ES2710656T3 - Alimentador de combustible de doble fase para calderas - Google Patents

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Albert Larue
Mikhail Maryamchik
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Abstract

Un alimentador de combustible de doble fase (310) que comprende: una rampa inclinada (320) que tiene un extremo superior (322) y un extremo inferior (324), estando el extremo inferior próximo a una base (330) del alimentador de combustible, definiendo la rampa un recorrido de alimentación sólida (325); caracterizado por: unas boquillas de distribución de gas (340) ubicadas entre la base del alimentador de combustible y el extremo inferior de la rampa inclinada para dirigir un gas hacia el recorrido de alimentación sólida; y unas boquillas secundarias (350) colocadas encima de la base del alimentador de combustible para poder inyectar un combustible líquido o particulado en el recorrido de alimentación sólida.

Description

DESCRIPCION
Alimentador de combustible de doble fase para calderas.
REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS
Esta solicitud reivindica prioridad a la solicitud provisional estadounidense n.° de serie 61/810,960, presentada el 11 de abril de 2013, titulada "Dual Phase Fuel Feeder For Boilers".
ANTECEDENTES
Los parrafos siguientes se refieren a la combustion de productos de desecho, materiales de biomasa y otros materiales combustibles, y a un alimentador de combustible para introducir dichos productos o materiales en una caldera de lecho fluidizado, por ejemplo, una caldera lecho fluidizado burbujeante (b Fb ) o lecho fluidizado circulante (CFB), o para una unidad cargadora, y a calderas de lecho fluidizado para la combustion de dichos productos y materiales que emplean un alimentador de este tipo y a las tecnicas relacionadas.
Durante la combustion, la energfa qmmica de un combustible se convierte en calor termico dentro del horno de una caldera. El calor termico se capta a traves de las superficies absorbentes de calor en la caldera para producir vapor. Los combustibles utilizados en el horno incluyen una amplia gama de sustancias solidas, ffquidas y gaseosas. La combustion transforma el combustible en un gran numero de compuestos qmmicos. En algunas aplicaciones, los subproductos de residuos solidos de biomasa se utilizan como combustible para la caldera de lecho fluidizado. Las calderas de lecho fluidizado son una manera de quemar combustibles solidos. En terminos generales, una caldera de lecho fluidizado incluye un lecho formado a partir de una altura apilada de parffculas solidas. Debajo del lecho se encuentra una matriz de distribucion de gas de fluidizacion, por ejemplo, un sistema con fondo abierto o un sistema de fondo plano. Un sistema con fondo abierto se caracteriza por conductos de distribucion ampliamente espaciados en los cuales se montan tapas de burbujas de aire para distribuir gas fluidizante (ffpicamente aire) bajo presion para fluidizar el lecho. En un sistema de fondo plano, los conductos de distribucion forman el fondo de la caldera. A velocidades de gas suficientes, las parffculas solidas presentan propiedades de tipo ffquido.
En referencia a la Figura 1, una caldera de lecho fluidizado burbujeante (BFB) 8 ilustrativa de diseno conocido (disponible en Babcock & Wilcox Power Generation Group, Barberton, Ohio, EE. UU.) incluye un lecho burbujeante 10 sobre el cual se suministra el combustible 12 a traves de un alimentador 14 que comprende una boquilla con barrido de aire. El lecho fluidizado 10 comprende adecuadamente parffculas solidas tales como, por ejemplo, arena. Un horno de combustion hermetico al gas (solo la parte inferior de la cual se muestra en la Figura 1) incluye paredes hermeticas al gas refrigeradas con agua 16, 17. El aire se introduce en el lecho burbujeante 10 a traves de los conductos de aire 18, y las tapas de burbujas espaciadas 20 facilitan la eliminacion de impurezas grandes. En un sistema de eliminacion de cenizas bajo lecho 22, el material de la impurezas se desplaza hacia abajo y se enfffa antes de ser eliminado a traves de las tolvas de la parte inferior 24 en un sistema de transporte adecuado o similar (no se muestra). El calor de la combustion en el lecho fluidizado 10 calienta el agua en los tubos de las paredes del gas de combustion 16, 17 los cuales pueden accionar un generador de vapor u otro trabajo util. En algunas ensenanzas, el agua en los tubos del gas de combustion 16, 17 fluye en un recorrido de recirculacion en circuito cerrado (que normalmente incluye una lmea de reposicion de agua). La caldera BFB 8 ilustrativa de la Figura 1 es simplemente un ejemplo, y los sistemas de alimentacion descritos y otras ensenanzas descritas se incorporan facilmente en calderas de lecho fluidizado de diversos disenos, tales como los disenos BFB y CFB, unidades cargadoras, etc. En algunas ensenanzas, el alimentador 14 puede pasar a traves de una pared del horno refractario no refrigerado con agua (por ejemplo, una pared de horno de ladrillo) en lugar de a traves de la pared del tubo 16 como en la ensenanza ilustrativa de la Figura 1, o a traves de cualquier otro tipo de pared de caldera. Se contempla que la pared del horno a traves de la cual pasa el alimentador 14 incluya caracteffsticas adicionales tales como material de aislamiento termico, una carcasa exterior, etc.
Dichas calderas pueden procesar una amplia gama de materiales de desechos, incluidos desechos de madera, corteza, lodos de papel, papel reciclado, lodos de aguas residuales y diversos materiales de biomasa, sedimentos sobrantes de la produccion de etanol a partir de mafz (u otra biomasa). Para el funcionamiento de la caldera BFB, el alimentador 14 debe suministrar el combustible 12 al lecho 10 sin quemarse en suspension. Esto es relativamente sencillo de conseguir con el combustible solido, pero es mas diffcil de conseguir con el combustible ffquido, especialmente si se atomiza para aumentar el area de superficie. Un enfoque existente para procesar residuos ffquidos es incorporarlo a los residuos solidos antes de suministrar la mezcla ffquida/solida a la caldera BFB. Sin embargo, este enfoque complica la manipulacion del material ya que la mezcla humeda puede ser diffcil de mover y manipular. Otro enfoque existente es inyectar el ffquido directamente en el lecho burbujeante, ffpicamente desde el fondo. Este enfoque puede generar concentraciones irregulares y qmmica sobre el lecho, que puede conllevar la aglomeracion del material del lecho.
