ES2960571T3 - Dispositivo y procedimiento para la combustión química en bucle con un separador de partículas provisto de un conducto de entrada inclinado - Google Patents

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Abstract

La invención se refiere a un dispositivo y método de combustión de bucle químico, en el que el extremo del conducto de admisión (4) que desemboca en la cámara del separador (1) está inclinado con respecto a un plano horizontal (H). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento para la combustión química en bucle con un separador de partículas provisto de un conducto de entrada inclinado
La presente invención se refiere al campo de la separación de partículas, y más precisamente de partículas de óxidos metálicos, por una parte, y de partículas de no quemados eventualmente asociadas a cenizas voladoras, por otra parte, en el contexto de la combustión química en bucle para producir energía, gas de síntesis y/o hidrógeno.
La combustión química en bucle (abreviada como CLC por Chemical Looping Combustion) consiste en poner en contacto, en un recinto de alta temperatura, una carga de hidrocarburo gaseoso, líquido y/o sólido con un sólido de tipo óxido metálico y portador de oxígeno. El óxido metálico cede parte del oxígeno que contiene, participando éste en la combustión de los hidrocarburos.
Al final de la combustión, los humos contienen mayoritariamente óxidos de carbono, agua y eventualmente hidrógeno. En efecto, no es necesario poner la carga hidrocarbonada en contacto con el aire. Los humos son por lo tanto compuestos mayoritariamente por gases de combustión, y eventualmente por un gas de dilución que sirve para el transporte y la fluidización de las partículas o por un gas (por ejemplo vapor de agua) que favorece la gasificación del combustible sólido.
Así, es posible producir, después de la condensación, humos mayoritariamente libres de nitrógeno y que contienen cantidades de dióxido de carbono CO<2>altas (generalmente mayor que 90% en volumen, incluso 98%), lo que permite considerar la captura y después el almacenamiento de CO<2>. El óxido metálico que ha participado en la combustión se transporta después a otro recinto de reacción en el que se pone en contacto con el aire u otro gas oxidante para ser reoxidado.
La implementación de un procedimiento de combustión química en bucle requiere cantidades de óxidos metálicos importantes para quemar todo el combustible. Estos óxidos metálicos están generalmente contenidos en partículas de mineral o bien en partículas resultantes de tratamientos industriales (residuos de la industria siderúrgica o minera, catalizadores usados de la industria química o del refinado). También se pueden usar materiales sintéticos, tales como, por ejemplo, soportes de alúmina o de sílice-alúmina sobre los que se han depositado metales oxidables que se pueden oxidar (níquel por ejemplo). La capacidad máxima de oxígeno realmente disponible varía considerablemente de un óxido a otro y está comprendido generalmente entre 0,1 y 15%, y frecuentemente entre 0,3 y 6% en peso. La realización en lecho fluidizado es, por lo tanto, particularmente ventajosa para llevar a cabo la combustión. En efecto, las partículas de óxidos finamente divididas circulan más fácilmente en los recintos de reacciones de combustión y de oxidación, así como entre estos recintos, si se confiere a las partículas las propiedades de un fluido.
La solicitud de patente FR 2 850 156 describe un procedimiento de combustión química en bucle para el cual el combustible sólido se tritura antes de entrar en el reactor de reducción que funciona en un lecho fluidizado circulante. El tamaño reducido de las partículas de combustible sólido permite una combustión más completa y más rápida. La separación aguas abajo del lecho circulante está garantizada en primer lugar por un ciclón y después por un dispositivo que permite separar las partículas de no quemados de las partículas de óxido metálico. Así, se evita el arrastre de no quemados a la zona de oxidación y, por lo tanto, las emisiones de CO<2>en los efluentes del reactor de oxidación.
El separador de partículas está fluidizado por vapor de agua, lo que permite separar las partículas finas y ligeras, tales como el residuo carbonado, y reintroducir este último en el reactor, mientras que las partículas más densas y grandes de óxidos se transfieren hacia el reactor de oxidación.
La solicitud de patente FR 2896709 tiene como objeto un separador de partículas que funciona en un procedimiento en bucle químico. Este separador está alimentado por el flujo de partículas que transportan el oxígeno mezcladas con el combustible sólido. En el separador, las partículas fluyen en fase densa siguiendo un camino tortuoso y pasando a través de obstáculos, lo que permite controlar el tiempo de estancia y favorecer la separación de las partículas ligeras (partículas de no quemados) de las partículas pesadas (óxidos metálicos). Las partículas se introducen entonces en una zona de fluidización, controlándose dicha fluidización mediante medios situados en la base del separador, pero también en la pared de los deflectores, lo que permite arrastrar las partículas más ligeras que después se reciclan hacia el reactor de fluidización.
El funcionamiento del separador según la solicitud de patente FR 2 896 709 induce varios inconvenientes no despreciables.
Así, la eficiencia de separación se reduce teniendo en cuenta una limitación a nivel de la capacidad de arrastre de partículas en la fase gaseosa. En efecto, para arrastrar importantes cantidades de partículas, es necesario utilizar cantidades de gas, así como secciones libres, importantes.
Además, en una fase densa, es imposible separar totalmente dos fases sólidas diferentes. En efecto, el movimiento ascendente de las burbujas de gas provoca paradójicamente un descenso de las partículas ligeras hacia la fase densa e impide la separación total.
