción caracteriza el
intervalo del lecho fluidizado estacionario. A velocidades de
fluidización más elevadas, junto con el polvo fino también se
extraen partículas más grandes, de manera que ya no existe un lecho
fluidizado marcado. Éste es el intervalo del lecho fluidizado
circulante.
En reacciones de combustión en capas fluidizadas
de partículas, se utiliza normalmente aire como gas de fluidización
y se alimenta el combustible al lecho fluidizado desde arriba. De
esta forma se mantienen en suspensión las partículas de materia
sólida compuestas de material del lecho y del combustible y al mismo
tiempo se oxidan los componentes combustibles. Normalmente, el
material del lecho se compone de materiales inertes de grano fino,
como por ejemplo SiO_{2} o Al_{2}O_{3}.
En función de la potencia calorífica y del
contenido en agua del residuo orgánico, debe aportarse
adicionalmente combustible en la capa fluidizada de partículas, para
mantener la temperatura de combustión técnicamente práctica o
legalmente necesaria en el lecho fluidizado. Como combustibles se
consideran gases comburentes, aceite combustible o carbón, que se
añaden al lecho fluidizado a través de inyectores adecuados,
instalados en la pared o en el suelo de entrada. En el caso de que
se utilice carbón, éste se mezcla normalmente con el residuo
orgánico antes de la entrada en el horno.
A partir del documento WO97/44620 se conocen un
procedimiento y un montaje del tipo mencionado al comienzo. En él se
describe un procedimiento para el funcionamiento de un horno de
lecho fluidizado para la combustión de lodo de aclaración, basura o
carbón, aportándose el género de combustión en una zona de
combustión del horno y haciéndose pasar aire por encima del suelo de
entrada bajo formación de un lecho fluidizado y quemándose con ello.
En el espacio libre por encima del lecho fluidizado se extraen los
gases de combustión y se lleva a cabo la postcombustión. En la
combustión de residuos orgánicos se forman óxidos nítricos
(NO_{x}) tóxicos cuya concentración debe mantenerse lo más baja
posible y no debe sobrepasar un límite superior preestablecido
legalmente. Para disminuir el contenido en NO_{x} de los gases de
combustión, se propone, en el documento WO97/44620, crear en el
espacio libre un movimiento turbulento mediante el vertido en chorro
de una corriente de gas inerte o vapor de agua. El NO_{x} que se
forma en la combustión se reduce a nitrógeno molecular en el espacio
libre en presencia de sustancias con efecto reductor, como por
ejemplo CO o NH_{3}. El contenido en NO_{x} se toma y se
registra por medio de un montaje de medición previsto en el espacio
libre.
En una zona de postcombustión o en una cámara de
combustión secundaria conectada directamente al espacio libre, se
lleva a cabo la postcombustión de los componentes gaseosos sin
quemar y de los combustibles sólidos del gas de combustión mediante
la adición de aire y de combustible adicional, y se calienta el gas
de combustión generado a la temperatura prescrita y se ajusta la
concentración de oxígeno prescrita legalmente de, por ejemplo, al
menos el 6% en volumen.
En reactores de lecho fluidizado de este tipo, la
capacidad de caudal de residuo orgánico está limitada por la sección
transversal existente del suelo de entrada. Por encima de esto, está
limitada a menudo la capacidad de elevación máxima del soplante de
tiro por succión, ya que su capacidad de elevación se diseña en
función del flujo de volumen del gas de combustión, que es
proporcional a la cantidad de residuo orgánico.
De esta manera, la cantidad de gas de
fluidización puede variarse sólo en un intervalo estrecho con
secciones transversales de lecho fluidizado preestablecidas, con la
consecuencia de que, en caso de una menor cantidad de residuo
orgánico, hay que añadir, para la fluidización en el horno, más aire
que el necesario para la combustión. Para mantener constante la
temperatura del lecho fluidizado, se debe elevar la cantidad de
combustible adicional específica, es decir, se reduce el grado de
acción de la combustión. Sin embargo, los contenidos en oxígeno en
el lecho fluidizado mayores que lo necesario por estequiometría,
producen, con combustible orgánico con nitrógeno elemental enlazado,
como por ejemplo compuestos proteínicos, etc., mayores tasas de
formación de óxido nítrico. Para mantener los valores límite legales
se necesitan procedimientos costosos para la desnitrificación del
gas de combustión.
Por tanto, la presente invención se basa en el
objeto de indicar un procedimiento que, con una menor formación de
óxido nítrico, permite una alta capacidad de caudal para el género
de combustión, es decir, que aumenta la productividad para la
combustión de residuos orgánicos y proporcionar un montaje adecuado
para ello.
