ES2306218T3 - Derivacion del ciclon para un reactor de lecho fluidificado en circulacion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de funcionamiento de un reactor de lecho fluidificado en circulación que posee un horno (12) con un orificio de descarga para el gas de escape (24), y un separador de partículas (28) para separar las partículas sólidas del gas de escape, que tiene una entrada conectada al orificio de descarga del gas de escape, teniendo una entrada conectada al orificio de descarga (24) de gases de escape, a través de un conducto de descarga para los gases de escape (26), una salida de gas (34) conectada a un conducto de gases de escape (36), y una salida de sólidos conectada a un conducto de retorno (30) para reciclar las partículas separadas de sólidos de vuelta al horno (12), comprendiendo el procedimiento las etapas de: disponer un conducto de derivación (50) que derive el separador de partículas (28); y conducir un flujo parcial de gases de escape y partículas sólidas arrastradas a lo largo del conducto de derivación (50) desde la parte superior del horno (12) al conducto de gases de escape (36) para aumentar el contenido de partículas sólidas en el gas de escape después del separador de partículas.
Description
Derivación del ciclón para un reactor de lecho
fluidificado en circulación.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y un aparato para operar un reactor de lecho
fluidificado en circulación, que tiene un separador para separar
partículas sólidas arrastradas del gas de combustión y reciclar las
partículas separadas a la cámara de combustión. La invención se
refiere particularmente a la composición del material del lecho, y
busca solucionar los problemas referentes al control de la
composición del lecho y cantidad de cenizas en el fondo.
Los reactores de lecho fluidificado en
circulación se ha utilizado durante décadas y son conocidos para
las personas entendidas en la técnica de la generación de energía,
por ejemplo. Los reactores de lecho fluidificado en circulación
pueden ser gasificadores, combustores, generadores de vapor, o
cualquier otro tipo similar de aparatos que las personas entendidas
en la técnica reconocerán. Los reactores de lecho fluidificado
normalmente tienen un horno vertical, o cámara de reacción, en cuya
parte inferior se introduce el combustible. Los gases primarios y
secundarios, normalmente aire, se suministran a través del fondo y
las paredes laterales del horno. La combustión del combustible
tiene lugar en un lecho fluidificado rápido que, además de las
partículas de combustible, contiene normalmente también caliza.
Un separador de partículas está en comunicación
con el extremo superior del horno, a través de un orificio de
descarga. Un conducto de descarga conecta el orificio de descarga
con el separador de partículas. El gas caliente de escape se
descarga del horno, y fluye a través del orificio de descarga y el
conducto de descarga hacia el separador de partículas. El separador
de partículas de una caldera de lecho fluidificado en circulación
es normalmente un ciclón. Cuando se utiliza un ciclón, el conducto
de descarga transmite normalmente el gas de escape con partículas
sólidas arrastradas tangencialmente hacia la parte superior del
separador de ciclón. El separador de ciclón, u otro separador de
partículas, por ejemplo, un separador de impacto, separa las
partículas sólidas del gas caliente de escape, alimentándose dichas
partículas sólidas por gravedad en el extremo inferior del
separador.
El extremo inferior del separador de partículas,
donde se recogen las partículas sólidas, está conectado al extremo
superior de un conducto de retorno vertical. El extremo opuesto o
inferior del conducto de retorno tiene una salida conectada al
horno para devolver las partículas sólidas separadas, del separador
de partículas al horno. Las partículas sólidas retiradas del fondo
del horno se denominan cenizas de fondo, mientras que la parte del
material sólido que deja el separador de partículas con los gases de
escape se denomina cenizas volantes.