Además, la geometría del separador del documento FR 2896 709 es muy complicada por la presencia de internas, en particular internas asimétricas. Esta geometría es problemática debido a las tensiones mecánicas que sufren los materiales que constituyen el separador en las condiciones de temperatura del procedimiento CLC, generalmente mayor que 800°C. En efecto, si las paredes externas suelen estar frecuentemente protegidas por cemento refractario y permanecen a baja temperatura, no es el caso de las paredes internas que se llevan a las condiciones del procedimiento.
Para paliar estos inconvenientes, la solicitud de patente FR 2960941 (WO 2011/151537) se refiere a un separador de partículas en el que la mezcla de partículas que proviene de la zona de combustión se pone en contacto con un flujo gaseoso que proviene de la zona de combustión y/o de una fuente gaseosa externa. Esta mezcla ingresa después a la fase diluida del separador de partículas. En el separador de partículas, la velocidad del flujo de gas se controla de manera a permitir la sedimentación de las partículas más pesadas (esencialmente partículas de óxidos metálicos), siendo arrastradas las partículas más ligeras (esencialmente partículas de no quemados) hacia la parte superior del separador de partículas para ser recicladas hacia la zona de combustión.
Este tipo de separador de partículas resulta satisfactorio, en particular, debido a una separación eficaz de las partículas. Sin embargo, es deseable hacer más homogénea la distribución del flujo de partículas en el separador, de manera a optimizar los rendimientos del separador de partículas.
Con este objetivo, la presente invención se refiere a un dispositivo y a un procedimiento de combustión química en bucle tal como se describe en la solicitud de patente FR 2960 941 (WO 2011/151537), para el que el extremo del conducto de entrada que desemboca dentro del recinto del separador está inclinado con respecto a un plano horizontal. Esta inclinación del extremo de entrada permite la entrada según una dirección parcialmente lateral (es decir con un componente horizontal), lo que permite una distribución más homogénea del flujo de partículas en el separador de partículas. Así, se mejoran los rendimientos del separador de partículas, en particular en términos de separación de partículas, y es posible reducir la altura del separador de partículas, y en consecuencia limitar el coste del mismo, y a fortiori mejorar los rendimientos y reducir los costes del dispositivo y del procedimiento de combustión química en bucle.
Dispositivo y procedimiento según la invención.
La invención se refiere a un dispositivo de combustión química en bucle que utiliza un combustible sólido que genera partículas de no quemados y que utiliza partículas portadoras de oxígeno, tales como óxidos metálicos, y que comprende al menos una zona de combustión, un separador de partículas contenidas en una mezcla gaseosa que proviene de dicha zona de combustión, y un separador gas-sólido, comprendiendo dicho separador de partículas un recinto provisto de al menos un conducto de entrada conectado a dicha zona de combustión, al menos un conducto de evacuación situado en la parte inferior de dicho recinto y al menos un conducto de salida situado en la parte superior de dicho recinto y unido a dicho separador gas-sólido, siendo capaz dicho recinto de comprender una fase densa en la parte inferior y una fase diluida en la parte superior. Dicho conducto de entrada comprende sucesivamente, en la dirección de la entrada, una porción vertical (19), un codo (20) y un extremo de entrada inclinado (21), estando dicho extremo de entrada (21) inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal (H), y desembocando dentro de dicho recinto.
Según una realización, dicho ángulo a está comprendido entre 10 y 70°, preferiblemente entre 30 y 50°.
Preferiblemente, dicha porción vertical de dicho conducto de entrada está a una distancia D del centro de dicho recinto estrictamente positivo y menor que 4 A, preferiblemente menor que 2 A, y de manera preferida menor que 1,5 A, siendo A una dimensión entre el centro de dicho recinto y una pared lateral de dicho recinto.
Según una implementación, el diámetro C de dicho extremo de entrada inclinado está comprendido entre 0,5 y 4 L, preferiblemente entre 1 L y 3 L, de manera preferida entre 1 L y 2 L, siendo L el diámetro de dicha porción vertical de dicho conducto de entrada.
Según un aspecto, dicho conducto de entrada es totalmente externo a dicho recinto, desembocando el extremo de entrada sobre una pared lateral de dicho recinto.
Alternativamente, dicho conducto de entrada es al menos parcialmente interno a dicho recinto, atravesando dicho conducto de entrada la pared inferior de dicho recinto.
Ventajosamente, dicho separador de partículas comprende entre 1 y 20, preferentemente entre 1 y 10, y de manera preferida entre 1 y 4 conductos de entrada.
Según una realización, dicho conducto de entrada desemboca en dicho recinto en la parte superior de dicho recinto y es capaz de comprender dicha fase diluida.
Según una característica, la inclinación de dicho extremo de entrada de dicho conducto de entrada está dirigida hacia el eje longitudinal de dicho recinto.
Además, la invención se refiere a un procedimiento de combustión química en bucle que utiliza un combustible sólido que genera partículas de no quemados, que utiliza partículas portadoras de oxígeno, tales como óxidos metálicos, y que utiliza un dispositivo de combustión química en bucle según una de las características anteriores. Para este procedimiento, se implementan las siguientes etapas:
a) se deja entrar una mezcla gaseosa que proviene de dicha zona de combustión, que comprende partículas y gases de combustión, en el recinto de dicho separador de partículas por medio de al menos un conducto de entrada;
b) se extraen las partículas más ligeras constituidas mayoritariamente por partículas de no quemados a través de una salida en la parte superior de dicho recinto, y se evacuan las partículas más pesadas constituidas mayoritariamente por partículas portadoras de oxígeno a través de dicho conducto de evacuación en la parte inferior de dicho recinto;
c) se envía un flujo de gas que comprende las partículas ligeras de no quemados extraídas por dicho conducto de salida en la parte superior del recinto hacia dicho separador gas-sólido;
d) se evacua de dicho separador gas-sólido un gas empobrecido en partículas de no quemados a través de un conducto; y
e) se reciclan las partículas de no quemados separadas en dicho separador gas-sólido hacia dicha zona de combustión por un conducto de comunicación, procedimiento en el que
dicho conducto de entrada comprende sucesivamente, en la dirección de la entrada, una porción vertical, un codo y un extremo de entrada inclinado, estando dicho extremo de entrada inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal, y desembocando dicho extremo de entrada dentro de dicho recinto.
