ES2245635T3 - Procedimiento para la mejora de la combustion en un sistema de lecho fluidizado circulante y sistema correspondiente. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para mejorar la combustión en un sistema (1), de tipo de lecho fluidizado circulante, que comprende un hogar (3) asociado al menos a un ciclón (4) que tiene un intradós y un extradós, particularmente para el suministro de energía a un intercambiador térmico (2) en el marco de una instalación productora de electricidad, y que funciona a partir de combustible introducido en la parte baja del hogar, en la que se crea una atmósfera reductora y en la que este combustible experimenta una pirólisis con separación en dos fases: una, sólida y compuesta por granos de coque y de nitrógeno-coque que provienen del combustible de origen y, la otra, gaseosa, que contiene las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno contenido en el combustible de origen, elevándose el conjunto en el hogar en el que continúa la combustión, dejando subsistir partículas quemadas incompletamente, que son aspiradas y reenviadas a la parte baja del hogar por acción ciclónica, previendo dicho procedimiento una inyección de aire (AT), llamado tardío, además de la inyección de aire primario (AP) realizada en la parte baja del hogar y de al menos una inyección de aire secundario (AS1, AS2) realizada para crear una atmósfera oxidante en el hogar, por encima de la zona baja de éste en la que se crea una atmósfera reductora.

Description

Procedimiento para la mejora de la combustión en un sistema de lecho fluidizado circulante y sistema correspondiente.

La invención se refiere a un procedimiento para mejorar la combustión en un sistema de combustión de lecho fluidizado circulante, y se refiere también a los sistemas que utilizan este procedimiento.

Como es conocido, esta clase de sistema quema combustibles sólidos triturados, combustibles líquidos o combustibles gaseosos, particularmente en las centrales térmicas de producción de electricidad. Tiene como inconveniente que produce óxidos de nitrógeno NO_{x}, y se busca, por lo tanto, limitar las emisiones de estos óxidos, particularmente favoreciendo la liberación de especies nitrogenadas del combustible en un medio débilmente oxidante, o incluso reductor. Tal limitación se obtiene clásicamente por realización de hogares en los que está prevista una disposición que permita un escalonamiento del aire a niveles diferentes respecto a la altura del hogar.

Una solución descrita en la patente FR 2 587 090 prevé inyectar el aire llamado primario, en una zona situada en la parte baja del hogar, con un caudal determinado, de manera que se obtenga un coeficiente de exceso de aire tal que se cree allí una atmósfera reductora. Una inyección de aire, llamado secundario, se realiza en una o varias etapas en la parte de arriba de esta zona baja del hogar, para crear una zona oxidante que se extiende por el resto de la altura del mismo. Sin embargo, las soluciones conocidas no son suficientemente eficaces y la invención pretende, por lo tanto, que se permita obtener una disminución de las emisiones nocivas de óxido de nitrógeno NO_{x} en un sistema de combustión de lecho fluidizado circulante, que asocia de manera en sí conocida un hogar y un ciclón, sin disminución del rendimiento de la combustión del sistema.

La invención propone, por lo tanto, un procedimiento para mejorar la combustión en un sistema, de tipo de lecho fluidizado circulante, que comprende un hogar asociado al menos a un ciclón que tiene un extradós y un intradós, particularmente para el suministro de energía a un intercambiador térmico en el marco de una instalación productora de electricidad. El sistema se supone que funciona a partir de combustible introducido en la parte baja del hogar, en la que se crea una atmósfera reductora y en la que el combustible experimenta una pirólisis con separación en dos fases: una, sólida y compuesta por partículas de coque, con una fracción de nitrógeno-coque que proviene del combustible de origen y, la otra, gaseosa, que contiene las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno contenido en el combustible de origen. Las partículas y las materias volátiles se elevan en el hogar en el que continúa la combustión, dejando subsistir partículas quemadas incompletamente, que son aspiradas y reenviadas a la parte baja del hogar por acción ciclónica. Se ofrece, así, una nueva posibilidad a las partículas sólidas que contienen también carbono sin quemar de perfeccionar su combustión. Se prevé una inyección de aire, llamado tardío, además de la inyección de aire primario realizada en la parte baja del hogar y de al menos una inyección de aire secundario realizada para crear una atmósfera débilmente oxidante en el hogar por encima de la zona baja de éste, en la que se crea una atmósfera

