ES2265017T3 - Metodo y aparato para la gasificacion en lecho fluidizado y combustion en un lecho de fusion. - Google Patents

Metodo y aparato para la gasificacion en lecho fluidizado y combustion en un lecho de fusion. Download PDF

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Shosaku Fujinami
Yoshio Hirayama
Tetsuhisa Hirose
Shugo c/o Ebara Corporation HOSODA
Norihisa c/o Ebara Corporation MIYOSHI
Shuichi Nagato
Takahiro Oshita
Kazuo Takano
Chikashi Tame
Seiichiro Toyoda
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Abstract

Un aparato para procesar material combustible, que comprende: un horno de gasificación de lecho fluidizado (2) que tiene un medio de suministro de gas fluidizado (3, 4, 106) para suministrar un gas fluidizado en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado y para crear una corriente de circulación (118, 112) de un medio fluidizado dentro de dicho horno de gasificación de lecho fluidizado; medios (14, 104) para suministrar dicho material combustible en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado para ser gasificado en dicha corriente de circulación de dicho medio fluidizado creado por dicho gas de fluidización, generando de esta manera gas combustible y carbón vegetal; y un horno de fundición (41) en el que dicho gas combustible y carbón vigital descargados son introducidos desde dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2) y para fundir ceniza para formar escoria fundida.

Description

Método y aparato para la gasificación en lecho fluidizado y combustión en un lecho de fusión.
La presente invención se refiere a un método y a un aparato, en los que una materia combustible es gasificada en un horno de lecho fluidizado, y el gas combustible resultante y las partículas finas son quemadas a una alta temperatura en un horno de combustión por fundición, y la ceniza resultante es fundida dentro.
En los últimos años, se ha demandado reducir el volumen de residuos, por ejemplo, desechos municipales, plásticos residuales, etc., que son generados en grandes cantidades, mediante la incineración, y utilizar de forma efectiva el calor recuperado de la incineración. Puesto que la ceniza resultante de la incineración de materia residual contiene generalmente metales pesados perjudiciales, es necesario tomar ciertas medidas, por ejemplo, la solidificación del componente metálico pesado para disponer de la ceniza quemada para regeneración. Para hacer frente a estos problemas, el documento JP-B2-62-35004 (Publicación después del examen de la Solicitud de Patente Japonesa, KOKOKU, correspondiente a IP 3810A propone un método y aparato para quemar materia sólida. En el método de combustión propuesto, un material sólido es descompuesto térmicamente en un horno de pirolisis de lecho fluidizado, y los productos de pirolisis, es decir, un gas combustible y partículas, son introducidos en un horno de combustión de ciclones, en el que el componente combustible es quemado a una intensidad alta por aire presurizado, y la ceniza es provocada a chocar contra la superficie de la pared por torbellino y por tanto fundirse. La ceniza fundida fluye en descenso sobre la superficie de la pared, y la escoria fundida resultante cae desde una abertura de descarga en una cámara de agua donde es solidificada.
El método descrito en el documento JP-B2-62-35004 sufre no obstante, del inconveniente de que puesto que todo el lecho fluidizado está en un estado fluidizado activamente, una gran cantidad de componente combustible sin reaccionar es llevada al exterior del horno sobre el gas de combustible producido en el horno. Por tanto, no puede obtenerse una eficiencia de gasificación alta. Adicionalmente, los materiales de gasificación que se pueden utilizar en hornos de lecho fluidizado han sido hasta ahora carbón pequeño que tiene un diámetro de partícula en el intervalo de 0,5 mm a 3 mm, y materia residual finamente aplastada de varios milímetros de tamaño. El material de gasificación que es más grande en tamaño que el anterior obstruirá la fluidización; El material de gasificación que es más pequeño en tamaño que el anterior será llevado al exterior del horno sobre el gas combustible como componente combustible sin reaccionar sin que esté completamente gasificado. Por consiguiente, los hornos de lecho fluidizado convencionales necesitan aplastar previamente un material de gasificación y hacer que las partículas resultantes sean de tamaño uniforme utilizando una trituradora o similar como un pretratamiento que es llevado a cabo antes de que el material de gasificación sea fundido en el horno. Por tanto, los materiales de gasificación que no caen dentro de un intervalo de diámetro de partícula predeterminado no pueden ser utilizados, y el rendimiento debe sacrificarse hasta cierta extensión.
Para resolver el problema descrito anteriormente, documento JP-A-2-147692 (Descripción Pública de Solicitud de Patente Japonesa, KOKAI) propone un método de gasificación de lecho fluidizado y horno de gasificación de lecho fluidizado En el método de gasificación de lecho fluidizado descrito en esta publicación, el horno tiene una configuración en sección transversal horizontal rectangular, y la velocidad en masa de un gas de fluidización emitido a chorro hacia arriba en el horno desde la porción central del fondo del horno es ajustado pro debajo de la velocidad de la masa de un gas de fluidización suministrado desde dos porciones de borde lateral del fondo del horno. La corriente ascendente del gas de fluidización es volcada en la porción central del horno en una posición por encima de cada porción de borde lateral del fondo del horno. Por tanto, un lecho móvil en el que se asienta un medio fluidizado es formado en la porción central del horno, y un lecho fluidizado en el que el medio fluidizado es fluidizado de forma activa se forma en cada porción de borde lateral del horno. La materia combustible es suministrada al lecho móvil. El gas de fluidización es o bien una mezcla de aire y vapor, o una mezcla de oxígeno y vapor, y el medio fluidizado es arena de sílice.
No obstante, el método del documento JP-A-2-147692 tiene los siguientes inconvenientes:
(1) La reacción endotérmica de gasificación y la reacción de combustión tienen lugar de forma simultánea en todos los lechos móvil y fluidizado. Por consiguiente, un componente volátil, que es gasificado fácilmente se quema al mismo tiempo que es gasificado, mientras que el carbono fijo (carbón vegetal) y brea, que son difíciles de gasificar, son llevados, como materia sin reaccionar, al exterior del horno sobre el gas combustible producido en el horno. Por tanto, no puede obtenerse una alta eficiencia de gasificación.
(2) En el caso donde el gas combustible producido en el horno es quemado para uso en una planta de generación de potencia de ciclo combinado de turbina de vapor y gas, el horno de lecho fluidizado debe ser del tipo de presurizado. En este caso, no obstante, puesto que el horno tiene una configuración en sección transversal horizontal rectangular, es difícil construir el horno en forma de un horno presurizado. La presión del horno de gasificación preferida se determina por la aplicación de uso del gas combustible producido. En el caso donde el gas es utilizado como un gas ordinario para combustión, la presión del horno puede ser del orden de varios miles de mmAq. Sin embargo, en un caso donde el gas combustible producido es utilizado como un combustible para una turbina de gas, la presión del horno debe ser tan alta como varios kgf/cm^{2}. Cuando el gas es utilizado como un combustible para la generación de potencia de ciclo combinado de gasificación de alta eficiencia, se utiliza de forma adecuada una presión de horno mayor de aproximadamente diez kgf/cm^{2}.
En el tratamiento de los residuos, tales como desechos municipales, juega todavía un importante papel la reducción volumétrica por la combustión de los desechos combustibles. En relación con la incineración, ha existido recientemente una demanda cada vez mayor de técnicas de tratamiento de desechos del tipo de protección del medio ambiente, por ejemplo, medidas de control de dioxina, técnica para formación de polvo de humo inofensivo, mejora en la eficiencia de la recuperación de energía, etc. La velocidad de incineración de los desechos municipales en Japón es aproximadamente de 100.000 toneladas/día, y la energía recuperada de todos los desechos municipales es equivalente aproximadamente al 4% de la energía eléctrica consumida en Japón. Actualmente, el factor de utilización de la energía de desechos municipales es tan baja como aproximadamente el 10%. No obstante, si puede incrementarse el factor de la utilización de energía, la velocidad de consumo del combustible fósil disminuye de forma correspondiente, de forma que es posible contribuir a la prevención de un recalentamiento
global.
El documento EP-A-0 554 529 se describe un reactor que tiene una zona de lecho fluidizado, una zona de flujo arrastrado, una zona de fundición, y un depósito conectado al reactor por una línea. Los materiales combustibles son gasificados en una zona de lecho fijo en el depósito para producir gas y residuos sólidos, y el gas y los residuos sólidos son alimentados a la zona de lecho fluidizado. En la zona de lecho fluidizado, los residuos sólidos son gasificados para producir gas. El gas gasificado es dejado escapar desde una salida de gas, y entonces es descargado a través de un separador desde un filtro como gas reutilizable. Por otra parte, la materia sólida que cae desde la zona de lecho fluidizado es introducida en la zona de flujo arrastrado, y luego es fundido calentando con quemadores alrededor de la zona de fusión. El gas combustible no es introducido en la zona de flujo arrastrado, sino solamente la materia sólida es introducida en la zona de flujo arrastrada. Por lo tanto, el gas combustible y el carbón vegetal (que contiene ceniza) no son alimentados juntos a la zona de flujo arrastrado y a la zona de fundición.