Con respecto al procedimiento, este objeto se
resuelve según la invención, por una parte, partiendo del
procedimiento descrito al comienzo, porque la capa fluidizada de
partículas se enriquece con una mezcla de oxígeno o una mezcla de
gas con un contenido en oxígeno de al menos el 80% en volumen,
ajustándose en el espacio libre un contenido medio en oxígeno en el
intervalo de 0 a 3% en volumen y llevándose a cabo la postcombustión
en una zona de reacción complementaria o cámara de
postcombustión.
Se ha demostrado que, a pesar del enriquecimiento
del lecho fluidizado con oxígeno, se puede reducir la concentración
de NO_{x}. Esto es inicialmente sorprendente, porque mediante
adición de un agente oxidante tan fuerte como el oxígeno se debería
esperar en principio más bien un aumento de la concentración de
NO_{x}. Esto es válido especialmente con respecto a los
procedimientos convencionales mencionados anteriormente de SCR o
SNCR, en los cuales se utiliza incluso un agente reductor adicional
para la disminución de la concentración de NO_{x}.
Mediante el aporte de oxígeno en la capa de
partículas se acelera la combustión del residuo orgánico y se mejora
el grado de quemado gaseoso (CO) y sólido (carbono orgánico). Por
encima de esto se consigue una reducción de la emisión de CO_{2}
al quemar menos combustible adicional para mantener la temperatura
en el lecho fluidizado.
Sin embargo, estos efectos se consiguen sólo con
la condición de que en el espacio libre se ajuste una atmósfera con
acción reductora o en todo caso poco oxidante. Como punto de
referencia para ello sirve un contenido medio en oxígeno en el
intervalo de 0 a 3% en volumen en el espacio libre. La expresión
contenido "medio" en oxígeno se refiere a que el contenido en
oxígeno se determina al menos en una zona dentro del espacio libre
en la que se espera un contenido en oxígeno ni extremadamente alto
ni extremadamente bajo. Sin embargo, por motivos de exactitud en la
medición, se determina el contenido "medio" en oxígeno
preferiblemente como valor medio de al menos dos mediciones del
contenido en oxígeno en el espacio libre. Estas mediciones pueden
realizarse consecutivamente en el tiempo y/o en zonas del espacio
libre espaciadas la una de la otra.
La capa fluidizada de partículas se enriquece con
oxígeno. Para el enriquecimiento con oxígeno de la capa fluidizada
de partículas se utiliza o bien oxígeno puro o bien una mezcla
gaseosa con un contenido en oxígeno de al menos el 80% en volumen.
Para ello, se introduce oxígeno directa o indirectamente, por
ejemplo mediante la aportación en el gas de fluidización, en la capa
de partículas. También es posible introducir adicionalmente al gas
de fluidización en la capa de partículas una corriente de gas que
contiene oxígeno mediante el dispositivo de fluidización.
Especialmente ha dado buen resultado una variante
del procedimiento, en la que se añade oxígeno al gas de fluidización
en una primera zona de alimentación, visto en el sentido de la
corriente antes del dispositivo de fluidización. Con esto se
atempera el oxígeno a la temperatura del gas de fluidización antes
de la introducción en la capa de partículas, de manera que se
mantiene lo más reducida posible la formación de un gradiente de
temperatura en la capa de partículas. Para garantizar un grado de
quemado suficiente hay que pretender una distribución de temperatura
uniforme en el lecho fluidizado.
En esta variante del procedimiento, el contenido
en oxígeno del gas de fluidización se ajusta tras la primera zona de
alimentación preferiblemente a un valor límite de oxígeno en el
intervalo de 10 a 28% en volumen. En una primera aproximación, el
caudal de residuo orgánico a quemar aumenta con el contenido en
oxígeno. Otro parámetro, que influye en el caudal de residuo
orgánico a quemar, es la temperatura del gas de fluidización. Como
gas de fluidización se pueden utilizar tanto aire ambiente no
precalentado como aire precalentado o calentado a altas
temperaturas. En una forma de procedimiento con aire precalentado o
calentado, la resistencia a la temperatura del dispositivo de
fluidización puede resultar un factor limitante, especialmente
frente al gas de fluidización que contiene oxígeno y que tiene una
acción oxidante. Por ello, se ajusta preferiblemente el contenido en
oxígeno a un valor límite de oxígeno de cómo máximo el 26% en
volumen, cuando se precalienta el gas de fluidización a una
temperatura inferior a 500ºC.
El precalentamiento del gas de fluidización tiene
lugar preferiblemente de manera recuperadora mediante el gas de
combustión caliente. Con ello se puede calentar el gas de
fluidización hasta a 500ºC ahorrando energía. Por encima de esto, el
ahorro de energía conlleva una reducción de la emisión de
CO_{2}.
En otra variante del procedimiento igualmente
preferida, el gas de fluidización se precalienta a una temperatura
de entre 500ºC y 750ºC, ajustándose el contenido en oxígeno a un
límite de oxígeno como máximo del 24% en volumen. El calentamiento
del gas de fluidización a temperaturas altas de este tipo produce
una combustión lo más completa y rápida posible del residuo
orgánico.
