ES2210771T3 - Uso de un combustible a base de dimetileter y procedimiento para generar energia en un sistema de combustion en seco con baja. - Google Patents
Uso de un combustible a base de dimetileter y procedimiento para generar energia en un sistema de combustion en seco con baja.Info
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- C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
Abstract
SE PRESENTA UN PROCEDIMIENTO PARA GENERAR ENERGIA HACIENDO PASAR UN COMBUSTIBLE QUE CONTIENE ETER DE DIMETILO A UN COMBUSTOR EN SECO CON BAJAS EMISIONES DE NO X DE UN COMBUSTOR DE TURBINA EN LA PRESENCIA DE UN GAS QUE CONTIENE OXIGENO PARA SU COMBUSTION EN EL COMBUSTOR PARA FORMAR UN GAS EFLUYENTE Y LUEGO SE HACE PASAR EL GAS EFLUYENTE A LA TURBINA PARA GENERAR ENERGIA, EN DONDE EL COMBUSTIBLE COMPRENDE UNA MEZCLA DE ETER DE DIMETILO, AL MENOS UN ALCOHOL Y, OPCIONALMENTE, UN COMPONENTE SELECCIONADO ENTRE EL GRUPO QUE CONSTA DE AGUA Y ALCANOS C1-6 . LA COMPOSICION DE COMBUSTIBLE UTILIZADA EN EL PROCEDIMIENTO DE LA INVENCION PERMITE UN FUNCIONAMIENTO SEGURO Y ALTAMENTE EFICIENTE DE UN SISTEMA DE COMBUSTION CON BAJAS EMISIONES DE NO X , MIENTRAS QUE AL MISMO TIEMPO, SE MINIMIZA LA GENERACION DE EMISIONES DE NO X Y DE MONOXIDO DE CARBONO.
Description
Uso de un combustible a base de dimetileter y
procedimiento para generar energía en un sistema de combustión en
seco con baja emisión de NO_{x}.
La invención se refiere a la generación de
energía. Más concretamente, la invención se refiere a la generación
de energía usando una composición de combustible a base de
dimetiléter en un sistema de combustión en seco con baja emisión de
NO_{x} de una turbina.
El uso de combustibles hidrocarbonados en la
cámara de combustión de una turbina de gases es ya bien conocido.
En general, se alimentan aire y un combustible a una cámara de
combustión en donde el combustible se quema en presencia de aire
para producir gas de combustión caliente. El gas de combustión
caliente se alimenta entonces a una turbina en donde se enfría y se
expande para producir energía. Los subproductos de la combustión
del combustible incluyen habitualmente toxinas perjudiciales para
el medio ambiente, tales como óxido de nitrógeno y dióxido de
nitrógeno (referidos de forma colectiva como NO_{x}), monóxido de
carbono, hidrocarburos sin quemar (por ejemplo, metano y compuestos
orgánicos volátiles que contribuyen a la formación de ozono
atmosférico) y otros óxidos, incluyendo óxidos de azufre (por
ejemplo, SO_{2} y SO_{3}).
Entre las muchas variables que tienen influencia
sobre la eficacia global del proceso, se encuentran la composición
específica del combustible, la cantidad de aire, el tipo particular
de sistema de combustión y las condiciones de tratamiento. Además
de poder lograr la eficacia global máxima del proceso, también es
de gran importancia la posibilidad de reducir al mínimo la cantidad
de toxinas perjudiciales para el medio ambiente producidas como
subproductos en la combustión del combustible.
Existen dos fuentes de emisiones de NO_{x} en
la combustión de un combustible. La fijación de nitrógeno
atmosférico en la llama de la cámara de combustión (conocido como
NO_{x} térmico) constituye la principal fuente de NO_{x}. La
conversión de nitrógeno encontrado en el combustible (conocido como
nitrógeno ligado al combustible) constituye una fuente secundaria de
emisiones de NO_{x}. La cantidad generada de NO_{x} a partir
del nitrógeno ligado al combustible se puede controlar por medio de
la selección adecuada de la composición del combustible y por un
tratamiento posterior del gas de combustión. La cantidad generada
de NO_{x} térmico es una función exponencial de la temperatura de
la llama de la cámara de combustión y de la cantidad de tiempo
durante el cual la mezcla de combustible se encuentra a la
temperatura de la llama. Cada mezcla de
aire-combustible presenta una temperatura de llama
característica que es una función de la relación
aire-a-combustible (expresada como
la relación de equivalencia, \phi) de la mezcla de
aire-combustible quemada en la cámara de combustión.
De este modo, la cantidad generada de NO_{x} térmico está basada
en el tiempo de residencia y en la relación de equivalencia de una
mezcla de aire-combustible particular. La relación
de equivalencia (\phi) se define por la siguiente expresión:
\phi=
\frac{(m_{f}/m_{o})_{real}}{(m_{f}/m_{o})_{estequiométrica}}
en donde m_{o} es la masa del oxidante y
m_{f} es la masa del
combustible.
La velocidad de producción de NO_{x} presenta
el valor más elevado a una relación de equivalencia de 1,0, cuando
la temperatura de la llama es igual a la temperatura adiabática,
estequiométrica, de la llama. En condiciones estequiométricas, el
combustible y el oxígeno se consumen por completo. En general, la
velocidad de generación de NO_{x} disminuye a medida que lo hace
también la relación de equivalencia (es decir, es menor de 1,0 y la
mezcla de aire-combustible es pobre en
combustible). A relaciones de equivalencia menores de 1,0, se
dispone de más aire y, por tanto, de más oxígeno del requerido para
la combustión estequiométrica, lo cual se traduce en una temperatura
más baja de la llama, lo cual a su vez reduce la cantidad generada
de NO_{x}. Sin embargo, a medida que disminuye la relación de
equivalencia, la mezcla de aire-combustible llega a
ser muy pobre en combustible y la llama no quemará bien o puede
llegar a ser inestable y apagarse. Cuando la relación de
equivalencia excede de 1,0, existe una cantidad de combustible
mayor de la que puede ser quemada por el oxígeno disponible (mezcla
rica en combustible). Esto también se traduce en una temperatura de
la llama que es más baja que la temperatura adiabática de la llama
y ello conduce a su vez a una importante reducción de la formación
de NO_{x}.
