ES2710890T3 - Procedimiento de combustión en bucle químico con eliminación de las cenizas y polvo de relleno en la zona de reducción, e instalación que utiliza tal procedimiento - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de combustión de una carga hidrocarbonada de partículas sólidas en bucle químico en la que circula un material transportador de oxígeno en forma de partículas, comprendiendo dicho procedimiento al menos: - una puesta en contacto de las partículas de carga sólida con las partículas de material transportador de oxígeno en una primera zona de reacción R1 que trabaja en lecho fluidizado denso; - una combustión de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reacción R1 en presencia de partículas de material transportador de oxígeno en una segunda zona de reacción R2; - una separación de las partículas de carga sólida sin quemar, de cenizas volantes y de partículas de material transportador de oxígeno dentro de una mezcla procedente de la zona R2 en una zona de separación rápida S3 para transportar, con los humos de combustión (13), la mayor parte de las partículas de carga sólida sin quemar y las cenizas volantes y enviar la mayor parte de las partículas de material transportador de oxígeno hacia una zona de oxidación R0; - un desempolvado de los humos (13) procedentes de la zona de separación rápida S3 en una zona de desempolvado de los humos S4 para evacuar un flujo de gases desempolvados (14) y un flujo de partículas (15) que comprenden unas cenizas y unas partículas densas formadas mayoritariamente de partículas de transportador de oxígeno y de partículas de carga sólida sin quemar; - una división del flujo de partículas (15) separadas en la etapa de desempolvado S4 en dos flujos en una zona de división del flujo D7, reciclándose uno hacia la primera zona de reacción R1 que trabaja en lecho fluidizado denso, y el otro enviado hacia una zona de separación por elutriación S5; - una separación por elutriación en dicha zona S5 para recuperar las cenizas y reciclar las partículas densas hacia la primera zona de reacción R1.

Description

DESCRIPCION
Procedimiento de combustion en bucle qmmico con eliminacion de las cenizas y polvo de relleno en la zona de reduccion, e instalacion que utiliza tal procedimiento
Campo de la invencion
El campo de la invencion es el de la combustion en bucle qmmico de oxidorreduccion de cargas hidrocarbonadas solidas, para producir energfa, gas de smtesis y/o hidrogeno.
Mas particularmente, la invencion se refiere a la eliminacion de las cenizas producidas en el reactor de reduccion de la instalacion de combustion en bucle qmmico.
Terminologfa
Procedimiento de “Chemical Looping Combustion” o CLC: a continuacion en el texto, se entiende por procedimiento CLC (Chemical Looping Combustion) un procedimiento de oxidorreduccion en bucle sobre masa activa. Conviene senalar que, de manera general, los terminos oxidacion y reduccion se utilizan en relacion con el estado respectivamente oxidado o reducido de la masa activa. En una instalacion de combustion en bucle qmmico, la zona de oxidacion es aquella en la que la masa oxido-reductora se oxida y la zona de reduccion es aquella en la que se reduce la masa oxido-reductora.
Desvolatilizacion:
Durante un tratamiento termico, los compuestos organicos pierden materias volatiles, en primer lugar el agua y el dioxido de carbono, hidrocarburos lfquidos y despues gaseosos, luego oxido de carbono y finalmente hidrogeno. Estos procesos se denominan desvolatilizacion. La temperatura de desvolatilizacion y la amplitud del fenomeno dependen del compuesto organico de partida. Asf, para carbonos de rango creciente, la desvolatilizacion se produce a temperatura cada vez mas elevada.
Lecho fluidizado:
A continuacion en la descripcion:
- por lecho fluidizado denso, se entiende un lecho fluidizado en el que la fraccion de gas £g es inferior a 0,9, preferentemente inferior a 0,8.
- por lecho fluidizado diluido, se entiende un lecho fluidizado en el que la fraccion volumica de las partmulas de oxidos metalicos es inferior al 10% en volumen.
Tecnica anterior
Problematica de las cenizas
Para efectuar la combustion en bucle qmmico, se utilizan unos materiales transportadores de oxfgeno, tales como los oxidos metalicos que ceden su oxfgeno en una zona de reduccion (denominada “reactor fuel”) en las condiciones de realización apropiadas. Una vez reducido, el material se transporta despues hacia una zona de oxidacion (denominada “reactor aire”) en la que se reoxida al contacto de un gas oxidante (tal como, por ejemplo, el aire o el vapor de agua).
Mas generalmente, un procedimiento de combustion en bucle qmmico comprende una o varias zonas de reaccion en las que se efectua la combustion de un combustible (por ejemplo una carga hidrocarbonada) por puesta en contacto con un solido transportador de oxfgeno que se reoxida despues en al menos una zona de oxidacion por puesta en contacto con aire o vapor de agua antes de reenviarse hacia la o las zonas de combustion (o de reduccion). Las zonas de reaccion que permiten la utilizacion de reacciones de combustion en bucle qmmico estan generalmente constituidas de lechos fluidizados o de lechos transportados.
La combustion en bucle qmmico (CLC) de las cargas hidrocarbonadas solidas es un procedimiento que permite, especialmente, la produccion de energfa (vapor, electricidad, etc.) por recuperacion del calor liberado por las reacciones de combustion, produciendo al mismo tiempo humos ricos en CO2. Por lo tanto, es posible considerar la captacion de CO2 despues de la condensacion de los humos y compresion de los humos. Es tambien posible considerar la produccion de gas de smtesis, incluso de hidrogeno, controlando la combustion y utilizando las purificaciones requeridas aguas abajo del procedimiento de combustion.
En los mecanismos de reaccion asociados a la combustion en bucle qmmico en la zona de reduccion, se establece que el combustible solido pasa por una fase de gasificacion, favorecida por la presencia de vapor de agua o de dioxido de carbono y la temperature, y despues que el gas producido por la etapa de gasificacion se oxida al contacto con el material transportador de oxfgeno. Si el combustible solido contiene materias volatiles, entonces estas se desvolatilizan al menos parcialmente al contacto con el material transportador de oxfgeno caliente y despues se oxidan por este. Es tambien posible, en el caso en el que el material transportador de oxfgeno libere naturalmente el oxfgeno en funcion de las condiciones de realización, tener una oxidacion directa del combustible solido por el oxfgeno gaseoso liberado por el material en el reactor fuel.
La combustion en bucle qmmico de las cargas solidas necesita unas condiciones de realización estrictas y restrictivas para poder realizar las reacciones de combustion. A fin de favorecer la gasificacion del combustible, es necesario situarse a temperaturas elevadas, generalmente comprendidas entre 800 y 1100°C, preferiblemente comprendida entre 850 y 1000°C. El tiempo requerido para efectuar la gasificacion disminuye en funcion de la temperatura y esta generalmente comprendido entre 30 segundos y 30 minutos. En consecuencia, puede ser ventajoso efectuar una gasificacion parcial, separar de los efluentes el residuo combustible no gasificado y reciclarlo. Asf, es posible alcanzar unos porcentajes de conversion (por gasificacion) por paso comprendidos entre el 50 y el 80% en un intervalo de temperaturas comprendidas entre 850°C y l000°C con unos tiempos de reaccion comprendidos entre 1 minuto y 10 minutos, tipicamente comprendido entre 3 y 5 minutos. Aumentando la presion parcial en gas oxidante (H2O, CO2), es posible reducir los tiempos de gasificacion.
Otra dificultad asociada a la realización de la combustion en bucle qmmico de las cargas solidas se refiere a la formacion de cenizas. En efecto, los combustibles solidos tienen unos contenidos en materias minerales no despreciables y una vez efectuada la combustion del carbono y del hidrogeno, se forman unos residuos solidos denominados cenizas. La tabla 1 reune los analisis de dos carbonos A y B a tttulo de ejemplo. Se constata que el contenido de cenizas de los carbonos vana segun el origen de la carga solida, pero que este contenido es no despreciable. Representa tfpicamente del 5 al 20% de la masa de carbono seco. Algunos combustibles solidos tal como el “pet coke” contienen contenidos en cenizas mucho mas reducidos. Existen tambien unos combustibles solidos mas cargados de cenizas.
