ES2221816B1 - Procedimiento para la generacion de energia electrica a partir de combustibles no tradicionales. - Google Patents

Procedimiento para la generacion de energia electrica a partir de combustibles no tradicionales.

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Abstract

Procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de combustibles no tradicionales. La presente invención se refiere a un procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de combustibles no tradicionales que comprende las etapas de: (a) combustión del combustible no tradicional en un horno de combustión con recuperación de calor para generar y/o sobrecalentar vapor de agua, y (b) suministro del vapor de agua de la etapa (a) a una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico para producir energía eléctrica. En dicho procedimiento, parte de las demandas energéticas de la etapa (a) se satisfacen empleando el calor residual de un motogenerador. De este modo se consigue optimizar las instalaciones de generación eléctrica de combustibles no tradicionales de baja media potencia en cuanto a su rendimiento eléctrico.

Description

Procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de combustibles no tradicionales.
Campo de la invención
La presente invención pertenece al campo de la generación eléctrica a partir de combustibles no tradicionales tales como la biomasa primaria forestal o vegetal, la biomasa secundaria (serrines, cortezas, etc.), los residuos urbanos o productos asimilables, los residuos industriales, los residuos del sector agrícola o agropecuario o del tratamiento de efluentes, etc.
Estos combustibles suelen tener un calor de combustión bajo, a menudo debido al porcentaje de agua que contienen, que con frecuencia alcanza proporciones del 15-75% en peso.
El esquema habitual de generación eléctrica a partir de estos combustibles no tradicionales consiste en su combustión en un horno provisto de una caldera de generación de vapor de agua y un turbogenerador eléctrico movido por el vapor. Los rendimientos energéticos de estos sistemas generalmente no superan el 25% (expresado como porcentaje de KWh eléctricos generados respecto a los KWh térmicos contenidos en el combustible primario), muy desfavorables en comparación con los de los ciclos combinados de gas natural que alcanzan rendimientos del orden del 50% o más.
Estos bajos rendimientos energéticos se deben, no sólo a las limitaciones del sistema de turbina de vapor, sino también a que una parte significativa del calor de combustión se consume en el secado del combustible no tradicional así como en el calentamiento del aire de combustión.
Algunos de estos combustibles no tradicionales como, por ejemplo, los residuos urbanos o determinados residuos plásticos que contienen derivados clorados, producen compuestos químicos muy tóxicos (dioxinas, furanos, etc.) que contaminan los humos de chimenea. Además, en la combustión se genera cloruro de hidrógeno que ataca los haces tubulares de generación de vapor, cuando se eleva la temperatura para conseguir vapor sobresaturado.
Antecedentes de la invención
Algunos de los citados problemas que presenta la generación eléctrica con combustibles no tradicionales (humedad, bajo rendimiento energético, producción de compuestos químicos tóxicos, corrosividad, etc.) han podido ser abordados mediante el uso de combustibles tradicionales (gas natural, gasóleo, fuelóleo, etc.) como combustibles auxiliares de los no tradicionales.
Así, por ejemplo, la elevación de la temperatura de los gases de combustión del horno por encima de 900°C, generalmente a 1000-1200°C, por una post-combustión de un combustible tradicional, permite destruir los compuestos tóxicos, evitando su vertido a la atmósfera por la chimenea.
Asimismo, la generación de vapor saturado a alta presión en el haz tubular de la caldera y su sobrecalentamiento en un intercambiador externo con humos procedentes de un quemador de un combustible tradicional, permiten eliminar los problemas de corrosión en dicho haz tubular y mejorar el rendimiento energético del ciclo de vapor (patente ES 2006059, SENER 1989). El rendimiento energético se mejora aún más si los humos del combustible tradicional que sobrecalientan el vapor saturado proceden de un turbogenerador (patente ES 2010890, SENER 1989).
También se ha empleado gas natural como combustible auxiliar en turbogeneradores, utilizando los humos calientes para secar el combustible no tradicional (patente US 4957049, ELECTRODYNE RESEARCH CORP, 1990) y para sustituir aire frío de combustión del horno (patente US 4882903, C.H. GUERNSEY CO, 1989).