Breve presentación de las figuras.
Otras características y ventajas del procedimiento y del dispositivo según la invención aparecerán con la lectura de la siguiente descripción de ejemplos no limitativos de realización, con referencia a las figuras adjuntas y que se describen a continuación.
La Figura 1 ilustra el dispositivo y el procedimiento de combustión química en bucle según una realización de la invención.
Las Figuras 2a a 2d ilustran el conducto de entrada del separador de partículas según cuatro realizaciones de la invención.
La Figura 3 ilustra un separador de partículas según una realización de la invención.
La Figura 4 ilustra, en vista de arriba, un separador de partículas según la realización de la invención de la Figura 3. Las Figuras 5a, 5b y 5c ilustran una comparación de la distribución de velocidades en un separador, para dos realizaciones según la técnica anterior (Figuras 5a y 5b), y una realización según una variante de la invención (Figura 5c).
Descripción detallada de la invención
La Figura 1 describe, esquemáticamente y de manera no limitativa, el dispositivo y el procedimiento de combustión química en bucle según una realización de la invención.
La zona 2 representa la zona de combustión de un procedimiento de combustión química en bucle (CLC: abreviatura para el grupo de palabras inglés Chemical Looping Combustion) en la que se introduce una carga sólida a través de un conducto 7, partículas portadoras de oxígeno a través de un conducto 8 que proviene de la zona de oxidación (no representada) del procedimiento de CLC y un gas de fluidización suministrado por un conducto 12 tal como, por ejemplo, vapor de agua o CO<2>para favorecer la fluidización de las partículas de óxidos.
La carga (o combustible) sólida tratada en la zona de combustión consiste generalmente en una fuente sólida hidrocarbonada que contiene mayoritariamente carbono e hidrógeno. La carga se elige ventajosamente entre carbón, coque, coque de petróleo, biomasa, arenas bituminosas y residuos domésticos.
Esta zona de combustión 2 puede funcionar en lecho fluidizado en fase densa o en lecho fluidizado circulante, o incluso según una disposición de lechos constituidos por una fase densa y una fase de transporte.
De manera ventajosa, la velocidad del gas en la parte superior de la zona de combustión está comprendida entre 1 y 10 m/s.
Un flujo de partículas que contiene partículas de óxidos metálicos, denominadas partículas pesadas, y partículas ligeras que comprenden partículas de no quemados y eventualmente cenizas voladoras, todo ello en un flujo gaseoso, se extrae de la zona de combustión 2 para después introducirse en un separador de partículas 1 a través de al menos un conducto de entrada 4.
El flujo gaseoso proviene totalmente o en parte de la zona de combustión 2 y está compuesto mayoritariamente por CO, CO<2>, H<2>y H<2>O, pudiendo el complemento provenir de una fuente externa que contiene, por ejemplo, CO<2>reciclado y/o vapor de agua, introducida a través del conducto 11 en la parte inferior del separador 1.
De manera preferida, se usan todos los efluentes gaseosos de combustión para la separación de partículas, y de manera muy preferida, el flujo gaseoso total en el separador 1 puede consistir en al menos 60% de los efluentes de la zona de combustión. La separación entre las partículas pesadas y las partículas ligeras tiene lugar en este separador de partículas 1, depositándose las partículas pesadas en la parte inferior del separador de partículas antes de ser extraídas del mismo por un conducto de evacuación 5, y siendo arrastradas las partículas ligeras hacia la parte superior antes de ser extraídas por un conducto de salida 6 y después ser introducidas en un separador gas-sólido 3, por ejemplo un ciclón.
Este ciclón 3 tiene como objetivo separar el gas empobrecido en partículas de no quemados que después se extrae por un conducto 10 y las partículas de no quemados arrastradas con las partículas de óxido metálico extraídas por un conducto 9 y recicladas hacia la zona de combustión 2.
Las partículas pesadas extraídas en la parte inferior del separador de partículas 1 están constituidas mayoritariamente por óxidos metálicos y pueden ser enviadas hacia una segunda zona de combustión en la que el portador de oxígeno será más reducido, o hacia una zona de oxidación que permitirá que el portador de oxígeno recupere al menos una parte del grado de oxidación que tenía a la entrada de la zona de combustión 2, y las partículas de no quemados más ligeras se reciclan hacia la zona de combustión, después de la separación del efluente gaseoso.
Así, como se describe en la solicitud de patente FR 2 960 941 (WO 2011/151537), los parámetros de entrada y evacuación/salida se eligen para crear en el recinto del separador de partículas 1 una fase densa en la parte inferior del recinto del separador de partículas y una fase diluida en la parte superior del recinto del separador de partículas, y el conducto de entrada 4 desemboca preferentemente en la fase diluida.