Estas cenizas estan esencialmente constituidas de oxido de silicio y de aluminio, pero contienen tambien otros componentes, como se ilustra a tttulo de ejemplo en la tabla 1.
Tabla 1: Analisis de diferentes carbonos
Figure imgf000003_0001
Las cenizas que resultan de la combustion del carbon estan constituidas de finas parffculas residuales. Su temperature de fusion vana en funcion de su composicion y esta generalmente comprendida entre 1000 y 1500°C. Sin embargo, a temperatures inferiores, por ejemplo entre 800 y 1000°C, es posible observar un fenomeno de aglomeracion de las parffculas de cenizas que se vuelven pegajosas. Pueden, por lo tanto, o bien aglomerarse entre sf, o bien aglomerarse con las parffculas de material transportador de oxfgeno. Teniendo en cuanta las condiciones de realización en la combustion en bucle qmmico, se distinguen entonces dos tipos de cenizas:
* las cenizas volantes: que corresponden a las cenizas que son transportadas en el Reactor fuel por los gases de combustion;
* las cenizas aglomeradas: que corresponden a las cenizas que se aglomeran entre sf o con el material transportador de oxfgeno y que son demasiado pesadas para transportarse en el Reactor Fuel por los gases de combustion.
Las cenizas volantes representan en general del 50 al 99% de las cenizas formadas, ffpicamente del 70 al 90%. Su granulometna es relativamente fina con, en general, al menos un 25% de polvo de relleno de tamano inferior a 10 micrones y un 90% de polvo de relleno de tamano inferior a 100 micrones, como se ilustra en la figura 3 en la que la distribucion granulometrica ffpica de cenizas volantes se da a fftulo de ejemplo. El diametro de Sauter medio representativo de la granulometna de las cenizas volantes esta generalmente comprendido entre 5 y 30 micrones, ffpicamente proximo a 10 micrones. La masa volumica de grano de estas cenizas esta generalmente comprendida entre 2000 y 3000 kg/m3, generalmente proxima a 2500 kg/m3.
La granulometna de las cenizas aglomeradas es mas diffcil de estimar y depende de las condiciones de realización del procedimiento. De manera general, se estima que estas cenizas tienen una granulometna superior a 100 micrones y su tamano puede ir hasta varios miffmetros.
La solicitud de patente FR 2 850156 describe un procedimiento de combustion en bucle qmmico para el cual el combustible se tritura antes de la entrada en el reactor de reduccion que funciona en lecho fluidizado circulante. El tamano reducido de las parffculas de combustible solido permite una combustion mas completa y mas rapida y permite producir casi el 100% de las cenizas volantes que se separan de los oxidos en circulacion. La separacion aguas abajo del lecho circulante esta asegurada en primer lugar por un ciclon y despues por un dispositivo que permite separar las parffculas sin quemar de las parffculas de oxido metalico. Se evita asf el arrastre de los componentes no quemados en la zona de oxidacion y por lo tanto las emisiones de CO2 en los efluentes del reactor de oxidacion.
El dispositivo de separacion comprende un lecho fluidizado por vapor de agua, que permite separar las parffculas finas y ligeras tales como el residuo carbonado y reintroducir este ultimo en el reactor, mientras que las parffculas mas densas y mas gruesas de oxidos se transfieren hacia el reactor de oxidacion. Este dispositivo contiene dos compartimientos internos.
Ademas, segun el documento FR 2850156, las cenizas volantes se separan de las parffculas de oxidos en un segundo circuito en el que un separador que funciona en lecho fluidizado trabaja la separacion, enviandose las cenizas volantes fluidizadas hacia un silo mediante un transporte neumatico y extrayendose los oxidos metalicos de la base del reactor de lecho fluidizado despues de la elutriacion.
Ademas, las velocidades de gases importantes utilizadas en el reactor de reduccion que trabaja en lecho fluidizado circulante no permite obtener unos tiempos de estancia de las parffculas suficientes para gasificar la totalidad del combustible solido y despues para realizar la combustion de los productos de gasificacion. Por lo tanto, es necesario un reciclado importante de las parffculas de componentes no quemados mediante su paso por el separador. Ahora bien, la separacion de los componentes no quemados de las parffculas de oxidos es delicada ya que necesita la aportacion de gas adicional en gran cantidad, lo que es costoso en energfa.
Ademas, debido al tiempo de estancia demasiado corto, es diffcil realizar una combustion total y los humos contienen unas cantidades importantes de CO y de H2, lo que implica la presencia de una zona de postcombustion aguas abajo del procedimiento.
El documento EP2273192A describe un procedimiento y un dispositivo de combustion en bucle qmmico que comprende una separacion de las parffculas de transportador de oxfgeno.
En la tesis de N. Berguerand "Design and Operation of a 10 kWth Chemical-Looping Combustor for Solid Fuels", ISBN 978-91-7385-329-3, se describe un dispositivo que permite efectuar la combustion de carbon utilizando un bucle qmmico.
Este dispositivo esta compuesto de un reactor de oxidacion que utiliza parffculas metalicas, de un ciclon que permite la separacion de las parffculas y del aire empobrecido despues de la oxidacion, de un lecho fluidizado alimentado de oxidos metalicos oxidados por el tramo de retorno situada debajo del ciclon, en el que se efectua la reduccion del oxido metalico por combustion del carbon. El carbon se alimenta en la parte superior del lecho fluidizado, en la fase diluida. En el reactor de reduccion, la combustion del carbon se efectua progresivamente: las partfculas de carbon empiezan por descender y se desvolatilizan en la fase diluida, a contracorriente de los gases de fluidizacion, y en la que los oxidos metalicos estan presentes solo en cantidad reducida; despues entran en contacto con los oxidos metalicos fluidizados en fase densa. El tiempo de estancia importante permite gasificar el carbon y producir unos gases de combustion que contienen unas cantidades importantes de monoxido de carbono y de hidrogeno que pasan en la fase diluida.
En la fase densa del reactor, las velocidades de fluidizacion son bajas - generalmente comprendidas entre 5 y 30 cm - lo que no permite el arrastre de cantidades significativas de oxidos metalicos en la fase diluida que podnan favorecer la combustion de gases tales como CO, H2 o los hidrocarburos volatilizados que se evacuan de la zona diluida. En consecuencia, las cantidades de CO y de hidrocarburos (HC) en los efluentes del reactor de reduccion son importantes y superiores a varios porcentajes en volumen. El rendimiento de combustion no es por lo tanto muy bueno y una zona de postcombustion es tambien necesaria para terminar la combustion.
Ademas, segun este documento, el reactor de reduccion esta equipado de un separador de partfculas integrado en la fase densa, lo que necesita la adicion de gas adicional para realizar la separacion.
En este sistema, no se preve dispositivo espedfico que permita la separacion y la evacuacion de las cenizas formadas durante la combustion de las cargas solidas.
Para paliar los inconvenientes de los dos sistemas descritos anteriormente, los solicitantes han desarrollado un procedimiento de combustion en bucle qmmico mejorado que permite, incluso a partir de partfculas de combustible en estado sin elaborar, obtener una combustion total de la carga solida minimizando la cantidad de carga solida a reciclar, lo que permite maximizar el rendimiento energetico del procedimiento. Este procedimiento de combustion segun la invencion permite captar al menos el 90% del CO2 emitido por la combustion en los humos directamente a la salida del reactor de combustion, definiendose el porcentaje de captacion por la relacion entre la cantidad de CO2 emitido en los humos procedentes del reactor de combustion sobre la cantidad de CO2 emitida en el procedimiento de combustion en bucle qmmico.
En la salida del procedimiento de combustion, la relacion molar CO/CO2 de los humos aguas abajo de los ciclones es inferior a 0,05 y la relacion H2/H2O es inferior a 0,05. Esto se realiza por una parte gracias a la optimizacion del contacto inicial entre las partfculas que transportan el oxfgeno y el combustible solido para favorecer las reacciones de gasificacion del carbon, y por otro lado, por la optimizacion del contacto entre los productos de gasificacion y los oxidos metalicos a fin de producir unos efluentes que han sufrido una combustion total (H2, CO y HC < 1% vol. En los humos).
