ES2282257T3 - Aparato para calentar vapor. - Google Patents

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ES2282257T3 ES01936382T ES01936382T ES2282257T3 ES 2282257 T3 ES2282257 T3 ES 2282257T3 ES 01936382 T ES01936382 T ES 01936382T ES 01936382 T ES01936382 T ES 01936382T ES 2282257 T3 ES2282257 T3 ES 2282257T3
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Franciscus Gerardus Van Dongen
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Abstract

Un proceso conforme a la reivindicación 10, en el que la cantidad de agua agregada al recorrido de flujo del vapor se va aumentando con el paso del tiempo.

Description

Aparato para calentar vapor.
La invención se refiere a aparatos para calentar vapor formado a partir de agua en un intercambiador de calor para gas caliente, que comprende un recipiente primario de intercambio de calor que tiene una compartimiento para refrigerar agua, una entrada para la refrigeración del gas, una salida para el gas refrigerado, una salida para vapor caliente y un espacio colector para mantener el vapor generado. En el compartimiento para refrigerar agua está colocado al menos un tubo evaporador primario, a través del cual, cuando está en uso, fluye el gas caliente. Debido al intercambio de calor entre el agua de refrigeración y el gas caliente través de las paredes del tubo evaporador, se evapora el agua y se forma vapor. El vapor fluye hacia arriba hasta el espacio colector para mantener el vapor generado. Este vapor es calentado adicionalmente en un recipiente secundario del intercambiador de calor de tubo - carcasa, referido también como el "módulo supercalentador", colocado en el compartimiento para refrigeración de agua. En un módulo super calentador de este tipo, el vapor generado es calentado con respecto al gas, que ha sido parcialmente reducido en la temperatura en el tubo evaporador primario.
Se describe en el documento EP-A-257719 un aparato de este tipo. El aparato expuesto en esta publicación consiste en un módulo supercalentador sumergido, consisten en un intercambiador de calor de tubo - carcasa, en donde el gas parcialmente enfriado se alimenta al lado de la carcasa del módulo supercalentador y el vapor al lado del tubo del módulo supercalentador. Los dos flujos se ponen en contacto en el supercalentador en un modo concurrente de operación.
El documento DE-A-3602935 describe un aparato para generar vapor, que consta de un primer evaporador sumergido, y un módulo supercalentador por encima del recipiente de agua de refrigeración, que consta de un intercambiador de calor de carcasa y tubo, en el que el gas parcialmente refrigerado es alimentado al lado de la carcasa del módulo supercalentador y el vapor generado es alimentado al lado del tubo del módulo supercalentador. El documento JP-A-05 248604 enseña el uso de un dispositivo reductor de la temperatura en una unidad de supercalentador de vapor, mientras que el documento EP-S-0199251 describe un generador de vapor de dos fases, en el que durante el funcionamiento se puede controlar la cantidad de vapor por medio de la adición de agua.
Los solicitantes han encontrado que cuando el aparato de acuerdo con el documento EP-A-257719 se utiliza para enfriar gas, que comprende contaminantes tales como carbón, cenizas y/o azufre, que es el caso, por ejemplo, del gas de síntesis producido por gasificación de una alimentación de hidrocarburos gaseosos o líquidos, se pueden producir filtraciones. Se considera que la contaminación del aparato en el lado del gas produce las filtraciones. Aunque el aparato se limpiaba regularmente, persistían los problemas de filtraciones. Resultará también una contaminación, especialmente cuando el gas de síntesis se produce por gasificación de un hidrocarburo líquido, en particular residuos de petróleo pesado, considerando que la capacidad de intercambio de calor del aparato disminuirá gradualmente con el tiempo de operación. Como resultado, la temperatura del gas del proceso que sale del intercambiador de calor aumentará gradualmente en el tiempo de funcionamiento. Si la temperatura del gas del proceso que sale del aparato del intercambiador de calor primario supera una cierta temperatura, típicamente 400-450°C, la temperatura de los tubos que transmiten el gas del proceso corriente debajo del intercambiador de calor primario serán tan alta que pueden dañarse. Por lo tanto, el aparato tiene que cerrarse con el fin de limpiar los tubos. El tiempo de funcionamiento de un aparato después del cual tienen que limpiarse los tubos se denomina como "tiempo de ciclo".