Las partículas que sedimentan en la parte inferior forman una fase densa constituida por las partículas más pesadas, de altura más o menos importante en el separador en función, entre otro, de la densidad de las partículas, de los caudales de alimentación y de extracción, pero del nivel de dicha fase densa, que forma la interfaz con la fase diluida, está situada preferiblemente debajo de la entrada 4 que desemboca en el separador, permitiendo la introducción de la mezcla de partículas extraída de la zona de combustión.
La presente invención se refiere en particular al separador de partículas. Según la invención, el separador de partículas del dispositivo de combustión química en bucle comprende:
• un recinto, en el que se lleva a cabo la separación de las partículas, pudiendo el recinto comprender una fase densa en su parte inferior, y una fase diluida en su parte superior, realizándose la separación de las partículas por elutriación,
• al menos un conducto de entrada, conectado a dicha zona de combustión, para transferir el flujo que proviene de la zona de combustión hacia el recinto del separador de partículas, comprendiendo el conducto de entrada sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical, un codo y un extremo de entrada inclinado, estando dicho extremo de entrada inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal, y desembocando dicho extremo de entrada dentro de dicho recinto,
• al menos un conducto de evacuación situado en la parte inferior del recinto, para evacuar las partículas pesadas, y
• al menos un conducto de salida situado en la parte superior del recinto para evacuar las partículas ligeras y el gas.
En la presente descripción, se entiende por recinto que comprende una fase densa en su parte inferior y una fase diluida en su parte superior, un recinto capaz de comprender una fase densa en su parte inferior y una fase diluida en su parte superior cuando el separador no está en funcionamiento. En funcionamiento, el recinto comprende efectivamente una fase densa en su parte inferior y una fase diluida en su parte superior.
Según la invención, el conducto de entrada comprende un extremo de entrada inclinado (de un ángulo a) con respecto a un plano horizontal. El extremo de entrada es el extremo del conducto de entrada que desemboca en el recinto del separador de partículas. El extremo de entrada se denomina inclinado debido a que no es ni vertical ni horizontal. En otras palabras, el ángulo a está comprendido entre 1 y 89°. La inclinación del extremo de entrada permite la entrada del flujo en una dirección que tiene un componente lateral (es decir, horizontal). Esta inclinación del flujo permite una distribución homogénea sobre la sección del recinto, permitiendo así una mejora de los rendimientos del separador de partículas (separación mejorada y coste reducido).
Según una realización de la invención, el ángulo a puede estar comprendido entre 10 y 70°, preferentemente entre 30 y 50°. Estos intervalos angulares de inclinación del extremo de entrada permiten una distribución optimizada, evitando una entrada demasiado horizontal que correría el riesgo de arrastrar el flujo hacia abajo, y evitando una entrada demasiado vertical que correría el riesgo de una entrada en forma de chorro similar al efecto de la técnica anterior descrito en particular en la solicitud de patente FR 2960941 (WO 2011/151537). Además, estos intervalos angulares permiten limitar los efectos de erosión del conducto de entrada, que podrían existir en caso de un ángulo a demasiado pequeño.
Preferiblemente, el extremo de entrada inclinado puede dirigirse hacia el centro del recinto (o su eje longitudinal), para favorecer la separación.
Además, el extremo de entrada inclinado puede dirigirse hacia la parte superior del recinto, para arrastrar las partículas hacia la parte superior del recinto.
Según la invención, el conducto de entrada comprende sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical, un codo y el extremo de entrada inclinado. Tal concepción del conducto de entrada permite una fabricación sencilla del conducto de entrada.
Según una realización preferida de la invención, el conducto de entrada puede ser totalmente externo al recinto. En este caso, el extremo de entrada desemboca en una pared lateral del recinto. Esta realización permite limitar las partes internas en el recinto, en efecto, ningún elemento del conducto de entrada atraviesa una pared del recinto. Además, esta realización permite prescindir de elementos específicos internos, puede tratarse en particular de un elemento cónico posicionado por encima del conducto de entrada previsto en determinadas soluciones de la técnica anterior (véase la Figura 5b que se describirá en el resto de la descripción). Tal elemento cónico puede, en efecto, interrumpir los flujos, lo que no es necesariamente deseado, y está sujeto a erosión.
En una variante, el conducto de entrada puede ser al menos parcialmente interno al recinto. En este caso, el conducto de entrada atraviesa la pared inferior del recinto.
El conducto de entrada según la invención comprende una porción vertical, un codo y el extremo de entrada, puede tratarse de la porción vertical que atraviesa la pared inferior del recinto. Esta variante permite prescindir del elemento cónico que interrumpe los flujos.
Según un aspecto de la invención, el separador de partículas puede comprender entre 1 y 20, preferentemente entre 1 y 10, y de manera preferida entre 1 y 4 conductos de entrada.
Ventajosamente, el separador de partículas puede comprender una pluralidad de conductos de entrada. Esta configuración permite favorecer la homogeneidad de los flujos dentro del recinto.
Cuando el separador de partículas comprende una pluralidad de conductos de entrada, los conductos de entrada se pueden distribuir preferiblemente de manera regular en la o las paredes laterales del recinto, o en el recinto, de manera a optimizar la homogeneidad de los flujos de partículas en el recinto.
El recinto puede comprender una entrada de un gas desde una fuente externa que permite la fluidización de la zona densa.
Preferiblemente, para llevar a cabo la separación de las partículas, el conducto de entrada desemboca en la parte superior del recinto, a una altura correspondiente a la fase diluida dentro del recinto.
Según una realización de la invención, el extremo de entrada puede comprender además una inclinación de ángulo £ por un plano vertical.