Sena deseable proporcionar la capacidad de usar multiples fuentes de combustible en una caldera, particularmente una caldera de lecho fluidizado. Esto ampliaffa la gama de combustibles que podffan utilizarse.
El documento DE 4431 366 A1 describe un sistema de alimentacion de combustible en una unidad de combustion de lecho fluidizado cargada a presion.
El documento GB 2286345 A describe la alimentacion de un lecho fluidizado.
BREVE DESCRIPCION
En algunas ensenanzas ilustrativas descritas en esta invencion, un alimentador de combustible incluye una rampa inclinada que tiene una base configurada para conectarse con una caldera, boquillas de distribucion de gas configuradas para inyectar gas en la base con el gas inyectado orientado para propulsar combustible solido que alimenta la rampa inclinada de una caldera a la que se conecta la base de la rampa inclinada, y unas boquillas secundarias diferentes de las boquillas de distribucion de gas y configuradas para inyectar fluido para mezclar con el combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, se conecta una fuente de combustible lfquido o particulado con las boquillas secundarias para configurar las boquillas secundarias que inyectan combustible lfquido o particulado para mezclar con combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias comprenden boquillas atomizadoras. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan dispuestas para inyectar fluido para mezclarse con el gas inyectado en la base mediante las boquillas de distribucion de gas. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan dispuestas por encima de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar fluido en la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan configuradas para inyectar fluido en la base de la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan configuradas para inyectar fluido en las boquillas de distribucion de gas. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan dispuestas por debajo de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar fluido en la base de la rampa inclinada. Una placa puede estar dispuesta en la base y dispuesta para separar el gas inyectado en la base de la rampa inclinada mediante las boquillas de distribucion de gas del fluido inyectado en la base de la rampa inclinada mediante las boquillas secundarias.
En algunas ensenanzas ilustrativas descritas en esta invencion, un aparato incluye un alimentador de combustible como se expone en el parrafo inmediatamente anterior, y una caldera de lecho fluidizado a la que esta conectada la base de la rampa inclinada del alimentador de combustible. La caldera de lecho fluidizado incluye un lecho en el que el alimentador de combustible conectado esta configurado para eliminar el combustible solido que alimenta la rampa inclinada y se mezcla con el fluido inyectado mediante las boquillas secundarias.
En algunas ensenanzas ilustrativas descritas en esta invencion, un procedimiento comprende: alimentar combustible solido en una rampa inclinada conectada con una caldera; al mismo tiempo que se alimenta, se inyecta un gas propulsor en la base de la rampa inclinada para propulsar el combustible solido que alimenta la rampa inclinada sobre un lecho de la caldera; y, simultaneamente, con la alimentacion y la inyeccion del gas de propulsion, inyectar un segundo fluido que es diferente del gas de propulsion para mezclar el segundo fluido con el combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, el segundo fluido se inyecta en la rampa inclinada. En algunas ensenanzas el segundo fluido se inyecta en las boquillas de distribucion de gas utilizadas para realizar la inyeccion del gas de propulsion. En algunas ensenanzas, el segundo fluido comprende un combustible lfquido o particulado. En algunas ensenanzas, el segundo fluido comprende un subproducto de la produccion de etanol. En algunas ensenanzas, la inyeccion del gas de propulsion y la inyeccion del segundo fluido operan de forma cooperativa para mezclar el gas de propulsion y el segundo fluido. En algunas ensenanzas, el procedimiento comprende ademas operar la caldera para quemar el combustible solido que alimenta la rampa inclinada, mezclado con el segundo fluido y propulsado sobre el lecho de la caldera mediante el gas de propulsion inyectado. En estas ensenanzas, el funcionamiento de la caldera tambien puede combustionar el segundo fluido mezclado con el combustible solido que se propulsa sobre el lecho de la caldera.
En algunas ensenanzas ilustrativas descritas en esta invencion, un alimentador de combustible de doble fase comprende: una rampa inclinada que tiene un extremo superior y un extremo inferior, el extremo inferior que esta proximo a una base del alimentador de combustible, la rampa que define un recorrido de alimentacion solida; las boquillas de distribucion de gas ubicadas en la base del alimentador de combustible para dirigir un gas en el recorrido de alimentacion solida; y las boquillas secundarias ubicadas de manera que puedan dirigir un lfquido, gas o partfculas en el recorrido de alimentacion solida. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias se colocan entre el extremo inferior de la rampa inclinada y las boquillas de distribucion de gas. En algunas ensenanzas, una placa define la base del alimentador de combustible, y la placa puede ubicarse opcionalmente entre las boquillas de distribucion de gas y las boquillas secundarias. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias son giratorias de modo que se pueda cambiar el angulo al que se dirige el lfquido o las partfculas. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias alimentan las boquillas de distribucion de gas. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan ubicadas cerca del extremo superior de la rampa inclinada. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias pueden alimentarse de forma independiente por una fuente de lfquido volatil y por una fuente de agua. En algunas ensenanzas, las boquillas secundarias estan dispuestas en un patron escalonado en relacion con las boquillas de distribucion de gas.
Los aspectos de la invencion particulares se exponen en las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
A continuacion hay una breve descripcion de los dibujos, que se presentan para los fines de ilustrar las realizaciones descritas en esta invencion y no para los fines de limitar las mismas.