Preferiblemente, el precalentamiento del gas de
fluidización tiene lugar mediante la combustión con un combustible.
Mediante el control correspondiente de la combustión, se puede
ajustar una temperatura preestablecida del gas de fluidización
definida y reproducible. Por ejemplo, el gas de fluidización se
calienta mediante una combustión directa superior a la
estequiometría con un combustible en una cámara de precombustión
hasta a 750ºC. En teoría son posibles temperaturas de
precalentamiento aún más elevadas, pero en la práctica están
limitadas por la resistencia a la corrosión a altas temperaturas del
dispositivo de fluidización.
También puede diluirse el gas de fluidización
calentado con el gas de combustión generado en la combustión y así
ajustarse la concentración de oxígeno en el gas de fluidización a un
valor preestablecido de entre el 10% en volumen y el 21% en
volumen.
En las formas de procedimiento preferidas
descritas hasta el momento, la alimentación de oxígeno en la capa de
partículas tiene lugar porque se añade oxígeno al gas de
fluidización. El contenido en oxígeno del gas de fluidización se
limita, sin embargo, por la resistencia del dispositivo de
fluidización, por ejemplo un suelo de entrada, frente a un ataque
corrosivo. En una forma de procedimiento alternativa e igualmente
preferida, se añade oxígeno a la capa fluidizada de partículas en
una segunda zona de alimentación por encima del dispositivo de
fluidización. Al mismo tiempo se introduce directamente en la capa
de partículas una corriente de gas que contiene oxígeno. Esta forma
de procedimiento se denomina en lo sucesivo "alimentación
directa". La alimentación directa se puede utilizar alternativa
o adicionalmente a las formas de procedimiento explicadas
anteriormente para añadir el oxígeno necesario a la capa fluidizada
de partículas. Una ventaja especial de la alimentación directa es
que el aporte de oxígeno mediante la corriente de gas que contiene
oxígeno no se ve influido por la corrosión del dispositivo de
fluidización y por ello, con la condición de que se ajuste en el
espacio libre un contenido medio en oxígeno de 0 a 3% en volumen, se
puede ajustar tan alto como se desee. Con ello puede mejorarse
adicionalmente la combustión del residuo orgánico.
Ha resultado especialmente propicio añadir el
oxígeno mediante inyecciones supersónicas transversales a la capa de
partículas. Mediante la inyección supersónica transversal se
consigue una penetración especialmente profunda del oxígeno en la
capa de partículas y un mezclado profundo del oxígeno y el residuo
orgánico.
En este sentido se ajusta ventajosamente el
contenido equivalente en oxígeno en la capa fluidizada de
partículas, por encima de la segunda zona de alimentación, a una
concentración superior al 28% en volumen. El alto contenido en
oxígeno garantiza una combustión lo más rápida y completa posible.
Por contenido equivalente en oxígeno se entiende aquel contenido en
oxígeno que se generaría si se añadiera el oxígeno directamente en
el gas de fluidización y se enriqueciera allí.
Con respecto a un contenido lo más bajo posible
de NO_{x} del gas de escape, es esencial en todas las formas de
procedimiento explicadas anteriormente que se ajuste en el espacio
libre un contenido medio en oxígeno en el intervalo de 0 a 3% en
volumen. Por ello, ha resultado ser ventajoso que se mida en
continuo el contenido en oxígeno en el espacio libre y que se
determine un contenido medio en oxígeno a partir de la medición, y
que en función del valor medio se regule el suministro de oxígeno en
la capa fluidizada de partículas y/o el suministro del residuo
orgánico a la cámara de combustión.
La precisión de la medición de oxígeno en el
espacio libre se mejora determinando el contenido medio en oxígeno
por las mediciones en al menos dos puntos de medición espaciados el
uno del otro en el espacio libre. En la zona de los puntos de
medición o bien se mide directamente el contenido en oxígeno o bien
se extrae allí el gas fuera del espacio libre y se incorpora una
medición de oxígeno.
Se prefiere una forma de procedimiento en la que
al menos se forme una parte del gas de fluidización mediante el gas
de combustión recirculado. Esta forma de procedimiento se
caracteriza por una reducción especialmente clara de la
concentración de NO_{x} en el gas de combustión, que se puede
deber a la reducción del nitrógeno molecular y de la concentración
de oxígeno atómico en la capa fluidizada de partículas, así como a
la formación parcial de CO.
Otra mejora surge en una forma de procedimiento
en la que se queman combustibles sólidos o gaseosos sin quemar, en
el gas de combustión en una zona de postcombustión o en una cámara
de postcombustión, junto con un combustible secundario, con adición
de aire secundario, enriqueciéndose el gas de combustión con oxígeno
secundario o con un gas que contiene oxígeno con al menos el 80% en
volumen de oxígeno. Esta forma de procedimiento facilita el
mantenimiento de los requisitos mínimos preestablecidos de
temperatura del gas de combustión y de concentración de oxígeno en
el gas de combustión. El gas de combustión se enriquece con oxígeno
secundario o con un gas que contiene oxígeno con al menos el 80% en
volumen de oxígeno de una manera tal como sea necesario para
mantener en el gas de combustión un contenido mínimo preestablecido
en oxígeno.