La geometría del separador puede ser paralelepípeda, cilíndrica o cualquier otra geometría tridimensional.
En general, el material utilizado para realizar el recinto del separador se puede elegir entre aceros de alta temperatura, por ejemplo del tipo Hastelloy ®, Incoloy ®, Inconel ® o Manaurite ®, o también las cerámicas.
Para limitar los costes de fabricación, también es posible considerar para las partes externas del separador aceros estándares sobre las cuales se han depositado capas de cemento refractario armado (con grosores generalmente comprendidos entre 2 y 50 cm, generalmente próximos de 20 cm) en las caras internas expuestas al flujo y a las altas temperaturas. También es posible el uso de ladrillos refractarios.
Otra configuración consiste en paredes que comprenden conductos por los que circula un fluido caloportador, como por ejemplo vapor de agua, que también pueden estar realizados con aceros estándares.
Las partículas de óxidos metálicos, tales como, por ejemplo, óxidos de Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V, se utilizan solas o en mezcla, y tienen un tamaño medio generalmente superior a 50 micrómetros, preferentemente comprendido entre 100 y 500 micrómetros.
Los óxidos metálicos, sintéticos o minerales, soportados o no, tienen generalmente una masa volumétrica superior a 1200 kg/m3. Por ejemplo, las partículas de óxido de níquel soportadas sobre alúmina (NiO/NiALO4) tienen generalmente una masa volumétrica de grano comprendida entre 2500 y 3500 kg/m3 en función de la porosidad del soporte y del contenido de óxido de níquel, típicamente 3200 kg/m3 aproximadamente.
La ilmenita, un mineral que asocia titanio y hierro, tiene una masa volumétrica de 4700 kg/m3.
El separador de partículas según la presente invención se utiliza ventajosamente para separar partículas de no quemados de partículas de óxidos metálicos que tienen una masa volumétrica mayor que 1200 kg/m3, preferiblemente mayor que 2500 kg/m3.
Las partículas portadoras de oxígeno tienen generalmente un tamaño y una masa volumétrica mucho más importantes que las de las cenizas voladoras y de las partículas de no quemados que ya han estado en contacto con partículas portadoras de oxígeno en la zona de combustión a alta temperatura. A título de ejemplo, a la salida de la zona de combustión, se estima que el tamaño de las partículas de no quemados de carbón es inferior a 100 micrómetros, y que la mayoría de las partículas tienen un tamaño inferior a 50 micrómetros. La masa volumétrica de estas partículas está generalmente comprendida entre 1000 y 1500 kg/m3.
Otras partículas, como las cenizas voladoras resultantes de la combustión de la carga sólida, también pueden circular con el resto de las partículas y se caracterizan por un tamaño de partícula y una masa volumétrica más bajos que las partículas portadoras de oxígeno y, a menudo, también más bajos que partículas de no quemados.
Las Figuras 2a a 2d ilustran, esquemáticamente y de manera no limitativo, cuatro realizaciones de la invención. Estas figuras ilustran únicamente el recinto del separador de partículas 1 y dos conductos de entrada 4.
La Figura 2a corresponde a una realización según la invención, en la que los dos conductos de entrada 4 son completamente externos. Los conductos de entrada 4 comprenden sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical 19, un codo 20 y un extremo de entrada 21 inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal H. El extremo de entrada 21 desemboca en una pared lateral del recinto. Para esta realización, la porción vertical 19, el codo 20 y el extremo de entrada 21 son completamente externos al recinto.
La Figura 2b corresponde a una realización según la invención, para la cual los dos conductos de entrada 4 son parcialmente internos al recinto del separador de partículas 1. Los conductos de entrada 4 comprenden sucesivamente, en la dirección de la entrada, una porción vertical 19, un codo 20 y un extremo de entrada 21 inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal H. La porción vertical 19 atraviesa la pared inferior del recinto. Para esta realización, una parte de la porción vertical 19, el codo 20 y el extremo de entrada 21 son internos al recinto.
La Figura 2c corresponde a una realización según la invención, para la cual los dos conductos de entrada 4 son parcialmente internos al recinto del separador de partículas 1. Los conductos de entrada 4 comprenden sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical 19, un codo 20 y un extremo de entrada 21 inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal H. El extremo de entrada 21 atraviesa la pared lateral del recinto. Para esta realización, la porción vertical 19, el codo 20 y una porción del extremo de entrada 21 son externos al recinto, mientras que otra porción del extremo de entrada 21 es interno al recinto.
La Figura 2d corresponde a una realización según la invención, para la cual los dos conductos de entrada 4 son parcialmente internos al recinto del separador de partículas 1. Los conductos de entrada 4 comprenden sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical 19, un codo 20 y un extremo de entrada 21 inclinado formando un ángulo a con respecto a un plano horizontal H. El extremo de entrada atraviesa la pared inferior del recinto. Para esta realización, la porción vertical 19, el codo 20 y una porción del extremo de entrada 21 son externos al recinto, mientras que otra porción del extremo de entrada 21 es interno al recinto.
Las Figuras 3 y 4 ilustran, esquemáticamente y de manera no limitativa, un separador de partículas según una realización de la invención. La Figura 3 es una sección longitudinal en un plano (xz) del separador de partículas 1, y la Figura 4 es una vista por arriba del separador de partículas 1 en un plano (xy). Los ejes x e y definen un plano horizontal, el eje z corresponde al eje vertical (en este caso el eje longitudinal del recinto separador de partículas).