\hbox{reductora.}

Según una forma preferida de utilización del procedimiento según la invención, se prevé que una modificación de la trayectoria de las partículas aspiradas por acción ciclónica sea realizada por la acción del aire tardío inyectado entre la parte alta del hogar y la entrada del ciclón, de tal manera que el aire tardío aplica a las partículas una fuerza vertical dirigida hacia la parte baja y que las conduce hacia el extradós del ciclón para mejorar el rendimiento de captación ciclónica y, en consecuencia, el rendimiento de la combustión.

Con arreglo a una forma de utilización del procedimiento según la invención, se saca partido de la inyección de aire tardío, nuevo y caliente, para mejorar la combustión de los gases sin quemar contenidos en los humos que salen del hogar, por la acción complementaria de agitación que ocasiona.

Con arreglo a una forma de utilización del procedimiento según la invención, el caudal de aire tardío inyectado aguas arriba de la entrada del ciclón se elige del orden del 5 al 30% del caudal total de aire suministrado para la combustión al sistema.

Con arreglo a una forma de utilización del procedimiento según la invención, las inyecciones de aire primario, secundario y tardío son tales, que llevan a unos coeficientes \lambda de exceso de aire que son, respectivamente, del orden de 0,5 en la parte baja del hogar, en la zona en la que la atmósfera es reductora, de 0,95 a 1,15 en una parte superior del hogar, situada por encima de la precedente, en la que la atmósfera es débilmente oxidante, y de 1,15 a 1,3 más allá de dicha parte superior, en la que la inyección de aire tardío produce su efecto. Se permite, así, una reducción significativa de las emisiones de óxidos de nitrógeno NO_{x}.

La invención propone, también, un sistema de combustión, de tipo de lecho fluidizado circulante, que permite la utilización del procedimiento mencionado anteriormente.

Este sistema comprende un hogar asociado al menos a un ciclón que tiene un extradós y un intradós, particularmente para el suministro de energía a un intercambiador térmico en el marco de una instalación productora de electricidad, y que funciona a partir de combustible introducido en la parte baja del hogar, en la que se crea una atmósfera reductora y en la que este combustible experimenta una pirólisis con separación en dos fases: una, sólida y compuesta por partículas de coque, con una fracción de nitrógeno-coque que proviene del combustible de origen y, la otra, gaseosa, que contiene las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno contenido en el combustible de origen, elevándose las partículas y las materias volátiles en el hogar en el que continúa la combustión, dejando subsistir partículas quemadas incompletamente, que son aspiradas y reenviadas a la parte baja del hogar por el ciclón.

Según una característica de la invención, el sistema de combustión comprende una disposición de inyección de aire con medios para inyectar el aire, llamado tardío, nuevo y calentado, situados entre la parte alta del hogar y la entrada del ciclón, y realizados a través de las aberturas dispuestas, a la vez, sobre la parte de arriba y en un lado de la conducción que une la parte alta del hogar y el ciclón, además de medios que permiten una inyección de aire primario en la parte baja del hogar, para crear allí una atmósfera reductora, y medios que permiten una inyección de aire secundario, para crear una atmósfera débilmente oxidante en una zona del hogar situada por encima de la zona baja de éste, en la que se crea una atmósfera reductora.

Según la invención, los medios de inyección de aire tardío comprenden unos inyectores que desembocan en una conducción, por mediación de la que la parte alta del hogar está unida a la entrada del ciclón, a través de unos orificios localizados sobre la pared de conducción situada en el lado del intradós del ciclón, así que, eventualmente, los inyectores desembocan mediante unos orificios dispuestos en la conducción a través de su techo.

Según la invención, el sistema de combustión comprende inyectores de aire tardío alimentados de aire caliente desde un recalentador de aire del sistema, a través de un circuito que suministra el aire secundario de este sistema.

Según una variante de realización de la invención, el sistema de combustión comprende inyectores de aditivo, que están situados en unos orificios de inyector de aire tardío, de manera que penetran en la conducción por su mediación y para favorecer la penetración del aditivo dentro de la masa de humos en la que se inyecta este aditivo.