La Figura 1 muestra esquematicamente una caldera ilustrativa de lecho fluidizado burbujeante (BFB) de un diseno conocido.
La Figura 2 muestra esquematicamente una vista en perspectiva en seccion transversal de un alimentador de combustible de fase solida convencional.
La Figura 3 muestra esquematicamente el alimentador de combustible convencional de la Figura 2 visto desde el interior de la caldera.
La Figura 4 muestra esquematicamente una vista lateral en seccion transversal de una realizacion de un alimentador de combustible de doble fase tal como se describe en esta invencion.
La Figura 5 muestra esquematicamente el alimentador de combustible de la Figura 4 visto desde el interior de la caldera.
La Figura 6 muestra un diagrama de la caldera y el alimentador de combustible de doble fase de las Figuras 4 y 5. La Figura 7 muestra esquematicamente una vista lateral en seccion transversal de otra realizacion de un alimentador de combustible de doble fase tal como se describe en esta invencion.
La Figura 8 muestra esquematicamente una vista lateral en seccion transversal de otra realizacion de un alimentador de combustible de doble fase tal como se describe en esta invencion.
La Figura 9 muestra esquematicamente una vista lateral en seccion transversal de otra realizacion no reivindicada de un alimentador de combustible de doble fase tal como se describe en esta invencion.
La Figura 10 muestra esquematicamente una vista lateral en seccion transversal de otra realizacion de un alimentador de combustible de doble fase tal como se describe en esta invencion.
DESCRIPCION DETALLADA
Se puede obtener una comprension mas completa de los componentes, procedimientos y aparatos descritos en este documento por referencia a los dibujos adjuntos. Estas figuras son simplemente representaciones esquematicas en base a la comodidad y facilidad de demostrar la presente divulgacion y, por lo tanto, no estan destinados a indicar el tamano y las dimensiones relativas de los dispositivos o los componentes de la misma y/o definir o limitar el alcance de las realizaciones ejemplares.
Si bien se usan terminos espedficos en la siguiente descripcion en aras de la claridad, estos terminos estan destinados a referirse solo a la estructura particular de las realizaciones seleccionadas para la ilustracion de los dibujos, y no estan destinados a definir o limitar el alcance de la divulgacion. En los dibujos y en la siguiente descripcion, se ha de entender que las designaciones numericas similares se refieren a los componentes de una funcion similar.
Las formas singulares "un", "una" y "el/la" incluyen referencias plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
Tal como se utiliza en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, el termino "que comprende" puede incluir las realizaciones "que consisten en” y que consiste fundamentalmente en". Los terminos "comprende(n)", "incluye(n)", "con", "tiene", "puede", "contiene(n)" y las variantes de los mismos, tal como se usan en esta invencion, estan destinados a ser frases, terminos o palabras de transicion abiertas que requieren la presencia de los componentes/etapas denominadas y permiten la presencia de otros componentes/etapas. Sin embargo, dicha descripcion debe interpretarse como que tambien describe composiciones o procedimientos igual a "que consiste en" y "que consiste fundamentalmente en" los componentes/etapas enumerados, lo que permite la presencia de solo los componentes/etapas denominados, y excluye otros componentes/etapas.
Todos los intervalos descritos en esta invencion incluyen el punto final mencionado y pueden combinarse de manera independiente (por ejemplo, el intervalo de "de 2 vatios a 10 vatios" incluye los puntos finales, 2 vatios y 10 vatios, y todos los valores intermedios). Debe entenderse que los valores numericos incluyen valores numericos que son los mismos cuando se reducen al mismo numero de cifras significativas y valores numericos que difieren del valor establecido en menos del error experimental de la tecnica de medicion convencional del tipo descrito en la presente solicitud para determinar el valor.
Tal como se usa en esta invencion, se puede aplicar un lenguaje aproximado para modificar cualquier representacion cuantitativa que pueda variar sin resultar en un cambio en la funcion basica con la que esta relacionada. Por consiguiente, un valor modificado por un termino o terminos, como "aproximadamente" y "sustancialmente", no puede estar limitado al valor exacto especificado. El modificador "aproximadamente" tambien debe considerarse que describe el intervalo definido por los valores absolutos de los dos puntos finales. Por ejemplo, la expresion "de aproximadamente 2 a aproximadamente 4" tambien describe el intervalo "de 2 a 4".
Algunos de los terminos utilizados en esta invencion son terminos relativos. Los terminos "entrada" y "salida" son relativos a un fluido que fluye a traves de ellos con respecto a una estructura dada, por ejemplo, un fluido fluye a traves de la entrada hacia la estructura y fluye a traves de la salida hacia fuera de la estructura. Los terminos "fase anterior" y "fase posterior" son relativos a la direccion en la que un fluido fluye a traves de varios componentes, es decir, los fluidos fluyen a traves de la fase anterior de un componente antes de fluir a traves de la fase posterior de un componente. Observese que en un bucle, un primer componente puede describirse como que esta en una fase anterior y en una fase posterior de un segundo componente.
Los terminos "horizontal" y "vertical" se utilizan para indicar la direccion en relacion con una referencia absoluta, es decir, el nivel del suelo. Sin embargo, no se debe interpretar que estos terminos requieren que las estructuras sean absolutamente paralelas o absolutamente perpendiculares entre sf Por ejemplo, una primera estructura vertical y una segunda estructura vertical no son necesariamente paralelas entre sf Los terminos "superior" e "inferior" o "base" se usan para referirse a las superficies donde la parte superior siempre es mas alta que la parte inferior/base en relacion con una referencia absoluta, es decir, la superficie de la tierra. Los terminos "hacia arriba" y "hacia abajo" tambien son relativos a una referencia absoluta; hacia arriba siempre esta contra la gravedad de la tierra.