Con el fin de adaptarse a las mezclas pobres en
combustible y evitar la existencia de llamas inestables y la
posibilidad de que se apague la llama, se han desarrollado cámaras
de combustión en donde únicamente se permite la mezcla de una
porción del aire de la zona de la llama con el combustible en
condiciones de carga más baja. Estos sistemas de cámaras de
combustión son conocidos en la técnica como sistemas "en seco con
baja emisión de NO_{x}" (de aquí en adelante "DLN") y son
fabricados por General Electric Company y por Westinghouse, por
ejemplo. Además de proporcionar al usuario con las ventajas de
operabilidad anteriormente descritas, los sistemas DLN reducen
también al mínimo la generación de NO_{x}, monóxido de carbono y
otros contaminantes.
La cámara de combustión DLN es conocida en
general como un tipo de cámara de combustión por etapas en donde
una fracción del aire de la zona de la llama se mezcla con el
combustible en condiciones de baja carga o durante la puesta en
marcha. Existen dos tipos de cámaras de combustión por etapas: por
etapas en cuanto al combustible y por etapas en cuanto al aire. En
su configuración más simple, la cámara de combustión por etapas en
cuanto al combustible presenta dos zonas de llama, cada una de las
cuales recibe una fracción constante del flujo de aire de la cámara
de combustión. El flujo de combustible se divide entre las dos
zonas de manera que, en cada modo operativo de la cámara de
combustión, la cantidad de combustible alimentado a una etapa está
compaginada con la cantidad de aire disponible. En contraste, la
cámara de combustión por etapas en cuanto al aire utiliza un
mecanismo para desviar una fracción del flujo de aire de la cámara
de combustión desde la zona de la llama a una zona de dilución en
condiciones de baja carga para aumentar la reducción del gas. Estos
dos tipos de cámaras de combustión por etapas se pueden combinar en
un solo sistema.
El sistema DLN funciona habitualmente en los
siguientes cuatro modos distintos: primario,
pobre-pobre, secundario y
pre-mezcla. En el modo de funcionamiento
"primario", se alimenta combustible a las toberas primarias de
la etapa primaria del sistema. En la etapa primaria solo está
presente una llama, referida en este modo como una "llama de
difusión". En este modo, la llama tenderá a situarse en donde la
mezcla local de aire-combustible se encuentra en
una proporción sustancialmente de 1:1, de manera que el oxígeno se
consume por completo en la reacción (mezcla estequiométrica, como
antes se ha indicado). Esto ocurrirá incluso en el caso de que la
relación global aire-a-combustible
en la zona de la llama pueda ser pobre en combustible (\phi <
1,0). Este modo de funcionamiento se emplea normalmente para
encender, acelerar y operar la máquina en cargas que van desde
bajas a intermedias (por ejemplo, cargas del 0 al 20% empleando un
combustible de gas natural), hasta una temperatura de referencia
predeterminada de la combustión. Las emisiones de NO_{x} y de
monóxido de carbono, generadas en este modo, son relativamente muy
altas. Las emisiones de NO_{x} son activadas por las temperaturas
pico de la llama y una mezcla estequiométrica producirá la llama más
caliente posible en determinadas condiciones de combustión.
En el modo "pobre-pobre", se
alimenta combustible a las toberas primarias y secundarias. En
ambas etapas primaria y secundaria está presente una llama. Este
modo de funcionamiento se emplea normalmente para cargas intermedias
(por ejemplo, cargas del 20 a 50% usando un combustible de gas
natural) entre dos temperaturas de referencia predeterminadas de la
combustión. En este caso, igualmente, las emisiones de NO_{2} son
bastante altas.
En el modo "secundario" se alimenta
combustible únicamente a las toberas secundarias y en la etapa
secundaria solo existe una llama. Este modo de funcionamiento
consiste habitualmente en un modo de transición entre los modos
"pobre-pobre" y
"pre-mezcla". El modo secundario se requiere
para extinguir la llama en la etapa primaria antes de que cualquier
combustible pueda introducirse en aquella zona que llegará a ser la
zona de pre-mezcla primaria.
El cuarto modo de funcionamiento se conoce como
el modo "pre-mezcla". En este caso, se
alimenta el combustible tanto a las toberas primarias como a las
secundarias, pero la llama únicamente existe en la etapa secundaria.
Solo se alimenta el 20% aproximadamente del combustible a las
toberas secundarias, mientras que el resto se alimenta a las
toberas primarias junto con aire para la
"pre-mezcla" antes de la combustión. La primera
etapa sirve para mezclar completamente el combustible y el aire y
para suministrar a la segunda etapa una mezcla pobre y uniforme de
aire-combustible sin quemar. En el caso de que el
diseño y el funcionamiento sean los adecuados, no deberán existir
regiones de mezclas estequiométrica o casi estequiométricas de
aire-combustible que entren en la zona de la llama
y, por tanto, la llama estará más fría que la temperatura adiabática
de la llama y producirá una cantidad de NO_{x} sustancialmente
menor que una llama de difusión que queme en presencia de una mezcla
de aire-combustible con la misma relación de
equivalencia. Se cree que el modo de pre-mezcla es
normalmente el modo operativo más eficaz debido a que en este modo
son mínimas las emisiones de NO_{x} y la generación de energía es
máxima (por ejemplo, cargas del 50 al 100% empleando un combustible
de gas natural).