La invención, sus características y sus ventajas se precisan en la descripción que sigue, en unión con las figuras mencionadas a continuación.

La figura 1 presenta un esquema sinóptico de un sistema de combustión, del tipo de lecho fluidizado circulante, que permite suministrar la energía en forma térmica a un intercambiador de calor.

La figura 2 presenta un diagrama que muestra la evolución del coeficiente de exceso de aire para un sistema clásico de combustión de lecho fluidizado circulante, que está esquematizado en la figura 3.

La figura 4 presenta un diagrama que muestra la evolución del coeficiente de exceso de aire para un sistema de combustión, de lecho fluidizado circulante, según la invención, tal como se esquematiza en la figura 5.

Las figuras 6 y 7 presentan, respectivamente, un montaje de inyección de aire tardío según la invención conforme a una vista desde arriba y una vista lateral según la dirección F en la figura 6.

Un ejemplo conocido de sistema de combustión 1, del tipo de lecho fluidizado circulante, se esquematiza en la figura 1, estando este sistema supuestamente destinado a quemar combustible, de origen fósil, tal como carbón o lignito. Está asociado, por ejemplo, a un intercambiador de calor 2, para suministrar energía en forma térmica, por ejemplo en el marco de una instalación industrialmente productora de electricidad. Un hogar 3 y un ciclón 4 constituyen los elementos esenciales del sistema de combustión, que están asociados entre sí y al intercambiador de calor de manera conocida, y se supone, en este caso, que suministran energía térmica a un intercambiador de calor 2.

Los humos cargados de partículas de cenizas que contienen carbono sin quemar son centrifugados al nivel del ciclón 4. Las partículas, así recuperadas, se vuelven a inyectar en la parte baja del hogar 3 por mediación de un conducto 5 de sifón 6. El aire primario se inyecta por debajo en la parte más baja del hogar 3, como se simboliza por la flecha AP. Reina una atmósfera reductora en esta parte baja del hogar, en la que el coeficiente \lambda de exceso de aire es claramente inferior a 1, como se ve en la figura 2, que muestra la variación de este coeficiente \lambda respecto a la altura del sistema de combustión, esquematizado en la figura 3. En esta zona, el combustible experimenta una pirólisis y el material combustible es separado en dos fases. Una de las dos fases está constituida, así, por granos de coque y por una fracción del nitrógeno del combustible de origen, designado comúnmente por la expresión nitrógeno-coque. La otra fase reagrupa las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno del combustible de origen. Como es conocido, la fracción de nitrógeno volátil es tanto más importante en cuanto el combustible tenga un contenido en materias volátiles más elevado. Así, en el caso de combustibles constituidos por carbones muy reactivos, tales como el lignito, subbituminoso o bituminoso, la parte de nitrógeno volátil es significativamente más elevada que la parte de nitrógeno-coque.

Los granos de coque pueden permanecer en la zona reductora situada en la parte baja del hogar, y el nitrógeno molecular N_{2} se encuentra entonces entre los productos de combustión del nitrógeno-coque. El tiempo de permanencia de los granos de coque en la zona reductora es, de hecho, esencialmente función del tamaño de cada grano.

Los granos más pequeños salen rápidamente de la zona en forma de partículas constituidas por cenizas que contienen carbono sin quemar y por un resto de nitrógeno-coque cuya combustión continúa en la parte superior del hogar 3. Estas partículas serán quemadas todavía más completamente, después de haber sido aspiradas por el ciclón 4, a través de una conducción 7 que desemboca en la parte alta del hogar, cuando se vuelven a inyectar por mediación de este ciclón en la parte baja del hogar, a través del conducto 5.

Por lo tanto, es importante que el rendimiento de captación del ciclón sea lo más elevado posible, para que se obtenga un reciclaje óptimo.