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un aparato para calentar vapor en un intercambiador de calor para refrigerar un gas caliente, en el que se aprovecha al máximo el tiempo de ciclo y/o se evitan los problemas de filtraciones. El gas caliente es especialmente un gas caliente de intercambio de calor del aparato. Tales compuestos son especialmente hollín y opcionalmente azufre. La referencia a hollín se refiere aquí a negro de carbón y ceniza. Este objeto se soluciona por medio de un aparato de acuerdo con la reivindicación 1.
Se ha encontrado ahora que aumentando la cantidad de agua en el vapor generado durante el tiempo de funcionamiento, la temperatura del gas caliente que sale del recipiente del intercambiador primario de calor puede mantenerse por debajo de la temperatura crítica durante un periodo de tiempo más prolongado. De esta manera, se obtiene un aparato que puede funcionar con un tiempo de ciclo más prolongado. Debido a la adición de agua al vapor, la capacidad de refrigeración del vapor que entra en el módulo supercalentador es suficiente para el funcionamiento del módulo supercalentador con un modo de funcionamiento a contra corriente, al mismo tiempo que se mantienen las temperaturas de las paredes del tubo del supercalentador por debajo de una temperatura máxima admisible. Estas temperaturas máximas admisibles están por debajo de 650°C, con preferencia por debajo de 500°C. Puesto que el supercalentador puede funcionar con un modo de funcionamiento a contra corriente, se puede conseguir una alta eficiencia del intercambio de calor, resultando, por ejemplo, que se puede aumentar la cantidad de vapor caliente producido. Puesto que el gas caliente fluye a través del módulo supercalentador en el lado del tubo, se ha obtenido, además, un aparato más fácil de limpiar. La limpieza puede realizarse ahora, por ejemplo, haciendo pasar un obturador a través de los tubos evaporadores y los tubos del supercalentador, conectados en comunicación de fluido con dicho tubo evaporador.
La referencia a un tubo evaporador es a uno o más tubos paralelos. Con preferencia, con el fin de reducir al mínimo el tamaño del equipo, los tubos evaporadores son helicoidales.
Los medios para agregar agua se disponen con preferencia de tal manera que el agua es agregada al vapor generado en una posición entre la salida de vapor del espacio de recolección para el vapor generado y hasta el módulo supercalentador inclusive. Se prefiere que el agua sea agregada de tal manera que se evite la incidencia de gotas de agua en el módulo supercalentador. Por lo tanto, el agua puede agregarse como vapor, por ejemplo, directamente a dicho módulo. Más preferiblemente, el vapor generado según se obtiene en el espacio de recolección del vapor generado, es calentado en primer lugar en un módulo supercalentador adecuado y auxiliar antes de que sea agregada agua líquida a dicho vapor generado. El agua líquida se evaporará inmediatamente después al ser agregada al vapor supercalentado.
A continuación se ilustrará la invención con más detalle con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
La figura 1 muestra de forma esquemática una sección longitudinal de una primera forma de realización del aparato de acuerdo con la invención; y
La figura 2 muestra de forma esquemática una sección longitudinal de una segunda forma de realización del aparato de acuerdo con la invención.