En la medida en que las explicaciones de cierta terminologfa o principios de la caldera y/o las tecnicas del generador de vapor puedan ser necesarias para comprender la presente divulgacion, se remite al lector a Steam/its generation and use, 40a edicion, Stultz y Kitto, Eds. Copyright 1992, The Babcock & Wilcox Company, y a Steam/its generation and use, 41a edicion, Kitto y Stultz, Eds., Copyright 2005, The Babcock & Wilcox Company.
La Figura 2 muestra una ilustracion en perspectiva de una seccion transversal de un alimentador de combustible de fase solida convencional 110 que puede emplearse, por ejemplo, como el alimentador 14 de la caldera BFB ilustrativa 8 de la Figura 1. El alimentador de combustible 110 esta unido a la caldera ubicada en una zona generalmente designada por el numero de referencia 100, y pasa a traves de una pared de tubo 102. De forma alternativa, el alimentador de combustible 110 puede pasar a traves de una pared de horno refractaria (por ejemplo, ladrillo) u otra pared de caldera. El alimentador de combustible 110 esta disenado solo para combustibles solidos y tiene una rampa inclinada 120. El combustible solido alimenta la parte superior 122 de la rampa y se desliza hacia abajo en la parte inferior 124 de la rampa hacia la caldera y entra en contacto con una placa 160. En la base 130 de la rampa a lo largo de la placa, se colocan las boquillas de distribucion de gas 140. Estas boquillas dirigen un gas, como el aire, que propulsa y distribuye el combustible solido fuera de la placa y sobre/dentro del lecho fluidizado (vease la Figura 1, que muestra el lecho 10 ilustrativo). El gas se suministra a las boquillas de distribucion 140 a traves de una tubena de suministro de gas 142 que entra desde el lado izquierdo del alimentador de combustible en el ejemplo ilustrativo. La Figura 3 muestra una vista del alimentador de combustible 110 visto desde el interior de la caldera. Las boquillas de aire 140 son visibles en la base 130, al igual que el punto de salida de la rampa y la placa 160.
Con una caldera de lecho fluidizado, como la caldera BFB ilustrativa 8 de la Figura 1, se desea que el combustible se queme dentro del lecho, no mientras esta en suspension sobre el lecho cuando se inyecta en la caldera por el flujo de aire generado mediante las boquillas de distribucion 140. Esto no es diffcil de conseguir para el combustible solido, que es relativamente denso y se hundira de manera relativamente rapida hacia abajo en el lecho.
Sin embargo, con un combustible ffquido o un combustible de parffculas finas (que actua como un gas), puede ser diffcil asegurar que el combustible entre en el lecho.
Un procedimiento convencional es pulverizar el combustible ffquido sobre el combustible solido en el deposito de combustible antes de introducir el combustible solido en la rampa inclinada 120. Si bien es adecuado para pequenas cantidades (hasta un 10% de la entrada de calor), este procedimiento no ha funcionado bien en grandes cantidades debido a problemas creados al mover el combustible solido humedo desde el deposito de combustible a la caldera. Otro metodo tradicional es inyectar el combustible ffquido directamente en el lecho, ffpicamente desde el fondo debajo del lecho. Esto tambien crea problemas debido a la concentracion del combustible ffquido en pequenas zonas del lecho fluidizado, lo que puede causar la aglomeracion del material del lecho. Este procedimiento de inyectar combustible ffquido directamente en el lecho esta limitado por su baja capacidad para distribuir uniformemente el combustible ffquido por todo el lecho, asf como por restringir la posible qrnmica del combustible ffquido debido a la mala distribucion.
Existe un interes en quemar diversos flujos de residuos de biomasa que son combustibles de oportunidad en fase ffquida. La capacidad de quemar eficazmente dichos flujos de residuos de biomasa de forma segura y economica ampffa la gama de combustibles que se pueden utilizar en una caldera de lecho fluidizado.
Por ejemplo, algunos subproductos de la produccion de etanol a partir de biomasa incluyen el jarabe, grano humedo de destilena (DWG), grano seco de destilena (DDG) y la torta del filtro de lignina (LFC). El termino "jarabe" es sinonimo de "grano de vinote con solubles" y ffpicamente contiene de 20% a 40% de solidos. El termino "grano humedo de destilena" a veces tambien se denomina "torta humeda", y se refiere a un subproducto que contiene grano residual y un mmimo de aproximadamente el 65% de humedad. El termino "grano humedo de destilena" se refiere a (DWG) que se ha secado para contener menos del 50% de humedad. El termino "torta del filtro de lignina" se refiere al producto de residuos solidos del procedimiento de etanol celulosico. El termino "grano seco de destilena con solubles" (DDGS) se refiere a DDF y jarabe combinados. Se contempla que estos subproductos podnan usarse como un combustible que se puede quemar en una caldera. Estos combustibles subproductos de residuos estan presentes tanto en forma solida como lfquida.
Sin embargo, el combustible de residuos de etanol es un buen ejemplo de un combustible lfquido que debe quemarse en el lecho fluidizado en lugar de quemarse en suspension. El jarabe pasa por una fase "plastica" cuando se somete a temperaturas superiores a 250 °F. Esta fase plastica retarda el procedimiento de combustion lo suficiente de manera que las partmulas de la fase plastica en suspension tengan el tiempo suficiente para adherirse a cualquier superficie proxima, lo que conlleva el ensuciamiento.