Se conocen ya las calderas de lecho fluidificado
en circulación que tienen separadores de partículas, por ejemplo,
del tipo de ciclón, para separar partículas sólidas arrastradas del
gas de escape y reciclar las partículas separadas de vuelta a la
cámara de combustión de la caldera. En las Patentes de los Estados
Unidos números 4.733.621 y 5.281.398 se describen ejemplos de dichos
sistemas. En la última patente, las partículas separadas en el
separador de ciclón se reciclan a la caldera a través de un cierre
de bucle dividido. La patente de los Estados Unidos número
5.821.398 describe un separador centrífugo realizado de paneles
planos de tubos de agua. Este tipo de ciclón puede integrarse con
el horno de manera que no haya ningún conducto de descarga entre el
horno y el ciclón.
La Patente de los Estados Unidos número
5.159.886 describe un reactor de lecho fluidificado en circulación,
caracterizado porque a fin de minimizar el contenido de N_{2}O que
entra en la atmósfera, los gases producidos por la carbonización en
la parte inferior de la cámara de combustión se llevan a una línea
de gases de escape, aguas abajo del separador de ciclón.
Los separadores de ciclón para los reactores de
lecho fluidificado en circulación han sido mejorados a lo largo de
las últimas décadas, de manera que han pasado a ser muy eficientes.
En condiciones normales de funcionamiento, puede separarse
aproximadamente el 99,9 por ciento del material sólido que deja la
cámara de combustión con el gas de escape. Una separación eficiente
de las partículas sólidas de los gases de escape es siempre una
propiedad que merece la pena intentar conseguir. Por ejemplo, cuanto
mejor es la eficiencia de la separación, mayor es la eficiencia de
la combustión. No obstante, una eficiencia de separación muy elevada
puede también traer algunos problemas o inconvenientes en el
proceso. Por ejemplo, puede llevar a un alto contenido de cenizas
de fondo en comparación de cenizas volantes. Cuando la proporción de
ceniza de fondo es elevada, se requiere una retirada eficiente de
la ceniza de fondo para mantener la composición requerida del lecho
(es decir, la composición del material de lecho) en un estado
adecuado.
Dado que la temperatura de la ceniza de fondo es
del orden de aproximadamente 600 a 900ºC, se necesitan enfriadores
de ceniza para bajar la temperatura de la ceniza a aproximadamente
300ºC, de manera que la ceniza pueda descargarse de manera segura
del reactor. Cuanta más ceniza de fondo deba retirarse del reactor,
más caro será el equipo necesario (por ejemplo de una capacidad
mayor) para la descarga y la refrigeración de la ceniza de
fondo.
Un eficiencia de separación muy elevada puede
convertirse también en un problema, por ejemplo cuando la calidad
del combustible varía de manera que lleve a la formación de una
cantidad excesiva de partículas finas en el lecho. Si el separador
de partículas recircula una proporción muy elevada de las partículas
finas, la elevada composición del lecho de partículas finas puede
llevar, por ejemplo, a una eficiencia de transferencia térmica muy
elevada en el horno. Si el porcentaje de transferencia térmica
supera su valor designado, el lecho tiene la tendencia a enfriarse
a una temperatura más baja, llevando a un aumento de las emisiones
al medio ambiente, por ejemplo.
La presente invención proporciona un
procedimiento perfeccionado y un aparato para operar un reactor de
lecho fluidificado en circulación.
Según un aspecto, la presente invención
proporciona un procedimiento de operar un reactor de lecho
fluidificado en circulación que tiene un horno con un orificio de
descarga para el gas de escape, un separador de partículas
conectado al orificio de descarga y que tiene una salida para el gas
de escape y un conductor de retorno para los sólidos separados. El
procedimiento comprende los pasos de disponer un conducto de
derivación que deriva el separador de partículas y conduce un flujo
parcial de gas de escape y partículas sólidas arrastradas a lo
largo del conducto desde la parte superior del horno al conducto de
gas de escape para aumentar el contenido de partículas sólidas en
el gas de escape después del separador.
De acuerdo con este procedimiento, la corriente
de gas de escape que se deriva del separador disminuye la cantidad
de partículas sólidas separadas por el separador, con lo que se
disminuye la composición de sólidos y la acumulación de ceniza de
fondo en el horno.