Con motivo del enriquecimiento en oxígeno del gas
de combustión, se puede reducir el aire secundario sin que la
temperatura mínima del gas de combustión quede por debajo. Por
encima de esto se reduce la carga de nitrógeno que también se debe
calentar en el aire secundario, de manera que se puede reducir la
necesidad específica de combustible. La cantidad de combustible que
se ahorra así corresponde a la cantidad de calor que sino sería
necesaria para calentar la carga de nitrógeno que se suprime a la
temperatura del gas de combustión.
El efecto del enriquecimiento con oxígeno del gas
de combustión se refuerza aún más cuando el oxígeno secundario o el
gas que contiene oxígeno se insufla directamente en la zona de
postcombustión o en la cámara de postcombustión con una velocidad
correspondiente a un número de Mach de salida M de 0,25 < M <
1.
Ha resultado ser propicio añadir en el aire
secundario el oxígeno secundario o el gas que contiene oxígeno.
El objeto técnico mencionado anteriormente
también se resuelve según la invención por tanto, por otro lado,
partiendo del procedimiento mencionado al comienzo, porque se
alimenta oxígeno secundario en la zona de reacción complementaria o
cámara de combustión, de manera que se ajusta un contenido en
oxígeno de al menos el 6% en volumen en el gas de combustión tras la
zona de reacción complementaria o la cámara de postcombustión.
En la zona de postcombustión o en la cámara de
postcombustión se queman combustibles sólidos o gaseosos sin quemar,
junto con un combustible secundario, con la adición de aire
secundario, enriqueciéndose el gas de combustión con oxígeno
secundario o con un gas que contiene oxígeno. El contenido en
oxígeno de un gas que contiene oxígeno de este tipo es de al menos
el 80% en volumen. De esta manera se pueden mantener los requisitos
mínimos de concentración de oxígeno en el gas de combustión y esta
forma de procedimiento facilita por encima de esto el mantenimiento
de los requisitos mínimos preestablecidos de la temperatura del gas
de combustión. El gas de combustión se enriquece con oxígeno
secundario o con un gas que contiene oxígeno con al menos el 80% en
volumen, de la manera necesaria para mantener el contenido mínimo
preestablecido en oxígeno en el gas de combustión.
A causa del enriquecimiento con oxígeno del gas
de combustión, el aire secundario se puede reducir, sin quedarse por
debajo de la temperatura mínima del gas de combustión. Por encima de
esto se reduce la carga de nitrógeno que se tiene que calentar
conjuntamente en el aire secundario, de manera que se puede reducir
la demanda específica de combustible.
Con respecto al montaje para la realización del
procedimiento, el objeto mencionado anteriormente se resuelve según
la invención partiendo del montaje descrito al comienzo, porque se
proporciona una entrada de una corriente de gas que contiene oxígeno
en la capa fluidizada de partículas, y porque el dispositivo de
medición abarca al menos dos puntos de medición de oxígeno colocados
espaciados el uno del otro en el espacio libre, para la medición en
continuo de cada contenido en oxígeno en el espacio libre, y porque
el dispositivo de medición está conectado con un dispositivo para la
formación de un valor medio a partir de los contenidos en oxígeno
medidos y con un control del suministro del residuo orgánico y/o del
suministro de la corriente de gas que contiene oxígeno a la capa
fluidizada de partículas.
En el montaje según la invención se proporciona
al menos una entrada para una corriente de gas que contiene oxígeno
en la capa fluidizada de partículas. Con respecto al efecto y a la
función de la corriente de gas que contiene oxígeno sobre el caudal
y la productividad de la combustión, se remite a las realizaciones
anteriores para el procedimiento según la invención.
Además, el montaje según la invención comprende
un dispositivo de medición con al menos dos puntos de medición de
oxígeno colocados espaciados el uno del otro en el espacio libre,
para la medición en continuo de cada contenido en oxígeno en el
espacio libre. En la zona de los puntos de medición o bien se mide
directamente el contenido en oxígeno o bien se toma gas del espacio
libre y se analiza posteriormente. Así, al determinarse el contenido
en oxígeno como el valor medio de al menos dos mediciones, se mejora
la precisión de la medición del oxígeno en el espacio libre. Así se
compensan al menos parcialmente variaciones locales o temporales del
contenido en oxígeno.