Las materias volátiles y, particularmente, el nitrógeno volátil, salen muy rápidamente de la zona reductora para alcanzar las zonas situadas por encima de la misma, en las que el aire se introduce progresivamente, como se esquematiza por las entradas AS1 y AS2 escalonadas de aire secundario, en las figuras 1, 3 y 5. La inyección escalonada de aire secundario continúa hasta la obtención de condiciones claramente oxidantes que conducen a un coeficiente \lambda de exceso de aire que está típicamente comprendido entre 1,15 y 1,30, y por ejemplo 1,2, como se ilustra en el diagrama de la figura 2. Esta combustión en atmósfera claramente oxidante conduce más particularmente a la producción de óxidos de nitrógeno cuya fuente principal es el nitrógeno volátil, en particular, en el caso de combustibles reactivos, y una de cuyas fuentes secundarias es el resto de nitrógeno-coque contenido en los granos de coque parcialmente sin quemar.

Una técnica usual de caída principal de las emisiones de óxidos de nitrógeno es seleccionar un débil exceso de aire global en la parte del hogar 3, designada clásicamente en inglés por "free board", en la que las partículas sólidas están en circulación. Sin embargo, esta técnica tiene límites, porque presenta el inconveniente de tener consecuencias nefastas para el funcionamiento del lecho fluidizado circulante del hogar 3, en particular en lo que se refiere a los intercambios de calor con las paredes entubadas y al rendimiento de la combustión. A título de ejemplo, se ha observado que una disminución del exceso de aire global que conduce a un coeficiente \lambda1, comprendido en un intervalo de 1,25 a 1,30, a un coeficiente \lambda2, comprendido en un intervalo de 1,15 a 1,20, podía conducir a una disminución ventajosa de las emisiones de óxido de nitrógeno NO_{x} de aproximadamente el 20%, acompañándose esta disminución, sin embargo, de una disminución desventajosa del rendimiento de la combustión de 0,5 a 1 punto.

Como se ha indicado más arriba, la invención permite obtener un ajuste de la estequiometría global de un sistema de combustión, de la clase mencionada anteriormente, que asegura una disminución de las emisiones de óxidos de nitrógeno NO_{x}, como se aclara más adelante.

A este efecto y como se esquematiza en la figura 5, una entrada de inyección de aire AT, llamado tardío, está dispuesta en la conducción 7 aguas arriba de la entrada del ciclón 4. Esta inyección específica arrastra un escalonamiento del aire en el hogar 3, que es más pronunciada que con el procedimiento anteriormente conocido. La misma favorece la existencia de una zona del hogar 3 en la que las partículas tienen un tiempo de permanencia relativamente largo en atmósfera débilmente oxidante.

El diagrama de la figura 4 muestra un ejemplo de variación del coeficiente \lambda de exceso de aire respecto a la altura de un sistema de combustión, tal como se esquematiza en la figura 5, en el que está prevista una entrada de inyección de aire tardío AT, según la invención. Como se ilustra en la parte alta del diagrama, se obtiene una variación del coeficiente \lambda. En el ejemplo propuesto, este coeficiente tiene un valor de 1,2 en la zona en la que la inyección de aire tardío produce su efecto y, como ésta era la circunstancia por prácticamente toda la parte alta del hogar en el caso de un sistema de combustión clásica, éste se esquematiza en la figura 3.

En el caso de un sistema de combustión que comprende una entrada de aire tardío AT, según la invención, el coeficiente \lambda se mantiene, en cambio, del orden de 0,95 a 1,15 por prácticamente toda la parte alta del hogar, que corresponde a aquélla cuyo coeficiente \lambda es igual a 1,2 en el diagrama de la figura 2, a excepción de la zona en la que los efectos de la inyección de aire tardío se hacen sentir en el caso ilustrado por las figuras 4 y 5.

La realización de la entrada de la inyección de aire tardío está representada esquemáticamente en las figuras 6 y 7, que muestran una conducción 7 que une la parte alta del hogar 3 con la entrada del ciclón 4, respectivamente, en una vista desde arriba y en una vista según la dirección F ilustrada en la figura 6.

El caudal de aire tardío inyectado al nivel de la entrada AT se determina de manera que se obtenga un coeficiente \lambda óptimo de exceso de aire en la parte "free board", en la que las partículas sólidas están en circulación. Este caudal se elige, por ejemplo, del orden del 5 al 30% del caudal total de aire de combustión.