Por otro lado, el uso de gas natural, como combustible auxiliar en turbogeneradores para generar humos calientes y aportar calor a un sistema de generación eléctrica de combustible no tradicional, ha sido descrito por diversos autores (los ya citados anteriormente; y WO 90/00219, IMATRAN VOIMA OY, 1990; US 4852344, ENERGY ECONOMICS AND DEVELOPMENT, 1989; US 5623822, MONTENAY INTERNATIONAL CORP, 1997; US 5724807, MONTENAY INTERN. CORP., 1998, etc.), ya que de esta forma se mejora la eficiencia energética de la combustión de gas natural al generar energía eléctrica y gases calientes simultáneamente.
Sin embargo, los rendimientos eléctricos de las turbinas de gas disminuyen sensiblemente con su tamaño, por lo que resultan poco apropiadas para suministrar calores auxiliares en instalaciones de generación eléctrica de combustibles no tradicionales de baja-media potencia (5-25 MWe) como sucede muy frecuentemente en el caso de biomasas, residuos industriales, agrícolas o ganaderos, donde la disponibilidad del combustible o residuo está limitada.
Así pues, continua existiendo en el estado de la técnica la necesidad de optimizar las instalaciones de generación eléctrica de combustibles no tradicionales de baja-media potencia en cuanto a su rendimiento eléctrico.
La presente invención se basa en que los motores de combustión interna que funcionan con combustibles tradicionales tales como gas natural, gas-oil, fuel-oil, etc., son máquinas que alcanzan rendimientos eléctricos elevados (hasta un 45-48%) disponiendo también de calores residuales aprovechables procedentes de los humos de combustión y del agua de refrigeración de camisas y turbocompresores. A diferencia de las turbinas, los motores de combustión interna son aplicables al rango de las potencias bajas consiguiendo altos rendimientos de generación eléctrica.
El aprovechamiento de los calores residuales de los motores permite, no sólo generar vapor que puede ser recalentado con los humos del horno para mover una turbina a vapor, sino preferentemente aportar calor en rangos de temperaturas más bajas como son el secado del combustible, el calentamiento del aire de combustión del horno o el calentamiento del agua de calderas.
Objeto de la invención
La presente invención, por tanto, tiene por objeto aumentar la eficiencia energética de la generación eléctrica a partir de combustibles no tradicionales, tales como biomasas, residuos urbanos, etc., utilizando como combustible auxiliar un combustible tradicional tal como los hidrocarburos líquidos o gaseosos de origen fósil, por ejemplo.
Es también un objeto de la presente invención integrar un sistema de generación eléctrica mediante motores de explosión interna con otro sistema de generación del tipo horno de combustión-caldera de vapor, de forma que los calores residuales del primero se utilicen en el segundo, resultando en una mejor eficiencia que la que se produciría con los dos sistemas por separado.
Es asimismo un objeto de la presente invención que los calores residuales del motogenerador se utilicen en las necesidades energéticas de los servicios auxiliares o de baja temperatura del sistema horno-caldera, de forma que el calor de combustión de este segundo sistema se utilice preferentemente en los servicios de alta temperatura tales como generación y sobrecalentamiento de vapor, lo que redunda en un mejor aprovechamiento de los calores residuales.
Es también un objeto de la presente invención conseguir el máximo aprovechamiento del calor contenido en los humos de combustión y en el agua de refrigeración de los motores que queman el combustible auxiliar.
Es también un objeto de la invención conseguir que la mejora de la eficiencia energética sea aplicable a instalaciones de generación de baja-media potencia, especialmente en el rango de 5 a 25 MWe en el que las turbinas de gas pierden rendimiento.
Es también un objeto de la invención hacer compatible las mejoras de la eficiencia energética producidas por el motogenerador en las áreas de bajas temperaturas, con las que pueden conseguirse con otros sistemas conocidos en el área de la generación de vapor saturado a alta presión y su posterior recalentamiento, que actúan en las zonas de altas temperaturas.