El documento JO 63 31 5822 A describe un aparato de eliminación de residuos para permitir la recogida y fundición de contenido de ceniza incinerado, por un método en el que la salida de gas de escape de un incinerador está localizada a un nivel más alto que el del orificio de descarga de contenido de ceniza incinerado. Una abertura de la parte extrema superior de un tubo de escape, en el que un paso de descarga a través del cual se fuerza el contenido de ceniza incinerado es forzado a fluir hacia abajo desde un lecho fluidizado junto con gas de escape de la combustión para absorción está montado en un horno de lecho fluidizado en un nivel más bajo que el nivel del extremo superior del lecho fludizado. Un horno de fundición para fundir el contenido de ceniza incinerado tomado a través del paso de descarga está situado debajo, un orificio de descarga del paso de descarga está situado en el horno de fundición, y una salida de gas de escape del horno de fundición está colocada en un nivel más alto que el nivel del orificio de descarga. Cuando el contenido de ceniza incinerada de una capa de un cierto grosor de lecho fluidizado es forzado hacia abajo a través del paso de descarga, se puede recoger una cantidad suficiente de partículas que tienen una gravedad específica aparente alta y un tamaño de grano alto por medio del horno de fundición. Además, puesto que una porción en la proximidad del orificio de descarga está calentada hasta 1000ºC por medio de un quemador secundario, cuando el contenido de ceniza incinerada es calentado en una cámara de combustión hasta 800-900ºC, cae al horno de fundición a través del orificio de descarga, se calienta hasta 1000ºC y se favorece la fundición.
Por último, se presta atención a los documentos JP 63 06 1811 A y US-A-5 138 982, que describen un incinerador, pero no un horno de gasificación como un horno de lecho fluidizado.
No obstante, el sistema de incineración existente implica los siguientes problemas:
1)
La eficiencia de generación de potencia no puede incrementarse debido al problema de la corrosión por HCl.
2)
El equipo de prevención de contaminación medioambiental para controlar HCl, NO_{x}, SO_{x}, mercurio, dioxinas, etc., es complicado lo que da lugar a un aumento en coste y espacio.
3)
Existe una tendencia cada vez mayor para instalar equipo de fundición de ceniza quemada teniendo en cuenta la exigencia de las regulaciones, la dificultad para asegurar un sitio para el desecho final, etc. Para este fin, sin embargo, debe construirse un equipo adicional y se consume una gran cantidad de potencia eléctrica.
4)
El equipo costoso es necesario para eliminar dioxinas.
5)
Es difícil recuperar los metales valiosos.
Resumen de la invención
Un objeto de la presente invención es resolver los problemas descritos anteriormente de la técnica relacionada y producir un gas combustible a una alta eficiencia, que contiene una gran cantidad de componente combustible, desde materia combustible tal como residuos, por ejemplo, desechos municipales, plásticos residuales, etc.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de gasificación de materia combustible, que es adecuado para la recuperación de energía y que pueda producir fácilmente un gas combustible a alta presión.
Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un aparato de gasificación y combustión fundida que sean capaces de producir un gas combustible que contiene una gran cantidad de componente combustible y de fundir la ceniza quemada por el calor del gas combustible producido.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un gas combustible de un gas homogéneo que contiene carbón vegetal y brea con un valor calorífico suficientemente grande para generar una alta temperatura de 1.300ºC, o mayor por su propio calor.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un aparato de gasificación, en el que la materia combustible puede ser descarga de manera uniforme de allí sin ningún problema.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un aparato de gasificación que permita que los metales valiosos contenidos en la materia residual sean recuperados de un horno de lecho fluidizado que tiene una atmósfera de reducción sin oxidarse.
Al menos algunos de los objetos anteriores se consiguen de acuerdo con la presente invención por medio de un aparato como se establece en la reivindicación. 1.
Las formas de realización preferidas de la presente invención se pueden deducir a partir de las reivindicaciones dependientes.
Un método de gasificación de materia combustible en un horno de lecho fluidizado produce un gas combustible. En el método, el horno de lecho fluidizado tiene una configuración en sección transversal horizontal aproximadamente circular. Un gas de fluidización que es suministrado al horno de lecho fluidizado incluye un gas de fluidización central que es suministrado como una corriente ascendente desde la porción central del fondo del horno hasta el interior del horno, y un gas de fluidización periférico que es suministrado como una corriente ascendente desde la porción periférica del fondo del horno hasta el interior del horno. El gas de fluidización central tiene una velocidad de masa inferior a la del gas de fluidización periférico. La corriente ascendente de gas de fluidización y el medio fluidizado en la parte superior de la porción periférica en el horno es volcada o desviada a la porción central del horno por una pared inclinada, formando así un lecho móvil, en el que un medio fluidizado (generalmente, arena de sílice) se asienta y difunde, y en la porción central del horno, y formando también un lecho fluidizado, en el que el medio fluidizado es fluidizado de forma activa, en la porción periférica en el horno, de manera que el material combustible que es suministrado dentro del horno es gasificado para formar un gas combustible mientras se pone en circulación, junto con el medio fluidizado, desde la parte inferior del lecho móvil hasta el lecho fluidizado y desde la parte superior del lecho fluidizado hasta el lecho móvil. El contenido de oxígeno del gas de fluidización central es ajustado no más arriba que el del gas de fluidización periférico, y la temperatura del lecho fluidizado se mantiene en un intervalo de 450ºC a 650ºC.
El gas de fluidización central puede seleccionarse a partir de tres gases, es decir, vapor, una mezcla gaseosa de vapor y aire, y aire. El gas de fluidización periférico es uno seleccionado de tres gases, es decir, oxígeno, una mezcla gaseosa de oxígeno y aire, y aire. Por consiguiente, existen 9 modos de combinar juntos los gases de fluidización central y periférico, como se muestra en la Tabla 1. Una combinación adecuada puede seleccionarse de acuerdo con si se fija la importancia a la eficiencia de gasificación o a la economía.
En la Tabla 1, la combinación Nº 1 proporciona la eficiencia de gasificación más alta. No obstante, puesto que la cantidad de consumo de oxígeno es grande, el coste es alto. La eficiencia de gasificación se reduce, en primer lugar, a medida que disminuye el consumo de cantidad de oxígeno, y en segundo lugar, a medida que disminuye el consumo de la cantidad de vapor. En este caso, el coste también se reduce. El oxígeno que se puede utilizar en la presente invención puede ser oxígeno de alta pureza. Es posible también utilizar oxígeno de baja pureza que se obtiene utilizando una membrana de enriquecimiento de oxígeno. La combinación Nº 9 que es una combinación de aire y aire, se conoce como aire de combustión para incineradoras convencionales. En la presente invención, el horno de lecho fluidizado tiene con preferencia una configuración en sección transversal horizontal circular, y por tanto, el área proyectada inferior de una pared inclinada que está prevista en el lateral superior de la porción periférica en el horno es más grande que el área proyectada inferior de una pared inclinada que se utiliza en el caso donde el horno del lecho fluidizado tiene un área en sección transversal horizontal rectangular. Por tanto, la velocidad del flujo del gas de fluidización periférico puede incrementarse, y de ahí que pueda aumentarse el suministro de oxígeno. Por consiguiente, puede mejorarse la eficiencia de gasificación.
TABLA 1
Porción Central Porción Periférica
del Horno del Horno
1 Vapor Oxígeno
2 '' Oxígeno y Aire
3 '' Aire
4 Vapor y Aire Oxígeno
5 '' Oxígeno y Aire
6 '' Aire
7 Aire Oxígeno
8 '' Oxígeno y Aire
9 '' Aire
Preferentemente, el gas de fluidización incluye adicionalmente un gas de fluidización intermediario que es suministrado al interior del horno desde una porción intermedia del fondo del horno entre las porciones central y periférica del fondo del horno. El gas de fluidización intermedio tiene una velocidad en masa que es intermedia entre la velocidad de masa del gas de fluidización central y la velocidad de masa del gas de fluidización periférico. El gas de fluidización intermedio es uno de dos gases, es decir, una mezcla gaseosa de vapor y aire, y aire. Por consiguiente, existen 18, intermedia modos de combinar juntos los gases de fluidización central y periférica. El contenido de oxígeno es ajustado preferentemente para incrementar gradualmente desde la porción central hasta la porción periférica del horno. Existen 15 combinaciones preferidas de los gases como se muestra en la Tabla 2.