El aire tardío inyectado es, preferiblemente, aire nuevo y caliente, que tiene, por ejemplo, una temperatura del orden de 200 a 400ºC. Por ejemplo, es separado del circuito suministrador de aire secundario, aguas abajo del recalentador de aire, no representado en este caso, de este circuito. Este aire caliente es inyectado aguas arriba del ciclón o, eventualmente, de los ciclones del sistema de combustión. La inyección se efectúa por mediación de inyectores de aire, clásicos y no representados en esta memoria, que desembocan en la conducción 7 a través de los orificios 8 esquematizados en las figuras 6 y 7. Estos inyectores y, particularmente, sus orificios 8 están dispuestos de manera que los chorros de aire tardío modifican las trayectorias de las partículas sólidas para conducirlas hacia el extradós del ciclón (la pared exterior del ciclón), y a las que aplican una fuerza vertical (representada por las pequeñas flechas en la figura 7) hacia la parte baja, delante de las que no sean captadas por acción ciclónica del ciclón 8 o, eventualmente, de un grupo de ciclones. Se obtiene una mejora del rendimiento de captación ciclónica de las partículas sólidas aspiradas fuera del hogar, gracias a la acción de los chorros de aire tardío sobre las trayectorias de las partículas en movimiento en la conducción 7. Esta mejora del rendimiento de captación conduce a una mejora del rendimiento de la combustión del combustible sólido.

Se realiza una intensa agitación en el ciclón entre, por un lado, los humos que salen del hogar, con un contenido débil en oxígeno residual y, eventualmente, un contenido significativo en gases sin quemar, tal como por ejemplo de CO y, por otro lado, el aire tardío nuevo, lo que permite terminar la combustión de los gases sin quemar.

En la forma de realización mostrada en las figuras 6 y 7, los orificios 8b de inyección de aire tardío están localizados sobre la pared vertical de la conducción opuesta al extradós del ciclón 7, estando situada esta pared de conducción en el lado del intradós del ciclón (pared interior del ciclón) o, repartidos en este caso en dos filas de orificios 8b visibles en la figura 7, para aplicar a las partículas sólidas que atraviesan la conducción 7, una fuerza que las conduce hacia el extradós del ciclón, como se representa por la flecha AT en la figura 6. Los orificios de inyección de aire tardío 8a están localizados también sobre el techo de la conducción 7, repartidos en este caso en dos filas de orificios 8a visibles en la figura 6, para aplicar a las partículas sólidas que atraviesan la conducción 7 una fuerza que las conduce hacia la parte baja de la conducción 7, como se representa por la flecha AT en la figura 7, y por las pequeñas flechas a los lados de los orificios 8b en la figura 7. La forma y la disposición de los diversos orificios 8 se eligen, preferiblemente, de manera que los conjuntos que forman estos orificios se extienden transversalmente de manera máxima.

Según una variante de realización, está previsto situar inyectores de aditivos, no representados en esta memoria, en al menos algunos de los orificios 8a, 8b de inyección de aire tardío. Estos inyectores de aditivo son, por ejemplo, tubos de inyección de aditivo de desnitrificación, cuando está prevista una desnitrificación no catalítica (SNCR). La inyección de aire tardío a gran velocidad favorece entonces la penetración del aditivo dentro de la masa de humo en la que es inyectado.

Claims (8)