Para la generación de energía empleando turbinas
de gases, los sistemas de cámaras de combustión DLN son diseñados
específicamente para utilizar gas natural (fundamentalmente metano,
con cantidades variables de compuestos distintos de metano). Para
utilizarse con combustibles líquidos de destilados a base de
petróleo, dichos sistemas de cámaras de combustión requerirán una
inyección adicional de vapor de agua para reducir las emisiones de
NO_{x} y CO. Para la generación de energía empleando turbinas de
gases, se han propuesto también otros tipos de combustibles, tales
como metanol o dimetiléter producido a partir de gas natural,
carbón o biomasa, que pueden ser transportados por mar o almacenados
como un combustible líquido para su uso en la generación máxima de
energía. Por ejemplo, Bell, et al. Patente US No. 4.341.069
(concedida el 27 de Julio de 1982) describe el uso de dimetiléter
mezclado con pequeñas cantidades de metanol (1,8 a 6,1% en peso) y
de agua (0,6 a 2,8% en peso). Dichos combustibles fueron formulados
para utilizarse en sistemas de combustión durante una época en
donde las emisiones de NO_{x} no estaban reguladas de manera
estricta. El uso de dichos combustibles en cámaras de combustión de
turbinas de gases convencionales (diseñadas específicamente para
combustibles de gas natural) que operan en el modo de llama de
difusión, podría satisfacer las poco rigurosas normas del pasado en
cuanto a las emisiones de NO_{x}; sin embargo, el uso de estos
mismos combustibles en un sistema DLN que opera en el modo de
pre-mezcla, puede traducirse en un alto riesgo de
retroceso de la llama y en un alto riesgo de explosión. Durante el
retroceso de la llama, la velocidad a la cual se propaga la llama a
través de la mezcla de aire-combustible en la zona
de la llama es mayor que la velocidad de la mezcla de
aire-combustible en un punto determinado de la zona
de mezcla primaria. Como resultado, los sistemas DLN diseñados para
quemar combustibles de gas natural convencionales no funcionarán en
su modo más eficiente, concretamente en el modo de
pre-mezcla, con los combustibles a base de
dimetiléter, tales como aquellos descritos en la patente de Bell
et al.
Por tanto, sería deseable poder proporcionar un
combustible a base de dimetiléter que pueda mejorar la eficacia de
un sistema de combustión DLN (por ejemplo, operar en un modo de
pre-mezcla a cargas por debajo del 50%).
Igualmente, sería deseable poder proporcionar un combustible que
pueda ser utilizado de forma segura en una cámara de combustión DLN
diseñada específicamente para quemar combustibles de gas natural
convencionales.
La publicación internacional No. WO 81/00721
describe un combustible para motores de combustión interna en donde
el combustible consiste esencialmente en (a) 1 a 71% en volumen de
uno o más alcoholes alifáticos monohídricos primarios, secundarios
o terciarios que contienen de 1 a 8 átomos de carbono, o alcohol
bencílico, o mezclas de los mismos; (b) de 0,5 a 10% en volumen de
agua; (c) de 1 a 90% en volumen de uno o más aceites vegetales, o
mezclas de los mismos; y (d) de 10 a 80% en volumen de uno o más
éteres de fórmula ROR' en donde R y R' pueden ser iguales o
diferentes y R y R' representan un grupo alquilo
C_{1-3}, o mezclas de los mismos.
La Patente Alemana No. 654.470 describe un
combustible para motores de combustión interna que consiste en
dimetiléter y metanol, en donde el combustible se caracteriza por
un contenido en metanol de 5 a 45%.
Un objeto de la invención consiste en solucionar
uno o más de los problemas anteriormente descritos.
Por tanto, la invención proporciona el uso de
composiciones de combustible que contienen dimetiléter en una
cámara de combustión en seco con baja emisión de NO_{x} y
procedimientos para generar energía utilizando dichas
composiciones.
Las composiciones de combustible usadas son
mezclas de dimetiléter, al menos un alcohol y, opcionalmente, uno o
más de un alcano C_{1}-C_{6} seleccionado y
agua.
De acuerdo con el procedimiento de la invención,
el combustible se mezcla con un gas que contiene oxígeno para la
combustión en una cámara de combustión en seco con baja emisión de
NO_{x} de una turbina de gases para generar un gas de combustión,
el cual se pasa a una turbina para generar energía.
Otros objetos y ventajas de la invención serán
evidentes para los expertos en la materia a través de la revisión
de la siguiente descripción detallada, tomada en combinación con
los dibujos y con las reivindicaciones anexas.
La figura 1 es una ilustración gráfica de los
modos operativos de una cámara de combustión DLN típica y de las
correspondientes cargas de la turbina de gas para la combustión de
un combustible de gas natural según el estado de la técnica.
La figura 2 es una ilustración gráfica de las
emisiones de NO_{x} y CO producidas por la combustión de un
combustible de gas natural en una cámara de combustión DLN típica
según el estado de la técnica.
La figura 3 es una ilustración gráfica de los
cambios de la presión pico encontrados en una cámara de combustión
DLN típica a diversas temperaturas de salida de la cámara de
combustión para un combustible de gas natural y para un combustible
según la invención.
La figura 4 es una ilustración gráfica de los
modos operativos de una cámara de combustión DLN típica y de las
correspondientes cargas para la combustión del combustible de la
invención.