Según otro aspecto, la presente invención
proporciona un aparato para permitir el ajuste de la composición
del lecho de manera que pueda mantenerse en estado óptimo la
composición del material del lecho. Preferentemente, dicho aparato
incluye un horno, un orificio de descarga para retirar el gas de
escape con partículas sólidas arrastradas del horno, un separador
de partículas (preferentemente un separador de ciclón) conectado al
orificio de descarga para separar las partículas sólidas del gas de
combustión, teniendo el separador de partículas una salida para el
gas de escape conectada a un conducto de gases de escape y una
salida de sólidos conectada a un conducto de retorno para reciclar
el material sólido separado, de regreso al fondo de dicho horno, y
medios para conducir una parte del gas de escape y partículas
sólidas arrastradas desde la parte superior del horno al conducto
de gas de combustión, más allá del separador de partículas para
disminuir la cantidad de material sólido que entra en el
separador.
Los medios de conducción comprenden un conducto
de derivación, que tiene su primer extremo conectado aguas arriba
del separador de partículas, y su segundo extremo conectado al
conducto de gases de escape aguas abajo del separador de
partículas.
En una realización preferida de la presente
invención, el primer extremo del conducto de derivación está
conectado a la parte superior del horno.
En otra realización preferida de la presente
invención, el primer extremo del conducto de derivación está
conectado al conducto de descarga entre la parte superior del horno
y el separador de partículas.
En consecuencia, la presente invención
proporciona ventajosamente un procedimiento y un aparato nuevo y
mejorado para ajustar la composición del material del lecho de
manera que la cantidad de ceniza de fondo se mantenga dentro de
límites aceptables.
Esta invención tiene numerosas ventajas además
del ya mencionado aparato de tratamiento de ceniza de fondo más
pequeño y más barato. Por ejemplo, proporciona flexibilidad
operativa al horno y, de ese modo, permite el cambio de las
proporciones de ceniza de fondo y de ceniza volante, es más fácil
hacer cambios en el combustible, la pérdida de calor es menor y
puede utilizarse para controlar la temperatura y/o la transferencia
térmica en el horno.
La breve descripción anterior, así como otros
objetos, características y ventajas de la presente invención se
apreciarán con más detalle en referencia con la siguiente
descripción detallada de las realizaciones actualmente preferidas,
pero no obstante ilustrativas, de la presente invención, tomadas en
conjunto con los dibujos adjuntos.
La Fig. 1 es una vista esquemática lateral y
elevada de un reactor de lecho fluidificado en circulación que
ilustra la manera en la cual se trata el gas de escape en los
procesos de combustión de la técnica anterior.
La Fig. 2 es una vista esquemática lateral y
elevada de la parte superior de un reactor de lecho fluidificado en
circulación que ilustra una realización preferida de la presente
invención.
La Fig. 3 es una vista esquemática lateral y
elevada de la parte superior de un reactor de lecho fluidificado en
circulación que ilustra otra realización preferida de la presente
invención.
La Fig. 4 es una vista esquemática lateral y
elevada de la parte superior de un reactor de lecho fluidificado en
circulación que ilustra otra realización más preferida de la
presente invención.
Haciendo referencia ahora con mayor detalle a
los dibujos, en la Fig. 1 se ilustra el esquema total de un sistema
10 clásico de reactor de lecho fluidificado en circulación. En el
horno 12 del sistema 10 del reactor se introducen combustible en
partículas, material inerte de lecho, y posiblemente material
auxiliar, tal como caliza, mediante alimentadores 14 de material
sólido, tales como alimentadores de tornillo o alimentadores
neumáticos. Los materiales sólidos forman un lecho, que se
fluidifica mediante gas primario 16, introducido a través de una
parrilla inferior 18. En un lecho fluidificado en circulación, la
velocidad del gas de fluidificación en el horno es normalmente de
cerca de 4 m/s a cerca de 9 m/s. Las reacciones, como por ejemplo la
combustión del combustible, se completan mediante el gas secundario
20 introducido a través de las paredes laterales 22 del horno
12.