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TABLA 2
Porción Central Porción Intermedia Porción Periférica
del Horno del Horno del Horno
1 Vapor Vapor y Aire Oxígeno
2 '' '' Oxígeno y Aire
3 '' '' Aire
4 Vapor Aire Oxígeno
5 '' '' Oxígeno y Aire
6 '' '' Aire
7 Vapor y Aire Vapor y Aire Oxígeno
8 '' '' Oxígeno y Aire
9 '' '' Aire
10 Vapor y Aire Aire Oxígeno
11 '' '' Oxígeno y Aire
12 '' '' Aire
13 Aire Aire Oxígeno
14 '' '' Oxígeno y Aire
15 '' '' Aire
Puede seleccionarse una combinación adecuada entre las mostradas en la Tabla 2 de acuerdo o bien si se da importancia a la eficiencia de gasificación o a la economía. En la Tabla 2, la combinación Nº 1 proporciona la eficiencia de gasificación más alta. No obstante, puesto que la cantidad de consumo de oxígeno es grande, el coste es alto. La eficiencia de gasificación se reduce, en primer lugar, a medida que disminuye la cantidad de consumo de oxígeno, y en segundo lugar, a medida que se reduce la cantidad de consumo de vapor. En este caso, el coste también se reduce. El oxígeno utilizable en las Tablas 1 y 2 puede ser oxígeno de alta pureza. Es posible además utilizar oxígeno de baja pureza que se obtiene utilizando una membrana de enriquecimiento de oxígeno.
Cuando el horno del lecho fluidizado es de gran tamaño, el gas de fluidización intermedio incluye preferentemente una pluralidad de gases de fluidización que son suministrados desde una pluralidad de porciones intermedias concéntricas previstas entre las porciones central y periférica del fondo del horno. En este caso, la densidad del oxígeno del gas de fluidización es ajustada preferentemente de forma que la densidad del oxígeno es la más baja en la porción central del horno, y se eleva gradualmente hacia la porción periférica del horno.
El gas de fluidización que es suministrado al horno de lecho fluidizado contiene una cantidad de oxígeno comprendida en una cantidad de aire que no mayor del 30% de la cantidad teórica de aire de combustión requerido para la combustión de materia combustible. La materia combustible es retirada del horno de lecho fluidizado desde una porción periférica del fondo del horno y es clasificada, y la arena obtenida por la clasificación es retornada al interior del horno de lecho fluidizado. El gas combustible y las partículas finas producidas en el horno de lecho fluidizado son quemadas a una temperatura alta de 1.300ºC o mayor en un horno de combustión por fundición, es decir, un horno de fundición, y la ceniza es fundida dentro. El gas de escape procedente del horno de combustión por fundición es utilizado para accionar una turbina de gas. La presión en el horno del lecho fluidizado se mantiene a un nivel no por debajo de o por encima de la presión atmosférica de acuerdo con su uso. La materia combustible puede ser carbón de materia residual, etc.
En un aparato para la gasificación de materia combustible en un horno de lecho fluidizado para producir un gas combustible, el horno de lecho fluidizado incluye los siguientes elementos constituyentes: una pared lateral que tiene una configuración en sección transversal horizontal circular aproximadamente; un mecanismo de dispersión de gas de fluidización que está dispuesto en la porción inferior del horno; una salida de materia incombustible que es dispuesta en la periferia exterior del mecanismo de dispersión de gas de fluidización; un dispositivo de suministro central para suministrar un gas de fluidización al interior del horno desde una porción central del mecanismo de dispersión de gas de fluidización, de forma que el gas de fluidización fluye verticalmente hacia arriba; un dispositivo de suministro periférico para suministrar un gas de fluidización al interior del horno desde una porción periférica del mecanismo de dispersión de gas de fluidización, de forma que el gas de fluidización fluye verticalmente hacia arriba; una pared inclinada para volcar el gas de fluidización y el medio fluidizado que fluye verticalmente hacia arriba hasta la porción central del horno en una posición por encima del dispositivo de suministro periférico; y un tablero libre que está dispuesto por encima de la pared inclinada. El dispositivo de suministro central suministra un gas de fluidización que tiene una velocidad de masa relativamente baja y una densidad de oxígeno relativamente baja. El dispositivo de suministro periférico suministra un gas de fluidización que tiene una velocidad de masa relativamente alta y una densidad de oxígeno relativamente alta.
El horno de lecho fluidizado puede incluir adicionalmente un dispositivo de suministro intermedio para suministrar un gas de fluidización al interior del horno desde una porción intermedia en forma de anillo entre las porciones central y periférica del mecanismo de dispersión de gas de fluidización, de forma que el gas de fluidización fluye verticalmente hacia arriba. El dispositivo de suministro intermedio suministra un gas de fluidización que tiene una velocidad en masa que es intermedia entre las velocidades de masa de los gases de fluidización suministrados por los dispositivos de suministro periférico y una densidad de oxígeno que es intermedia entre las densidades de oxígeno de los gases de fluidización suministrados por los dispositivos de suministro central y periférico. El dispositivo de suministro periférico puede ser una caja de suministro en forma de anillo. El horno de lecho fluidizado puede incluir adicionalmente una entrada de materia combustible que está dispuesta en la parte superior del horno de lecho fluidizado. La entrada de materia combustible puede estar dispuesta para hacer caer el combustible en un espacio por encima del dispositivo de suministro central. El mecanismo de dispersión del gas de fluidización puede estar forma de manera que su porción periférica está por debajo de su porción central.
La salida de materia incombustible puede tener una porción en forma de anillo que está dispuesta en la periferia exterior del mecanismo de dispersión del gas de fluidización, y una porción cónica que se extiende hacia abajo desde la porción en forma de anillo, por el contrario a medida que se incrementa la distancia desde la porción en forma de anillo en la dirección descendente. La salida de materia incombustible puede tener un descargador de regulación de volumen, una primera válvula oscilante para el sellado, una válvula de cierre oscilante, una segunda válvula oscilante para el sellado, las cuales están dispuestas en serie.
El aparato de la presente invención incluye un horno de combustión de fundición, es decir, un horno de fundición, en el que el gas combustible y las partículas finas producidas en el horno de lecho fluidizado son quemadas a alta temperatura, y se funde la ceniza resultante. El horno de combustión por fundición tiene una cámara de combustión primaria cilíndrica con un eje aproximadamente vertical, y una entrada de gas combustible para suministrar el gas combustible y las partículas finas producidas en el horno de lecho fluidizado dentro de la cámara de combustión primaria cilíndrica, de forma que el gas combustible y el círculo de las partículas finas se encierran alrededor del eje de la cámara de combustión. El horno de combustión por fundición tiene adicionalmente una cámara de combustión secundaria que está en comunicación con la cámara de combustión primaria cilíndrica, y una abertura de descarga que está prevista en la parte inferior de la cámara de combustión secundaria, de forma que la ceniza fundida puede descargarse de la abertura de descarga. El gas de escape procedente de la cámara de combustión secundaria del horno de combustión por fundición es introducido dentro de un hervidor térmico residual y un precalentador de aire, recuperando así el calor residual. El gas de escape procedente de la cámara de combustión secundaria del horno de combustión por fundición puede utilizarse para accionar una turbina de gas. El gas de escape puede introducirse dentro de un colector de polvo donde el polvo es retirado antes de ser liberado a la atmósfera.
Función
En el aparato de la presente invención, el horno de lecho fluidizado tiene con preferencia una configuración en sección transversal horizontal aproximadamente circular, y por tanto puede formarse una estructura de horno resistente a la presión. Por tanto, la presión en el horno de lecho fluidizado puede mantenerse a un nivel no por debajo de la presión atmosférica, y es fácil de elevar la presión de un gas combustible producido de materia combustible suministrada dentro del horno. El gas combustible de alta presión puede utilizarse como un combustible para una planta de potencia de ciclo combinado de turbina de gas-hervidor o turbina de gas que puede funcionar a una alta eficiencia. De este modo, el uso del gas combustible en una planta de este tipo hace posible incrementar la eficiencia de recuperación de energía de materia combustible.
En el aparato de la presente invención, cuando su fin es procesar residuos, la presión en el horno de lecho fluidizado se mantiene preferentemente a un nivel no por encima de la presión atmosférica con el fin de prevenir fugas de un olor molesto o un gas de combustión perjudicial del horno. En tal caso, la pared del horno puede resistir también bien la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la pared del horno, puesto que el horno tiene una configuración en sección transversal horizontal aproximadamente circular.