La figura 5 es una ilustración gráfica de las
emisiones de NO_{x} y CO producidas por la combustión del
combustible en una cámara de combustión DLN típica.
La figura 6 es un diagrama esquemático que
ilustra un procedimiento en la cámara de combustión de una turbina
de gases que comprende una cámara de combustión DLN usada para
generar energía según la invención.
De acuerdo con el procedimiento de la invención,
se genera energía pasando un combustible a base de dimetiléter a
una cámara de combustión en seco con baja emisión de NO_{x} de
una turbina de gases en presencia de un gas que contiene oxígeno
para la combustión y formación de un gas de combustión, y pasando
entonces el gas de combustión a la turbina de gases para generar
energía. El combustible comprende una mezcla de dimetiléter, un
alcohol y, opcionalmente, uno o más de agua y alcanos
C_{1}-C_{6}.
La composición de combustible se puede emplear de
forma segura durante el funcionamiento en el modo de
pre-mezcla de un sistema de combustión DLN diseñado
para combustibles de gas natural convencionales. Cuando la cámara de
combustión DLN utiliza este combustible en el modo de
pre-mezcla, se reducen en gran medida el riesgo de
retroceso de la llama y el riesgo de explosión mientras que, al
mismo tiempo, se genera una cantidad mínima de emisiones de
NO_{x}. Además, el uso del combustible en una cámara de
combustión DLN permite un funcionamiento seguro en el modo de
pre-mezcla con bajas emisiones de NO_{x}/CO a
cargas de la turbina de gases tan bajas como del 35%.
El combustible consiste en 15 a 93% en peso de
dimetiléter, 7 a 85% en peso de al menos un alcohol y 0 a 50% en
peso de al menos un componente seleccionado del grupo consiste en
agua y alcanos C_{1}-C_{6}. Preferentemente, el
combustible comprende 50 a 93% en peso de dimetiléter, 7 a 50% en
peso de al menos un alcohol y 0 a 30% en peso de al menos un
componente seleccionado del grupo consistente en agua y alcanos
C_{1}-C_{6}. Más preferentemente, el combustible
comprende 70 a 93% en peso de dimetiléter, 7 a 30% en peso de al
menos un alcohol y 0 a 20% en peso de al menos un componente
seleccionado del grupo consistente en agua y alcanos
C_{1}-C_{6}. Muy especialmente, el combustible
comprende 80 a 93% en peso de dimetiléter, 7 a 20% en peso de
metanol y 0 a 10% en peso de un componente seleccionado del grupo
consistente en agua, metano, propano y gas de petróleo licuado.
La presencia de agua y de uno o más alcoholes en
el combustible se puede atribuir a la conversión de un gas de
síntesis usado como materia prima a un combustible a base de DME.
En la conversión se pueden formar agua y alcoholes tales como, por
ejemplo, metanol, etanol y propanol, permaneciendo una parte del
combustible a base de DME. Sin embargo, no es necesario realizar
operaciones costosas en la preparación del combustible dado que la
concentración de los alcoholes y del agua en el combustible a base
de DME se puede ajustar fácilmente para conseguir la composición de
combustible. Los alcanos C_{1}-C_{6} también se
pueden añadir para llegar a la composición de combustible.
En el procedimiento de la invención, se mezcla
aire a presión procedente de un compresor con un combustible
vaporizado en una cámara de combustión en seco con baja emisión de
NO_{x}, en donde el combustible se quema en presencia del aire
para producir gas de combustión caliente. El gas de combustión
caliente se expande entonces en una turbina para producir
energía.
Se ha comprobado que la aparición de un retroceso
de la llama en una cámara de combustión DLN que opera en el modo de
pre-mezcla está relacionado con el tiempo de
retardo del encendido y con el tiempo de residencia de la mezcla de
aire-combustible en la zona de
pre-mezcla de la cámara de combustión. El tiempo de
retardo del encendido de una mezcla de
aire-combustible es el tiempo entre la aplicación
de una chispa o similar y el encendido real de la mezcla. Se trata
este de un periodo de tiempo muy corto y se ha comprobado que los
diversos constituyentes de la composición de combustible por sí
solos y/o en combinación entre sí, aumentan este periodo de manera
que para condiciones operativas determinadas de la cámara de
combustión, el tiempo de retardo del encendido de la mezcla de
aire-combustible superará a su tiempo de residencia.
El tiempo de residencia está relacionado con la relación
aire-a-combustible en la cámara de
combustión, con la geometría de la cámara de combustión y también
con las temperaturas y presiones operativas de la cámara de
combustión.
Además, se ha comprobado que el tiempo de retardo
del encendido es una función de la composición específica del
combustible alimentado a la cámara de combustión y también de las
condiciones operativas de la cámara de combustión (por ejemplo,
temperatura, presión, presiones dinámicas, etc). Para una
determinada relación de equivalencia y para una cierta geometría de
la cámara de combustión, el retroceso de la llama es más probable
que ocurra durante la combustión de un combustible que tiene un
tiempo de retardo del encendido más corto que un combustible
diferente que tiene un tiempo de retardo del encendido más
prolongado. El retroceso de la llama se puede reducir al mínimo si
el tiempo de retardo del encendido de la mezcla de
aire-combustible en las condiciones operativas de
la cámara de combustión supera a su tiempo de residencia en la
sección de pre-mezcla. En consecuencia, otra
modalidad preferida de esta invención proporciona un procedimiento
mejorado para generar energía en la cámara de combustión de una
turbina de gases que tiene una cámara de combustión en seco con
baja emisión de NO_{x}, en donde una mezcla de combustible y de un
gas que contiene oxígeno se quema en la cámara de combustión,
teniendo la mezcla un tiempo de residencia en la cámara de
combustión y un tiempo de retardo del encendido, en donde la mejora
reside en el combustible el cual comprende una mezcla de (a)
dimetiléter, (b) un alcohol y, opcionalmente, (c) al menos un
componente seleccionado del grupo consistente en agua y alcanos
C_{1}-C_{6}, y en donde las respectivas
proporciones de (a), (b) y, si está presente, de (c), se eligen de
manera que el tiempo de retardo del encendido de la mezcla de
combustible-gas, en las condiciones operativas de la
cámara de combustión, supera a su tiempo de residencia.