Por otro lado, la separacion de las partfculas de combustible no quemadas de las partfculas de oxidos metalicos se efectua aguas arriba de la etapa de desempolvado de los humos del reactor de reduccion para utilizar lo mejor posible la energfa cinetica maxima de los humos para la separacion de los dos tipos de partfculas.
El procedimiento en bucle qmmico comprende:
- una puesta en contacto de las partfculas de carga solida en presencia de partfculas de oxidos metalicos en una primera zona de reaccion (R1) que trabaja en lecho fluidizado denso,
- una combustion de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion en presencia de partfculas de oxidos metalicos en una segunda zona de reaccion R2,
- una separacion dentro de una mezcla procedente de la zona del gas, de las partfculas sin quemar, y de las partfculas de oxidos metalicos en una zona de separacion S3,
- una reoxidacion de las partfculas de oxidos metalicos en una zona de oxidacion antes de reenviarlas hacia la zona de puesta en contacto (R1).
Aguas abajo de la zona de separacion de las partfculas de componentes no quemados y de las partfculas de oxidos metalicos, un sistema de desempolvado que comprende, por ejemplo, pueden preverse uno o varios niveles de ciclones para separar las partfculas arrastradas en los humos de la zona de combustion del reactor fuel. Las cenizas volantes se arrastran en los humos hacia este sistema de desempolvado con las partfculas de combustible solido sin quemar. A fin de maximizar el rendimiento energetico de la instalacion, es necesario recuperar lo esencial de las partfculas sin quemar de combustible y por lo tanto efectuar un desempolvado completo. Este desempolvado permitira entonces recuperar las partfculas no quemadas pero tambien una parte importante de las cenizas volantes que estaran por lo tanto recicladas hacia el reactor fuel.
Es posible posicionar un recinto que comprende un lecho fluidizado sobre el conducto que canaliza las partfculas separadas durante la etapa de desempolvado para eliminar por elutriacion las cenizas volantes. Este medio no permite no obstante controlar separadamente la elutriacion de las cenizas y la elutriacion de las partfculas sin quemar. En efecto, en este caso, una buena eliminacion de las cenizas producidas se traduce consecutivamente por una eliminacion importante de partfculas sin quemar y por lo tanto una bajada del rendimiento energetico o una bajada del porcentaje de captacion de CO2.
Ademas, en el caso en el que unas partfculas del material transportador de oxfgeno se arrastran hacia la zona de desempolvado, es necesario dimensionar un lecho fluidizado de grandes dimensiones a fin de dejar un tiempo suficiente a la separacion por elutriacion en el lecho fluidizado.
Para paliar ademas los inconvenientes relacionados con la eliminacion simultanea de las partfculas sin quemar y de las cenizas, se propone una nueva configuracion de la zona de combustion (zona de reduccion o “reactor fuel”) que permite realizar:
- una puesta en contacto de las partfculas de carga solida en presencia de partfculas de oxidos metalicos en una primera zona de reaccion (R1) que trabaja en lecho fluidizado denso,
- una combustion en fase diluida de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion en presencia de partfculas de oxidos metalicos en una segunda zona de reaccion R2, que trabaja preferentemente en lecho fluidizado diluido,
- una separacion de las partfculas dentro de una mezcla procedente de la zona de combustion en fase diluida R2, que permite recuperar con los humos la mayona de las partfculas no quemadas, en una zona de separacion S3, - un desempolvado de los humos procedentes de la zona de separacion S3 en una zona de desempolvado de los humos S4,
- una division del flujo de partfculas separadas en la etapa de desempolvado en dos flujos, uno reciclado hacia la zona de puesta en contacto del reactor de reduccion que trabaja en fase densa, el otro enviado hacia una zona de separacion por elutriacion S5 que permite la recuperacion de las cenizas, en una zona de division del flujo D7.
Descripcion de la invencion
Objetos de la invencion
La invencion se refiere a un procedimiento mejorado de combustion de una carga hidrocarbonada solida en bucle qmmico que utiliza una configuracion particular de la zona de reduccion con: una primera zona de reaccion (R1) que trabaja en lecho fluidizado denso; una segunda zona de reaccion R2; una zona de separacion rapida S3 para la separacion de las partfculas de carga solida sin quemar, de cenizas volantes y de partfculas de material transportador de oxfgeno dentro de una mezcla procedente de la zona R2; un desempolvado de los humos S4; una zona de division del flujo D7 de partfculas, estando una parte de las partfculas directamente reciclada hacia la primera zona de reaccion (R1), la otra enviada hacia una zona de separacion por elutriacion S5 para recuperar las cenizas por un conducto (18) y reciclar las partfculas densas por un conducto (20) hacia la primera zona de reaccion (R1).
La invencion se refiere tambien a una instalacion de combustion en bucle qmmico que permite realizar dicho procedimiento.
Resumen de la invencion
La invencion se refiere a un procedimiento de combustion de una carga hidrocarbonada de partfculas solidas en bucle qmmico en la que circula un material transportador de oxfgeno en forma de partfculas, comprendiendo dicho procedimiento al menos:
- una puesta en contacto de las partfculas de carga solida con las partfculas de material transportador de oxfgeno en una primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso;
- una combustion de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion R1 en presencia de partfculas de material transportador de oxfgeno en una segunda zona de reaccion R2;
- una separacion de las partfculas de carga solida no quemadas, de cenizas volantes y de partfculas de material transportador de oxfgeno dentro de una mezcla procedente de la zona R2 en una zona de separacion rapida S3 para transportar, con los humos de combustion (13), la mayor parte de las partfculas de carga solida sin quemar y las cenizas volantes y enviar la mayor parte de las partfculas de material transportador de oxfgeno hacia una zona de oxidacion R0;
- un desempolvado de los humos (13) procedentes de la zona de separacion rapida S3 en una zona de desempolvado de los humos S4 para evacuar un flujo de gases desempolvados (14) y un flujo de partfculas (15) que comprende cenizas y partfculas densas formadas mayoritariamente de partfculas de transportador de oxfgeno y de partfculas de carga solida sin quemar;
- una division del flujo de partfculas (15) separadas en la etapa de desempolvado S4 en dos flujos en una zona de division del flujo D7, reciclandose uno hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso, el otro enviado hacia una zona de separacion por elutriacion S5;
- una separacion por elutriacion en dicha zona S5 para recuperar las cenizas y reciclar las partfculas densas hacia la primera zona de reaccion R1.
En un modo de realización, el procedimiento comprende tambien:
- una sedimentacion de las cenizas de nucleo aglomeradas en la parte baja de la primera zona de reaccion R1, en una zona de fluidizacion S6 situada debajo de la primera zona de reaccion R1,
- una extraccion de un flujo de partfculas (24) que comprende al menos un 10% en masa de cenizas de chimenea aglomeradas.
Preferentemente, se fluidiza la zona S6 por un gas con una velocidad del gas de fluidizacion en la seccion de paso mas grande de la zona S6 que no excede 3 veces la velocidad minima de fluidizacion del material transportador de oxfgeno.
La extraccion de las cenizas aglomeradas de la zona de fluidizacion S6 se efectua ventajosamente mediante un tornillo enfriado.
La carga solida se puede seleccionar entre el carbon, el coke, el pet-coke, la biomasa, las arenas bituminosas y los desechos domesticos.
Preferentemente, el material portador de oxfgeno es un solido pulverulento con un tamano de partfculas tal que la distribucion granulometrica es del 90% comprendida entre 150 y 300 micrones.
De manera preferida, el gas de fluidizacion introducido en la zona de separacion por elutriacion S5 esta compuesto al menos en parte de los humos producidos por la combustion de la carga solida.
De manera muy preferida, el gas de fluidizacion introducido en la zona de separacion por elutriacion S5 esta compuesto totalmente por los humos producidos por la combustion de la carga solida.
De manera ventajosa, el flujo directamente reciclado hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado representa al menos un 50% del flujo que llega en la zona de division del flujo D7. De manera muy ventajosa, el flujo directamente reciclado hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso representa al menos un 80% del flujo que llega en la zona de division del flujo d7.