Finalmente, es objeto de la invención disponer de un proceso suficientemente flexible y adaptable a las particularidades de los diversos combustibles no tradicionales.
Descripción detallada de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de combustibles no tradicionales que comprende las siguientes etapas:
(a)
combustión del combustible no tradicional en un horno de combustión con recuperación de calor para generar y/o sobrecalentar vapor de agua, y
(b)
suministro del vapor de agua de la etapa (a) a una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico para producir energía eléctrica;
caracterizado porque el calor residual de un motogenerador se emplea en satisfacer parte de las demandas energéticas de la etapa (a).
En una realización particular, el procedimiento de la invención comprende, antes de la etapa (a) de combustión, una etapa previa de secado del combustible no tradicional húmedo, caracterizado porque el calor residual del motogenerador se emplea en satisfacer parte o la totalidad de las demandas energéticas de dicha etapa previa.
En otra realización del procedimiento de la invención, el calor residual del motogenerador se utiliza en el calentamiento del aire de combustión de la etapa (a), o en el calentamiento del agua destinada a la generación de vapor de la etapa (a), o en la generación de vapor de agua de la etapa (a), o en el secado del combustible no tradicional de la etapa previa, o en una combinación de los mismos.
En otra realización del procedimiento de la invención, el calor residual del motogenerador procede de los humos de combustión o del agua de refrigeración del mismo, o de ambos.
En la presente invención, la integración de un motor de combustión interna, alimentado con combustible tradicional y acoplado a un generador eléctrico, con un sistema de combustión en horno con recuperación de calor (un sistema horno-caldera, por ejemplo) que utiliza combustibles no tradicionales, se consigue cediendo el calor de los humos de combustión y del agua de refrigeración de camisas y turbocompresores del motor al aire de combustión del horno, o al agua destinada a la generación de vapor (al agua de calderas, por ejemplo), o a la generación de vapor de media presión, o al secado del combustible tradicional o, preferentemente, a una combinación de estos servicios.
Según el tamaño de la instalación pueden emplearse uno o varios motogeneradores. Los alternadores conectados a la turbina de vapor y al motor de combustión interna producen la energía eléctrica del sistema integrado de la invención.
La presente invención permite diversas realizaciones particulares para optimizar el tipo y características del combustible no tradicional, el tamaño en la planta, el tipo de combustible tradicional y otras circunstancias de la implantación específica, sin que las descripciones que se realizan a continuación puedan constituir limitaciones del alcance del procedimiento.
En una realización particular del procedimiento objeto de la invención, el calor residual del motor se utiliza en el secado del combustible no tradicional y en la calefacción del aire de combustión y del agua destinada a la generación de vapor (Fig 1).
Así, en una realización particular del procedimiento de la invención, el secado de la etapa previa se realiza en un secador mediante el contacto directo del combustible no tradicional húmedo con los humos de combustión, o mediante el contacto directo o indirecto del combustible no tradicional húmedo con un fluido intermedio.
La naturaleza y características del combustible no tradicional a secar determinan el sistema de secado. Así, en una realización particular de la invención, los humos del combustible tradicional no entran directamente en contacto con el combustible no tradicional en el secador, sino que lo hacen con un fluido intermedio, tal como vapor o aceite térmico, que transfiere su calor a través de intercambiadores o a través de aire empobrecido en oxígeno que en circuito cerrado entra en contacto directo con el producto a secar. De este modo, se evita que los humos del combustible tradicional se contaminen y se facilita la recogida del agua del combustible no tradicional para su recuperación o tratamiento y vertido.
En una realización particular del procedimiento, aplicable por ejemplo a residuos urbanos, los gases de salida del secador se envían a una torre de lavado para eliminar emisiones odoríferas antes de su emisión por la chimenea (no mostrado en las figuras).
En otra realización particular del procedimiento, parte de los humos de combustión del motogenerador o parte de los humos de combustión dei horno se introducen en el horno de combustión (no mostrado en las figuras). De este modo, se aprovecha parte del calor residual de dichos humos, aumentando así el rendimiento energético del sistema de la invención.