Las reacciones en el horno 12 producen gases,
por ejemplo gases de escape, que se descargan junto con las
partículas arrastradas con los gases desde el horno 12 a través de
un orificio de descarga 24 a un conducto de descarga 26, y después
a un separador de partículas 28. En el separador de partículas 28,
que es normalmente un separador de ciclón, la mayor parte de las
partículas (por ejemplo 99,9%) arrastradas con los gases de
combustión, se separan de los gases de escape.
Las partículas separadas se conducen a lo largo
de un conducto de retorno 30 conectado a la parte inferior del
separador 28, a través de un sello de bucle 32 de regreso a la parte
inferior del horno 12.
Los gases de combustión limpiados se descargan
del separador 28 de partículas a través de una salida central 34 de
gas, dispuesta normalmente en la parte superior del separador, a un
conducto 36 de gases de escape. En el conducto 36 de gases de
escape, los gases se conducen normalmente a través de una zona 38 de
recuperación de calor y un separador 40 de polvo a una chimenea 42.
El conducto 36 de gases de escape puede comprende además
componentes, tales como componentes de limpieza de gas, o similares,
que son conocidos para las personas entendidas en la técnica, pero
que no se ilustran en la Fig. 1.
Una parte de las partículas sólidas descargadas
desde el horno 12 a través del orificio de descarga 24, denominadas
cenizas volantes, no se separa de los gases de escape en el
separador 28 de partículas, sino que escapa a través de la salida
34 de gas. Una parte de la ceniza volante puede recogerse en una
tolva 44 dispuesta en el conducto 36 de gases de escape, pero la
mayor parte se recoge por el separador 40 de polvo. La parte del
material sólido en el horno 12 que no escapa a través de la salida
34 de gas, se descarga eventualmente del horno como ceniza de fondo
46. Dado que la ceniza de fondo está normalmente a una temperatura
de cerca de 650 a cerca de 850ºC, se enfría por un enfriador 48 de
ceniza de fondo a una temperatura inferior (por ejemplo cerca de
300ºC), antes de que se descargue desde el reactor 10.
En la primera realización preferida de la
presente invención, ilustrada esquemáticamente en la Fig. 2, se han
mostrado el horno 12, el separador 28 de partículas, el conducto de
descarga 26 que hay entre ellos, el conducto de retorno 30, la
salida 34 de gas, y la parte aguas arriba del conducto 36 de gases
de escape, con los mismos números de la Fig. 1. La Fig. 2 muestra
también un conducto de derivación 50 acoplado entre la parte
superior del horno 12 y el conducto 36 de gases de escape. Debido a
la diferencia de presión entre el horno 12 y el conducto 36 de
gases de escape, una corriente de gas y sólidos finos arrastrados
tiende a fluir a través del conducto 50, derivándose así del
separador 28 de partículas.
En la realización ilustrada en la Fig. 2, la
parte superior del horno 12 está dotado de otra abertura 52 de
salida, conectada al primer extremo del conducto de derivación 50.
Como otra alternativa, el primer extremo del conducto de derivación
50 puede conectarse a la misma salida 24 con el conducto de descarga
26 mediante, por ejemplo, un tubo de derivación. Como otra
alternativa, el primer extremo del conducto de derivación 50 puede
conectarse al conducto de descarga 26 en algún lugar entre la
apertura 24 de salida y la entrada al separador 28 de
partículas.