La concentracion en cenizas volantes en la mezcla de partfculas que circula en la zona de combustion es, de manera preferida, inferior al 5% en peso, de manera muy preferida inferior al 1% en peso.
La invencion se refiere tambien a una instalacion para realizar la combustion de una carga hidrocarbonada solida en un bucle qrnmico de oxidorreduccion segun el procedimiento descrito anteriormente, comprendiendo dicha instalacion al menos:
- una zona de oxidacion R0,
- una primera zona de reaccion R1 que comprende una alimentacion en carga solida (10), una alimentacion de gas de fluidizacion (11) y una alimentacion en partfculas de transportador de oxfgeno (8) procedentes de la zona de oxidacion R0,
- una segunda zona de reaccion R2 que recibe un efluente gaseoso de combustion que contiene unas partfculas que provienen de la primera zona de reaccion R1,
- una zona de separacion rapida S3 de las partfculas solidas, que recibe un efluente gaseoso de combustion de la segunda zona de reaccion R2 que contiene cenizas, partfculas de transportador de oxfgeno y partfculas de carga solida sin quemar y que comprende un conducto de salida (9) para evacuar la parte mas grande de las partfculas de material portador de oxfgeno hacia la zona de oxidacion R0,
- una zona de desempolvado de los humos S4 que recibe, por su admision (13) las partfculas mas ligeras arrastradas por los gases de combustion procedentes de la zona de separacion rapida S3,
- una zona de division del flujo D7 que recibe, por su admision (15) un flujo de partfculas separadas de los humos en la zona de desempolvado de los humos S4, comprendiendo dicho flujo unas cenizas y unas partfculas densas formadas principalmente de partfculas de transportador de oxfgeno y de partfculas de carga solida sin quemar, - una zona de separacion por elutriacion S5 que recibe, por su admision (17) una parte minoritaria del flujo de partfculas dividido en la zona de division del flujo D7 y que comprende un conducto (19) que permite la introduccion de un gas de fluidizacion y un conducto (18) de evacuacion de las partfculas ligeras que comprende esencialmente cenizas volantes y polvo de relleno de material portador de oxfgeno,
- un conducto (16) procedente de la zona de division del flujo D7 para reciclar directamente una parte principal del flujo de partfculas dividido en la zona de division del flujo D7 hacia la primera zona de reaccion R1,
- un conducto (20) procedente de la zona de separacion por elutriacion S5 para reciclar las partfculas densas separadas por elutriacion hacia la primera zona de reaccion R1.
Preferentemente, la seccion de paso de la segunda zona de reaccion R2 es inferior a la seccion de paso de la primera zona de reaccion R1.
En un modo de realización, la instalacion comprende una zona de sedimentacion de las cenizas aglomeradas de chimenea situada debajo de la primera zona de reaccion R1 que comprende:
- un conducto de alimentacion de cenizas aglomeradas (21),
- una zona de fluidizacion S6,
- uno o varios conductos (22) que permiten la introduccion de un gas de fluidizacion,
- un conducto (23) de salida de las partfculas de portador de oxfgeno para reciclarlas hacia la primera zona de reaccion R1,
- medios de extraccion de un flujo de partfculas (24) que comprende al menos un 10% en masa de cenizas de nucleo aglomeradas.
La zona de fluidizacion S6 es preferentemente una zona troncoconica de semi-angulo con respecto a la vertical inferior o igual a 15°.
Descripcion detallada de la invencion
El procedimiento de combustion en bucle qmmico segun la invencion comprende una zona de reduccion que permite:
- una puesta en contacto de las partfculas de carga solida en presencia de partfculas de oxidos metalicos en una primera zona de reaccion que trabaja en lecho fluidizado denso,
- una combustion en fase diluida de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion en presencia de partfculas de transportador de oxfgeno (por ejemplo de partfculas de oxidos metalicos) en una segunda zona de reaccion,
- una separacion de las partfculas dentro de una mezcla procedente de la zona de combustion en fase diluida, que permite recuperar, con los humos, la mayona de las partfculas de componentes no quemados,
- un desempolvado de los humos procedentes de la zona de separacion,
- una division del flujo de partfculas separadas en la etapa de desempolvado en dos flujos, uno reciclado hacia la zona de puesta en contacto del reactor fuel que trabaja en fase densa, el otro enviado hacia una zona de separacion por elutriacion que permite la recuperacion de las cenizas.
El flujo directamente reciclado hacia la primera zona de reaccion en lecho fluidizado denso, sin pasar por la etapa de separacion, representa ventajosamente una parte principal del flujo recuperado durante la etapa de desempolvado, es decir al menos un 50%, preferiblemente al menos un 80%. En estas condiciones, una mayona del carbon sin quemar se recicla en el reactor de reduccion (“reactor fuel”). Una parte de las cenizas volantes se recicla tambien hacia el reactor de reduccion, pero su concentracion en el flujo de partfculas que circulan sigue siendo limitada. Optimizando el funcionamiento de la zona de reduccion, es posible obtener una concentracion de cenizas volantes inferior al 5% con respecto al caudal de material transportador de oxfgeno que circula en la zona de reduccion, y preferiblemente inferior al 1%.
El flujo enviado hacia la zona de separacion por elutriacion de las cenizas representa ventajosamente una parte minoritaria del flujo recuperado durante la etapa de desempolvado, es decir menos del 50%, preferiblemente menos del 20% del flujo que sale de la zona de reduccion La zona de separacion de las cenizas esta, por ejemplo, constituida de un lecho fluidizado cuya velocidad de fluidizacion se selecciona cuidadosamente para permitir selectivamente la eliminacion de las finas partfculas y particularmente las cenizas con los gases de fluidizacion. Inevitablemente, unas partfculas de carbon sin quemar y las finas partfculas de material transportador de oxfgeno se arrastran con las cenizas de esta zona de separacion. Las partfculas mas pesadas, es decir las grandes partfculas de carbon sin quemar y lo esencial de las partfculas de material transportador de oxfgeno siguen en el lecho fluidizado y son despues recicladas hacia el reactor fuel.
El funcionamiento de la instalacion es optimo cuando no hay acumulacion de cenizas en el reactor fuel. En estas condiciones, el caudal de cenizas separadas y arrastradas con los gases de fluidizacion en la zona de separacion por elutriacion corresponde al caudal de cenizas volantes generado por la combustion del carbon en bucle qmmico en el reactor fuel disminuido del caudal de cenizas evacuado en los humos de combustion o en los efluentes del reactor aire. Aumentando la circulacion de oxidos hacia el elutriador, se aumenta la cantidad de cenizas evacuadas mediante el elutriador y se limita la concentracion en cenizas que circulan en el reactor fuel. En consecuencia, se limitan asf los riesgos de aglomeracion entre las cenizas y el oxido metalico durante la combustion.
Por otro lado, en el caso en el que las partfculas transportadoras de oxfgeno sufren una degradacion mecanica (atricion) que conduce a la creacion de polvos de relleno, es posible ajustar las condiciones de funcionamiento de la zona de separacion para eliminar no solo las cenizas volantes de combustion, sino tambien las finas partfculas de material transportador de oxfgeno que han sufrido una atricion. En estas nuevas condiciones, el funcionamiento de la instalacion es optimo cuando el caudal de partfculas separadas y arrastradas con los gases de fluidizacion en la zona de separacion corresponde al menos al caudal de cenizas volantes generado por la combustion del carbon en bucle qmmico en el reactor fuel y al caudal de partfculas de oxidos metalicos que han sufrido la atricion, disminuido del caudal de partfculas evacuadas en los humos de combustion o en los efluentes del reactor de aire. Esto permite entonces evitar la acumulacion de cenizas y de finas partfculas de material transportador de oxfgeno en la instalacion.
Otro objeto de la presente invencion consiste en completar el dispositivo descrito anteriormente para disponer de un sistema de evacuacion de las cenizas aglomeradas, integrando un sistema de sedimentacion de las cenizas aglomeradas en la parte baja de la primera zona de reaccion que trabaja en lecho fluidizado en fase densa. Este dispositivo permite asf evacuar la totalidad de las cenizas aglomeradas que se forman en la zona de reduccion (reactor fuel). En esta configuracion, las cenizas aglomeradas se evacuan de la zona de reduccion en un flujo concentrado, en el que la concentracion masica en cenizas aglomeradas es de al menos un 10%, preferiblemente de al menos un 50%.