En otra realización particular del procedimiento objeto de la invención, aplicable a combustibles no tradicionales con bajo contenido en agua, el calor residual del motor se utiliza en generar vapor de media presión (por ejemplo 10 Kg/cm^{2}) y en calentar el aire del horno (Fig. 2).
En una realización particular del procedimiento objeto de la invención el calor del motogenerador se aplica sólo al secado del combustible o a la calefacción del aire de combustión o a ambos (Fig. 3). En este caso, el calentamiento del agua destinada a la generación de vapor puede efectuarse en una instalación externa al mismo en la que, además, se sobrecalienta el vapor de agua empleando parte del combustible tradicional. Al sobrecalentar el vapor de agua generado en el horno fuera del mismo se evitan problemas de corrosión indeseados.
En una realización particular de la presente invención, parte del combustible tradicional se emplea en quemadores para aumentar la temperatura de los humos de combustión del motogenerador o para aumentar la temperatura de los humos de combustión del horno (no mostrado en las figuras). Asimismo, parte del combustible tradicional puede emplearse en quemadores para calentar el agua destinada a la generación de vapor o para sobrecalentar el vapor de agua saturado o ligeramente sobrecalentado generado en el horno de combustión antes de su suministro al turbogenerador de la etapa (b).
Así, en una realización preferida del procedimiento, el calor del motogenerador se aplica al secado del combustible y al calentamiento del aire de un sistema horno-caldera-turbina de vapor de mayor rendimiento, caracterizado porque en la caldera se genera vapor saturado a alta presión (alrededor de 100 atm) que se sobrecalienta a unos 500°C con el calor de combustión de gas natural u otro combustible tradicional antes de turbinarlo. En este caso, el precalentamiento del agua de calderas está integrado en el sistema de sobrecalentamiento del vapor de alta presión.
En otra realización preferida de la invención, parte del combustible tradicional se emplea en un turbogenerador o en un motogenerador adicional cuyos humos se utilizan para sobrecalentar el vapor de agua saturado o ligeramente sobrecalentado generado en el horno de combustión antes de su suministro al turbogenerador de la etapa (b) (no mostrado en las figuras). De este modo, al acoplar un turbogenerador o motogenerador adicional al sistema de la invención, se aumenta el rendimiento energético del mismo.
En una realización particular, el combustible no tradicional es biomasa primaria o secundaria o un material asimilable a la misma (biomasa forestal, biomasa vegetal, cultivos energéticos, serrín, cortezas, etc.); o un residuo urbano o un material asimilable, o un residuo industrial o un material asimilable, o un producto o subproducto del tratamiento de aguas residuales, o un residuo de origen agropecuario (lodos, purines, gallinaza, alpechín, alperujo, etc.) o un material asimilable, o un residuo de automación o un material asimilable (neumáticos fuera de uso, fracción ligera de la fragmentación de automóviles, etc.), o una. combinación de los mismos.
Así pues, en una realización preferida, dicho combustible no tradicional es un material seleccionado de entre biomasa. forestal, biomasa vegetal, cultivos energéticos, serrín, cortezas, lodos, purines, gallinaza, alpechín, alperujo, neumáticos fuera de uso, fracción ligera de la fragmentación de automóviles, o una combinación de los mismos.
En otra realización particular, el combustible tradicional es un hidrocarburo gaseoso o líquido de origen fósil, preferiblemente gas-oil, fuel-oil o gas natural.
En otra realización particular, dicho combustible tradicional fósil se sustituye parcial o totalmente por un combustible tradicional no fósil tal como biogás, gas pobre, gas de síntesis, bioetanol, biocombustible u otro combustible para motor de combustión interna asimilable.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 representa un esquema del procedimiento de la invención en el que el calor residual del motor se utiliza en el secado del combustible no tradicional y en la calefacción del aire de combustión y del agua destinada a la generación de vapor.
La figura 2 representa un esquema del procedimiento de la invención en el que el calor residual del motor se utiliza en la generación de vapor de media presión y en el calentamiento del aire del horno.