Independientemente de la posición exacta y
estructura del conducto de derivación 50, el objetivo del conducto
de derivación 50 es recibir una parte de los gases de combustión, y
algunas partículas sólidas arrastradas con los gases de escape,
desde el horno 12, y llevar la parte recibida del gas de escape al
conducto 36 de gases de escape aguas abajo del separador 28 de
partículas. Actuando de este modo, una parte de las partículas
sólidas se sacan eficazmente de la circulación del lecho
fluidificado, y no se devuelven al horno 12. Así pues, se aumenta
la cantidad de ceniza volante, recogida en la tolva 44 y el
separador 40 de polvo. En consecuencia, se disminuye la cantidad de
material de lecho que circula en el horno 12 y el separador 28 de
partículas. Eventualmente, también se disminuye la cantidad de
ceniza de fondo 46 que debe descargarse del fondo del horno 12. En
esta realización, el tamaño y la geometría del conducto de
derivación 50 determinan la cantidad de sólidos tomada de la
corriente de salida del separador de ciclón.
En la Fig. 3 se ilustra otra realización
preferida de la presente invención. En esta realización, el
conducto de derivación 50 se dota con medios adicionales para
controlar el flujo del gas de escape en el conducto de derivación
50. En esta realización, los medios de control comprenden una
tubería 54 de gas equipada con un registro de control 56, tal como
una válvula de mariposa.
La tubería 54 adicional de gas se utiliza para
introducir gas, por ejemplo aire, al conducto de derivación 50, de
manera que se disminuya la cantidad de gases de escape y partículas
sólidas que fluyen a través del conducto de derivación 50 desde el
horno 12 al conducto 36 de gases de escape. Utilizando el registro
56, puede ajustarse la cantidad de gas introducido y la cantidad de
gases y partículas derivados. Cuando se introduce más gas a través
de la tubería 54 de gas, es menor la cantidad de gases de escape y
partículas sólidas que se derivan del separador 28 de partículas.
El medio que pasa por la tubería 54 puede ser, por ejemplo, aire o
gases de escape recirculados.
En la Fig. 4 se ilustra otra realización más
preferida de la presente invención. En esta realización, los medios
de control comprenden una válvula de control 58 instalada
directamente en el conducto de derivación 50. Esta realización da
la flexibilidad más amplia posible dado que, a medida que fluye el
gas de escape, el conducto de derivación puede ajustarse entre
posiciones de bloqueo total y de apertura completa. Otros medios
adecuados de control pueden incluir un paso y un orificio que
permita que el gas de combustión y partículas arrastradas entren en
el canal de gases de escape aguas arriba del separador de
partículas.
Como será evidente para las personas entendidas
en la técnica, el primer extremo del conducto de derivación podría
también conectarse de varias maneras aguas arribas del separador 28
de partículas en las realizaciones de las Figs. 3 y 4, como se ha
descrito anteriormente en referencia con las realizaciones
ilustradas en la Fig. 2.
El resultado en la segunda y la tercera
realización, en comparación con la primera, es que puede controlarse
mejor la composición del material del lecho. Es decir, la cantidad
y la distribución de los tamaños de las partículas del material de
lecho pueden ajustarse mejor para cumplir las exigencias del proceso
del lecho fluidificado.
El conducto de derivación 50 puede fabricarse
mediante tubos o conductos refractarios revestidos, o pueden ser
tubos y compuestos revestidos con un material apropiado de metal y/o
cerámica. Es evidente que el revestimiento tiene que soportar tanto
la elevada temperatura como la elevada velocidad de los sólidos.
Los materiales de revestimiento adecuados serán fácilmente evidente
para las personas entendidas en la técnica.