Descripcion de las figuras
La invencion se ilustra mediante las figuras 1,2 y 3, que no presentan un caracter limitativo.
La figura 1 describe el principio general de la invencion, que comprende una zona de reduccion en su modo de realización preferido (con sedimentacion de las cenizas aglomeradas).
La figura 2 describe una realización particular de las zonas de reaccion R1, R2 y de la zona de separacion S3. La figura 3 muestra un ejemplo de distribucion granulometrica representativa de las cenizas volantes, en el que se representa el porcentaje en peso cumulado en funcion del diametro de las partfculas (dp en micrones).
Figura 1:
La zona de reduccion (reactor fuel) esta constituida principalmente de 3 zonas:
- una primera zona R1 de puesta en contacto de las partfculas de carga solida en presencia de partfculas de oxidos metalicos que trabaja en lecho fluidizado denso,
- una zona de combustion (o segunda zona de reaccion) R2 de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion en presencia de las partfculas de oxido metalico y de combustible solido procedente de la zona R1, que trabaja preferentemente en lecho fluidizado diluido,
- una zona de separacion rapida (S3) dentro de una mezcla procedente de la zona de combustion R2 que permite la separacion del gas, de las partfculas de combustible solido sin quemar, y de las partfculas de oxidos metalicos.
La instalacion comprende ademas una zona de desempolvado de los humos S4, una zona de separacion por elutriacion S5, una zona de sedimentacion de las cenizas aglomeradas S6 y una zona de division del flujo D7.
Como simplificacion, la zona de oxidacion del bucle qmmico se representa esquematicamente por la zona en lmea discontinua de puntos (R0) en la figura 1.
El material transportador de oxfgeno que vuelve de la zona de oxidacion R0 (no representada aqm) se introduce preferiblemente en la zona de puesta en contacto en lecho fluidizado denso R1 del reactor de reduccion por un conducto (8). Las partmulas mas pesadas que salen de la zona de separacion rapida (S3) por un conducto (9) alimentan la zona de oxidacion (R0) (reactor aire). El combustible solido se introduce en la zona de puesta en contacto R1 por uno o varios conductos de alimentacion con combustible (10). La zona de puesta en contacto R1 se fluidiza mediante una alimentacion de gas de fluidizacion (11), generalmente un gas oxidante tal como vapor de agua o CO2, introducidos solos o en mezcla.
En esta primera zona fluidizada en fase densa R1, el combustible solido expuesto a la temperatura en presencia de un gas oxidante sufre una desvolatilizacion de las materias volatiles y una gasificacion parcial. La combustion en bucle qmmico de los gases formados empieza en esta zona. El tiempo de estancia de las partmulas en esta primera zona esta generalmente comprendido entre 0,25 y 20 minutos, preferentemente entre 2 y 10 minutos. La velocidad superficial del gas esta generalmente comprendida entre 0,3 y 3 m/s en las condiciones de reaccion en salida de la primera zona de reaccion R1.
En esta zona, la concentracion de oxidos metalicos es al menos igual al 10% en volumen y la temperatura esta generalmente comprendida entre 800 y 1000°C, preferentemente superior a 900°C.
Los gases de desvolatilizacion, de gasificacion y de combustion transportan las partmulas en la segunda zona de reaccion R2, que trabaja preferiblemente en regimen fluidizado diluido de transporte, en la que se efectua principalmente las reacciones de combustion de los gases de desvolatilizacion y de gasificacion residuales. En esta zona, el tiempo de estancia medio de los gases esta generalmente comprendido entre 1 y 20 segundos, el tiempo medio de estancia de los solidos vana entre 2 segundos y 1 minuto. La velocidad del gas en esta zona vana preferiblemente entre 3 y 30 m/s, preferiblemente entre 5 y 15 m/s, y el flujo de solidos transportadores de oxfgeno vana entre 25 y 500 kg/s/m2, y esta preferiblemente comprendido entre 60 y 300 kg/s/m2 para favorecer un buen contacto entre los gases y las partmulas de oxido metalico. En estas condiciones, se busca obtener una concentracion en volumen en partmulas inferior al 10%, preferiblemente inferior al 5%.
La mezcla gas partmulas procedente de la segunda zona de reaccion R2 se introduce despues en la zona de separacion (S3), en la que se realiza una separacion rapida de las partmulas mas pesadas (esencialmente las partmulas de material transportador de oxfgeno) de las paiimulas mas ligeras. Las partmulas mas pesadas salen de la zona de separacion (S3) por el conducto de evacuacion (9) y se evacuan hacia la zona de reaccion de oxidacion R0 (reactor aire). A fin de favorecer la separacion de las partmulas densas de las partmulas ligeras en la zona de separacion S3, un conducto de alimentacion de gas adicional externo (12) puede introducirse en el recinto S3 para fluidificar las partmulas densas en la parte inferior del recinto alrededor del conducto de salida de la segunda zona de reaccion R2.
Las partmulas mas ligeras, constituidas en lo esencial de las partmulas de combustible no quemado, de las cenizas volantes y de las partmulas mas ligeras de material transportador de oxfgeno se arrastran con los gases de combustion que contienen esencialmente CO2 y vapor de agua y salen del reactor fuel por un conducto de evacuacion (13). Preferentemente, la velocidad superficial del gas en la fase diluida de la zona S3, que resulta del flujo de los humos de combustion y de la adicion eventual de un gas externo, corresponde a un valor comprendido entre el 30 y el 300% de la velocidad terminal de cafda media de las partmulas de portador de oxfgeno, preferentemente comprendido entre el 50 y el 150% de la velocidad terminal de cafda media de las partmulas de portador de oxfgeno.
El conducto (9) permite evacuar las partmulas mas densas del medio, es decir la mayona de las partmulas de oxido metalico, reducidas despues del contacto con el carbon en las zonas R1 y R2 hacia el reactor de oxidacion (reactor aire, esquematicamente representado por la zona en lmea discontinua de puntos (R0)) asf como cantidades reducidas de cenizas volantes y el combustible sin quemar que no se habna separado en la zona S3.
Las partmulas ligeras que salen con los gases de combustion de la zona de reduccion por el conducto de evacuacion (13) se dirigen despues hacia una zona de desempolvado S4 constituida de uno o dos niveles de separacion. La separacion se efectua por ejemplo en ciclones, elementos tecnologicos bien conocidos por el experto en la materia. Este desempolvado permite recuperar al menos el 99% de las partmulas arrastradas en los humos de combustion en la salida del reactor fuel, preferiblemente al menos el 99,5% de las partmulas. Los gases desempolvados salen de la zona de desempolvado S4 por un conducto de evacuacion (14) y son dirigidos hacia eventuales post-tratamientos aguas abajo de la zona de reaccion, tales como: zonas de recuperacion de calor que permiten disminuir la temperatura de los humos cerca de su punto de rodo produciendo al mismo tiempo vapor mediante intercambio termico, una zona de disminucion de contaminantes (SOx, NOx, etc.), una zona de desempolvado ultimo que permite disminuir el contenido de partfculas en los humos a una concentracion suficiente para permitir la compresion del CO2, una zona de condensacion del vapor de agua, y una zona de compresion de los humos que contienen principalmente CO2 despues de la condensacion del agua de combustion.
Las partfculas de los humos se evacuan de la zona de combustion por un conducto de evacuacion (15) y dirigidos -al menos para las partfculas procedentes del primer nivel de separacion en el caso en el que se utilizan varios niveles - hacia una zona de division de flujo D7, constituida por ejemplo de un lecho fluidizado provisto de un conducto de entrada de partfculas (15) y de dos conductos de salida de partfculas posicionadas preferiblemente en la fase densa del lecho fluidizado (16) y (17), o de cualquier otro medio conocido por el experto en la materia, tal como, por ejemplo, un doble sifon. Estos dos flujos (16) y (17) comprenden unas composiciones de partfculas similares.