En la forma de realización particular de la presente invención, la velocidad de la masa del gas de fluidización central suministrado dentro del horno de lecho fluidizado es ajustada por debajo de la velocidad de masa del gas de fluidización periférico, y la corriente ascendente del gas de fluidización en la parte superior de la porción periférica en el horno es volcada a la porción central del horno, formando así un lecho móvil, en el que se asienta un medio fluidizado y se difunde, en la porción central del horno, y formando además un lecho fluidizado, en el que el medio fluidizado es fluidizado de forma activa en la porción periférica en el horno. Por tanto, la materia combustible que es suministrada dentro del horno es gasificada para formar un gas combustible mientras está en circulación, junto con el medio fluidizado desde la parte inferior del lecho móvil hasta el lecho móvil. En primer lugar, principalmente un componente volátil de materia combustible es gasificado por el calor del medio fluidizado (generalmente, arena silícea) en el lecho móvil que se mueve hacia abajo en el centro del horno. Puesto que el contenido de del gas de fluidización central que forma el lecho móvil es relativamente bajo, el gas combustible producido en el lecho móvil no está prácticamente quemado, sino que se mueve hacia arriba hasta el tablero móvil, junto con el gas de fluidización central, formando de esta manera un gas combustible de alto valor calorífico de buena
calidad.
La materia combustible, es decir, el carbono fijo (carbón vegetal) y brea que ha perdido su componente volátil y ha sido calentada en el lecho móvil, está entonces en circulación dentro del lecho fluidizado, y es quemada en contacto con el gas de fluidización periférico, que tiene un contenido de oxígeno relativamente alto, en el lecho fluidizado, cambiando así en un gas de combustión y ceniza, y generado también calor de combustión que mantiene el interior del horno a una temperatura en el intervalo de 450ºC a 650ºC. El medio fluidizado es calentado por el calor de combustión, y el medio fluidizado calentado es volcado a la porción central del horno en la parte superior de la porción periférica del horno y se mueve entonces hacia abajo en el lecho móvil, manteniendo así la temperatura en el lecho móvil al nivel requerido para gasificación del componente volátil. Puesto que todo el horno, en particular la porción central del horno, está colocado debajo de la condición de bajo contenido en oxígeno, es posible producir un gas combustible que tiene un alto contenido de componente combustible. Adicionalmente, los metales contenidos en la materia combustible pueden recuperarse como materia valiosa no oxidada de la salida de materia incombustible.
En la presente invención, el gas combustible y la ceniza, junto con otras partículas finas que se producen en el horno de lecho fluidizado, pueden quemarse en el horno de combustión por fundición. En tal caso, puesto que el gas combustible contiene una gran cantidad de componente combustible, la temperatura en el horno de combustión por fundición puede elevarse hasta un nivel alto, es decir, 1.300ºC, o mayor, sin la necesidad de un combustible para el calentamiento. Por tanto, la ceniza puede ser fundida suficientemente en el horno de combustión por fundición. La ceniza fundida puede ser retirada del horno de combustión por fundición, y puede solidificarse fácilmente por un método conocido, por ejemplo, por refrigeración con agua. Por consiguiente, el volumen de la ceniza es reducido considerablemente, y los metales perjudiciales contenidos en la ceniza se solidifican. Por tanto, la ceniza puede cambiarse en una forma capaz de regenerar los residuos.
Los objetos anteriores y otros objetos, características y ventajas de la presente invención serán más evidentes a partir de la siguiente descripción de sus formas de realización preferidas tomadas en unión con los dibujos que se acompañan, en los que los números de referencia similares designan elementos similares.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en sección vertical esquemática que muestra un aparte esencial de un primer aparato de gasificación.
La figura 2 es una vista en sección horizontal de un horno de lecho fluidizado en el aparato de gasificación mostrado en la figura 1.
La figura 3 es una vista en sección vertical esquemática de una parte esencial de un aparato de gasificación.
La figura 4 es una vista en sección horizontal esquemática de un horno de lecho fluidizado en el aparato de gasificación mostrado en la figura 3.
La figura 5 es una vista en sección vertical esquemática de una segunda forma de realización de la presente invención.
La figura 6 es una vista en sección vertical esquemática de una tercera forma de realización de la presente invención.
La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra un proceso para refinar el gas producido por un aparato de gasificación.
La figura 8 es un diagrama de flujo que muestra un ejemplo de un proceso en el que se funde la ceniza.
La figura 9 es una vista en perspectiva en sección esquemática de un aparato de combustión por fundición y gasificación de acuerdo con una cuarta forma de realización de la presente invención.
La figura 10 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado de acuerdo con una forma de realización de la presente invención que es utilizado en combinación con un hervidor térmico residual y una turbina.
La figura 11 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, que es utilizado en combinación con un refrigerador de gas.
La figura 12 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, que es utilizado en combinación con un hervidor térmico residual y una torre de reacción.
La figura 13 muestra la disposición de una planta de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado del tipo de co-generación de acuerdo con una forma de realización de la presente invención.
La figura 14 es un diagrama de flujo que muestra el proceso de un método de gasificación de lecho fluidizado del tipo de generación de potencia de ciclo combinado de gasificación presurizada y de combustión por fundición.
Descripción detallada de las formas de realización preferidas
Las formas de realización de la presente invención se describirán a continuación de forma detallada con referencia a los dibujos que se acompañan. No obstante, debería indicarse que la presente invención no está limitada necesariamente a estas formas de realización. Además, en las figuras 1 a 14, los miembros que son designados por los mismos números de referencia son iguales o correspondientes, y se omite su descripción redundante.
La figura 1 es una vista en sección vertical esquemática que muestra una parte esencial de un aparato de gasificación para llevar a cabo el método de gasificación de la presente invención. La figura 2 es una vista en sección horizontal esquemática de un horno de lecho fluidizado en el aparato de gasificación mostrado en la figura 1. Haciendo referencia a la figura 1, el aparato de gasificación tiene un horno de lecho fluidizado 2. Se suministra un gas de fluidización en el horno de lecho fluidizado 2 a través de un mecanismo de dispersión de gas de fluidización 106 que está dispuesto en el fondo del horno 2. El gas de fluidización consta esencialmente de un gas de fluidización central 7 que es suministrado desde una porción central 4 del fondo del horno hasta el interior del horno 2 como una corriente ascendente, y un gas de fluidización periférica 8 que es suministrado desde una porción periférica 3 del fondo del horno hasta el interior del horno 2 como una corriente ascendente.
Como se muestra en la Tabla 1, el gas de fluidización central 7 es uno de tres gases, es decir, vapor, una mezcla gaseosa de vapor y aire, y aire y el gas de fluidización periférico 8 es uno de tres gases, es decir, oxígeno, una mezcla gaseosa de oxígeno y aire, y aire. El contenido de oxígeno del gas de fluidización central 7 es ajustado por debajo del contenido de oxígeno del gas de fluidización periférico 8. La cantidad de oxígeno en todo el gas de fluidización es ajustada para ser igual a la contenida en una cantidad de aire no mayor al 30% de la cantidad teórica de aire de combustión que es requerida para la combustión de materia combustible 11. El interior del horno 2 se mantiene bajo una condición de atmósfera de reducción.
La velocidad de masa del gas de fluidización central 7 es ajustada por debajo de la del gas de fluidización periférico 8, y la corriente ascendente del gas de fluidización en la parte superior de la porción periférica en el horno 2 es volcada a la porción central del horno 2 por la acción de un desviador 6. Por tanto, un lecho móvil 9, en el que un medio fluidizado (generalmente, arena silícea) se asienta y se difunde, se forma en la porción central del horno 2, y un lecho fluidizado 10, en el que el medio fluidizado es fluidizado de forma activa, se forma en la porción periférica del horno de lecho fluidizado 2. El medio fluidizado se mueve hacia arriba en el lecho fluidizado 10 en la porción periférica del horno como se muestra por las flechas 118. Entonces, el medio fluidizado es volcado por el desviador 6 para fluir dentro de la parte superior del lecho móvil 9, y se mueve hacia abajo en el lecho móvil 9. Entonces, el medio fluidizado se mueve a lo largo del mecanismo de dispersión de gas 106 para fluir dentro de la parte inferior del lecho fluidizado 10, como se muestra por las flechas 112. De este modo, el medio fluidizado está en circulación a través de los lechos fluidizado y móvil 10 y 9, como se muestra por las flechas 118 y 112.