Aunque la invención se ha descrito por medio de
ejemplos de lo que se consideran actualmente las realizaciones
preferidas, debe entenderse que la invención no se limita a dichas
realizaciones, sino que se pretende que cubra diferentes
combinaciones o modificaciones de las características y aplicaciones
incluidas dentro del ámbito de la invención tal como se define en
las reivindicaciones adjuntas.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet US 4733621 A [0005]
- \bullet US 5159886 A [0006]
\bullet US 5281398 A [0005] [0005]
Claims (14)
1. Procedimiento de funcionamiento de un reactor
de lecho fluidificado en circulación que posee un horno (12) con un
orificio de descarga para el gas de escape (24), y un separador de
partículas (28) para separar las partículas sólidas del gas de
escape, que tiene una entrada conectada al orificio de descarga del
gas de escape, teniendo una entrada conectada al orificio de
descarga (24) de gases de escape, a través de un conducto de
descarga para los gases de escape (26), una salida de gas (34)
conectada a un conducto de gases de escape (36), y una salida de
sólidos conectada a un conducto de retorno (30) para reciclar las
partículas separadas de sólidos de vuelta al horno (12),
comprendiendo el procedimiento las etapas de:
- disponer un conducto de derivación (50) que derive el separador de partículas (28); y
- conducir un flujo parcial de gases de escape y partículas sólidas arrastradas a lo largo del conducto de derivación (50) desde la parte superior del horno (12) al conducto de gases de escape (36) para aumentar el contenido de partículas sólidas en el gas de escape después del separador de partículas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
comprendiendo también el paso de controlar el flujo de gases de
escape en el conducto de derivación (50) para ajustar la cantidad de
partículas sólidas derivadas del separador de partículas.
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el flujo de gas de escape en el conducto
de derivación (50) se controla mediante la alimentación de gas
adicional al conducto de derivación.
4. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque el flujo de gas de escape en el conducto
de derivación (50) se controla mediante una válvula de control (58)
dispuesta en el conducto de derivación.
5. Reactor de lecho fluidificado en circulación,
comprendiendo dicho reactor:
- un horno (12) que tiene un lecho fluidificado de partículas sólidas;
- un orificio de descarga (12) para retirar el gas de escape con partículas sólidas arrastradas desde el citado horno (12);
- un separador de partículas (28) conectado a dicho orificio de descarga (24) a través de un conducto de descarga (26) para separar partículas sólidas del gas de escape, teniendo dicho separador de partículas una salida de gases de escape (34) conectada a un conducto de gases de escape (36) y una salida de sólidas conectada a un conducto de retorno (30) para reciclar las partículas sólidas separadas de regreso al fondo del horno (12);
- caracterizado por medios (50) para conducir una parte del gas de escape y partículas sólidas arrastradas desde la parte superior del horno (12) al conducto de gases de escape (36) después de dicho separador de partículas (28) para disminuir la cantidad de partículas sólidas que entran en el citado separador de partículas.
6. Aparato según la reivindicación 5,
caracterizado porque dicho medio de conducción es un conducto
de derivación (50), que tiene un primer extremo conectado aguas
arriba del citado separador de partículas, y un segundo extremo
conectado al citado conducto de gases de escape (36), aguas abajo
del citado separador de partículas (28).
7. Aparato según la reivindicación 6,
caracterizado porque el primer extremo del citado conducto de
derivación (50) está conectado a la parte superior del horno
(12).
8. Aparato según la reivindicación 6,
caracterizado porque el primer extremo del citado conducto de
derivación (50) está conectado al conducto de descarga (26) entre
la parte superior del horno (12) y el separador de partículas
(28).
9. Aparato según la reivindicación 6,
caracterizado porque el conducto de derivación (50) está
dotado de medio (54, 56, 58) para controlar el flujo de gases de
escape en el conducto de derivación.
10. Aparato según la reivindicación 9,
caracterizado porque el medio de control es una tubería
adicional de gas (54) que introduce gas en el conducto de
derivación (50).
11. Aparato según la reivindicación 10,
caracterizado porque la tubería adicional de gas (54) está
dotada con medios (56) para ajustar la cantidad de gas introducido
en el citado conducto de derivación (50).
12. Aparato según la reivindicación 9,
caracterizado porque el medio de control es una válvula de
control (58) capaz de cerrar el conducto de derivación (50).
\newpage
13. Aparato según la reivindicación 5,
caracterizado porque el conducto de derivación (50) está
revestido para soportar tanto la temperatura como el flujo de
sólidos en el conducto de derivación.
14. Aparato según la reivindicación 5,
caracterizado porque el separador de partículas (28) es un
separador de ciclón.
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