Los alimentadores de combustible de doble fase descritos en esta invencion se usan adecuadamente para introducir combustibles de fase lfquida dentro del lecho fluidizado de una manera predecible y controlable. En los alimentadores de combustible de doble fase descritos, se incluye un conjunto de boquillas secundarias en el alimentador de combustible, junto con las boquillas de distribucion que inyectan aire. Estas boquillas secundarias se utilizan para dirigir un lfquido o partmulas a la caldera. Se contempla que, en funcionamiento, las boquillas de distribucion de gas del alimentador de combustible ayudaran a arrastrar el lfquido o las partmulas de manera que entren en contacto con el combustible solido y sean transportadas al lecho fluidizado junto con el combustible solido. La distribucion del combustible lfquido se puede ajustar alterando las presiones de gas o lfquido, asf como mediante un diseno adecuado del numero y la ubicacion de las boquillas secundarias que se estan utilizando. Ademas, otros aditivos o compuestos que mejoran el rendimiento pueden introducirse en el lecho fluidizado mediante las boquillas secundarias. Este alimentador de combustible de doble fase se puede utilizar con un lecho fluidizado burbujeante (BFB), un lecho fluidizado circulante (CFB), una caldera con cargador u otra caldera de lecho fluidizado.
En referencia a la Figura 4, se muestra una primera realizacion ilustrativa de un alimentador de combustible de doble fase 310 en una vista lateral en seccion transversal, que puede ser adecuadamente sustituida por el alimentador convencional 14 de la caldera BFB 8 de la Figura 1 a fin de modificar la caldera BFB 8 para que utilice tanto flujos de combustible solido como lfquido. El alimentador de combustible 310 pasa a traves de una abertura formada en una pared del tubo del horno 302 que se ilustra en la Figura 4 con fines de representacion con un solo tubo. De forma alternativa, el alimentador de combustible 310 puede pasar a traves de una pared de horno refractaria (por ejemplo, ladrillo) u otra pared de caldera. El alimentador de combustible 310 incluye una rampa inclinada 320, un conjunto de boquillas de distribucion de gas 340 y un conjunto de boquillas secundarias 350. Una placa 360 define la base 330 del alimentador de combustible 310. La rampa inclinada 320 tiene un extremo superior 322 y un extremo inferior 324, el extremo inferior que esta proximo a la base 330 del alimentador de combustible (es decir, la placa). El combustible solido sigue un recorrido de alimentacion solida 325 desde el extremo superior 322 hasta el extremo inferior 324 y hacia la caldera. Las boquillas de distribucion de gas 340 estan situadas en la base 330 del alimentador de combustible 310 y dirigen un gas hacia el recorrido de alimentacion solida 325. El gas suele ser aire, aunque tambien podna ser un flujo de gas enriquecido o empobrecido en oxfgeno. El gas inyectado a traves de las boquillas de distribucion de gas 340 se utiliza para distribuir el combustible solido alimentado a traves de la rampa 320 por todo el lecho fluidizado 304 (por ejemplo, el lecho burbujeante 10 de la caldera BFB ilustrativa 8 de la Figura 1).
Las boquillas secundarias 350 se colocan de manera que dirijan un combustible lfquido o particulado hacia el recorrido de alimentacion solida 325. En la realizacion de la Figura 4, las boquillas secundarias 350 se colocan entre el extremo inferior 324 de la rampa inclinada 320 y las boquillas de distribucion de gas 340. En consecuencia, el combustible lfquido o particulado inyectado mediante las boquillas secundarias 350 se inyecta en el flujo de gas alimentado mediante las boquillas de distribucion de gas 340. Se espera que para esta configuracion, el flujo de lfquido o partmulas inyectadas mediante las boquillas secundarias 350 sea arrastrada por el gas, haciendo que el lfquido o las partmulas entren en contacto con el combustible solido y sean transportadas al lecho 304 con el combustible solido. En algunas realizaciones, las boquillas secundarias 350 comprenden boquillas atomizadoras que atomizan el lfquido o las partmulas para aumentar la zona superficial expuesta y acelerar la velocidad de combustion. En otras realizaciones, tales como las que emplean etanol como combustible, el tamano de las gotitas de lfquido preferiblemente se maximiza, en cuyo caso preferiblemente no se emplean boquillas atomizadoras. Se pueden usar multiples puntos de inyeccion para distribuir uniformemente el combustible lfquido por todo el combustible solido, y se pueden colocar de modo que el combustible solido capture cualquier partmula lfquida que sea lo suficientemente pequena como para permanecer en suspension. Como se muestra mas adelante en la Figura 4, las boquillas de distribucion de gas 340 son suministradas por una tubena de suministro de gas 342, y las boquillas secundarias 350 son suministradas por una tubena de suministro secundario 352. En la realizacion de la Figura 4, las tubenas de suministro estan desplazadas entre sf; como se ilustra en esta invencion, las lmeas 341 que alimentan las boquillas de distribucion de gas son mas largas que las lmeas 351 que alimentan las boquillas secundarias. Por lo tanto, la tubena de suministro de gas y la tubena de suministro secundario pueden, si se desea, alimentarse desde el mismo lado del alimentador de combustible o alimentarse desde lados opuestos. En la realizacion de la Figura 4, las boquillas de distribucion de gas 340 y las boquillas secundarias 350 estan situadas aproximadamente paralelas entre sf. En general, el gas y el lfquido que salen de las boquillas salen en un patron en forma de cono en expansion, en lugar de en patrones de flujo paralelos que no interactuan. En algunas realizaciones, se contempla que las boquillas secundarias 350 son giratorias a lo largo de un eje horizontal, de modo que el angulo al que se dirige el Ifquido de salida o el combustible particulado se puede ajustar (por ejemplo, para apuntar hacia arriba o hacia abajo). Esto se indica esquematicamente en la Figura 4 mediante una flecha curvilmea 305. Por ejemplo, este ajuste se puede usar para inclinar las boquillas secundarias 350 aun mas en el flujo de gas de las boquillas de distribucion de gas 340 si se desea una mayor interaccion para un lfquido determinado o un tipo de combustible particular; o, a la inversa, el ajuste 305 se puede usar para inclinar las boquillas secundarias 350 alejandolas del flujo de gas de las boquillas de distribucion de gas 340 para que su salida circule mas directamente hacia el recorrido de alimentacion solida 325 y entre en contacto con el combustible solido mas directamente (es decir, con menos interaccion con el flujo de gas).