Durante la operación de una cámara de combustión
DLN, determinadas condiciones del procesado contribuyen a la
reducción al mínimo global del retroceso de la llama. Una condición
de procesado particular es la actividad de presión dinámica. La
actividad de presión dinámica se refiere a los gradientes de
presión encontrados por toda la cámara de combustión. Los altos
niveles de presión dinámica aumentan la probabilidad de retroceso
de la llama en la zona de pre-mezcla de
aire-combustible. Normalmente, la operación en el
modo de pre-mezcla es insegura e indeseable cuando
los niveles de presión dinámica exceden de alrededor de 27,6 kPa (4
psi) a 34,5 kPa (5 psi).
Los intervalos de carga asociados con cada modo
operacional indican que el modo de pre-mezcla se
emplea generalmente para cargas de 50 a 100%. Como se muestra en la
figura 1 para la combustión de un combustible de gas natural, la
temperatura de referencia de la combustión desciende progresivamente
a medida que la carga de la turbina se reduce desde el modo de
pre-mezcla al modo secundario al modo
pobre-pobre al modo primario. La figura 2 muestra
que las emisiones de NO_{x} para la combustión de un combustible
de gas natural son considerablemente más pequeñas durante la
operación en el modo de pre-mezcla en comparación
con los otros modos operativos que operan a cargas por debajo del
50%.
Para una cámara de combustión DLN específica, la
figura 3 muestra un gráfico de la temperatura de salida de la
cámara de combustión (de aquí en adelante "CET") versus los
niveles de presión dinámica para un combustible de gas natural
(COMBUSTIBLE GN) y para un combustible según la invención
(COMBUSTIBLE INV.). La combustión de un combustible de gas natural a
CETs por debajo de 1.180ºC (2.150ºF) se traduce en niveles de
presión dinámica (medidos como el cambio de la presión pico)
bastante por encima de los experimentados durante la combustión del
combustible según la invención. Concretamente, los niveles de
presión dinámica para la combustión de un combustible de gas natural
a una CET de 1.130ºC (2.065ºF) son de alrededor de 4,3 psi,
mientras que el nivel de presión dinámica para la combustión del
combustible según la invención es de solo 1 psi
aproximadamente.
Incluso a una CET de 1.100ºC (2.020ºF), los
niveles de presión dinámica en el "modo de
pre-mezcla" experimentados durante la combustión
del combustible según la invención permanecen considerablemente por
debajo del nivel de 27,6 kPa (4 psi) a 34,5 kPa (5 psi) considerado
como inseguro. Por tanto, el combustible según la invención
proporciona una mejora drástica con respecto al estado de la
técnica ya que ahora es posible hacer funcionar una cámara de
combustión DLN en el modo de pre-mezcla a
temperaturas próximas a 1.100ºC (2.020ºF), el cual está muy por
debajo del límite de 50% de carga de la turbina establecido para gas
natural. Esto representa una ventaja importante con respecto a los
combustibles del estado de la técnica puesto que el uso del
combustible según la invención permite la operación en el modo de
pre-mezcla de una cámara de combustión DLN a cargas
por debajo del 40%, dando lugar ello a una operación más eficaz de
la cámara de combustión a cargas más bajas. La posibilidad de
operar la cámara de combustión a dichas cargas bajas da lugar a
menores emisiones de NO_{x} en un intervalo más amplio de
reducción de la carga.
Las mejoras logradas por la combustión del
combustible en una cámara de combustión DLN resultan evidentes al
comparar los gráficos ilustrados en las figuras 4 y 5 con aquellos
mostrados en las figuras 1 y 2, respectivamente. La figura 4 es un
trazado gráfico de la división de combustible versus la carga y
además describe los modos operativos particulares de la cámara de
combustión DLN cuando se quema un combustible según la invención.
Como se muestra en la figura 4, y cuando se contrasta con un
trazado gráfico similar para combustible de gas natural como el
mostrado en la figura 1, es evidente que una cámara de combustión
DLN que quema un combustible según la invención puede operar en el
modo de pre-mezcla a cargas de la turbina
significativamente más bajas que la cámara de combustión que quema
un combustible de gas natural.
Las menores emisiones conseguidas por la
combustión del combustible en el modo de pre-mezcla
se ilustran gráficamente en la figura 5, la cual es un trazado
gráfico de las emisiones de monóxido de carbono y de NO_{x}
generadas por la combustión de un combustible según la invención a
diversas cargas y en diversos modos operativos de la cámara de
combustión DLN. Así, la combustión del combustible en las
condiciones operativas del modo de pre-mezcla de la
cámara de combustión, da lugar a un gas de combustión que tiene 20
ppmvd (partes por millón en una base de volumen seco) o menos de
NO_{x} a un nivel de oxígeno de 15% en volumen en el gas de
combustión y/o 20 ppmvd o menos de monóxido de carbono a cargas de
la turbina mayores del 40% aproximadamente. Por tanto, otra
modalidad preferida de la invención proporciona un procedimiento
mejorado para generar energía en una cámara de combustión de una
turbina de gases que tiene una cámara de combustión en seco con
baja emisión de NO_{x}, en donde una mezcla de combustible y de
un gas que contiene oxígeno se pasa a través de la cámara de
combustión para quemar el combustible allí existente y producir un
gas de combustión, y en donde el combustible comprende una mezcla
de (a) dimetiléter, (b) un alcohol y, opcionalmente, (c) uno o más
componentes seleccionados del grupo consistente en agua y alcanos
C_{1}-C_{6}, en donde las respectivas
proporciones de (a), (b) y, si está presente, (c) se eligen de
manera que el gas de combustión producido, en las condiciones
operativas de la cámara de combustión, tiene 20 ppmvd o menos de
NO_{x} y/o 20 ppmvd o menos de monóxido de carbono.