El flujo de partfculas (16) constituye preferentemente una parte mayoritaria, a saber al menos un 50%, preferiblemente al menos un 80% del flujo de partfculas transportado en el conducto (13), y se recicla directamente en la primera zona de reaccion R1.
El flujo de partfculas (17), que constituye preferentemente una parte minoritaria del flujo inicial, se dirige hacia una zona de separacion por elutriacion S5, constituida, por ejemplo, de un lecho fluidizado en el que las partfculas salen por un conducto de evacuacion (18), se arrastran con el gas de fluidizacion, que se introduce por un conducto de alimentacion (19). Las partfculas densas, es decir las grandes partfculas de carbon sin quemar y lo esencial de las partfculas de material transportador de oxfgeno, sigue en la fase densa del lecho fluidizado y se reciclan despues hacia la primera zona de reaccion R1 por el conducto (20). En el lecho fluidizado que constituye la zona de separacion por elutriacion S5, la velocidad se ajusta para permitir la eliminacion de un resto de cenizas volantes que corresponde al caudal de cenizas generadas por la combustion por arrastre. El diametro del recinto S5 que permite eliminar las cenizas se ajusta en funcion de la cantidad de cenizas previstas. En efecto, el arrastre de las partfculas a partir de un lecho fluidizado depende de la concentracion en partfculas arrastrables en el lecho fluidizado y de la seccion en deposito vacfo del elutriador. La velocidad del gas se ajusta tambien en funcion de los imperativos de separacion. La velocidad del gas tiene tambien un papel sobre la cantidad de material arrastrable, pero afecta a las propiedades de los materiales arrastrados. Cuanto mas importante sea la velocidad, mas posible sera arrastrar partfculas mas pesadas. De manera general, la velocidad del gas esta comprendida entre 0,3 y 1,5 m/s, preferiblemente en el intervalo de 0,4 a 1 m/s para alcanzar unos flujos de partfculas arrastradas que vanan entre 0,01 y 5 kg/s/m2, preferiblemente comprendidos entre 0,05 y 0,5 kg/s/m2 Cuanto mas importante sea la velocidad, mas baja es la concentracion de cenizas en el flujo residual (20) reciclado en el reactor fuel.
La zona de separacion por elutriacion S5 se fluidiza con un gas seleccionado con cuidado en funcion de las limitaciones del procedimiento. Es posible efectuar la elutriacion con un gas vector compuesto de aire. En estas condiciones, el gas de fluidizacion reoxida al menos parcialmente las partfculas del material transportador de oxfgeno y las partfculas de combustible solido sin quemar. Es entonces posible disponer en estas condiciones de medios que permitan extraer calor en esta zona para enfriar el lecho fluidizado y/o sus efluentes gaseosos. En estas condiciones, los humos (18) que resultan de la zona de separacion por elutriacion no se mezclan con los humos del reactor de reduccion procedentes del conducto de evacuacion (14) pero pueden, por ejemplo, mezclarse con los efluentes gaseosos del reactor aire o tratados separadamente.
Es tambien posible utilizar un gas tal como el CO2 para efectuar la separacion por elutriacion en el lecho fluidizado. En estas condiciones, los efluentes del elutriador que salen por el conducto (18) pueden mezclarse con los humos del reactor fuel que salen por el conducto de evacuacion (14), despues de un post-tratamiento que permite la elutriacion de las partfculas de carbon, tal como, por ejemplo, una zona de post-combustion de las partfculas no quemadas de carbon.
Otros gases tales como el vapor de agua se pueden tambien considerar para efectuar la separacion por elutriacion. De manera preferida, el flujo de partfculas entre el divisor de flujo D7 y la primera zona de reaccion R1, entre el divisor D7 y el separador elutriador S5, y entre el separador elutriador S5 y la zona R1 del reactor de reduccion se controla por la utilizacion de valvulas no mecanicas tales como valvulas en L.
La zona de separacion por elutriacion S5 permite eliminar las finas partfculas de cenizas. La separacion por elutriacion permite tambien eliminar las finas partfculas de oxido metalico generadas por atricion en el procedimiento. La eleccion de una velocidad de elutriacion importante permite asf eliminar las partfculas de oxido metalico que transportan el oxfgeno deterioradas por la circulacion de partfculas entre el reactor aire (zona de oxidacion) y el reactor fuel (zona de reduccion).
En un modo de realización preferido, una zona fluidizada S6 que permite la sedimentacion de las cenizas de chimenea, que tienen un tamano muy importante con respecto a las partfculas de material transportador de oxfgeno y de combustible solido, esta dispuesta debajo de la zona de puesta en contacto R1, para permitir evacuar las cenizas de chimenea. Esta zona se alimenta por una mezcla de partfculas que contienen esencialmente unas cenizas aglomeradas y oxido metalico, pero tambien bajas cantidades de cenizas volantes y de combustible por el conducto (21). La zona de separacion S6 se fluidiza a una velocidad de fluidizacion baja, que corresponde a 1 a 10 veces la velocidad mmima de fluidizacion de las partmulas de material transportador de ox^geno por un gas, preferiblemente oxidante tal como H2O o CO2 solo o en mezcla, introducido por uno o varios conductos de alimentacion (22). Las partmulas aglomeradas mas densas tenderan a sedimentar al fondo de la zona S6, mientras que las partmulas mas ligeras (transportador de oxfgeno no aglomerado, cenizas volantes y carbon sin quemar son muy fluidizadas y pueden reciclarse en la zona R1 por medio del conducto (23).
En la base de la zona S6, unos medios de extraccion tales como un tornillo sin fin enfriado permiten sustraer un flujo de partmulas (24) que contienen en masa una concentracion de al menos un 10% de cenizas de chimenea.
Figura 2:
La figura 2 describe una realización particular de la zona de reduccion del procedimiento segun la invencion. A modo de simplificacion, la zona de oxidacion del bucle qmmico no se representa en la figura 2.
En la figura 2, la zona de reduccion en tres zonas (R1, R2, S3) esta constituida de un lecho fluidizado denso R1 coronado de un cono de aceleracion que desemboca en un tubo de transporte R2 que permite un flujo en lecho fluidizado diluido, desembocando el tubo de transporte R2 en la zona de separacion S3 constituida de un recinto de gran diametro en el que la velocidad del gas se ajusta para permitir la separacion de las partmulas de transportador de oxfgeno evacuadas principalmente en (9) de las partmulas mas ligeras (combustible sin quemar, cenizas volantes y polvos de relleno del material transportador de oxfgeno, evacuadas en (13) en la lmea de humos. Los medios de desempolvado en la lmea de humos (13) estan constituidos de dos niveles de ciclones en serie S4. Las partmulas separadas por estos ciclones S4 se inyectan en un lecho fluidizado D7, que trabaja a una velocidad de fluidizacion proxima a la velocidad minima de fluidizacion para evitar cualquier arrastre de partmulas con el gas de fluidizacion, y que permite dividir en dos el flujo de las partmulas separadas gracias a dos conductos (16) y (17) conectados a la fase densa del lecho fluidizado D7. El flujo (16) se recicla hacia el reactor de reduccion y el flujo (17) se dirige hacia el lecho fluidizado S5. En el lecho fluidizado (5), la velocidad impuesta al gas de fluidizacion es importante y favorece el arrastre de las partmulas ligeras (cenizas volantes y eventualmente combustible sin quemar y polvos de relleno de material transportador de oxfgeno) que salen con el gas de fluidizacion en el conducto (18). El resto de las partmulas se recicla en la primera zona de puesta en contacto del reactor de reduccion R1.