La Figura 5 muestra una vista del alimentador de combustible 310 visto desde dentro de la caldera (es decir, una vista analoga a la que se muestra en la Figura 3 para el alimentador convencional 110). La Figura 5 muestra la adicion de las boquillas secundarias 350, que estan escalonadas en relacion con las boquillas de distribucion de gas 340. Las boquillas secundarias 350 se muestran en esta invencion en una hilera que esta separada de las boquillas de distribucion de gas 340, y con una boquilla secundaria colocada entre cada par de boquillas de distribucion de gas adyacentes.
La Figura 6 muestra esquematicamente ciertas partes de la caldera 300 con el alimentador de combustible de doble fase 310 de las figuras 4 y 5, incluida la tubena de suministro de gas 342 que alimenta las boquillas de distribucion de gas 340 y la tubena de suministro secundario 352 que alimenta las boquillas secundarias 350. En la Figura 6 esquematica, una fuente de gas 344 alimenta la tubena de suministro de gas 342, que alimenta las boquillas de distribucion de gas 340. En la realizacion ilustrativa de la Figura 6, la tubena de suministro secundario 352 es alimentada por dos fuentes separadas, concretamente, una fuente de lfquido volatil 354 y una fuente de agua 356. La fuente de lfquido volatil 354 proporciona un combustible lfquido, que se puede generar a modo de ejemplo ilustrativo mediante el procesamiento de un material de biomasa, por ejemplo, durante la produccion de etanol de mafz (u otra biomasa). Se contempla que el alimentador de combustible 310 pueda incluir o ser supervisado por un sensor de humedad de combustible 358 ubicado dentro de la caldera 300, y el control del flujo de agua desde la fuente de agua 356 hacia el flujo de combustible a traves de la tubena de suministro secundario 352 y las boquillas secundarias 350 se contempla que sera utilizado para humedecer el combustible solido a un contenido de humedad deseado, por ejemplo para reducir las emisiones de NOx.
La Figura 7 muestra esquematicamente una vista en seccion transversal lateral de una realizacion ilustrativa de un alimentador de combustible de doble fase en el que las boquillas secundarias 350 alimentan directamente las boquillas de distribucion de gas 340. De este modo, el combustible lfquido alimenta directamente el gas, que arrastra el lfquido y entra en contacto con el lfquido solido. La Figura 8 muestra esquematicamente una vista en seccion transversal lateral de una realizacion ilustrativa de un alimentador de combustible de doble fase en el que las boquillas secundarias 350 estan proximas al extremo superior 322 de la rampa inclinada 320.
Esta realizacion coloca el combustible lfquido o particulado de las boquillas secundarias 350 en contacto con el recorrido de alimentacion solida 325 en un punto anterior del flujo en comparacion con cuando el recorrido de alimentacion solida 325 interactua con la salida de gas mediante las boquillas de distribucion de gas 340, y se espera que facilite el transporte de partfculas finas del combustible lfquido por el combustible solido.
La Figura 9 muestra esquematicamente una vista en seccion transversal lateral de una realizacion ilustrativa no reivindicada de un alimentador de doble fase en el que las boquillas secundarias 350 estan ubicadas debajo de la base 330, de modo que la placa 360 separa las boquillas secundarias 350 de las boquillas de distribucion de gas 340. Esta realizacion reduce el efecto del gas inyectado mediante las boquillas de distribucion de gas 340 sobre la dispersion del combustible lfquido inyectado mediante las boquillas secundarias 350, y por ejemplo puede ser util para reducir el efecto potencial de la atomizacion del combustible lfquido por interaccion con el gas de las boquillas de distribucion de gas.
Los alimentadores de combustible de doble fase descritos en esta invencion pueden comprender ademas sensores disenados para ayudar a determinar el estado del lecho fluidizado, la caldera y los diversos combustibles que se estan alimentando. Por ejemplo, se pueden proporcionar sensores de radiacion, sensores qmmicos, sensores termicos o sensores acusticos para detectar radioactividad, sustancias qmmicas en particular, combustion y/o ruido. Dichos sensores, si se proporcionan, se utilizan adecuadamente para la medicion o la supervision. Otro sensor contemplado es una camara utilizada para proporcionar datos visuales. La Figura 6 incluye un ejemplo ilustrativo de dicho sensor, concretamente, el sensor de humedad ilustrativo 358.
Las boquillas secundarias 350 pueden usarse de forma adicional o alternativa para introducir reactivos solidos, gaseosos o lfquidos a traves del alimentador de combustible de doble fase para el control de emisiones u otros fines. Por ejemplo, la piedra caliza podna anadirse al lecho 304 donde se calcina para producir oxido de calcio. El oxido de calcio se combina con el dioxido de azufre y la mitad de una molecula de oxfgeno para formar sulfato de calcio solido (2CaO+2SO2+O2->2CaSO4), eliminando los compuestos de azufre del gas de combustion durante el procedimiento de combustion. La eliminacion de compuestos de azufre significa que hay menos agentes corrosivos dentro del lecho 304 para corroer las superficies del sobrecalentador. Esto tambien reduce el potencial de corrosion.
La temperature del lecho de solidos 304 y/o el gas de combustion dentro de la caldera del lecho fluidizado se puede controlar cambiando la distribucion de combustible dentro del lecho 304, cambiando la distribucion de alimentacion de aire dentro del lecho (vease la Figura 1, especialmente los conductos de aire 18 y tapas de burbujas 20), y/o controlar la cantidad de oxfgeno suministrada al lecho (por ejemplo, aumentando la cantidad de gas de combustion pobre en oxfgeno reciclado a traves del lecho).