La figura 6 ilustra esquemáticamente un sistema
de combustión en seco con baja emisión de NO_{x}, representado en
general por 10, para utilizarse en la generación de energía. Se
alimenta aire a través de una línea 12 a un compresor 14 en donde
se presuriza el aire. El aire a presión sale del compresor 14 a
través de una línea 16. Este aire se alimenta entonces a través de
las válvulas 18 a una cámara de combustión, representada en general
por 20. Se bombea combustible líquido desde una fuente de
combustible (no mostrada) mediante una bomba 22 a un vaporizador 24
en donde se vaporiza el combustible líquido. El combustible
vaporizado se alimenta entonces a la cámara de combustión 20 a
través de una línea de alimentación 26. La cantidad de combustible
vaporizado alimentado a la cámara de combustión 20 se controla
mediante las válvulas 28, 30 y 32. La válvula 28 controla el flujo
total de combustible a la cámara de combustión 20, mientras que las
válvulas 30 controlan la cantidad de combustible alimentado a
través de las toberas primarias 34 a las zonas primarias 36 de la
cámara de combustión 20, y la válvula 32 controla la cantidad de
combustible alimentado a través de una tobera secundaria 38 a una
zona secundaria 40 de la cámara de combustión 20. El combustible
vaporizado se mezcla con el aire comprimido en la cámara de
combustión 20 en donde se quema para producir gas de combustión
caliente. Durante la operación en el modo de
pre-mezcla del sistema de combustión DLN 10,
alrededor del 20% del combustible alimentado a la cámara de
combustión 20 se puede introducir en la cámara de combustión 20 a
través de la tobera secundaria de combustible 38, siendo alimentado
el resto a través de las toberas primarias de combustible 34. En el
modo de pre-mezcla, parte del aire comprimido se
mezcla previamente con el combustible vaporizado en la zona
primaria 36 antes de la combustión. En el modo de
pre-mezcla, y como se muestra en la figura 6, solo
existe una llama 42 en la zona secundaria 40.
El gas de combustión caliente sale de la cámara
de combustión 20 a través de una zona de descarga 44 de la cámara
de combustión y luego a través de una línea de escape 46. Este gas
de combustión se puede combinar en un mezclador 48 con aire a
presión procedente de una línea de by-pass de aire
50 que conduce desde el compresor 14 a través de la línea 16 y de
una válvula 52. El gas de combustión se alimenta entonces a través
de una línea 54 a una turbina 56 en donde se expansiona a presión
casi atmosférica, produciendo con ello energía mecánica. El gas de
combustión expansionado y enfriado que sale de la turbina 56 a
través de una línea 58 es ventilado por medio de una chimenea de
escape 60. Como se muestra en la figura 6, la energía mecánica
generada por la turbina 56 se puede emplear para accionar el
compresor 14 por medio de un árbol 62.
A continuación se describe con mayor detalle un
procedimiento (y los resultados obtenidos por el mismo) usado para
determinar una composición de combustible que tiene un tiempo de
retardo del encendido adecuado para lograr una operación segura en
una cámara de combustión DLN. En general, se ha comprobado que el
combustible según la invención tiene un tiempo de retardo del
encendido que permite una operación segura y eficaz de un sistema de
combustión DLN.
Se realizaron experimentos para determinar el
tiempo de retardo del encendido de varias composiciones de
combustible en un aparato de combustión de volumen constante (de
aquí en adelante "CVCA"), diseñado para simular el
autoencendido de combustibles en un motor diesel. Las mediciones
obtenidas en estos experimentos se emplearon entonces para
determinar composiciones de combustible adecuadas para usarse en
cámaras de combustión DLN de tamaño industrial que funcionan en el
modo de pre-mezcla.
Un CVCA consiste en un recipiente de acero
inoxidable equipado con un inyector de combustible, un transductor
de presión y sensores de temperatura. La cámara de combustión del
CVCA particular usado tenía 5,4 cm de diámetro y 16,2 cm de
longitud. La geometría de la cámara, las dimensiones y el sistema de
inyección se compaginaron para asegurar relaciones adecuadas de
aire-a-combustible.
Se mezclaron gases tales como aire y metano en la
cámara de combustión del CVCA antes de inyectar cualquier
combustible líquido. Los gases entraron en la cámara de forma
tangencial con respecto a la pared de la cámara, para asegurar una
mezcla completa. El combustible se suministró al inyector a través
de un conducto de alta presión mediante una bomba de
pistón-en-cilindro, accionada
neumáticamente para realizar una inyección de un solo disparo. Se
suministraron combustibles tales como mezclas de
DME-metanol, DME-agua y
DME-propano, a presión (por ejemplo, 1.450 kPa (210
psig)) para evitar la ebullición y la cavitación durante el
suministro a la unidad de inyección. Cada combustible líquido se
inyecto en la cámara de combustión y, debido a que la mezcla de
aire-combustible estaba más fría que la temperatura
inicial del aire, el combustible se evaporó y se mezcló rápidamente
con el aire para formar una mezcla de
aire-combustible.