La materia combustible 11 es alimentada dentro de la parte superior del lecho móvil 9 desde una abertura de alimentación de materia combustible 104. La materia combustible 11 se mueve hacia abajo en el lecho móvil 9, junto con el medio fluidizado, y mientras se hace esto, la materia combustible 11 se calienta por el medio fluidizado calentado, permitiendo así principalmente que el componente volátil en la materia combustible 11 sea gasificado. Puesto que no existe o solamente una pequeña cantidad de oxígeno en el lecho móvil 9, el gas producido, que consta principalmente del componente volátil gasificado no es quemado sino que pasa a través del lecho móvil 9, como se muestra por las flechas 116. Por tanto, el lecho móvil 9 forma una zona de gasificación G. El gas producido se mueve entonces hasta un tablero libre 102 donde se mueve hacia arriba, como se muestra por la flecha 120, y se descarga entonces desde una salida de gas 108 como un gas combustible 29.
La materia que no es gasificada en el lecho móvil 9, principalmente carbón vegetal (componente carbono fijo) y brea 114, se mueve desde la parte inferior del lecho móvil 9 hasta la parte inferior del lecho fluidizado 10 en la porción periférica del horno 2, junto con el medio fluidizado, como se muestra por las flechas 112, y se quema por el gas de fluidización periférico 8 que tiene un contenido de oxígeno relativamente alto y, por tanto, parcialmente oxidado. El lecho fluidizado 10 forma una zona de oxidación de materia combustible S. En el lecho fluidizado 10, el medio fluidizado es calentado a una temperatura alta mediante el calor de combustión en el lecho fluidizado 10. El medio fluidizado calentado a una temperatura alta es dado la vuelta al revés por una pared inclinada 6 para moverse hasta el lecho móvil 9, como se muestra por las flechas 118, sirviendo así como una fuente térmica de nuevo para gasificación. La temperatura del lecho fluidizado 10 se mantiene en el intervalo de 450ºC a 650ºC, permitiendo así que continúe la reacción de combustión controlada de forma efectiva.
De acuerdo con el aparato de gasificación 1 mostrado en las figuras 1 y 2, la zona de gasificación G y la zona de oxidación S se forman en el horno de lecho fluidizado 2, y el medio fluidizado se le deja servir como un medio de transferencia de calor en las dos zonas G y S. Por tanto, se produce un gas combustible de alto valor calorífico de buena calidad en la zona de gasificación G, y el carbón vegetal y brea 114, que son difíciles de gasificar, puede quemarse eficientemente en la zona de oxidación S. Por tanto, puede incrementarse la eficiencia de gasificación de materia combustible, y puede producirse un gas combustible de buena calidad.
Como se muestra en la figura 2, que es una vista en sección horizontal del horno de lecho fluidizado 2, el lecho móvil 9 que forma la zona de gasificación G se forma de manera circular en la porción central del horno, y el lecho fluidizado 10, que forma la zona de oxidación S, está formado de forma anular alrededor del lecho móvil 9. Una abertura de descarga de materia incombustible en forma de anillo 5 está dispuesta alrededor de la periferia del lecho fluidizado 10. Formando el aparato de gasificación 1 en una configuración cilíndrica, puede soportar fácilmente una presión alta en el horno. Es posible también proporcionar un recipiente de presión (no mostrado) separado fuera del aparato de gasificación 1 en el lugar de la estructura en la que se soporta la presión del horno por el horno de gasificación propiamente dicho.
La figura 3 es una vista en sección vertical esquemática de una parte esencial de un segundo aparato de gasificación. La figura 4 es una vista en sección horizontal esquemática de un horno de lecho fluidizado en el aparato de gasificación mostrado en la figura 3. En el aparato de gasificación, mostrado en la figura 3, un gas de fluidización incluye un gas de fluidización intermedio 7' que está suministrado dentro del horno de lecho fluidizado 2 desde una porción intermedia del fondo del horno entre las porciones periférica y central del fondo del horno, además del gas de fluidización central 7 y el gas de fluidización periférica 8. La velocidad de masa del gas de fluidización intermedio 7' es seleccionada por ser intermedia entre las velocidades de masa de los gases de fluidización periférica 7 y 8. El gas de fluidización intermedio 7' es uno de tres gases, es decir, vapor, una mezcla gaseosa de vapor y aire, y aire.
En el aparato de gasificación mostrado en la figura 3, el gas de fluidización central 7 es uno de tres gases, es decir, vapor, una mezcla gaseosa de vapor y aire, y aire, y el gas de fluidización periférico 8 es uno de tres gases, es decir, oxígeno, una mezcla gaseosa de oxígeno y aire, y aire, del mismo modo que en el caso del aparato de gasificación mostrado en la figura 1. El contenido de oxígeno del gas de fluidización intermedio 7' es seleccionado por ser intermedio entre los contenidos de oxígeno de los gases de fluidización central y periférico 7 y 8. Por tanto, existen 15 combinaciones preferidas de gases de fluidización, como se muestra en la Tabla 2. Es importante para cada combinación, que el contenido de oxígeno se incrementase a medida que se aumenta la distancia desde el centro del horno de lecho fluidizado 2 hacia su porción periférica. La cantidad de oxígeno en todo el gas de fluidización se ajusta por ser la misma contenida en una cantidad de aire no mayor de 30% de la cantidad teórica de aire de combustión que se requiere para la combustión de materia combustible 11. El interior del horno 2 se mantiene bajo una condición de atmósfera reductora.
En el aparato de gasificación mostrado en la figura 3, un lecho móvil 9, en el que se asienta y difunde un medio, está formado en la porción central del horno 2, y un lecho fluidizado 10, en el que se fluidiza activamente el medio fluidizado está formado en la porción periférica del horno de lecho fluidizado 2, del mismo modo que en el caso del aparato de gasificación mostrado en la figura 1. El medio fluidizado circula a través de los lechos móvil y fluidizado 9 y 10, como se muestra por las flechas 118 y 112. Un lecho intermedio 9', en el que el medio fluidizado se difunde principalmente en la dirección horizontal, está formado entre el lecho móvil 9 y el lecho fluidizado 10. El lecho móvil 9 y el lecho intermedio 9' forman una zona de gasificación G, y el lecho fluidizado 10 forma una zona de oxidación S.
La materia combustible 11, que es fundida en la parte superior del lecho móvil 9, se calienta mientras se está moviendo hacia abajo en el lecho móvil 9 junto con el medio fluidizado, permitiendo así que el componente volátil en la materia combustible 11 sea gasificado. El carbón vegetal y la brea, junto con una parte del componente volátil, que no fueron gasificados en el lecho móvil 9, mueven el lecho intermedio 9' y el lecho fluidizado 10, junto con el medio fluidizado, siendo de este modo parcialmente gasificado y parcialmente quemado. La materia que no es gasificada en el lecho intermedio 9', principalmente carbón vegetal y brea, se mueve dentro del lecho fluidizado 10 en la porción periférica del horno, junto con el medio fluidizado, y se quema en el gas de fluidización periférico 8 que tiene un contenido de oxígeno relativamente alto. El medio fluidizado es calentado en el lecho fluidizado 10 y después se pone en circulación hasta el lecho móvil 9 donde calienta la materia combustible en el lecho móvil 9. La densidad del oxígeno en el lecho intermedio 9' se selecciona de acuerdo con el tipo de materia combustible (es decir, si el contenido volátil es alto o el contenido de carbón vegetal y brea es alto). Es decir, se decide, de acuerdo con el tipo de materia combustible si la densidad del oxígeno debería reducirse para realizar principalmente la gasificación, o la densidad del oxígeno debería aumentarse para realizar principalmente la combustión de oxidación.
Como se muestra en la figura 4, que es una vista en sección horizontal del horno de lecho fluidizado 2, el lecho móvil 9, que forma una zona de gasificación, está formado de forma circular en la porción central del horno 2, y el lecho intermedio 9º está formado a partir del gas de fluidización intermedio 7' a lo largo de la periferia exterior del lecho móvil 9. El lecho fluidizado 10, que forma una zona de oxidación, está formado de un modo anular alrededor del lecho intermedio 9'. Se dispone una abertura de descarga de materia incombustible en forma de anillo 5 alrededor de la periferia del lecho fluidizado 10. Formando el aparato de gasificación 1 en una configuración cilíndrica, puede soportarse fácilmente la presión alta del horno. La presión del horno puede soportarse por el aparato de gasificación propiamente dicho, o por un recipiente de presión que está previsto separado fuera del aparato de gasificación.