Estas dos figuras están parametrizadas de manera a definir ciertas dimensiones características del separador de partículas 1.
Estas dos figuras detallan las características de la o de las alimentaciones en humos de combustión cargados con partículas sólidas 17 que ingresan en el separador de partículas 1 a través del o de los conductos de entrada (para simplificar las figuras, sólo se representa un conducto de entrada 4). También presentan la o las salidas de gas cargado en no quemados de combustible sólido y cenizas 13 del separador de partículas 1 a través del o de los conductos de salida 6. Para esta realización, el separador de partículas 1 es cilíndrico con un diámetro 2A. En una variante, el separador de partículas 1 también puede ser de sección rectangular, o cualquier forma análoga, y se anota entonces A la distancia entre el eje central/longitudinal del recinto y una pared lateral del recinto.
El número de conductos de entrada 4 y conductos de salida 6 puede estar comprendido entre 1 y 20, preferiblemente entre 1 y 10 y preferiblemente entre 1 y 4. Los conductos 4 y 6 tienen diámetros respectivamente anotados como L y G. La velocidad superficial del gas en los conductos 4 y 6 está comprendida entre 2 m/s y 30 m/s, preferentemente entre 3 m/s y 25 m/s, y preferentemente entre 4 m/s y 15 m/s.
De acuerdo con el funcionamiento ilustrado en relación con la Figura 1, la mezcla gas/sólido 17 que entra a través del o de los conductos de entrada 4 al separador de partículas 1 proviene de la zona de combustión 2. Esta zona de combustión está alimentada por el portador de oxígeno que proviene de una zona de oxidación 8, las partículas de combustible sólido 7 y un gas de fluidización 12. La reacción del combustible sólido con el portador de oxígeno, así como el gas de fluidización, producen humos de combustión que comprenden partículas de óxido metálico, no quemados y cenizas voladoras que son transportadas hacia el separador de partículas 1 por medio del o de los conductos de entrada 4.
La suspensión desemboca en el separador de partículas 1 por el conducto de entrada 4 en una fase diluida 16 compuesta esencialmente de gas (preferiblemente al menos 95% en volumen) en la que la velocidad superficial se puede controlar y representa de 30% a 300% de la velocidad terminal de caída media de las partículas portadoras de oxígeno. El ajuste preciso de la velocidad superficial en la zona 1 permite controlar la cantidad de partículas arrastradas hacia el conducto de salida 6. El flujo de partículas arrastradas en el separador de partículas 1 hacia el conducto de salida 6, añadido en la sección del separador 1, puede ser inferior a 10 kg/s/m2, está típicamente comprendido entre 0,02 y 5 kg/s/m2, y puede contener al menos la mitad de las partículas de no quemados que entran por el o los conductos de entrada 4.
Las partículas no arrastradas hacia el o los conductos de salida (6', 6") sedimentan en la fase densa 15 del separador de partículas 1 y se recogen en la parte inferior del separador de partículas 1 y se evacuan a través del conducto de descarga 5, formando un flujo denso de partículas 14, hacia otra zona de reacción para llevar a cabo una combustión adicional o para reoxidar las partículas portadoras de oxígeno. Es posible formar una fase fluidizada densa 15 en la base del separador de partículas 1. En este caso, la fluidización de la fase densa 15 se puede llevar a cabo añadiendo un gas externo 11 en el separador de partículas 1. Este gas pasa a través del separador de partículas y participa en el proceso físico de separación de partículas por elutriación en la fase diluida 16 antes de salir por el conducto de salida 6. La distancia entre la parte alta del separador de partículas 1 y la parte alta de la fase densa 15 se denomina N. Según una realización de la invención, N está comprendido entre 2A y 40A, preferiblemente entre 2A y 30A y de manera preferida entre 2A y 20A.
Los conductos de entrada 4 están situados a una distancia D del centro del separador de partículas. Por ejemplo, la distancia D puede corresponder a la distancia entre el eje de la porción vertical de los conductos de entrada 4 y el eje del centro del separador de partículas. Según una realización de la invención, la distancia D es estrictamente positiva y puede estar comprendida entre 0 y 4 A, preferentemente entre 0 y 2 A y de manera preferida entre 0 y 1,5 A.
Los conductos de entrada 4 desembocan hacia la parte diluida 16 del recinto gracias a una ventana 18 de diámetro C. Según un aspecto de la invención, el diámetro C está comprendido entre 0,5 L y 4 L, preferiblemente entre 1 L y 3 L y de manera preferida entre 1 L y 2 L, siendo L el diámetro de la porción vertical del conducto de entrada. El ensanchamiento del extremo del conducto de entrada 21 permite tener una velocidad del gas menos importante que la en el conducto de entrada 4. Así, se puede utilizar una velocidad importante en el conducto de entrada 4 (reducción de la pérdida de carga relacionada a la aceleración de las partículas) y disminuir la velocidad del gas de introducción en el separador 1, lo que permite evitar chorros de gas, y lo que mejora la distribución en la fase diluida 16.
La conexión entre la parte vertical del conducto de entrada 4 y la ventana de diámetro C se realiza gracias a un codo de ángulo a en el plano (xz) y opcionalmente de ángulo £ en el plano (xy). El ángulo a está comprendido entre 1° y 89°, preferiblemente entre 10° y 70° y de manera preferida entre 30° y 50°. El ángulo £ está comprendido entre 0° y 360°.
Además, el ángulo p define la orientación en el plano (xy) del conducto de entrada 4 con respecto al eje y. El ángulo p está comprendido entre 0° y 360°.