Las realizaciones ilustrativas de alimentador de doble fase de la Figura 4 o la Figura 9 son, por ejemplo, adecuadas para su uso con etanol como combustible lfquido. Las realizaciones ilustrativas de alimentador de doble fase de la Figura 7 o la Figura 8 son, por ejemplo, adecuadas para su uso con una cantidad relativamente pequena de combustible de residuos lfquidos, o para la distribucion de un reactivo qmmico.
El numero de boquillas secundarias 350 en el alimentador de doble fase puede ser mayor que el numero necesario para una aplicacion dada. Se contempla que una boquilla secundaria o un grupo de boquillas secundarias se puedan girar dentro y fuera de servicio para combatir el taponamiento o la coquizacion. Cuando se dejan fuera de servicio, la o las boquillas pueden limpiarse con vapor y/o agua para eliminar cualquier acumulacion. En un enfoque, el flujo se supervisa y la presion necesaria para conseguir el flujo de combustible de residuos deseado se puede usar para identificar una boquilla o un grupo de boquillas que se estan obstruyendo o coquinando y que se deben dejar fuera de servicio para su limpieza. Las boquillas de distribucion de gas 340 y/o las boquillas secundarias 350 pueden controlarse individualmente o en grupo utilizando las configuraciones de colector y/o encabezamiento adecuadas y valvulas para accionar boquillas individuales o grupos de boquillas.
En algunas realizaciones, el aire de las boquillas de distribucion de gas 340 puede ayudar en la dispersion del combustible de residuos lfquidos inyectado mediante las boquillas secundarias 350, de modo que los dispositivos de dispersion restrictiva en el o los extremos de la o las boquillas secundarias (por ejemplo, boquillas atomizadoras) puede que no sea necesarios, lo que reduce el potencial y/o la prolongacion del tiempo necesario entre las limpiezas de las boquillas. En otras realizaciones (vease, por ej., la Figura 9), se proporciona una interaccion minima entre la salida de combustible lfquido o particulado mediante las boquillas secundarias 350 y la salida de gas mediante las boquillas de distribucion de gas 340. En general, la posicion inicial de las boquillas secundarias 350 con respecto a las boquillas de distribucion de gas 340 se elige o disena adecuadamente en base a las caractensticas del combustible de residuos u otro combustible lfquido o particulado inyectado mediante las boquillas secundarias 350 y la cantidad de dispersion deseada.
Como se ha mencionado antes, en algunas realizaciones, el angulo de las boquillas secundarias es ajustable (vease el ajuste 305 indicado esquematicamente en la Figura 4). El patron de pulverizacion tambien se puede configurar para controlar la combustion de la suspension y la distribucion en el lecho fluidizado. El patron/dispersion de pulverizacion optima depende del tipo de combustible de residuos. Por ejemplo, si el combustible de residuos es un producto de residuo lfquido de etanol celulosico, entonces se utiliza preferiblemente un patron/dispersion mmimos.
Se puede usar agua y/o vapor para limpiar las boquillas secundarias 350 (o una boquilla seleccionada o un conjunto de boquillas) cada vez que queden fuera de servicio. Un sistema de control (no se muestra) esta configurado opcionalmente para activar automaticamente la limpieza con agua y/o vapor en caso de emergencia. En algunas realizaciones, las valvulas de combustible de residuos estan configuradas para que se cierren en caso de fallo y las valvulas de vapor y/o agua estan configuradas para que se abran en caso de fallo para asegurar que cualquier perdida de senal/potencia haga que el combustible de residuos sea retirado de servicio y las boquillas secundarias se limpien automaticamente.
En referencia a la Figura 10, como se ha senalado anteriormente, el alimentador de combustible de doble fase descrito se puede conectar a cualquier tipo de pared de caldera. Como otro ejemplo ilustrativo, en la Figura 10 se muestra nuevamente el alimentador de combustible de las Figuras 4 y 5, que incluye una rampa inclinada 320 con los extremos superior e inferior 322, 324, boquillas de distribucion de gas 340 y lmeas conectadas 341 y tubena de gas 342, boquillas secundarias 350 y sus lmeas conectadas 351 y tubena de suministro secundaria 352, base y placa 330, 360. El alimentador de combustible se ilustra en la Figura 10 conectado a una caldera que incluye el lecho 304 como en la Figura 4. Sin embargo, en la Figura 10, el alimentador de combustible pasa a traves de una estructura de pared refractaria 400 que comprende una pared de ladrillo/refractaria 402, un aislamiento exterior 404 y una carcasa 406. Esto es de nuevo meramente un ejemplo ilustrativo y, mas generalmente, los alimentadores de combustible de doble fase descritos pueden usarse junto con cualquier tipo de caldera de lecho fluidizado y pueden conectarse a cualquier tipo de pared de caldera.
La presente divulgacion se ha descrito en referencia a las realizaciones ejemplares. Obviamente, a los demas se les ocurriran modificaciones y alteraciones tras la lectura y comprension de la descripcion detallada anterior. Se pretende que la presente divulgacion se interprete como que incluye todas las modificaciones y alteraciones en la medida en que esten dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un alimentador de combustible de doble fase (310) que comprende:
una rampa inclinada (320) que tiene un extremo superior (322) y un extremo inferior (324), estando el extremo inferior proximo a una base (330) del alimentador de combustible, definiendo la rampa un recorrido de alimentacion solida (325);
caracterizado por:
unas boquillas de distribucion de gas (340) ubicadas entre la base del alimentador de combustible y el extremo inferior de la rampa inclinada para dirigir un gas hacia el recorrido de alimentacion solida; y
unas boquillas secundarias (350) colocadas encima de la base del alimentador de combustible para poder inyectar un combustible lfquido o particulado en el recorrido de alimentacion solida.