La figura 5 es una vista en sección vertical esquemática de un aparato de gasificación de acuerdo con una segunda forma de realización. En el aparato de gasificación 2 mostrado en la figura 5, un material de gasificación 11 que es materia combustible, por ejemplo, desechos, es suministrado a un horno de lecho fluidizado 2 por un amortiguador doble 12, un dispositivo de alimentación por compresión 13, y un dispositivo de alimentación de desechos 14. El dispositivo de alimentación por compresión 13 comprime el material de gasificación 11 en una configuración en forma de tapón, permitiendo así que la presión del horno sea sellada. Los desechos comprimidos en una configuración en forma de tapón son desintegrados por un desintegrador (no mostrado) y alimentados dentro del horno de lecho fluidizado 2 por el dispositivo de alimentación de desechos 14.
En el aparato de gasificación mostrado en la figura 5, el gas de fluidización central 7 y el gas de fluidización periférico 8 son suministrados del mismo modo que en la forma de realización mostrada en la figura 1. Por tanto, las zonas de gasificación y oxidación de la atmósfera reductora se forman en el horno del lecho fluidizado 2 del mismo modo que en la forma de realización mostrada en la figura 1. El medio fluidizado sirve como un medio de transferencia térmica en las dos zonas. En la zona de gasificación, se produce un gas combustible de alto valor calorífico de buena calidad; en la zona de oxidación, carbón vegetal y brea, que son difíciles de gasificar, son quemados de forma eficiente. Por tanto, es posible obtener una eficiencia de gasificación alta y un gas combustible de buen calidad. En la forma de realización mostrada en la figura 5, un soplante Roots 15 está previsto para comunicarse tanto con el amortiguador doble 12 como el tablero libre 102 en el aparato de gasificación 1, de manera que el gas que sale del horno 2 hasta el amortiguador doble 12 a través del dispositivo de alimentación por compresión 13 cuando la compresión de desechos es insuficiente son retornados al horno 2 por la acción del soplante Roots 15. Preferentemente, el soplante Roots 15 aspira una cantidad adecuada de aire y gas desde el amortiguador doble 12 y la retorna al horno 2, de forma que la presión en la etapa superior del amortiguador doble 12 es igual a la presión atmosférica.
Adicionalmente, el aparato de gasificación mostrado en la figura 5 tiene una abertura de descarga de materia incombustible 5, una rampa cónica 16, un descargador de regulación del volumen 17, una primera válvula oscilante 18 para el sellado, una válvula de cierre oscilante 19, una segunda válvula oscilante 20 para el sellado, y un descargador 23 equipado con un tambor, que están dispuestos en el orden mencionado y funcionan del siguiente modo:
(1) En un estado, en el que la primera válvula oscilante 18 para el sellado está abierta, mientras que la segunda válvula oscilante 20 está cerrada, y la presión del horno está sellada por la segunda válvula oscilante 20, se acciona el descargador de regulación de volumen 17, de forma que la materia incombustible que incluye arena como un medio fluidizado es descargada desde la rampa cónica 16 hasta la válvula de cierre oscilante 19.
(2) Cuando la válvula de cierre oscilante 19 ha recibido una cantidad predeterminada de materia incombustible, el descargador de regulación de volumen 17 es desconectado, y se cierra la primera válvula oscilante 18, de forma que la presión del horno es sellada por la primera válvula oscilante 18. Adicionalmente, se abre una válvula de descarga 22, de manera que se retorna la presión en la válvula de cierre oscilante 19 a la presión atmosférica. A continuación, la segunda válvula oscilante 20 está completamente abierta, y la válvula de cierre oscilante 19 está abierta, permitiendo así que sea descargada la materia incombustible al descargador 23.
(3) Después de que se ha cerrado completamente la segunda válvula oscilante, se abre una válvula de igualación 21. Después de que la presión en la primera válvula oscilante 18 y la presión en la rampa cónica 16 se han igualado entre sí, se abre la primera válvula oscilante 18. Por tanto, el proceso retorna a la primera etapa (1).
Estas etapas (1) a (3) son repetidas de forma automática.
El descargador 23, que está equipado con un tambor, es accionado de forma continua. Por tanto, se descarga la materia incombustible de tamaño grande 27 al exterior del sistema a través del tambor, y la arena y la materia incombustible de pequeño tamaño son transportados por un elevador de circulación de arena 24. Después de la materia incombustible finamente dividida 28 ha sido movida por un clasificador 25, la arena es retornada al aparato de gasificación 1 a través de una tolva de bloqueo 26. En este mecanismo de descarga de materia incombustible, las dos válvulas oscilantes 18 y 20 no reciben la materia incombustible pero tienen solamente un una función de sellado de presión. Por consiguiente, es posible evitar el troceo de la materia incombustible en las porciones de sellado de la primera y segunda válvulas oscilantes 18 y 20. En un caso donde la presión del horno pueda ser ligeramente negativa, no se requiere función de sellado.
La figura 6 es una vista en sección vertical esquemática de un aparato de gasificación de acuerdo con una tercera forma de realización de la presente invención. En el aparato de gasificación mostrado en la figura 6, la alimentación del material de gasificación 11 y la operación de sellado de presión del horno relacionada con esto se llevan a cabo por el uso de una combinación de una pareja de válvulas de cierre oscilantes 19 y 19', y una pareja de la primera y segunda válvulas oscilantes 18 y 20 del mismo modo que en el caso del mecanismo para la descarga de la materia incombustible mostrada en la figura 5. Se omite el dispositivo de alimentación por compresión 13 utilizado en la forma de realización mostrada en la figura 5. En la forma de realización mostrada en la figura 6, el gas que se fuga del horno a la primera válvula oscilante 18 es retornado al horno a través de una válvula de descarga 22 y un dispositivo soplante (no mostrado). Adicionalmente, después de que la primera válvula oscilante 18 ha sido cerrada completamente, la válvula de igualación 21 se abre para igualar la presión en la válvula de cierre oscilante 19 con la presión en el horno.
La figura 7 es un diagrama de flujo que muestra un ejemplo de un proceso para el refinado del gas producido por un aparato de gasificación. En el proceso de refinado mostrado en la figura 7, el aparato de gasificación 1 es suministrado con el material de gasificación 11 y los gases de fluidización 7 y 8. El gas combustible producido en el aparato de gasificación 1 es enviado a un hervidor de calor residual 31 donde el calor es recuperado, y el gas así refrigerado es enviado entonces a un separador de ciclones 32 donde se separa la materia sólida 37 y 38. Después de esto, el gas combustible es lavado y refrigerado en una torre de lavado con agua 33, y es retirado el sulfuro de hidrógeno del gas combustible en una torre de lavado con solución alcalina 34. Después de seto, el gas combustible es almacenado en un soporte de gas 35. El carbón vegetal sin reaccionar 37en la materia sólida separada en el separador de ciclones 32 es retornado al aparato de gasificación 1, y la materia sólida restante 38 es descargada al exterior del sistema. La materia incombustible de tamaño grande 27 en la materia incombustible descarga desde el aparato de gasificación 1 es descargada al exterior del sistema, mientras que la arena en la materia incombustible es retornada al aparato de gasificación 1, del mismo modo que en la forma de realización mostrada en la figura 5. El agua residual de las torres de lavado 33 y 34 se introduce en un dispositivo de tratamiento de agua residual 36 donde se hace inofensivo.
La figura 8 es un diagrama de flujo que muestra un ejemplo de un proceso en el que el gas combustible y las partículas finas producidas en el aparato de gasificación 1 son introducidos en un horno de combustión por fundición 41 donde son quemados a alta temperatura, y se funde la ceniza resultante. En el proceso mostrado en la figura 8, el gas combustible 29 que contiene una gran cantidad de componente combustible, que se ha producido en el aparato de gasificación 1, se introduce dentro del horno de combustión por fundición 41. El horno de fundición por combustión 41 es suministrado también con el gas 8, que es de tres gases, es decir, oxígeno, una mezcla gaseosa de oxígeno y aire, y aire, de manera que el gas combustible y las partículas finas son quemados a 1.300ºC o mayor, y la ceniza resultante es fundida. Adicionalmente, se descomponen las substancias perjudiciales, por ejemplo, dioxinas, PCB, etc. La ceniza fundida 44 descargada desde el horno de combustión por fundición 41 es refrigerada rápidamente para formar escoria, alcanzando así reducción volumétrica de los residuos. El gas de escape de combustión generado a partir del horno de combustión por fundición 41 es refrigerado rápidamente en un limpiador 42, previniendo así la resíntesis de dioxinas. El gas de escape rápidamente refrigerado en el limpiador 42 es enviado a un colector de polvo 43, por ejemplo, un filtro donde el polvo 38 es retirado del gas. Entonces, el gas de escape es descargado a la atmósfera desde la torre de escape 55.