La posición de la parte baja de la ventana 18 se fija a una distancia B de la zona densa 15 (límite de la zona densa 15 y de la zona diluida 16). Esta distancia B está comprendida entre 0 y N-C, preferiblemente entre 0,1 (N-C) y 0,9 (N-C), y de manera preferida entre 0,2 (N-C) y 0,8 (N-C). Así, esta concepción permite evitar que las partículas de la parte densa estén arrastradas por el gas que llega con una velocidad más elevada.
En estas figuras, se identifican dos tipos de conductos de salida 6 con los conductos 6' situados en la pared superior del separador de partículas 1, y los conductos 6" situados en la pared lateral del separador de partículas 1. Los conductos 6' están situados en una distancia F del centro del separador de partículas 1. F puede estar comprendido entre 0 y A.
En el plano (xy), y define el ángulo entre el eje y y la posición del conducto de salida 6' situado en la pared superior del separador 1. El ángulo y puede estar comprendido entre 0° y 360°.
Los conductos de 6" están situados a una distancia E de la pared superior del separador de partículas 1. La distancia E está comprendida entre 0 y N.
En el plano (xy), 5 define el ángulo entre el eje y y la posición del conducto de salida 6' situado en la parte lateral del separador 1. El ángulo 5 está comprendido entre 0° y 360°.
Una parte de los conductos 6' y 6'' puede penetrar en la zona diluida 16 del separador de partículas 1. La longitud H' de penetración de los conductos 6' está comprendida entre 0 y N, preferentemente entre 0 y 0,5 N, y de manera preferida entre 0 y 0,2 N. La longitud de penetración H" de los conductos 6" está comprendida entre 0 y A, preferentemente entre 0 y 0,5 A y de manera preferida entre 0 y 0,2 A.
Según un ejemplo de realización, un interno puede equipar el separador de partículas 1 en la fase diluida 16 antes de la salida 13. Este interno permite mejorar la separación.
El procedimiento de combustión química en bucle según la invención implementa el dispositivo de combustión química en bucle según una cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente o una cualquiera de las combinaciones de dichas realizaciones. Para este procedimiento, se implementan las siguientes etapas:
a) se admite una mezcla gaseosa que proviene de dicha zona de combustión, que comprende partículas de no quemados, partículas portadoras de oxígeno y gases de combustión, en el recinto del separador de partículas por medio de al menos un conducto de entrada, el conducto de entrada comprende al menos un extremo de entrada inclinado con respecto a un plano horizontal;
b) se extraen las partículas más ligeras, constituidas mayoritariamente por partículas de no quemados, a través de una salida en la parte superior del recinto separador de partículas, y se evacuan las partículas más pesadas, constituidas mayoritariamente por partículas portadoras de oxígeno, a través del conducto de evacuación en la parte inferior del recinto;
c) se envía un flujo de gas que comprende las partículas más ligeras extraídas por el conducto de salida de la parte superior del recinto hacia el separador gas-sólido;
d) se evacua del separador gas-sólido un gas empobrecido en partículas de no quemados a través de un conducto;
y
e) se reciclan las partículas de no quemados separadas en el separador gas-sólido hacia la zona de combustión por un conducto de comunicación, procedimiento en el que
dicho conducto de entrada comprende sucesivamente, en la dirección de la entrada, una porción vertical, un codo y un extremo de entrada inclinado, estando dicho extremo de entrada inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal, y desembocando dicho extremo de entrada dentro de dicho recinto.
Ejemplo comparativo
Las características y ventajas del dispositivo y del procedimiento según la invención aparecerán más claramente con la lectura de los ejemplos comparativos siguientes.
Se estudiaron tres dispositivos de separación de partículas mediante simulaciones CFD (Computational Fluid Dynamics), estos tres dispositivos se ilustran en la parte superior de las Figuras 5a a 5c:
• Primer dispositivo (Figura 5a): según la técnica anterior (tal como se describe en la solicitud de patente WO 2011/151537) con un conducto de entrada 4 que entra desde la parte inferior del separador de partículas 1 y está centrado en el separador.
• Segundo dispositivo (Figura 5b): según la técnica anterior (según una mejora de la solución descrita en la solicitud de patente WO 2011/151535 A2) con un conducto de entrada 4 que entra por la parte inferior del separador de partículas 1, centrado en el separador, y con la implementación de un cono 22 en la parte superior de este conducto.
• Tercer dispositivo (Figura 5c): según la invención, en particular según la realización de la Figura 2a.
Las simulaciones CFD se llevaron a cabo con el software FLUENT. En primer lugar, sólo se simula la fase gaseosa en el o los conductos de entrada 4 y la parte diluida 16. En segundo lugar, se inyectan partículas ligeras (cenizas o partículas de no quemados) y pesadas (portadoras de oxígeno) en la simulación con un enfoque DPM (Discrete Particule Method) en el que sólo el gas interactúa con las partículas a través de una fuerza de arrastre. En este enfoque, las partículas no tienen ningún efecto sobre el campo de velocidad del gas. Esta hipótesis se utiliza ya que el flujo de gas/partículas se considera diluido con un porcentaje en volumen de partículas inferior al 1% en volumen. Las partículas se inyectan en la entrada del o de los conductos de entrada 4 y pueden salir a través del conducto de salida 6' o bien a través de la parte baja de la fase diluida 16 a través de un conducto de salida 6" (no representado). El porcentaje de partículas que salen a través del conducto de salida 6' en la parte alta del separador 1 se define mediante una fórmula del tipo:
Caudal de partículas que sale por el conducto (6 ')
Caudal de partículas inyectado en (4)
La Tabla 1 presenta las condiciones simuladas así como las dimensiones utilizadas (con referencia a las dimensiones ilustradas en las Figuras 3 y 4).