Los datos de inyección y de combustión así como
las temperaturas y presiones, se midieron con ayuda de un ordenador
de base Pentium® de 90 megahertz (MHz), equipado con una tarjeta de
alta resolución Keithley Metrabyte 1801HC. La tarjeta permitió
velocidades de muestreo de hasta 330 kilohertz (kHz) con ganancias
de señal tan elevadas como de 50:1. En la cabeza del inyector se
instaló un sensor magnético de proximidad de 5 mm de diámetro para
detectar la subida de la aguja.
Se realizó una primera serie de ensayos de
encendido usando dos muestras de combustible, una de DME puro (es
decir, DME al 100% en peso) y comprendiendo la otra mezclas de DME
con agua y metanol. Se realizó una segunda serie de ensayos de
retardo del encendido empleando cuatro muestras de combustible, una
mezcla de DME y agua, una mezcla de DME y metanol, una mezcla de DME
y propano y pentano puro, respectivamente. Todas las mediciones
fueron realizadas con relaciones de
aire-a-combustible de alrededor de
0,4 y o de alrededor de 1,0. Las mediciones obtenidas a partir de
la primera serie de muestras de combustible se ofrecen en la
siguiente tabla I.
Las mediciones obtenidas a partir de la segunda
serie de muestras de combustible se ofrecen en la siguiente tabla
II.
También se efectuaron mediciones del tiempo de
retardo del encendido inyectando DME puro en una cámara de
combustión que estaba llena de un gas premezclado de
aire-metano. Las mediciones de estos ensayos se
ofrecen en la siguiente tabla III.
Los resultados de las mediciones del tiempo de
retardo del encendido de la tabla I demuestran que las mezclas de
DME-metanol-agua presentaban tiempos
de retardo del encendido significativamente más prolongados que en
el caso de DME puro. Los resultados demuestran también que un
incremento del contenido en metanol en el combustible a base de la
mezcla de DME aumenta el tiempo de retardo del encendido. Los
resultados mostrados en la tabla II indican que el agua y el
propano resultaron ser igualmente eficaces a la hora de aumentar el
tiempo de retardo del encendido del DME. Como se muestra en la tabla
III, un incremento del contenido en metano del combustible a base
de la mezcla de DME aumenta también el tiempo de retardo del
encendido.
Los siguientes ejemplos ilustran que la
combustión de un combustible de DME puro en un sistema de
combustión DLN se traducirá en el retroceso de la llama, mientras
que la combustión del combustible según la reivindicación 1 no dará
lugar a un retroceso de la llama. El primero de los siguientes
ensayos-experimentos ofrecidos como ejemplos fue
realizado en una cámara de combustión DLN de tamaño industrial
empleando un combustible a base de una mezcla de DME según la
invención. El segundo de los ensayos-experimentos
ofrecidos como ejemplos fue realizado en un sistema de combustión
DLN a escala de laboratorio empleando un combustible de DME puro y
un combustible a base de una mezcla de DME.
Una mezcla de combustible líquido consistente en
2,9% en peso de agua, 14,2% en peso de metanol y 82,9% en peso de
dimetiléter se bombeó a una unidad de vaporizador/supercalentador
mediante dos bombas de turbina de cámara progresiva que funcionaban
en serie. La primera bomba (conocida como bomba de transferencia)
presurizó el combustible desde 276-414 kPa
(40-60 psig) a 2.070 kPa (300 psig)
aproximadamente. La segunda bomba (conocida como bomba de refuerzo)
aumentó la presión a 3.790 kPa (550 psig) y bombeó el combustible
líquido a un vaporizador que operaba a 3.100 kPa (450 psig)
aproximadamente en donde se vaporizó el combustible líquido.
Se alimentó aire comprimido a la cámara de
combustión DLN a una velocidad de alrededor de 20 kg/s (44 libras
por segundo (lbs/seg)) a 54 lbs/seg. Las temperaturas del aire
comprimido se variaron entre 296ºC (565ºF) y 377ºC (710ºF)
aproximadamente. La presión en el interior de la cámara de
combustión DLN se varió entre 827 kPa 8120 psia) y 1.240 kPa (180
psia) aproximadamente. El combustible vaporizado, que tiene una
temperatura por encima de 117ºC (350ºF), se inyectó en la cámara de
combustión DLN en una proporción de alrededor de 1 a 4,6% en peso
de la proporción del flujo de aire.
Los resultados del ensayo de combustión
demostraron que la cámara de combustión DLN diseñada para
combustibles de gas natural y de destilados convencionales quemó
con éxito el combustible alimentado sin problemas de retroceso de
la llama en el modo de pre-mezcla, y cumplió con los
requisitos de bajas emisiones (por ejemplo, 15 ppmvd NO_{x} a un
nivel de oxígeno del 15% en el gas de escape de la turbina)
establecidos para los combustibles de gas natural.
Como se ha indicado anteriormente, las
características de retroceso de la llama de combustible y la
capacidad operativa de todo el sistema de la turbina, bajo las
condiciones operativas de una cámara de combustión comercial, vienen
reflejadas habitualmente por la actividad de presión dinámica de la
cámara de combustión. En este caso, la actividad de presión
dinámica, incluso a cargas relativamente bajas, permaneció por
debajo de 27,6 kPa (4 psi) y, por tanto, no se presentó retroceso
alguno de la llama.