Haciendo referencia a continuación a las figuras 1 y 2, el aparato de acuerdo con la invención comprende un recipiente de intercambiador de calor primario 1, que tiene una entrada 2 para el agua de refrigeración, cuya entrada 2 se abre hacia el interior del recipiente 1. El recipiente 1 comprende, además un compartimiento para el agua de refrigeración 5 y un espacio de recolección 35 para mantener el vapor generado. El espacio de recolección 35 está provisto con una salida conectada en comunicación de fluido con un tubo de vapor 18 para la retirada del vapor generado. El tubo de vapor 18 puede situarse dentro o fuera del recipiente. Una forma de realización adecuado del modo en que puede situarse el tubo de vapor 18 dentro del recipiente 1 se ilustra por la figura la del documento EP-A-257719. Con preferencia, está presente una neblina (no representada) entre la salida 3 y el espacio de recolección de vapor 35, con el fin de evitar que entren gotas de agua en la salida 3. Durante el funcionamiento normal, el agua de refrigeración es suministrada al recipiente 1 a través del conducto 4 de suministro de agua de refrigeración, donde el compartimiento para enfriar agua 5 del recipiente 1 se llena con agua de refrigeración. El aparato comprende un haz primario de tubos evaporadores 6 que tiene una entrada 7 para gas caliente y una salida S. El haz primario de tubos evaporadores 6 se dispone en el compartimiento para enfriar agua 5. El aparato comprende, además, un módulo supercalentador 9, que comprende un recipiente 10, que contiene un segundo haz de tubos 11, que tiene una entrada 12 que se comunica con la salida 8 del haz primario de tubos evaporadores y una salida 13. Desde la salida 13, el gas enfriado se descarga mediante el conducto 14 de descarga de gas. El recipiente del supercalentador 9 tiene una entrada 15 para el vapor y una salida 17 para el vapor supercalentado, tanto la entrada 15 como la salida 17 están en comunicación con el lado de la carcasa 16 del módulo supercalentador 9. Las entradas 15 y 12 y las salidas 17 y 13 se disponen con preferencia de tal manera que el gas caliente y el vapor fluyen substancialmente a contra corriente a través de un módulo supercalentador 9 con preferencia alargado. La entrada 15 para el vapor está en comunicación de fluido con la salida 3 para el vapor del recipiente del intercambiador de calor 1. De esta manera, el aparato comprende un recorrido de flujo para el vapor, que se extiende desde la salida 3 para el vapor del recipiente 1, mediante la entrada 15 para el vapor del recipiente 10, a través del lado de la carcasa 16 del supercalentador 9 hasta la salida 17 para el vapor supercalentado. Desde la salida 17 se descarga el vapor supercalentado a través del conducto 19.
Las formas de realización de los aparatos representados en las figuras 1 y 2 comprenden un supercalentador auxiliar 21, con el fin de calentar el vapor en el recorrido de flujo de vapor antes de que se agregue el agua por los medios 20. Los medios apropiados para agregar agua son conocidos en la especialidad, tal como un templado o algo similar. Se apreciará que el agua puede agregarse en más de un punto en el recorrido de flujo del vapor.
El supercalentador auxiliar 21 comprende un recipiente 22 que contiene un tercer haz de tubos 23 que tiene una entrada 24 que se comunica con la salida 13 del recipiente 10 del supercalentador y una salida 25. El lado de la carcasa 26 del supercalentador auxiliar 21 forma parte del recorrido de flujo del vapor. El gas enfriado es descargado desde la salida 25 a través del conducto 27 de descarga de gas. El recorrido de flujo, la entrada 24 y la salida 25 se disponen con preferencia de tal manera que el gas caliente y el vapor fluyen substancialmente a contra corriente a través de un recipiente auxiliar 21 del supercalentado, con preferencia alargado.
Alternativamente, el aparato puede comprender un solo módulo supercalentador 9 y unos medios 20, que se disponen de tal manera que el agua es agregada al lado a la carcasa 16 del supercalentador 9.
Los medios 20 para agregar agua pueden estar situados dentro o fuera del recipiente 1. Para fines prácticos, especialmente para facilitar el mantenimiento, se prefiere que los medios 20 estén situados fuera del recipiente 1, tal como se muestra en la figura 2.
Durante el funcionamiento normal, la temperatura del gas en el conducto de descarga de gas aguas abajo del recipiente 1, es decir, el conducto 27 en las figuras 1 y 2, aumentará gradualmente durante una producción dada de gas caliente, debido a la contaminación de los haces de tubos del evaporador primario y del supercalentador. Agregando agua al recorrido de flujo del vapor, se extenderá el periodo durante el cual la temperatura del gas en el conducto 27 de gas puede mantenerse por debajo de un valor crítico, es decir, el valor en el que será probable un daño en el conducto 27.