Tabla 1 - características del separador de partículas
La parte baja de las Figuras 5a a 5c ilustran el perfil de velocidad del gas a una altura de 6 m en el separador de partículas. En estas figuras, los matices de gris corresponden al gradiente de velocidad del gas en el separador de partículas, las zonas más oscuras corresponden a las zonas en las que la velocidad del gas es más alta, y las zonas más claras corresponden a las zonas en las que la velocidad del gas es más baja. Se observa que la invención permite limitar el gradiente de velocidad en el separador de partículas y permite una mejor homogeneidad del gas en el separador de partículas.
La Tabla 2 muestra los porcentajes de partículas pesadas y ligeras que salen por el conducto de salida superior del separador de partículas 1.
Tabla 2 - comparación
La Tabla 2 permite mostrar que la invención permite obtener una mejor separación entre partículas ligeras y pesadas con sólo 1% de las partículas pesadas saliendo por la parte alta del dispositivo.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para combustión química en bucle que usa un combustible sólido que genera partículas de no quemados y que usa partículas portadoras de oxígeno, tales como óxidos metálicos, y que comprende al menos una zona de combustión (2), un separador de partículas (1) contenidas en una mezcla gaseosa que proviene de dicha zona de combustión (2), y un separador gas-sólido (3), comprendiendo dicho separador de partículas (1) un recinto equipado con al menos un conducto de entrada (4) conectado a dicha zona de combustión (2), al menos un conducto de descarga (5) situado en la parte inferior de dicho recinto, y al menos un conducto de salida (6) situado en la parte superior de dicho recinto y conectado a dicho separador gas-sólido (3), pudiendo dicho recinto comprender una fase densa (15) en la parte inferior y una fase diluida (16) en la parte superior, comprendiendo dicho conducto de entrada (4) sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical (19), un codo (20) y un extremo de entrada inclinado (21), estando dicho extremo de entrada (21) inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal (H) y desembocando dentro de dicho recinto.
2. Dispositivo de combustión según la reivindicación 1, en el que dicho ángulo a está comprendido entre 10 y 70°, preferiblemente entre 30 y 50°.
3. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha porción vertical (19) de dicho conducto de entrada (4) está a una distancia D del centro de dicho recinto estrictamente positiva e inferior a 4 A, preferiblemente menor que 2 A y más preferiblemente menor que 1,5 A, siendo A una dimensión entre el centro de dicho recinto y una pared lateral de dicho recinto.
4. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el diámetro C de dicho extremo de entrada (21) inclinado está comprendido entre 0,5 y 4 L, preferiblemente entre 1 L y 3 L, más preferiblemente entre 1 L y 2 L, siendo L el diámetro de dicha porción vertical (19) de dicho conducto de entrada.
5. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho conducto de entrada (4) es completamente externo a dicho recinto, desembocando el extremo de entrada (21) en una pared lateral de dicho recinto.
6. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho conducto de entrada (4) es al menos parcialmente interno a dicho recinto, atravesando dicho conducto de entrada (4) la pared inferior de dicho recinto.
7. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho separador de partículas (1) comprende entre 1 y 20, preferentemente entre 1 y 10 y de manera preferida entre 1 y 4 conductos de entrada (4).
8. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho conducto de entrada (4) desemboca en dicho recinto, en la parte superior de dicho recinto capaz de comprender dicha fase diluida (16).
9. Dispositivo de combustión según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la inclinación de dicho extremo de entrada (21) de dicho conducto de entrada (4) está dirigida hacia el eje longitudinal de dicho recinto.
10. Procedimiento para combustión química en bucle que usa un combustible sólido que genera partículas de no quemados, que implementa partículas portadoras de oxígeno, tales como óxidos metálicos, que implementa un dispositivo para combustión química en bucle según una de las reivindicaciones anteriores, y que implementa las siguientes etapas:
a) se admite una mezcla gaseosa que proviene de dicha zona de combustión (2), que comprende partículas y gases de combustión, en el recinto de dicho separador de partículas (1) por medio de al menos un conducto de entrada(4); b) se extraen las partículas más ligeras constituidas mayoritariamente por partículas de no quemados a través de una salida en la parte superior de dicho recinto, y se evacuan las partículas más pesadas constituidas mayoritariamente por partículas portadoras de oxígeno a través de dicho conducto de evacuación (5) en la parte inferior de dicho recinto; c) se envía un flujo de gas que comprende las partículas ligeras de no quemados extraídas por dicho conducto de salida (6) en la parte superior del recinto hacia dicho separador gas-sólido (3);
d) se evacua de dicho separador gas-sólido (3) un gas empobrecido en partículas de no quemados a través de un conducto (10); y
e) se reciclan las partículas de no quemados separadas en dicho separador gas-sólido (3) hacia dicha zona de combustión (2) a través de un conducto de comunicación (9), procedimiento en el que dicho conducto de entrada (4) comprende sucesivamente, en la dirección de entrada, una porción vertical (19), un codo (20) y un extremo de entrada inclinado (21), estando dicho extremo de entrada (21) inclinado de un ángulo a con respecto a un plano horizontal (H), y desembocando dicho extremo de entrada (21) dentro de dicho recinto.
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