Se realizaron ensayos en una cámara de combustión
a escala de laboratorio en un sistema DLN que operaba en el modo de
"pre-mezcla", para comparar los problemas de
retroceso de la llama en el caso de dos combustibles líquidos: uno
de ellos de dimetiléter puro y el otro de una mezcla de dimetiléter
que consiste en 15% en peso de metanol, 3% en peso de agua y 82% en
peso de dimetiléter. Las condiciones operativas claves se muestran
en la tabla IV. Para condiciones de combustión similares, los
experimentos con dimetiléter puro indicaron severos problemas de
retroceso de la llama (representados por la presencia de la llama
en la cámara de premezcla de combustible/aire) mientras que los
experimentos con el combustible a base de mezcla de dimetiléter no
indicaron dichos problemas de retroceso de la llama.
(Modo de
pre-mezcla)
La descripción anterior ha sido ofrecida
únicamente para poder entender la invención con mayor claridad y de
la misma no deberán deducirse limitaciones innecesarias dado que
para los expertos en la materia serán evidentes modificaciones
dentro del alcance de la invención.
Claims (16)
1. Uso, en una cámara de combustión en seco con
baja emisión de NO_{x}, de una composición de combustible que
consiste en una mezcla de los tres siguientes componentes (a), (b)
y (c):
- (a)
- dimetiléter;
- (b)
- al menos un alcohol; y
- (c)
- al menos un componente seleccionado del grupo consistente en agua y alcanos C_{1}-C_{6};
en donde dicha composición contiene de 15 a 93%
en peso del componente (a), de 7 a 85% en peso del componente (b) y
no más del 50% en peso del componente (c).
2. Uso según la reivindicación 1, en donde la
composición de combustible comprende de 50 a 93% en peso de
componente (a), de 7 a 50% en peso de componente (b) y de 0 a 30%
en peso de componente (c).
3. Uso según la reivindicación 1 ó 2, en donde la
composición de combustible comprende de 70 a 93% en peso de
componente (a), de 7 a 30% en peso de componente (b) y de 0 a 20%
en peso de componente (c).
4. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 1
a 3, en donde la composición de combustible contiene de 80 a 93% en
peso de componente (a), de 7 a 20% en peso de componente (b) y no
más de 10% en peso de componente (c).
5. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en donde el componente (c) se elige entre agua, metano,
propano y gas de petróleo licuado.
6. Uso según la reivindicación 1, en donde la
composición de combustible consiste en una mezcla de los siguientes
componentes (a) y (b):
- (a)
- dimetiléter;
- (b)
- al menos un alcohol; y
en donde dicha composición contiene de 80 a 93%
en peso de componente (a) y de 7 a 20% en peso de componente
(b).
7. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, en donde dicho alcohol se elige entre metanol, etanol y
propanol.
8. Uso según la reivindicación 7, en donde el
componente (b) es metanol.
9. Procedimiento para generar energía, cuyo
procedimiento comprende las etapas de:
- (i)
- pasar una composición de combustible que comprende una mezcla de:
- (a)
- 15 a 93% en peso de dimetiléter;
- (b)
- 7 a 85% en peso de al menos un alcohol; y
- (c)
- 0 a 50% en peso de al menos un componente seleccionado del grupo consistente en agua y alcanos C_{1}-C_{6};
a una cámara de combustión en seco con baja
emisión de NO_{x} de una turbina de gases, en presencia de un gas
que contiene oxígeno para la combustión de dicha composición de
combustible y formación de un gas de combustión; y
- (ii)
- pasar dicho gas de combustión a dicha turbina de gases para generar energía.
10. Procedimiento según la reivindicación 7, en
donde dicha cámara de combustión en seco con baja emisión de
NO_{x} opera en un modo de pre-mezcla.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10,
en donde dicho gas que contiene oxígeno es aire.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, en donde una parte de dicho gas que
contiene oxígeno se pasa desde el compresor de dicha cámara de
combustión de la turbina de gases directamente a dicha turbina con
dicho gas de combustión.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 12, en donde una mezcla de dicho combustible y
de dicho gas que contiene oxígeno se pasa a través de dicha cámara
de combustión para quemar dicho combustible en la misma, en donde
dicha mezcla tiene un tiempo de residencia en dicha cámara de
combustión y dicha mezcla de combustible-gas se
caracteriza por un tiempo de retardo del encendido, y en
donde las respectivas proporciones de los componentes (a), (b) y,
si está presente, (c) de la composición de combustible se eligen de
manera que el tiempo de retardo del encendido de dicha mezcla de
combustible-gas, en las condiciones operativas de la
cámara de combustión, supera a su tiempo de residencia.
14. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 12, en donde una mezcla de dicho combustible y
de dicho gas que contiene oxígeno se pasa a través de dicha cámara
de combustión para quemar dicho combustible en la misma y producir
dicho gas de combustión, en donde la cámara de combustión se opera
en un modo de pre-mezcla y las respectivas
proporciones de los componentes (a), (b) y, si está presente, (c)
de la composición de combustible se eligen de manera que el gas de
combustión producido, en las condiciones operativas del modo de
pre-mezcla de la cámara de combustión, tiene una
concentración de NO_{x} de 20 ppmvd o menos a un nivel de oxígeno
de 15%.
15. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 12, en donde una mezcla de dicho combustible y
de dicho gas que contiene oxígeno se pasa a través de dicha cámara
de combustión para quemar dicho combustible en la misma y producir
un gas de combustión, en donde la cámara de combustión se opera en
un modo de pre-mezcla y las respectivas
proporciones de los componentes (a), (b) y, si está presente, (c)
de la composición de combustible se eligen de manera que el gas de
combustión producido, en las condiciones operativas del modo de
pre-mezcla de la cámara de combustión, tiene una
concentración de monóxido de carbono de 20 ppmvd o menos.
16. Procedimiento para generar energía según
cualquiera de las reivindicaciones 9 a 15, en donde la composición
de combustible es como la definida en cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8.
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