Para el cálculo del valor medio se proporciona un
dispositivo, por ejemplo una calculadora de proceso. Éste está
conectado con un control para el suministro del residuo orgánico y/o
un suministro para una corriente de gas que contiene oxígeno a la
capa fluidizada de partículas. Para este control se utiliza el valor
medio del contenido en oxígeno como magnitud de reglaje. Puesto que
el valor medio así determinado se caracteriza por una elevada
estabilidad y precisión, se obtiene un control correspondientemente
preciso y estable del suministro del residuo orgánico y/o el
suministro para la corriente de gas que contiene oxígeno a la capa
fluidizada de partículas. Mediante un control del procedimiento
estable se puede reducir adicionalmente el contenido en NO_{x}
del gas de combustión.
Además, el montaje según la invención comprende
un dispositivo con el que se puede reducir la carga de nitrógeno y
con ello la corriente de volumen de gas de combustión en caso de
utilización de aire como medio oxidante para la combustión de
componentes del gas de combustión sólidos o gaseosos sin quemar, en
una zona de postcombustión o en una cámara de combustión secundaria,
mediante la sustitución en la zona de la cámara de postcombustión o
en la cámara de combustión secundaria de la cantidad de aire de
combustión secundaria por una cantidad de oxígeno que corresponde a
la concentración de oxígeno prescrita de, por ejemplo, el 6% en
volumen en el gas de combustión y la reducción de la cantidad de
combustible secundario para el calentamiento del gas de combustión
a la temperatura mínima requerida de, por ejemplo, 850ºC. La
cantidad de combustible ahorrada corresponde al menos a la cantidad
de calor que es necesaria para calentar la carga de nitrógeno que
falta en el medio oxidante a la temperatura del gas de
combustión.
En este sentido, el oxígeno se insufla en forma
pura o como gas que contiene oxígeno en al menos un punto con
toberas adecuadas con una velocidad correspondiente al número de
Mach de salida "M" de 0,25 < M < 1 en la zona de
postcombustión o cámara de combustión secundaria o se añade en la
corriente de aire secundario antes de la entrada en la cámara de
combustión.
Posteriormente se explica con más detalle la
invención por medio de ejemplos de realización y dibujos. Los
dibujos muestran en representación esquemática en cada caso:
La figura 1, un horno de lecho fluidizado
estacionario según la invención para la realización de una primera
variante del procedimiento según la invención,
la figura 2, un horno de lecho fluidizado
estacionario según la invención para la realización de una segunda
variante del procedimiento según la invención, y
la figura 3, un horno de lecho fluidizado
estacionario según el estado de la técnica.
En la figura 3 se representa de forma esquemática
un horno 1 de lecho fluidizado conocido del estado de la técnica
para la combustión de lodo de aclaración. En la zona inferior del
horno 1 se proporciona un suelo 2 de entrada, sobre el que se crea
un lecho fluidizado 3 a partir de material de lecho y lodo de
aclaración, en el que se insufla desde abajo una corriente 4 de aire
creada por medio de un soplante 11 a través del suelo 2 de entrada.
La corriente de aire sirve al mismo tiempo como gas de combustión y
como gas de fluidización. El diámetro del horno 1 de lecho
fluidizado es de 5,7 m y la altura del espacio libre del horno de
lecho fluidizado es de aproximadamente 10,6 m.
Por encima del lecho fluidizado 3 se proporciona
un espacio libre 6, a través del cual se extrae el gas 12 de
combustión. A través de una entrada 7 en el espacio libre 6 se
suministra en continuo lodo de aclaración al horno 1.
Para el calentamiento y la combustión del lodo de
aclaración, en el lecho fluidizado 3 se mezcla con la corriente 4 de
aire un combustible 5; el combustible 5 también se puede introducir
directamente en el lecho fluidizado 3.
Desde el espacio libre 6, el gas 12 de combustión
llega a una zona 13 de postcombustión, en la que se queman
combustibles sólidos o gaseosos sin quemar, junto con un combustible
8 secundario y con la adición de aire 9 secundario.
El gas 12 de combustión se extrae a través de un
cambiador 14 de calor, que sirve para precalentar la corriente 4 de
aire.
Posteriormente se explica un procedimiento para
la combustión de lodo de aclaración con la utilización del horno 1
representado esquemáticamente en la figura 3, resumiéndose los
parámetros y los resultados esenciales del procedimiento en
tablas.
Ejemplo comparativo
1
| Caudal de lodo de aclaración | 8.500 kg/h |
| Contenido en sustancia seca | 40% |
| Potencia calorífica | 14.000 KJ/kgGV |
| Temperatura del lecho fluidizado | 850ºC |
| Temperatura del gas fluidizado | 702ºC |
| Temperatura del espacio libre | 920ºC |
| Cantidad de gas fluidizado | 14.881 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de aire fluidizado | 14.275 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas natural | 606 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas de combustión en el espacio libre | 22.616 m^{3}/h i.N. |
| Concentración de oxígeno en el espacio libre | 2% en vol. seco |
| Concentración de nitrógeno en el espacio libre | 49,7% en vol. |
| Concentración de óxido nítrico en el espacio libre | 180 a 350 mg/m^{3} |
Para el precalentamiento del gas fluidizado a
702ºC se quemaron 321 m^{3}/h de gas natural con el aire
fluidizado superior a la estequiometría. En este sentido se redujo
el contenido en oxígeno en el gas fluidizado del 21% en volumen a
aproximadamente el 20,1% en volumen.