En la prolongacion hacia abajo de la zona R1 de combustion en fase densa, una seccion troncoconica S6 permite la sedimentacion de las cenizas aglomeradas que migraran progresivamente hacia la parte baja de la seccion troncoconica S6. La velocidad de fluidizacion impuesta a lo largo de la seccion troncoconica S6 esta preferiblemente comprendida entre 1 y 3 veces la velocidad minima de fluidizacion de las partmulas de material transportador de oxfgeno para favorecer la sedimentacion de las cenizas aglomeradas, que son mucho mas gruesa que el material transportador de oxfgeno. En estas condiciones, las partmulas de oxidos no aglomeradas, las cenizas volantes y el combustible pueden ir y venir entre la zona S6 y la zona R1. El semi-angulo de cono con la vertical esta preferiblemente comprendido entre 5 y 30°, preferiblemente proximo a 15°. En la base del cono, un tornillo sin fin enfriado permite la evacuacion de las cenizas aglomeradas en mezcla con una fraccion de partmulas de material transportador de oxfgeno. Se dispone en la seccion troncoconica aireaciones en niveles partiendo de la base del cono. En la base del cono, en el primer nivel, la aireacion inyectada corresponde por ejemplo a un caudal que genera 1 a 3 veces la velocidad minima de fluidizacion del material transportador de oxfgeno al segundo nivel situado mas arriba en el cono. En el segundo nivel, el caudal inyectado corresponde al complemento de aireacion necesario que genera 1 a 3 veces la velocidad minima de fluidizacion del material transportador de oxfgeno al tercer nivel situado mas arriba en el cono y asf consecutivamente hasta alcanzar la base del reactor fuel. En funcion de la altura del cono, se ajusta el numero de aireacion a fin de disponer inyecciones cada metro aproximadamente. El gas de aireacion inyectado es preferiblemente CO2 o vapor de agua.
El funcionamiento del procedimiento descrito esta favorecido por la utilizacion de material transportador de oxfgeno que tiene una composicion granulometrica y una masa volumica de grano que favorece la separacion con las partmulas de cenizas volantes, de combustible sin quemar y de cenizas aglomeradas. Es asf preferible tener una composicion granulometrica del transportador de oxfgeno tal que un 90% de las partmulas en peso tienen una granulometna comprendida entre 100 y 500 micrones, preferiblemente un 90% entre 150 y 300 micrones, y de manera aun mas preferida un 95% comprendida entre 150 y 300 micrones.
Por otra parte, la masa volumica de grano de las partmulas de transportador de oxfgeno es preferiblemente superior a 2500 kg/m3, de manera preferida superior a 3400 kg/m3, de manera aun mas preferida superior a 4000 kg/m3. Figura 3: la figura 3 representa la distribucion granulometrica de las cenizas volantes generadas por la combustion de carbon en bucle qmmico segun el ejemplo siguiente.
Ejemplo
El ejemplo siguiente permite ilustrar la invencion, apoyandose sobre la simulacion del funcionamiento de una instalacion de 3 MWth.
Esta instalacion se alimenta por un caudal de carbon de 420 kg/h, caracterizado por un contenido en cenizas del 13,9% en peso y un contenido en materias volatiles del 29,9%.
El carbon se alimenta en el reactor fuel con una granulometna caracterizada por el hecho de que menos del 2% del carbon tiene un tamano de partfculas superior a 200 micrones.
La composicion granulometrica del material transportador de ox^geno es tal que mas del 90% de la granulometna esta comprendida entre 150 y 300 micrones, y la masa volumica del material transportador de oxfgeno es proxima de 4000 kg/m3.
La distribucion granulometrica de las cenizas volantes se da, a tftulo de ejemplo, en la figura 3.
El reactor fuel esta compuesto de 3 zonas:
- una primera zona de reaccion R1 por puesta en contacto de las partfculas de carga solida en presencia de partfculas de oxidos metalicos en lecho fluidizado denso,
- una zona de combustion en fase diluida (segunda zona de reaccion R2) de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion en presencia de partfculas de oxidos metalicos,
- una zona de separacion de las partfculas S3 dentro de una mezcla procedente de la zona de combustion en fase diluida, que permite recuperar, con los humos, la mayona de las partfculas de componentes no quemados.
La combustion se efectua en el reactor fuel por contacto con un oxido metalico que transfiere un 1,9% en peso de oxfgeno, con un caudal que proviene del reactor aire estimado a 35500 kg/h aproximadamente.
El flujo (13) arrastrado en la salida de la zona de separacion rapida S3 esta compuestos de fines partfculas de oxido metalico, de cenizas volantes y de partfculas de carbon sin quemar.
La composicion de este flujo es la siguiente
oxido metalico: 6000 kg/h
cenizas: 340 kg/h
carbon sin quemar = 100,5 kg/h
Despues del desempolvado, las partfculas separadas que salen por el conducto (15) y arrastradas hacia el lecho fluidizado divisor D7 tienen la composicion siguiente:
oxido metalico: 5990 kg/h
cenizas: 333 kg/h
carbon sin quemar = 100 kg/h
El lecho fluidizado D7 separa el flujo (15) en dos flujos (16) y (17) de composicion identica que contiene respectivamente el 85% y el 15% del flujo (15). El lecho fluidizado D7 es un lecho fluidizado de 60 cm de diametro que trabaja a la velocidad de fluidizacion de 8 cm/s. La composicion del flujo (22) que alimenta el lecho fluidizado elutriador es la siguiente:
oxido metalico: 899 kg/h
cenizas: 50 kg/h
carbon sin quemar = 15 kg/h
La composicion del flujo (16) reenvidado al reactor fuel es la siguiente:
oxido metalico: 5091 kg/h
cenizas: 283 kg/h
carbon sin quemar = 85 kg/h
El elutriador permite eliminar aproximadamente el 80% de las cenizas del flujo (17). El elutriador es aqu un lecho fluidizado de 0,8 m de diametro que trabaja a una velocidad de fluidizacion de 0,75 m/s.
El elutriador se fluidiza aqu por CO2, por un conducto (19). La composicion del flujo arrastrado al elutriador por el conducto (18) es la siguiente.
oxido metalico: 29 kg/h
cenizas: 40 kg/h
carbon sin quemar = 12 kg/h
La composicion del flujo que sale por el conducto (20) y que permite el reciclaje de las partfculas no arrastradas al elutriador hacia el reactor fuel es la siguiente:
oxido metalico:870 kg/h
cenizas: 10 kg/h
carbon sin quemar = 3 kg/h
La parte de abajo de la zona de puesta en contacto R1 del fuel reactor, de 917 mm de diametro se prolonga en su parte inferior (debajo) por un cono de semi-angulo de 15° con la vertical de altura 1711 mm en el que se han dispuesto 2 niveles de aireacion, uno a la base del cono que permite introducir 7 kg/h de vapor, el otro situado a media altura que permite introducir 20 kg/h de vapor. En estas condiciones, la velocidad media de fluidizacion del oxido metalico es cercana a 2 a 3 veces la velocidad minima de fluidizacion de los oxidos metalicos y permite sustraer aproximadamente 9 kg/h de cenizas aglomeradas de diametro medio comprendido entre 0,5 y 5 mm a la base del cono por unos medios de extraccion (24) que comprenden un tornillo de extraccion enfriado, en mezcla con 30 kg/h de oxido metalico.
El flujo (9) que evacua las partfculas no separadas en S3 hacia el reactor aire (R0) tiene la composicion siguiente: oxido metalico: 35441 kg/h
cenizas: 2 kg/h
carbon sin quemar = 8 kg/h
Las cenizas y el carbon evacuados hacia el reactor aire se eliminan durante la reoxidacion del oxido metalico. El carbon se quema en el reactor aire al contacto del aire y las cenizas se eliminan mediante el paso en un ciclon. La cantidad exacta de oxido metalico destinado a compensar las perdidas de oxido durante la elutriacion se efectua en el reactor aire por intermitencia.
El ejemplo anterior ilustra bien el funcionamiento de un procedimiento en bucle qmmico de combustion del carbon que permite una eliminacion de las cenizas en continuo.
Asf, la combustion del carbon genera un caudal de cenizas de 58 kg/h. Estas se eliminan del procedimiento en los flujos siguientes:
- cenizas volantes arrastradas hacia el reactor aire (zona de oxidacion R0) por el flujo (9) despues de la sedimentacion en mezcla con el material transportador de oxfgeno en la zona de separacion rapida S3 = 2 kg/h - cenizas aglomeradas del nucleo extrafdas por el tornillo de extraccion (24) = 9 kg/h
- cenizas volantes arrastradas aguas abajo de los ciclones S4 con los humos del reactor fuel en el flujo (14) = 7 kg/h - cenizas volantes arrastradas en los efluentes gaseosos que salen por el conducto (18) del elutriador S5 = 40 kg/h Gracias a esta eliminacion en continuo, la acumulacion de cenizas en la instalacion sigue siendo limitada (circulacion de cenizas en el reactor fuel de 350 kg/h con respecto a una circulacion de oxido de 35500 kg/h, es decir una concentracion de aproximadamente un 1%).