La figura 9 es una vista en perspectiva en sección esquemática de un aparato de gasificación y combustión por fundición de acuerdo con una cuarta forma de realización de la presente invención. Haciendo referencia a la figura 9, el aparato de gasificación 1 es substancialmente el mismo que el mostrado en la figura 1. No obstante, la salida del gas 108 está en comunicación con una entrada de gas combustible 142 del horno de combustión por fundición 41. El horno de combustión por fundición 41 incluye una cámara de combustión primaria cilíndrica 140 que tiene un eje vertical aproximadamente, y una cámara de combustión secundaria 150 que está inclinada horizontalmente. El gas combustible 29 y las partículas finas producidas en el horno de lecho fluidizado 2 son suministrados a la cámara de combustión primaria 140 a través de la entrada de gas combustible 142 para abarcar alrededor del eje de la cámara de combustión primaria 140.
El extremo superior de la cámara de combustión primaria 140 está provisto con un quemador de partida 132 y una pluralidad de toberas de aire 134 que suministran aire de combustión de forma que el aire rodea el eje de la cámara de combustión primaria 140. La cámara de combustión secundaria 150 está en comunicación con la cámara de combustión primaria 140 en su extremo inferior. La cámara de combustión secundaria 150 tiene un separador de escoria 160 y una abertura de descarga 152 que está dispuesta en la parte inferior de la cámara de combustión secundaria 150 para que sea capaz de descargar la ceniza fundida, y una abertura de escape 154 que está dispuesta por encima de la abertura de descarga 152. La cámara de combustión secundaria 150 tiene adicionalmente un quemador de asistencia 136 que está dispuesto en la proximidad de esta porción de la cámara de combustión secundaria 150 en la que la cámara 150 se comunica con la cámara de combustión primaria 140, y una tobera de aire 134 para suministrar aire de combustión. La abertura de escape 154 para descargar un gas de escape 46 está provista con una placa de radiación 162 para reducir la cantidad de calor perdido a través de la abertura de escape 154 por radiación.
La figura 10 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado de acuerdo con una forma de realización de la presente invención, que es utilizado en combinación con un hervidor de calor residual y una turbina. Haciendo referencia al figura 1, el aparato de gasificación 1 tiene un transportador 172 para transportar materia incombustible de tamaño grande 27 descargada desde el descargador 23, junto con materia incombustible dividida finamente 28 descargada desde el clasificador 25. Una camisa de aire 185 está dispuesta alrededor de la rampa cónica 16 que es utilizada para retirar la materia incombustible del fondo del horno de lecho fluidizado 2. El aire en la camisa de aire 185 es calentado por aire a alta temperatura retirado del horno de lecho fluidizado 2. Un combustible auxiliar F es suministrado a las cámaras de combustión primaria y secundaria 140 y 150 del horno de combustión por fundición 41. La ceniza fundida 44 descargada de la abertura de descarga 152 del horno de combustible 41 es recibida en una cámara de agua 178 donde es refrigerada rápidamente, y después descargada como escoria 176.
En la disposición mostrada en la figura 10, el gas de combustión descargado del horno de combustión por fundición 41 es descargado a la atmósfera a través del hervidor de calor residual 31, un economizador 183, un precalentador de aire 186, un colector de polvo 43, y un ventilador de aspiración inducida 54. Un neutralizador N, por ejemplo, cal apagada (hidróxido de calcio), se añade al gas de combustión que sale del precalentador de aire 186 antes de que el gas entra en el colector de polvo 43. El agua W es suministrada al economizador 183 donde es precalentado, y después es calentado en el hervidor 431 para formar el vapor. El vapor es utilizado para accionar una turbina de vapor ST. El aire A es suministrado al precalentador de aire 186 donde se calienta, y se calienta después adicionalmente en la camisa de aire 185. El aire calentado es suministrado a través de un tubo de aire 184 al horno de combustión por fundición 41. Si es necesario, el aire calentado es suministrado también al tablero libre 102.
Las partículas finas 180 y 190 recogidas en los fondos del hervidor de calor residual 31, el economizador 183 y el precalentador de aire 186 son transportadas al clasificador 25 por el elevador de circulación de arena 24 para eliminar la materia incombustible dividida finalmente 28 desde ellos, y son retornados entonces al horno de lecho fluidizado 2. La ceniza volátil 38 separada en el colector de polvo 43 contiene sales de metales alcalinos, por ejemplo, Na, K, etc., volatilizada a alta temperatura, y es tratada, por tanto, con productos químicos en un dispositivo de tratamiento
194.
En el aparato mostrado en la figura 10, la combustión en el horno de lecho fluidizado 2 se lleva a cabo por el método de combustión parcial a baja temperatura en relación de aire de exceso baja, y la temperatura del lecho fluidizado se mantiene en el intervalo de 450ºC a 650ºC, permitiendo así que se produzca un gas combustible de alto valor calorífico. Adicionalmente, puesto que tiene lugar la combustión a relación de aire de exceso baja bajo una condición de atmósfera reductora, se obtienen hierro y aluminio como productos valiosos no oxidados. El gas combustible de alto valor calorífico y el carbón vegetal producido en el horno del lecho fluidizado 2 pueden quemarse a alta temperatura, es decir, 1.300ºC o mayor, en el horno de combustión por fundición 41. Por tanto, la ceniza puede fundirse, y pueden descomponerse las dioxinas.
La figura 11 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y de gasificación en lecho fluidizado de acuerdo con una forma de realización de la presente invención que es utilizado en combinación con un refrigerador de gas 280. Haciendo referencia a la figura 11, el aparato de gasificación 1, el horno de combustión por fundición 41, la cámara de agua 178, el colector de polvo 43, el ventilador de aspiración inducida 54, etc., son iguales a los de la figura 10. En el dispositivo mostrado en la figura 11, un refrigerador de gas 280 y un precalentador de aire independiente 188 son previstos en lugar del hervidor de calor residual. El gas de escape de combustión a alta temperatura procedente del horno de combustión por fundición 41 es introducido en el refrigerador de gas 280 a través de un conducto de alta temperatura 278 revestido con un aislante térmico. En el refrigerador de gas 280, el gas de combustión es refrigerado de forma instantánea por la pulverización con gotitas finas de agua, previniendo así la resíntesis de las dioxinas. La velocidad de flujo del gas de escape en el conducto a alta temperatura 278 es ajustada a un nivel bajo, es decir, 5 m/s o menor. Un generador de agua caliente 283 es dispuesto en la parte superior del refrigerador de gas 280. El aire calentado en el precalentador de aire 188 es suministrado al tablero libre 102 en el aparato de gasificación 1 y también, al horno de combustión por fundición 41.
La figura 12 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado que es utilizado en combinación con el hervidor de calor residual 31 y una torre de reacción 310. En la figura 12, el aparato de gasificación 1, el horno de combustión por fundición 41, la cámara de agua 178, el hervidor de calor residual 31, la turbina de vapor ST, el economizador 183, el precalentador de aire 186, el colector de polvo 43, el ventilador de aspiración inducida 54, etc, son iguales a los de la Figura 10. En el dispositivo mostrado en la figura 12, la torre 310 y el combustor de calentamiento en supercalentador 320 están dispuestos entre el hervidor de calor residual 31 y el economizador 183. En la torre de reacción 310, un neutralizador N, por ejemplo, suspensión de cal apagada, es añadida al gas de escape por combustión, eliminando así el HCl del gas. Las partículas finas sólidas 312 descargadas de la torre de reacción 310, junto con las partículas sólidas finas 312 descargadas del hervidor de calor residual 31, son enviadas al clasificador 25 por el elevador de circulación de arena 24. En el combustor de calentamiento 320, el gas combustible y un combustible auxiliar F son quemados para elevar la temperatura del vapor a aproximadamente 500ºC. En el aparato mostrado en la figura 12, el vapor tiene una alta temperatura y alta presión, y la relación del aire en exceso es baja, y de ahí que sea pequeña la cantidad de calor sensible llevada sobre el gas de escape. Por tanto, la eficiencia de generación de potencia puede incrementarse hasta aproximadamente 30%.