La Figura 3 representa un esquema del procedimiento de la invención en el que el calor del motogenerador se aplica al secado del combustible o a la calefacción del aire de combustión o a ambos, mientras que el calentamiento del agua destinada a la generación de vapor se efectúa en una instalación externa al mismo en la que, además, se sobrecalienta el vapor de agua empleando parte del combustible tradicional.
Realizaciones preferentes de la invención
La figura 1 ilustra el procedimiento de integración de un motogenerador de combustible tradicional (gas natural o fuel, por ejemplo) con un sistema de generación eléctrica de combustible no tradicional (biomasa forestal, por ejemplo). El horno de combustión del combustible no tradicional es en este caso un sistema horno-caldera.
La biomasa (1), almacenada en el silo (A), se seca en el secador (B) reduciendo su humedad a valores inferiores al 15% de agua en peso. El secado se realiza poniendo en contacto la biomasa con los humos (7), procedentes de la combustión del combustible tradicional (6) en el motogenerador (H), que previamente han cedido parte de su contenido calorífico al aire de combustión (10) en el cambiador de calor (I) y al agua de calderas (5) en el cambiador (J).
La biomasa seca (2) se quema en el horno (C), recuperándose el calor de su combustión en forma de vapor (4) producido en un haz tubular en la zona de convección, alimentado con el agua de calderas (5) precalentada en el cambiador (J).
El vapor (4) mueve la turbina a vapor (F), se condensa en (G) y se recircula al cambiador (J) y a la caldera. Los humos del combustible no tradicional (3) se depuran en (D) (en este caso eliminación de polvo, principalmente) y conjuntamente con los humos del combustible tradicional (8) se emiten por la chimenea (E).
El aire de combustión del horno (10) se precalienta en el intercambiador (K) aprovechando el agua de refrigeración del motor.
Tal y como se comentado previamente, en función del tamaño de la instalación se pueden emplear uno o varios motogeneradores.
Los alternadores conectados a la turbina de vapor y al motor producen la energía eléctrica (9).
En la figura 2, los humos (7) del motor (H) generan vapor de media presión en (J) y calientan el aire de combustión (10) en (I) antes de salir por la chimenea (E2); en tanto que el calor de combustión del combustible no tradicional (1) generado en el horno (C), se utiliza para generar vapor de alta presión que se turbina en (F1) y para sobrecalentar el vapor de media presión generado en (J) que se turbina en (F2). Como en otras realizaciones particulares, la energía eléctrica (9) se genera en los alternadores acoplados a las turbinas de vapor (F) y al motor (H), que puede ser una o varias unidades en paralelo.
La figura 3 representa una realización particular en la que el calor de los humos (7) generados en un motor (I) con combustible tradicional (6) se emplean en precalentar el aire (10) en el cambiador (J) y en secar el combustible no tradicional (1) en el secador (B). El precalentamiento del agua destinada a la generación de vapor está integrado en un sistema de sobrecalentamiento del vapor saturado o ligeramente sobrecalentado generado en el horno (C) como es el cambiador (H), en el que el vapor se sobrecalienta con el calor de un quemador que emplea parte del combustible tradicional (6) antes de mover la turbina a vapor (F).
El ejemplo que se describe a continuación sirve para ilustrar el procedimiento de la invención, sin que ello implique limitaciones a sus posibilidades.
Ejemplo 1 (según la figura 1)
Se procesan 30 t/h de residuo urbano, con un 40% de humedad y un poder calorífico inferior de 2000 Kcal/Kg, en una unidad de tecnología anterior a la presente invención constituida por un horno de parrilla con recuperación de vapor sobrecalentado y turbina de condensación, generando 17.300 KWh/h con un 25% de rendimiento.
La misma cantidad de residuo urbano se procesa en una unidad como la reflejada en la figura 1, en la que el combustible auxiliar (6) es gas natural (35.500 KWh/h), de cuyos calores residuales {humos y agua de refrigeración) se recuperan 9.650 KWh_{t}/hora, en el secado del residuo en (B) (cuya humedad desciende por debajo del 20%) y en la precalefacción del aire de combustión en (K) y en (I). La energía eléctrica obtenida en la turbina de vapor es de 19.700 KWh/h, a lo que hay que añadir 16.000 KWh/hora generados por el motor a gas, es decir un total de 35.700 KWh/hora.