Siempre y cuando se utilicen en los hornos 1 de
lecho fluidizado representados posteriormente en las figuras 1 y 2
según la invención índices de referencia idénticos a los de la
figura 3, se indican así los componentes iguales o equivalentes del
horno 1 de lecho fluidizado descrito anteriormente. Se remite a las
explicaciones correspondientes.
El horno 1 de lecho fluidizado según la invención
representado en la figura 1 presenta adicionalmente en la zona del
lecho fluidizado 3 una entrada 16 de oxígeno, a través de la cual se
puede añadir una primera corriente 16 de suministro de oxígeno (en
forma de oxígeno puro) al lecho fluidizado 3.
En un punto 20 de alimentación por debajo del
suelo 2 de entrada se mezcla con la corriente 4 de aire una segunda
corriente 21 de suministro de oxígeno (igualmente oxígeno puro).
Con la corriente 4 de aire se mezcla antes del
punto 20 de alimentación un combustible 22 de suministro. Mediante
la combustión del combustible 22 de suministro se calienta la
corriente 4 de aire a una temperatura de aproximadamente 702ºC.
Además, en el espacio libre 6 se proporcionan dos
puntos 17 de medición separados el uno del otro para la medición del
contenido en oxígeno en el espacio libre 6. De los puntos 17 de
medición se extraen muestras de gas y se analizan en continuo por
medio de una sonda 18 de oxígeno. El contenido medio en oxígeno así
obtenido en el espacio libre 6 sirve para el control del suministro
de oxígeno a través de la primera corriente 16 de suministro de
oxígeno y/o de la segunda corriente 21 de suministro de oxígeno o/o
el suministro 7 de la cantidad de lodo de aclaración.
Además, o bien se enriquece la corriente 9 de
aire para la postcombustión del gas 12 de combustión con oxígeno 15
o bien se introduce oxígeno 15 adicional directamente en la zona 13
de postcombustión.
Posteriormente se explica un ejemplo comparativo
para un procedimiento para la combustión de lodo de aclaración
utilizando el horno 1 representado esquemáticamente en la figura 1
(sin regulación del suministro de oxígeno):
Ejemplo comparativo
2
| Caudal de lodo de aclaración | 12.750 kg/h |
| Contenido en sustancia seca | 40% |
| Potencia calorífica | 14.000 KJ/kgGV |
| Temperatura del lecho fluidizado | 850ºC |
| Temperatura del gas fluidizado | 702ºC |
| Temperatura del espacio libre | 920ºC |
| Cantidad de gas fluidizado | 14.932 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de aire fluidizado | 12.344 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de suministro de oxígeno | 1.887 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas natural | 701 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas de combustión en el espacio libre | 26.522 m^{3}/h i.N. |
| Concentración de oxígeno en el espacio libre | 5,2% en vol. seco |
| Concentración de nitrógeno en el espacio libre | 37,0% en vol. |
| Concentración de óxido nítrico en el espacio libre | 310 a 450 mg/m^{3} |
\vskip1.000000\baselineskip
La comparación de ambos ejemplos comparativos 1 y
2 muestra que, mediante la adición de oxígeno, correspondientemente
a una concentración equivalente de oxígeno del 30% en volumen en el
gas fluidizado, se pudo aumentar ciertamente el rendimiento del
caudal en aproximadamente un 50%. Sin embargo, fue desventajoso que
por ello aumentase la concentración de óxido nítrico desde 310 hasta
450 mg/m^{3}, y así por encima del valor límite permitido. Para
mantener el valor límite de óxido nítrico se necesita por tanto una
medida adicional, como por ejemplo el reequipamiento con un aparato
de SCR o SNCR. Por los costes de inversión adicionales y los costes
del material para el agente reductor se perjudica la eficiencia
económica del procedimiento con oxígeno.
Este aumento de la concentración de óxido nítrico
está condicionado originalmente por la carga de óxido nítrico creado
proporcional a la cantidad de lodo de aclaración, con cantidades de
gas de combustión casi constantes.
Objeto de la presente invención no es sólo el
aumento del caudal de residuo orgánico en reactores de lecho
fluidizado sin aumento sustancial del volumen de gas de combustión,
sino también la reducción de concentraciones de sustancias nocivas,
como por ejemplo óxidos nítricos.
A partir del documento DE 3703568 se conoce un
procedimiento para la reducción del óxido nítrico, en el que se
utiliza como gas de fluidización una mezcla de aire y gases de
combustión en lugar de aire fluidizado, suministrándose los gases de
combustión de manera controlada en lo que a la temperatura y la
cantidad respecta a través de una recirculación de gas de combustión
tras el reactor de lecho fluidizado o la caldera recuperadora y
filtros al aire de combustión.