La figura 13 muestra la disposición de un aparato de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado del tipo de co-generación de acuerdo con una forma de realización de la presente invención. En la figura 13, el aparato de gasificación 1, el horno de combustión por fundición 41, la cámara de agua 178, el hervidor de calor residual 31, el colector de polvo 43, el ventilador de aspiración inducida 54, etc., son iguales a los del aparato mostrado en la figura 10. Haciendo referencia a la figura 13, la torre de reacción 310 está dispuesta entre el hervidor de calor residual 31 y el colector de polvo 43. En la torre de reacción 310, un neutralizador N, por ejemplo, la suspensión de cal apagada, es añadida al gas de escape de combustión, eliminando así el HCl. El gas de escape procedente de la torre de reacción 310 es suministrado a través del colector de polvo 43 hasta un conjunto de turbina de gas 420 donde es utilizado. En el conjunto de turbina de gas 420, el aire A es comprimido por un compresor C, y el aire comprimido es suministrado a un combustor CC. En el combustor CC, se quema un combustible F, y el gas de combustión resultante, junto con el gas de escape que es comprimido en un compresor 410 y suministrado al combustor CC, es utilizado como un fluido de trabajo para una turbina T. El gas de escape procedente del conjunto de turbina de gas 420 pasa a través de un supercalentador 430, un economizador 440, y un precalentador de aire 450 en el orden mencionado y después es liberado a la atmósfera por el ventilador de aspiración inducida 54. El vapor generado en el hervidor de calor residual 31 se calienta por el gas de escape procedente del conjunto de turbina de gas 420 en el supercalentador 430, y el vapor calentado es suministrado a la turbina de vapor ST.
La figura 14 es un diagrama de flujo que muestra el proceso de un método de combustión por fundición y gasificación en lecho fluidizado del tipo de generación de potencia de ciclo combinado de gasificación presurizada. El gas combustible de alta presión y alta temperatura 29 producido en el horno de gasificación presurizado 1 se introduce dentro de un hervidor de calor residual 31' donde provoca que el vapor sea generado, y se refrigere el propio as. El gas que sale del hervidor de calor residual 31' es dividido en dos, uno de ellos es introducido dentro del horno de combustión por fundición 41, y el otro es introducido en un colector de polvo 43' después de que se ha añadido un neutralizador N a esto para neutralizar HCl. En el colector de polvo 43', las substancias de baja función 38' en el gas combustible que se ha solidificado debido a la caída de la temperatura, son separadas del gas combustible y enviadas al horno de combustión por fundición 41 donde se funden las substancias de baja fundición 38'. El gas combustible que se ha librado de las substancias de fundición baja 38' es utilizad como un gas combustible en el conjunto de turbina de gas CT. El gas de escape procedente del conjunto de turbina de gas GT es sometido a un intercambio térmico en un supercalentador SH y un economizador Eco, y después de esto, es tratado en un dispositivo de tratamiento de gas de escape 510 y después liberado a la atmósfera. El gas de escape procedente del horno de combustión por fundición 41 es pasado a través de un intercambiador de calor EX y el colector de polvo y es introducido dentro del dispositivo de tratamiento de gas de escape 510. La ceniza fundida 44 descargada del horno de combustión por fundición 41 es refrigerada rápidamente para formar escoria. La materia sólida 38 descargada del colector de polvo 43 es tratada con productos químicos en el dispositivo de tratamiento 194.
Con el proceso mostrado en la figura 14, se utiliza un gas producido a partir de materia residual como un combustible después de se hayan retirado de allí HCl y materia sólida. Por consiguiente, la turbina de gas no será corroída por el gas. Adicionalmente, puesto que se ha retirado el HCl del gas, puede generarse vapor a alta temperatura por el gas de escape de turbina de gas.
Efectos de la invención
Por consiguiente, la presente invención proporciona los siguientes efectos ventajosos:
(1) En el método de gasificación de la presente invención, el calor es difundido por corrientes de circulación en el horno de lecho fluidizado. Por tanto, puede llevarse a cabo combustión de alta intensidad, y el horno puede ser reducido en tamaño.
(2) En la presente invención, el horno de lecho fluidizado puede mantener la combustión con una cantidad de aire relativamente pequeña. Por tanto, es posible producir un gas homogéneo que contiene una gran cantidad de componente combustible llevando a cabo de forma moderada la combustión a una relación de aire de exceso baja y a temperatura baja (450ºC a 650ºC) en el horno de lecho fluidizado y reduciendo al mínimo por tanto la generación de calor. Por tanto, la parte más grande de la materia combustible contenida en el gas, brea y carbón vegetal puede ser utilizada en un horno de combustión por fundición en la siguiente etapa.
(3) En la presente invención, incluso la materia incombustible de tamaño grande puede ser descargada fácilmente en el horno de lecho fluidizado. Adicionalmente, el hierro y el aluminio contenidos en la materia incombustible puede utilizarse como productos valiosos no oxidados.
(4) La presente invención proporciona un método por el que puede realizarse el tratamiento de residuos de forma inofensiva, y puede alcanzarse un factor de utilización de energía alto.
Aunque la presente invención se ha descrito a través de términos específicos, debería indicarse aquí que las formas de realización descritas no son exclusivas necesariamente y que pueden impartirse varios cambios y modificados a esto sin separarnos del alcance de la invención que está limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (18)

1. Un aparato para procesar material combustible, que comprende:
un horno de gasificación de lecho fluidizado (2) que tiene un medio de suministro de gas fluidizado (3, 4, 106) para suministrar un gas fluidizado en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado y para crear una corriente de circulación (118, 112) de un medio fluidizado dentro de dicho horno de gasificación de lecho fluidizado;
medios (14, 104) para suministrar dicho material combustible en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado para ser gasificado en dicha corriente de circulación de dicho medio fluidizado creado por dicho gas de fluidización, generando de esta manera gas combustible y carbón vegetal; y
un horno de fundición (41) en el que dicho gas combustible y carbón vigital descargados son introducidos desde dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2) y para fundir ceniza para formar escoria fundida.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho medio de suministro de gas fluidización comprende medios para suministrar un gas fluidizado que tiene una velocidad de masa relativamente baja y medios para suministrar un gas fluidizado que tiene una velocidad de masa relativamente alta.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de gasificación de lecho fluidizado comprende una abertura de descarga (5) para descargar material combustible contenido en el material combustible y el medio fluidizado, y un elevador (24) para transferir el medio fluidizado descargado desde dicha abertura de descarga en dicho lecho fluidizado.
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de gasificación de lecho fluidizado comprende una abertura de descarga (5) para descargar material combustible contenido en el material combustible y el medio fluidizado, y en el que dicho material incombustible y dicho medio fluidizado descargado desde dicha abertura de descarga son clasificados y el medio fluidizado es retornado a dicho horno de gasificación de lecho fluidizado.
5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 4, en el que dicho medio fluidizado es retornado a través de una tolva de bloqueo (26).
6. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, una válvula (19, 19') para suministrar el material combustible en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado, sellando al mismo tiempo la presión de dicho horno.
7. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un alimentador de compresión (13) para la compresión y alimentación del material combustible en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado, sellando al mismo tiempo la presión del horno.
8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de fundición comprende una tobera (134) para suministrar oxígeno, una mezcla de oxígeno y aire, o aire.
9. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de fundición comprende una cámara de agua (178) para refrigerar rápidamente ceniza fundida para formar escoria (176).
10. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de fundición comprende una abertura de descarga (152) para descargar ceniza fundida en una parte inferior de dicho horno y una abertura de escape (154) para descargar un gas de escape dispuesto por encima de una abertura de descarga (152) para descargar ceniza fundida.
11. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2) tiene una configuración de la sección transversal horizontal aproximadamente circular.
12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho medio de suministro de gas fluidizado comprende:
un dispositivo de suministro central para suministrar un gas fluidizado (4) al interior del horno para formar un lecho móvil (9) en el que se asienta y difunde un medio fluidizado; y
un dispositivo de suministro periférico para suministrar un gas fluidizado (3) al interior del horno para formar un lecho fluidizado (10) en el que un medio fluidizado es fluidizado activamente.
13. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2) tiene un medio (3, 4, 106) para crear una corriente de circulación de un medio fluidizado formado para suministrar un gas fluidizado que tiene una velocidad de masa relativamente pequeña y para suministrar un gas fluidizado que tiene una velocidad de masa relativamente grande, de manera que la temperatura del lecho fluidizado (10) se mantiene en el intervalo entre 450ºC y 650ºC, permitiendo de esta manera que continúe la combustión controlada efectivamente.
14. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende, además, un medio para retener partículas finas contenidas en un gas descargado desde dicho horno de fundición (41) en dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2).
15. Un método de procesamiento de material combustible en un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el interior de dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2) se mantiene a una temperatura entre 450ºC y 650ºC.
16. Un método de procesamiento de material combustible en un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2), se mantiene un lecho fluidizado a una temperatura de 450ºC a 650ºC.
17. Un método de procesamiento de material combustible en un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el interior de dicho horno de fundición (41) se mantiene a una temperatura de 1300ºC o mayor.
18. Un método de procesamiento de material combustible en un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho carbón vegetal se convierte en partículas finas en dicha corriente de circulación dentro de dicho horno de gasificación de lecho fluidizado (2).
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