Ademas, el carbon se quema esencialmente en el reactor fuel al contacto del oxido metalico, lo que permite considerar unos porcentajes de captacion superiores al 90%. En efecto, 420 kg/h de carbon se introducen en el reactor fuel.
El carbon sin quemar arrastrado hacia el reactor aire (R0) por el conducto (9) representa un caudal de 8 kg/h.
El carbon sin quemar arrastrado en el elutriador S5 por el conducto (18) representa un caudal de 12 kg/h.
El carbon sin quemar arrastrado en la salida de la zona de desempolvado de los humos S4 por el conducto (14) representa un caudal de 0,5 kg/h.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de combustion de una carga hidrocarbonada de partfculas solidas en bucle qmmico en la que circula un material transportador de oxfgeno en forma de partfculas, comprendiendo dicho procedimiento al menos: - una puesta en contacto de las partfculas de carga solida con las partfculas de material transportador de oxfgeno en una primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso;
- una combustion de los efluentes gaseosos procedentes de la primera zona de reaccion R1 en presencia de partfculas de material transportador de oxfgeno en una segunda zona de reaccion R2;
- una separacion de las partfculas de carga solida sin quemar, de cenizas volantes y de partfculas de material transportador de oxfgeno dentro de una mezcla procedente de la zona R2 en una zona de separacion rapida S3 para transportar, con los humos de combustion (13), la mayor parte de las partfculas de carga solida sin quemar y las cenizas volantes y enviar la mayor parte de las partfculas de material transportador de oxfgeno hacia una zona de oxidacion R0;
- un desempolvado de los humos (13) procedentes de la zona de separacion rapida S3 en una zona de desempolvado de los humos S4 para evacuar un flujo de gases desempolvados (14) y un flujo de partfculas (15) que comprenden unas cenizas y unas partfculas densas formadas mayoritariamente de partfculas de transportador de oxfgeno y de partfculas de carga solida sin quemar;
- una division del flujo de partfculas (15) separadas en la etapa de desempolvado S4 en dos flujos en una zona de division del flujo D7, reciclandose uno hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso, y el otro enviado hacia una zona de separacion por elutriacion S5;
- una separacion por elutriacion en dicha zona S5 para recuperar las cenizas y reciclar las partfculas densas hacia la primera zona de reaccion R1.
2. Procedimiento segun la reivindicación 1, que comprende:
- una sedimentacion de las cenizas de nucleo aglomeradas en la parte de abajo de la primera zona de reaccion R1, en una zona de fluidizacion S6 situada debajo de la primera zona de reaccion R1,
- una extraccion de un flujo de partfculas (24) que comprende al menos un 10% en masa de cenizas de nucleo aglomeradas.
3. Procedimiento segun la reivindicación 2, en el que se fluidiza la zona S6 por un gas con una velocidad del gas de fluidizacion en la seccion de paso mas grande de la zona S6 que no excede 3 veces la velocidad minima de fluidizacion del material transportador de oxfgeno.
4. Procedimiento segun la reivindicación 3, en el que la extraccion de las cenizas aglomeradas de la zona de fluidizacion S6 se efectua mediante un tornillo enfriado.
5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, segun el cual la carga solida se selecciona entre el carbon, el coke, el pet-coke, la biomasa, las arenas bituminosas y los desechos domesticos.
6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el material portador de oxfgeno es un solido pulverulento con un tamano de partfculas tal que la distribucion granulometrica esta al 90% comprendida entre 150 y 300 micrones.
7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el gas de fluidizacion introducido en la zona de separacion por elutriacion S5 esta compuesto al menos en parte de los humos producidos por la combustion de la carga solida.
8. Procedimiento segun la reivindicación 7, en el que el gas de fluidizacion introducido en la zona de separacion por elutriacion S5 esta compuesto en totalidad por los humos producidos por la combustion de la carga solida.
9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que el flujo directamente reciclado hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso representa al menos un 50% del flujo que llega en la zona de division del flujo D7.
10. Procedimiento segun la reivindicación 9, en el que el flujo directamente reciclado hacia la primera zona de reaccion R1 que trabaja en lecho fluidizado denso representa la menos el 80% del flujo que llega en la zona de division del flujo D7.
11. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la concentracion en cenizas volantes en la mezcla de partfculas que circula en la zona de combustion es inferior al 5% en peso.
12. Procedimiento segun la reivindicación 11, en el que la concentracion en cenizas volantes en la mezcla de partfculas que circula en la zona de combustion es inferior al 1% en peso.
13. Instalacion para realizar la combustion de una carga hidrocarbonada solida en un bucle qmmico de oxidorreduccion segun el procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 12, comprendiendo al menos dicha instalacion:
- una zona de oxidacion R0,
- una primera zona de reaccion R1 que comprende una alimentacion en carga solida (10), una alimentacion en gas de fluidizacion (11) y una alimentacion en partfculas de transportador de oxfgeno (8) procedentes de la zona de oxidacion R0,
- una segunda zona de reaccion R2 que recibe un efluente gaseoso de combustion que contiene unas partfculas que provienen de la primera zona de reaccion R1,
- una zona de separacion rapida S3 de las partfculas solidas, que recibe un efluente gaseoso de combustion de la segunda zona de reaccion R2 que contiene unas cenizas, unas partfculas de transportador de oxfgeno y unas partfculas de carga solida sin quemar y que comprende un conducto de salida (9) para evacuar la parte mas grande de las partfculas de material portador de oxfgeno hacia la zona de oxidacion R0,
- una zona de desempolvado de los humos S4 que recibe por su admision (13) las partfculas mas ligeras arrastradas por los gases de combustion procedentes de la zona de separacion rapida S3,
- una zona de division del flujo D7 que recibe por su admision (15) un flujo de partfculas separadas de los humos en la zona de desempolvado de los humos S4, comprendiendo dicho flujo unas cenizas y unas partfculas densas formadas mayoritariamente de partfculas de transportador de oxfgeno y de partfculas de carga solida sin quemar, - una zona de separacion por elutriacion S5 que recibe por su admision (17) una parte minoritaria del flujo de partfculas dividido en la zona de division del flujo D7 y que comprende un conducto (19) que permite la introduccion de un gas de fluidizacion y un conducto (18) de evacuacion de las partfculas ligeras que comprenden esencialmente unas cenizas volantes y unos polvos de relleno de material portador de oxfgeno,
- un conducto (16) procedente de la zona de division del flujo D7 para reciclar directamente una parte mayoritaria del flujo de partfculas dividido en la zona de division del flujo d7 hacia la primera zona de reaccion R1,
- un conducto (20) procedente de la zona de separacion por elutriacion S5 para reciclar las partfculas densas separadas por elutriacion hacia la primera zona de reaccion R1.
14. Instalacion segun la reivindicación 13, en la que la seccion de paso de la segunda zona de reaccion R2 es inferior a la seccion de paso de la primera zona de reaccion R1.
15. Instalacion segun una de las reivindicaciones 13 o 14, que comprende una zona de sedimentacion de las cenizas aglomeradas de nucleo situada debajo de la primera zona de reaccion R1 que comprende:
- un conducto de alimentacion en cenizas aglomeradas (21),
- una zona de fluidizacion S6,
- uno o varios conductos (22) que permite la introduccion de un gas de fluidizacion,
- un conducto (23) de salida de las partfculas de portador de oxfgeno para reciclarlas hacia la primera zona de reaccion R1,
- medios de extraccion de un flujo de partfculas (24) que comprende la menos un 10% en masa de cenizas de nucleo aglomeradas.
16. Instalacion segun la reivindicación 15, en la que la zona de fluidizacion S6 es una zona troncoconica de semiangulo con respecto a la vertical inferior o igual a 15°.
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