La temperatura del gas que fluye en el conducto 27 en un punto justamente aguas abajo del recipiente 1 puede ser determinada por medio de un dispositivo de medición de la temperatura 28. Los datos medidos son alimentados a una unidad de control (no representada), que está controlando, por medio de la válvula 29, la cantidad de agua agregada al recorrido de flujo del vapor por los medios 20. Alternativamente, la temperatura del gas que fluye en el conducto 27 puede ser determinada midiendo la temperatura del vapor supercalentado en el conducto 19.
La temperatura del vapor supercalentado descargado desde el aparato de acuerdo con la presente invención puede ser regulada por la agregación de agua. Esto reduce la temperatura del vapor y simultáneamente aumenta la cantidad de vapor producido. La figura 2 muestra una forma de realización preferida del modo en que se puede agregar el agua. Según se muestra en la figura 2, la temperatura del vapor supercalentado descargado a través del conducto 19 es determinada por medio de un dispositivo 30 para medir la temperatura. Los datos medidos son alimentados a una unidad de control (no representada), que controla por medio de la válvula 31 la cantidad de agua agregada al conducto 19 por el templado 32.
Preferiblemente, el gas enfriado en el conducto 27 de descarga de gas (en una forma de realización del aparato que comprende un supercalentador auxiliar 21, tal como se muestra en las figuras 1 y 2), o en el conducto de descarga de gas 14 (en una forma de realización sin supercalentador auxiliar (no representada)), se enfría todavía más por intercambio de calor con el agua de refrigeración antes de que entre en el recipiente 1. Por lo tanto, el aparato de acuerdo con la invención, comprende con preferencia un intercambiador de calor auxiliar 33 para enfriar el gas con respecto al agua de refrigeración, en el que el lado caliente del intercambiador de calor auxiliar 33 está en comunicación de fluido con la salida 13 del segundo haz de tubos 11 o, si está presente un supercalentador auxiliar 21, con la salida 25 del tercer haz de tubos 23, y el lado frío del intercambiador de calor auxiliar 33 está en comunicación de fluido con la entrada 2 para enfriar el agua del recipiente 1.
El aparato puede comprender, además, uno o más templados (no representados) para templar el agua caliente con agua o gas con el fin de enfriar todavía más el gas caliente. El templado puede situarse aguas arriba o aguas abajo del supercalentador 9.
El aparato de acuerdo con la invención está provisto, además, de una manera conveniente, con un tubo evaporador secundario conectado en comunicación de fluido con la salida de gas caliente del módulo supercalentador o, cuando está presente, la salida de gas caliente de un supercalentador auxiliar. Este tubo evaporador secundario aumentará todavía más el periodo durante el cual la temperatura del gas en el conducto de descarga de gas 27 del aparato de esta invención puede mantenerse por debajo de un valor crítico como se ha descrito anteriormente. Las zonas de intercambio de calor de los tubos evaporadores primarios y secundarios se diseñan de una manera conveniente de tal forma que, al comienzo del recorrido, no tiene lugar casi ningún intercambio de calor por el tubo evaporador secundario. Debido a la contaminación del interior de los tubos evaporadores y del supercalentador durante el recorrido, aumentará gradualmente la temperatura del gas en el tubo evaporador secundario. Los tubos evaporadores secundarios comenzarán a continuación a particular gradualmente en el enfriamiento del gas, extendiéndose con ello el periodo después del cual la temperatura del conducto de salida de gas 27 de salida del gas llega al vapor crítico anteriormente indicado.