1. Procedimiento para mejorar la combustión en un sistema (1), de tipo de lecho fluidizado circulante, que comprende un hogar (3) asociado al menos a un ciclón (4) que tiene un intradós y un extradós, particularmente para el suministro de energía a un intercambiador térmico (2) en el marco de una instalación productora de electricidad, y que funciona a partir de combustible introducido en la parte baja del hogar, en la que se crea una atmósfera reductora y en la que este combustible experimenta una pirólisis con separación en dos fases: una, sólida y compuesta por granos de coque y de nitrógeno-coque que provienen del combustible de origen y, la otra, gaseosa, que contiene las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno contenido en el combustible de origen, elevándose el conjunto en el hogar en el que continúa la combustión, dejando subsistir partículas quemadas incompletamente, que son aspiradas y reenviadas a la parte baja del hogar por acción ciclónica, previendo dicho procedimiento una inyección de aire (AT), llamado tardío, además de la inyección de aire primario (AP) realizada en la parte baja del hogar y de al menos una inyección de aire secundario (AS1, AS2) realizada para crear una atmósfera oxidante en el hogar, por encima de la zona baja de éste en la que se crea una atmósfera reductora, caracterizado porque prevé que una modificación de la trayectoria de las partículas aspiradas por acción ciclónica sea realizada bajo la acción del aire tardío inyectado entre la parte alta del hogar y la entrada del ciclón, de tal manera que el aire tardío aplica a las partículas una fuerza vertical dirigida hacia la parte baja y que las conduce hacia el extradós del ciclón para aumentar el rendimiento de captación ciclónica y, en consecuencia, el rendimiento de la combustión del sistema por combustión de las partículas que si no se mantienen sin quemar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el caudal de aire tardío inyectado aguas arriba de la entrada del ciclón se elige del orden del 5 al 30% del caudal total de aire suministrado para la combustión al sistema.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que las inyecciones de aire primario, secundario y tardío son tales, que llevan a unos coeficientes \lambda de exceso de aire que son, respectivamente, del orden de 0,5 en la parte baja del hogar, en la zona en la que la atmósfera es reductora, de 0,95 a 1,15 en una parte superior del hogar, situada por encima de la precedente, en la que la atmósfera es débilmente oxidante, y de 1,15 a 1,3 más allá de dicha parte superior, en la que la inyección de aire tardío produce su efecto.

4. Sistema de combustión, de tipo de lecho fluidizado circulante, que comprende un hogar (3) asociado al menos a un ciclón (4) que tiene un intradós y un extradós, particularmente para el suministro de energía a un intercambiador térmico (2) en el marco de una instalación productora de electricidad, y que funciona a partir de combustible introducido en la parte baja del hogar, en la que se crea una atmósfera reductora y en la que este combustible experimenta una pirólisis con separación en dos fases: una, sólida y compuesta por partículas de coque, con una fracción de nitrógeno-coque que proviene del combustible de origen y, la otra, gaseosa, que contiene las materias volátiles y, particularmente, el resto del nitrógeno contenido en el combustible de origen, elevándose las partículas y las materias volátiles en el hogar en el que continúa la combustión, dejando subsistir partículas quemadas incompletamente, que son aspiradas y reenviadas a la parte baja del hogar por el ciclón, estando caracterizado dicho sistema porque comprende una disposición de inyección de aire con medios para inyectar el aire (AT), llamado tardío, nuevo y calentado, situados entre la parte alta del hogar y una entrada del ciclón y realizados a través de las aberturas (8a, 8b) dispuestas, a la vez, sobre la parte de arriba y en un lado de la conducción (7) que une la parte alta del hogar y el ciclón, además de medios que permiten una inyección de aire primario (AP) en la parte baja del hogar, para crear allí una atmósfera reductora, y medios que permiten una inyección de aire secundario (AS1, AS2), para crear una atmósfera oxidante en una zona del hogar situada por encima de la zona baja de éste, en la que se crea una atmósfera reductora.

5. Sistema de combustión según la reivindicación 4, en el que los medios de inyección de aire tardío comprenden unos inyectores que desembocan en una conducción (7), por mediación de la que la parte alta del hogar está unida a la entrada ciclónica, a través de unos orificios (8b) localizados sobre la pared de conducción situada en el lado del intradós del ciclón.

6. Sistema de combustión según la reivindicación 5, en el que los medios de inyección de aire tardío comprenden unos inyectores que desembocan en la conducción, mediante unos orificios (8a) dispuestos en la misma a través de su techo.

7. Sistema de combustión según una de las reivindicaciones 4 a 6, en el que los inyectores de aire tardío se alimentan de aire caliente y nuevo desde un recalentador de aire del sistema, a través de un circuito que suministra el aire secundario de este sistema.

8. Sistema de combustión según una de las reivindicaciones 4 a 7, en el que unos inyectores de aditivo están situados en unos orificios de inyector de aire tardío, de manera que penetran en la conducción por su mediación y para favorecer la penetración del aditivo dentro de la masa de humos en la que se inyecta este aditivo.