2. El alimentador de combustible de la reivindicacion 1 en el que las boquillas secundarias se colocan entre el extremo inferior de la rampa inclinada y las boquillas de distribucion de gas.
3. El alimentador de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que las boquillas secundarias son: giratorias de modo que se puede cambiar el angulo al que se dirige el lfquido o el combustible particulado; o configuradas para alimentar las boquillas de distribucion de gas; o ubicadas cerca del extremo superior de la rampa inclinada; o configuradas para alimentarse de forma independiente por una fuente de lfquido volatil y por una fuente de agua; o para alimentarse de forma independiente por una fuente de lfquido volatil y por una fuente de agua, y tambien estar conectadas a un sensor de humedad del combustible; o dispuestas en un patron escalonado en relacion con las boquillas de distribucion de gas.
4. Un aparato que comprende:
el alimentador de combustible de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en el que:
las boquillas de distribucion de gas estan configuradas para inyectar gas en la base con el gas inyectado orientado para propulsar combustible solido que alimenta la rampa inclinada en una caldera a la que esta conectada la base del alimentador de combustible, y
Las boquillas secundarias estan configuradas para inyectar el combustible lfquido o particulado que se mezclara con el combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada.
5. El aparato de la reivindicacion 4 que comprende ademas uno seleccionado de entre el grupo que comprende: una fuente de combustible lfquido conectada con las boquillas secundarias, tales como boquillas atomizadoras, para configurar las boquillas secundarias para que inyecten combustible lfquido para mezclar con combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada; y
una fuente de combustible particulado conectada con las boquillas secundarias para configurar las boquillas secundarias para que inyecten combustible particulado para mezclar con combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada.
6. El aparato de la reivindicacion 4 o 5, en el que las boquillas secundarias son una o mas seleccionadas de entre el grupo que comprende: dispuestas para inyectar combustible lfquido o particulado para mezclarse con el gas inyectado en la base mediante las boquillas de distribucion de gas; dispuestas por encima de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar combustible lfquido o particulado en el alimentador de combustible, por ejemplo, en el que las boquillas secundarias estan configuradas para inyectar combustible lfquido o particulado en la base del alimentador de combustible; y dispuestas por debajo de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar combustible lfquido o particulado en la base del alimentador de combustible.
7. El aparato de la reivindicacion 4 o 5 en el que las boquillas secundarias estan dispuestas debajo de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar combustible lfquido o particulado en la base del alimentador de combustible.
8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7 en el que:
las boquillas de distribucion de gas estan configuradas para inyectar gas en la base con el gas inyectado orientado horizontalmente para propulsar combustible solido que alimenta la rampa inclinada en una caldera a la que esta conectada la base del alimentador de combustible; y
las boquillas secundarias estan dispuestas por encima o por debajo de las boquillas de distribucion de gas y estan configuradas para inyectar combustible lfquido o particulado en la rampa inclinada.
9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10 que comprende ademas:
una caldera de lecho fluidizado a la que esta conectada la base del alimentador de combustible, la caldera de lecho fluidizado que incluye un lecho en el que el alimentador de combustible conectado esta configurado para eliminar el combustible solido que alimenta la rampa inclinada y se mezcla con el combustible lfquido o particulado inyectado mediante las boquillas secundarias.
10. Un procedimiento que comprende:
alimentar combustible solido en una rampa inclinada de un alimentador de combustible que tiene una base conectada con una caldera, la rampa inclinada que tiene un extremo superior y un extremo inferior, el extremo inferior proximo a la base del alimentador de combustible;
al mismo tiempo que se alimenta, inyectar un gas de propulsion en la base del alimentador de combustible de la rampa inclinada para propulsar el combustible solido que se alimenta hacia la rampa inclinada sobre un lecho de la caldera, en el que el gas de propulsion se inyecta a traves de las boquillas de distribucion de gas dispuestas entre el extremo inferior de la rampa y la base del alimentador de combustible; y
simultaneamente con la alimentacion y la inyeccion del gas de propulsion, se inyecta un segundo fluido que es diferente del gas de propulsion para mezclar el segundo fluido con el combustible solido en el alimentador de combustible despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada, en el que el segundo fluido se inyecta a traves de boquillas secundarias dispuestas por encima de la base del alimentador de combustible, y en el que el segundo fluido es un combustible lfquido o particulado.
11. El procedimiento de la reivindicacion 10 en el que la inyeccion del segundo fluido comprende:
inyectar el segundo fluido en la rampa inclinada para mezclar el segundo fluido con el combustible solido despues de que el combustible solido ha alimentado la rampa inclinada.
12. El procedimiento de la reivindicacion 11 en el que el segundo fluido se inyecta en una fase anterior o en una fase posterior de la rampa inclinada del gas de propulsion a lo largo de la rampa inclinada.
13. El procedimiento de la reivindicacion 10, 11 o 12 en el que la inyeccion del segundo fluido comprende: inyectar el segundo fluido en las boquillas de distribucion de gas utilizadas para realizar la inyeccion del gas de propulsion.
14. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que la inyeccion del segundo fluido incluye atomizar el combustible lfquido a medida que se inyecta; o en el que el segundo fluido es un subproducto de la produccion de etanol.
15. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que la inyeccion del gas de propulsion y la inyeccion del segundo fluido operan de forma cooperativa para mezclar el gas de propulsion y el segundo fluido.
16. El procedimiento de las reivindicaciones 10 a 15 que ademas comprende:
operar la caldera para combustionar el combustible solido que alimenta la rampa inclinada, mezclado con el segundo fluido y propulsado sobre el lecho de la caldera mediante el gas de propulsion inyectado.
17. El procedimiento de la reivindicacion 16 en el que el funcionamiento de la caldera tambien combustiona el segundo fluido mezclado con el combustible solido que se propulsa sobre el lecho de la caldera.
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