La figura 3 muestra un módulo supercalentador 9 preferido con una entrada 36 para el vapor y una salida 37 para el vapor calentado, una entrada 38 para el gas caliente y una salida 39 para el gas caliente. La entrada 38 para el gas caliente se conecta en comunicación de fluido con un tubo enfriado 40. El tubo enfriado 40 se sitúa en un espacio anular 41 formado por la pared exterior tubular 42 y la pared interior tubular 43 y el fondo 44 y el techo 45. Las paredes tubulares 42 y 43 se sitúan frente al tubo enfriado 40 de tal manera que en el exterior (lado de la carcasa) del tubo enfriado y dentro del espacio anular 41 se configura un espacio en forma de espiral 46. Este espacio en forma de espiral 46 se conecta en comunicación de fluido en un extremo a la entrada de vapor 36 y en su extremo opuesto con la salida de vapor 37. Debido a esta configuración, el vapor fluirá a través del espacio en espiral 46 a contra corriente con el gas caliente que fluye a través del tubo enrollado 40. Por razones de claridad, solamente se representan en la figura 3 un rollo 40 y un espacio en espiral. Quedará claro que pueden colocarse en el espacio anular 41 más que un rollo y más que una espiral situados en paralelo. El intercambiador de calor, como se ilustra en la figura 3, puede encontrar una aplicación general. Es ventajoso debido a su diseño simple y debido a que puede conseguirse casi 100% de intercambio de calor a contra corriente a corriente continua.
El aparato de acuerdo con la invención es apropiado para ser utilizado en un proceso para supercalentar vapor en un intercambiador de calor para refrigerar gas caliente, con preferencia gas caliente que está contaminado principalmente con hollín y/o azufre. De acuerdo con ello, la presente invención se refiere, además, a un proceso para calentar vapor realizado en un aparato como se ha definido anteriormente, con las características de la reivindicación 10.
El proceso es particularmente apropiado para la refrigeración de gas de síntesis que contiene hollín y azufre, producido por medio de la gasificación de alimentaciones de hidrocarburos líquidos, con preferencia un residuo de petróleo pesado, es decir, una alimentación de hidrocarburos líquidos que comprende al menos 90% en peso de componentes que tienen un punto de ebullición por encima de 360°C, tales como el residuo de visbreaker, asfalto y residuo de craqueo de llama en vacío. El gas de síntesis producido de residuo de petróleo pesado comprende típicamente entre 0,1 y 1,5% en peso de hollín y 0,1 y 4% en peso de azufre.
Debido a la presencia de hollín y azufre se producirá la contaminación de los tubos que transmiten el gas caliente y aumentará con el tiempo de funcionamiento, deteriorando con ello el intercambio de calor en el intercambiador de calor y el supercalentador. Con preferencia, la cantidad de agua agregada por los medios 20 aumentará con el tiempo de funcionamiento, con preferencia de tal manera que la temperatura del gas caliente en el punto en el que los tubos que lo transmiten están saliendo del recipiente del intercambiador de calor se mantiene por debajo de
450°C.
El gas caliente que se va a enfriar en el proceso de acuerdo con la invención tiene típicamente una temperatura en el intervalo de 1.200 a 1.500°C, con preferencia entre 1250 y 1400°C, y se enfría con preferencia hasta una temperatura en el intervalo de 150 a 450°C, más preferentemente de 170 a 300°C.
Al menos una parte del vapor supercalentado producido en el proceso conforme a la invención puede utilizarse de una manera ventajosa en un proceso para la gasificación de una alimentación de hidrocarburos. En tales procesos de gasificación, que son conocidos en la técnica, una alimentación de hidrocarburos, oxígeno molecular y vapor se alimentan a un gasificador y se transforman en gas de síntesis caliente. De esta manera, la presente invención se refiere, además, a un proceso para la gasificación de una alimentación de hidrocarburos que comprende las etapas
de:
(a)
conducir la alimentación de hidrocarburos, un gas que contiene oxígeno molecular y vapor a un reactor de gasificación,
(b)
gasificar la alimentación, el gas que contiene oxígeno molecular y el vapor para obtener un gas de síntesis caliente en el reactor de gasificación,
(c)
refrigerar el gas de síntesis caliente obtenido en la etapa (b) y de acuerdo con ello calentar el vapor en un aparato como se ha definido anteriormente,
en el que al menos una parte del vapor alimentado al reactor de gasificación en la etapa(a) se obtiene en la etapa (c).