Después se descubrió sorprendentemente que se
puede resolver el problema de las concentraciones de óxido nítrico
más elevadas con un volumen de gas de combustión constante y al
mismo tiempo un aumento del caudal de lodo de aclaración con
suministro de oxígeno, enriqueciendo la concentración de oxígeno en
el lecho fluidizado 3' correspondiente a la cantidad de lodo de
aclaración más elevada y sustituyendo una parte de la corriente 4 de
aire por el gas 23 de combustión recirculado extraído tras el
cambiador 14 de calor, de manera que se determina en el espacio
libre 6 sobre el lecho fluidizado 3 un contenido medio en oxígeno de
0 a 3% en volumen de O_{2}.
Posteriormente se explica un ejemplo de
realización de este tipo para el procedimiento según la presente
invención utilizando el horno 1 representado esquemáticamente en la
figura 1, resumiendo de nuevo en forma de tabla los parámetros y
resultados esenciales del procedimiento. El valor nominal del
contenido en oxígeno es en este caso del 1,3% en volumen.
Ejemplo
1
| Caudal de lodo de aclaración | 12.750 kg/h |
| Contenido en sustancia seca | 40% |
| Potencia calorífica | 14.000 KJ/kgGV |
| Temperatura del lecho fluidizado | 850ºC |
| Temperatura del gas fluidizado | 702ºC |
| Temperatura del espacio libre | 920ºC |
| Cantidad de gas fluidizado | 15.191 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de aire fluidizado | 6.844 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas recirculado | 5.500 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de suministro de oxígeno | 2.203 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas natural | 644 m^{3}/h i.N. |
| Cantidad de gas de combustión en el espacio libre | 26.695 m^{3}/h i.N. |
| Concentración de oxígeno en el espacio libre | 1,3% en vol. |
| Concentración de nitrógeno en el espacio libre | 28,6% en vol. |
| Concentración de óxido nítrico en el espacio libre | 60 a 180 mg/m^{3} |
La corriente 21 de suministro de oxígeno se
mezcla en la corriente 4 de aire antes del suelo 2 de entrada. En
caso de que la corriente de aire no esté precalentada, se mantiene
por motivos de seguridad una concentración de oxígeno como máximo
del 28% en volumen tras el punto 20 de alimentación. Cuando se
precalienta la corriente 4 de aire hasta 500ºC hay que reducir el
valor límite relevante por motivos de seguridad de la concentración
de oxígeno en la corriente 4 de aire enriquecida con O_{2} tras el
punto 20 de alimentación al 26% en volumen. Este valor límite se
reduce al 24% en volumen cuando se precalienta la corriente 4 de
aire enriquecida con O_{2} a una temperatura de entre 500ºC y
750ºC.
No existen límites en las cantidades o
limitaciones en la concentración de NO_{x} cuando el oxígeno se
insufla a través de toberas de alta velocidad con números de Mach de
salida de al menos Mach 0,8, preferiblemente con Mach mayor que 1,
como corriente 16 de suministro de oxígeno directamente en el lecho
fluidizado 4. Se necesitan las velocidades elevadas para un mezclado
suficiente del oxígeno con el lecho fluidizado 3, para conseguir,
con aumento del caudal de lodo de aclaración y cantidades de gas de
combustión constantes, es decir, velocidades de fluidización, un
mezclado uniforme del lodo de aclaración con el oxígeno, es decir,
una temperatura homogénea en el lecho fluidizado 4.
En la figura 2 se representa otro ejemplo de
realización para un horno 1 de lecho fluidizado según la
invención.
A diferencia de la forma de realización mostrada
en la figura 1, en este horno 1 de lecho fluidizado se puede tanto
precalentar la corriente 4 de aire de manera recuperadora en el
cambiador 14 de calor por el gas 12 de combustión como mezclar gas
12 de combustión con la corriente 4 de aire.
Claims (20)
1. Procedimiento para la combustión de residuos
orgánicos, en el que el residuo se quema en una cámara de combustión
con un gas de fluidización que contiene oxígeno bajo formación de
una capa fluidizada de partículas y que se hace pasar desde abajo a
través de un dispositivo de fluidización, y el gas de combustión
generado se evacua a través de un espacio libre por encima de la
capa de partículas y se quema posteriormente en una zona (13) de
reacción complementaria o en una cámara de postcombustión,
caracterizado porque la capa fluidizada (3) de partículas se
enriquece con oxígeno, introduciéndose oxígeno puro o una mezcla
gaseosa con un contenido en oxígeno de al menos el 80% en volumen,
y se ajusta un contenido medio de oxígeno en el intervalo de 0 a 3%
en volumen en el espacio (6) libre.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se suministra oxígeno al gas (4) de
fluidización en una primera zona (20) de alimentación, en el sentido
de la corriente, antes del dispositivo (2) de fluidización.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque se ajusta el contenido en oxígeno del
gas (4) de fluidización tras la primera zona (20) de alimentación a
un valor límite de oxígeno en el intervalo desde el 10% en volumen
hasta el 28% en volumen.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el contenido en oxígeno se ajusta a un
valor límite de oxígeno de cómo máximo el 26% en volumen, con la
condición de que el gas de fluidización se precaliente a una
temperatura inferior a 500ºC.
5. Procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el gas de fluidización se precalienta de
manera recuperadora mediante el gas (12) de combustión.
6. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el contenido en oxígeno se ajusta a un
valor límite de oxígeno de cómo máximo el 24% en volumen, con la
condición de que el gas (4) de fluidización se precaliente a una
temperatura de entre 500ºC y 750ºC.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque el gas (4) de fluidización se
precalienta mediante la combustión con un combustible (22).
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
suministra oxígeno a la capa (3) fluidizada de partículas en una
segunda zona (16) de alimentación por encima del dispositivo (2) de
fluidización.
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque el oxígeno se suministra en la segunda
zona (16) de alimentación mediante inyección supersónica transversal
en la capa (3) de partículas.
10. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9,
caracterizado porque el contenido equivalente en oxígeno en
la capa (3) fluidizada de partículas por encima del segundo punto
(16) de alimentación se ajusta a una concentración superior al 28%
en volumen.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se mide en
continuo el contenido en oxígeno en el espacio libre (6) y se
determina un contenido medio en oxígeno a partir de la medición, y
porque mediante el valor medio se regula el suministro de oxígeno en
la capa fluidizada (3) de partículas y/o el suministro del residuo
orgánico (7) a la cámara de combustión.
12. Procedimiento según la reivindicación 11,
caracterizado porque el contenido medio en oxígeno se
determina por mediciones en al menos dos puntos (17) de medición
espaciados el uno del otro en el espacio libre (6).
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos
una parte del gas (4) de fluidización se forma mediante el gas (23)
de combustión recirculado.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se queman
combustibles sólidos o gaseosos sin quemar, en el gas de combustión
en una zona (13) de postcombustión o una cámara de postcombustión,
junto con un combustible secundario (8), con adición de aire
secundario (9), enriqueciéndose el gas (12) de combustión con
oxígeno secundario (15) o un gas que contiene oxígeno con al menos
el 80% en volumen de oxígeno, para mantener un contenido mínimo
preestablecido en oxígeno en el gas (12) de combustión.
15. Procedimiento según la reivindicación 14,
caracterizado porque el oxígeno (15) secundario o el gas que
contiene oxígeno se inyecta directamente en la zona (13) de
postcombustión o en la cámara de postcombustión con una velocidad
correspondiente a un número de Mach de salida M de 0,25 < M <
1.
16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó
15, caracterizado porque el oxígeno secundario (15) o el gas
que contiene oxígeno se añade en el aire secundario (9).
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el oxígeno
se suministra mediante inyección supersónica transversal a la capa
de partículas.
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
alimenta oxígeno secundario en la zona (13) de reacción
complementaria o en la cámara de postcombustión, de manera que se
ajusta un contenido en oxígeno de al menos el 6% en volumen en el
gas (12) de combustión detrás de la zona (13) de reacción
complementaria o de la cámara de postcombustión.
19. Montaje para la ejecución del procedimiento
según una de las reivindicaciones 1 a 18, con una cámara de
combustión para la recepción de un residuo orgánico con un
dispositivo de suministro para el suministro del residuo orgánico a
la cámara de combustión, con una entrada de gas, que comprende un
dispositivo de fluidización para la introducción de un gas de
fluidización para la creación de una capa fluidizada de partículas,
y con un dispositivo de medición para la medición de una
concentración de gas en un espacio libre por encima de la capa de
partículas, caracterizado porque se proporciona una entrada
para una corriente (16; 21) de gas que contiene oxígeno en la capa
fluidizada (3) de partículas, y porque el dispositivo de medición
comprende al menos dos puntos (17) de medición de oxígeno colocados
espaciado el uno del otro en el espacio libre (6) para la medición
en continuo de cada contenido en oxígeno en el espacio libre (3), y
porque el dispositivo de medición está conectado con un dispositivo
(19) para la formación de un valor medio a partir de los contenidos
de oxígeno medidos y con una regulación para el suministro del
residuo orgánico (7) y/o para el suministro de la corriente (16; 21)
del gas que contiene oxígeno a la capa fluidizada (3) de
partículas.
20. Dispositivo según la reivindicación 19,
caracterizado por toberas de alta velocidad con números de
Mach de salida de al menos 0,8 Mach como entrada para una corriente
(16; 21) de gas que contiene oxígeno en la capa fluidizada (3) de
partículas.
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