Con el procedimiento de la invención, la generación eléctrica con el combustible no tradicional ha aumentado un 14%. El rendimiento de energía eléctrica de ambas máquinas con el procedimiento de la invención es del 29,2%, en tanto que si no se hubieran utilizado los calores residuales del motor en los servicios (B), (K) e (I), de acuerdo con la presente invención, el rendimiento global de ambos sistemas de generación sin integrar hubiera sido del 27,2%.

Claims (13)

1. Procedimiento para la generación de energía eléctrica a partir de combustibles no tradicionales que comprende las siguientes etapas:
(a)
combustión del combustible no tradicional en un horno de combustión con recuperación de calor para generar y/o sobrecalentar vapor de agua, y
(b)
suministro del vapor de agua de la etapa (a) a una turbina de vapor acoplada a un generador eléctrico para producir energía eléctrica;
caracterizado porque el calor residual de un motogenerador se emplea en satisfacer parte de las demandas energéticas de la etapa (a).
2. Procedimiento según la reivindicación 1 que comprende, antes de la etapa (a) de combustión, una etapa previa de secado del combustible no tradicional húmedo, caracterizado porque el calor residual del motogenerador se emplea en satisfacer parte o la totalidad de las demandas energéticas de dicha etapa previa.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el calor residual del motogenerador se utiliza en el calentamiento del aire de combustión de la etapa (a), o en el calentamiento del agua destinada a la generación de vapor de la etapa (a), o en la generación de vapor de agua de la etapa (a), o en el secado del combustible no tradicional de la etapa previa, o en una combinación de los mismos.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el calor residual del motogenerador procede de los humos de combustión o del agua de refrigeración del mismo, o de ambos.
5. Procedimiento según las reivindicaciones 2-4, caracterizado porque el secado de la etapa previa se realiza en un secador mediante el contacto directo del combustible no tradicional húmedo con los humos de combustión, o mediante el contacto directo o indirecto del combustible no tradicional húmedo con un fluido intermedio.
6. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque parte de los humos de combustión del motogenerador se introducen en el horno de combustión.
7. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque parte de los humos de combustión del horno se introducen en dicho horno de combustión.
8. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque parte del combustible tradicional se emplea en quemadores para aumentar la temperatura de los humos de combustión del motogenerador, o para aumentar la temperatura de los humos de combustión del horno, o para calentar el agua destinada a la generación de vapor, o para sobrecalentar el vapor de agua saturado o ligeramente sobrecalentado generado en el horno de combustión antes de su suministro al turbogenerador de la etapa (b).
9. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque parte del combustible tradicional se emplea en un turbogenerador o en un motogenerador adicional cuyos humos se utilizan para sobrecalentar el vapor de agua saturado o ligeramente sobrecalentado generado en el horno de combustión antes de su suministro al turbogenerador de la etapa (b).
10. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el combustible no tradicional es biomasa primaria o secundaria o un material asimilable a la misma, o un residuo urbano o un material asimilable, o un residuo industrial o un material asimilable, o un producto o subproducto del tratamiento de aguas residuales, o un residuo de origen agropecuario o un material asimilable, o un residuo de automoción o un material asimilable, o una combinación de los mismos.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque el combustible no tradicional es un material seleccionado de entre biomasa forestal, biomasa vegetal, cultivos energéticos, serrín, cortezas, lodos, purines, gallinaza, alpechín, alperujo, neumáticos fuera de uso, fracción ligera de la fragmentación de automóviles, o una combinación de los mismos.
12. Procedimiento según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el combustible tradicional es un hidrocarburo gaseoso o líquido de origen fósil, preferiblemente gas-oil, fuel-oil, o gas
natural.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el combustible tradicional fósil se sustituye parcial o totalmente por un combustible tradicional no fósil tal como biogás, gas pobre, gas de síntesis, bioetanol, biocombustible u otro combustible para motor de combustión interna asimilable.
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