Claims (15)

1. Un aparato para calentar vapor formado a partir de agua de refrigeración en un intercambiador de calor para gas caliente, que comprende un recipiente primario (1) del intercambiador de calor que tiene un compartimiento para agua de refrigeración (5), una entrada (7) para el gas que se va a enfriar, una salida (25) para el gas enfriado, una salida (17) para el vapor calentado y un espacio de recolección (35) para mantener el vapor generado,
al menos un tubo evaporador primario (6) situado en el compartimiento para el agua de refrigeración y conectado en comunicación de fluido con la entrada (7) para el gas que se va a enfriar,
al menos un tubo de vapor (18) para la retirada del vapor generado del espacio de recolección (35) para mantener el vapor generado mediante una salida de vapor de dicho espacio de recolección (35),
al menos un recipiente secundario del intercambiador de calor de tubo - carcasa (9), en adelante llamado "el módulo supercalentador", situado en el compartimiento para el agua de refrigeración,
en el que el vapor generado se calienta todavía más frente al gas parcialmente enfriado por el tubo evaporador primario (6),
en donde el tubo evaporador primario (6) se conecta en comunicación de fluido con el lado del tubo (11) del módulo supercalentador (9) y el tubo de vapor (18) para la retirada del vapor generado se conecta en comunicación de fluido con el lado de la carcasa (16) del módulo supercalentador (9), caracterizado porque están presentes medios (20) para añadir agua al vapor generado que entra en el módulo supercalentador (9), y
en el que está presente un dispositivo de medición de la temperatura (28) para medir la temperatura del gas refrigerado o del vapor supercalentado que genera datos de medición, una unidad de control que es alimentada por los datos de medición, cuya unidad de control está controlando por medio de una válvula (29) la cantidad de agua añadida por los medios (20) para añadir agua.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios para agregar agua están dispuestos de tal manera que se agrega agua al vapor generado en una posición entre la salida de vapor (3) del espacio de recolección (35) para el vapor generado y el módulo supercalentador (9).
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que los medios (20) para agregar agua son medios para agregar agua líquida.
4. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios para agregar agua (20) y parte del tubo de vapor (3) para la retirada del vapor generado se disponen fuera del recipiente primario del intercambiador de calor (1).
5. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el compartimiento para el agua de refrigeración (5) comprende también un tubo evaporador secundario para la refrigeración del gas caliente, cuyo tubo evaporador secundario se sitúa aguas abajo del módulo supercalentador (9), con respecto al flujo del gas caliente.
6. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que un módulo supercalentador auxiliar (21) para calentar el vapor generado se sitúa entre la salida de vapor (3) del espacio de recolección (35) para el vapor generado y los medios para agregar agua (20).
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el módulo supercalentador auxiliar (21) es un intercambiador de calor de tubo - carcasa, dispuesto de tal manera que el vapor generado fluye en el lado de la carcasa y el gas que ha sido parcialmente enfriado en al menos el módulo supercalentador fluye en el lado del tubo.
8. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, en el que el supercalentador auxiliar (21) está dispuesto fuera del recipiente primario del intercambiador de calor (1).
9. Un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el aparato comprende, además, medios para agregar agua (20) al vapor supercalentado aguas abajo del módulo supercalentador, con respecto al flujo del vapor (9).
10. Un proceso para calentar vapor, con preferencia en un aparato de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la cantidad de agua añadida a la trayectoria de flujo para el vapor se incrementa con el tiempo de funcionamiento.
11. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el gas caliente es gas de síntesis producido por gasificación de una fuente de alimentación de hidrocarburos líquidos o gaseosos.
12. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 11, en el que el gas de síntesis es producido por gasificación de una fuente de alimentación de hidrocarburos líquidos que comprende al menos 90% en peso de componentes hidrocarburos que tienen un punto de ebullición por encima de 360°C.
13. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que el gas caliente comprende al menos 0,05% en peso de hollín, con preferencia al menos 0,1% en peso, más preferentemente al menos 0,2% en peso.
14. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que el gas caliente comprende al menos 0,1% en peso de azufre, con preferencia al menos 0,2% en peso, más preferentemente al menos 0,5% en peso.
15. Un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que el gas es refrigerado a partir de una temperatura en el intervalo de 1200 a 1500°C, con preferencia entre 1250°C y 1400°C, hasta una temperatura en el intervalo de 150°C a 450°C, con preferencia entre 170 y 300°C.
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