ES2265652T3 - Sistema y metodo de desvio para aparatos de oxidacion termicos regenerativos. - Google Patents
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Abstract
SE DESCRIBE UN OXIDADOR TERMICO REGENERATIVO (10) EN EL QUE EL AIRE CONTAMINADO SE HACE PASAR EN PRIMER LUGAR A TRAVES DE UN LECHO CALIENTE DE TERMOINTERCAMBIO, HASTA LLEGAR A UNA CAMARA EN COMUNICACION DE OXIDACION (COMBUSTION) A TEMPERATURA ELEVADA (3), Y A CONTINUACION A TRAVES DE UN SEGUNDO LECHO DE TERMOINTERCAMBIO RELATIVAMENTE FRIO. EL APARATO INCLUYE UNA SERIE DE COLUMNAS (2A, 2B) DE RECUPERACION TERMICA, INTERIORMENTE AISLADAS Y RELLENAS CON CERAMICA, QUE TIENEN EN SU PARTE SUPERIOR UNA CAMARA DE COMBUSTION (3) AISLADA INTERIORMENTE. DESDE LA CAMARA DE COMBUSTION (3), EL AIRE FLUYE VERTICALMENTE HACIA ABAJO, A TRAVES DE OTRA COLUMNA QUE CONTIENE MEDIOS DE TERMOINTERCAMBIO, ALMACENANDOSE DE ESE MODO CALOR EN LOS MEDIOS PARA USO EN UN CICLO POSTERIOR DE ADMISION CUANDO SE INVIERTEN LAS VALVULAS DE CONTROL DE FLUJO. LA TEMPERATURA SE DETECTA DENTRO DEL LECHO DE MEDIOS DE TERMOINTERCAMBIO, A FIN DE SUPERVISAR EL PERFIL DE LA TEMPERATURA Y CONTROLAR UNA DERIVACION DE LOS GASES CALIENTESDE COMBUSTION, EN CASO DE QUE LA TEMPERATURA SUPERARA UN VALOR PREESTABLECIDO.
Description
Sistema y método de desvío para aparatos de
oxidación térmicos regenerativos.
El control y/o eliminación de impurezas y
subproductos indeseables de diversas operaciones de fabricación ha
obtenido una importancia considerable en vista de la potencial
contaminación que pueden generar tales impurezas y subproductos. Un
enfoque convencional para la eliminación o, por lo menos, la
reducción de estos contaminantes se realiza oxidándolos por
incineración. La incineración tiene lugar cuando aire contaminado
que contiene suficiente oxígeno se calienta a una temperatura
suficientemente alta y durante un tiempo suficiente para convertir
los componentes indeseados en gases inocuos tales como dióxido de
carbono y vapor de agua.
En vista del alto coste del combustible
necesario para generar el calor exigido para la incineración, es
ventajoso recuperar tanto calor como sea posible. A tal efecto, la
patente U.S. número 3.870.474 da a conocer un aparato de oxidación
térmico regenerativo que comprende tres regeneradores, dos de los
cuales se encuentran en funcionamiento en cualquier momento dado,
mientras que el tercero recibe una pequeña purga de aire purificado
para hacer salir cualquier aire contaminado o no tratado del mismo
y lo descarga en una cámara de combustión donde se oxidan los
contaminantes. A la finalización de un primer ciclo, el flujo de
aire contaminado se invierte a través del regenerador a partir del
cual se había descargado previamente el aire purificado, a fin de
precalentar el aire contaminado durante el paso a través del
regenerador previamente a su introducción en la cámara de
combustión. De esta manera, se consigue la recuperación de
calor.
La patente U.S. número 4.302.426, en la que se
basa el preámbulo de la reivindicación 1, da a conocer un sistema
anticontaminación de regeneración térmica que se regula para
temperaturas excesivas en la zona de incineración o combustión a
alta temperatura. A tal efecto, se detecta la temperatura en la zona
de combustión, y cuando se alcanza una alta temperatura
predeterminada en la misma, los gases que normalmente se harían
pasar a través del lecho intercambiador de calor son desviados, en
cambio, alrededor del lecho, se combinan con otros gases que ya han
sido enfriados como resultado de su paso normal a través de un lecho
intercambiador de calor y se descargan a la atmósfera.
Sin embargo, basar la operación de desvío en la
temperatura detectada en la zona de combustión o de alta temperatura
es de alguna manera ineficiente y puede dar lugar a picos
transitorios de calor no deseados.
Es, por lo tanto, un objeto de la presente
invención mejorar la eficacia de tales aparatos de oxidación
térmicos regenerativos y de la operación de desvío en
particular.
Es un objeto adicional de la presente invención
reducir o eliminar picos transitorios de calor en tales
aparatos.
El documento U.S. 5.422.077 da a conocer un
incinerador de lecho regenerativo que tiene un único lecho que
contiene medios intercambiadores de calor y un elemento calentador.
Un sensor de temperatura se sitúa centralmente en el lecho para
controlar si se necesita añadir calor adicional.
La invención se define en las
reivindicaciones.
Los problemas de la técnica anterior se han
resuelto por medio de la presente invención, que proporciona un
aparato de oxidación térmico regenerativo en el que un gas tal como
aire contaminado se pasa primero a través de un lecho intercambiador
de calor caliente y a una cámara de oxidación (combustión)
comunicante de alta temperatura y, después, a través de un segundo
lecho intercambiador de calor relativamente frío. El aparato
preferente incluye un número de columnas de recuperación de calor
aisladas internamente, rellenas de material cerámico, en
comunicación con una cámara de combustión internamente aislada. El
aire o gas del proceso es suministrado al aparato de oxidación a
través de un colector de admisión que contiene un sistema de
válvulas adecuado, preferentemente válvulas neumáticas del tipo de
disco. El aire es dirigido, después, a los medios intercambiadores
de calor que contienen calor "almacenado" del ciclo de
recuperación anterior. Como resultado, el aire del proceso se
calienta hasta temperaturas de oxidación en el interior de los
medios intercambiadores de calor, resultando, de ese modo, una
oxidación del aire contaminado o gas del proceso. La oxidación del
aire contaminado en el interior de los medios intercambiadores de
calor es referida como "combustión en lecho". Si algo del aire
contaminado no se oxida completamente en el interior de los medios
intercambiadores de calor, entonces, el proceso de oxidación se
completa en la cámara de combustión, donde tienen su sitio unos
medios para un calentamiento continuado del flujo. El gas se
mantiene a la temperatura de funcionamiento durante una cantidad de
tiempo suficiente para completar la destrucción de los COV. El calor
liberado durante el proceso de oxidación actúa como combustible para
reducir el rendimiento exigido del quemador. Si el calor liberado
por la oxidación del solvente en la corriente de aire contaminado
está por debajo del exigido para el funcionamiento automantenido,
entonces se proporciona calor suplementario mediante fuentes de
calor situadas en la cámara de combustión. Desde la cámara de
combustión, el aire fluye verticalmente en dirección descendente a
través de otra columna que contiene medios intercambiadores de
calor, almacenando calor, de ese modo, en los medios, para su
utilización en un ciclo de entrada posterior cuando las válvulas de
control de flujo se invierten. El aire limpio resultante es dirigido
por una válvula de salida a través de un colector de salida y
liberado a la atmósfera a una temperatura ligeramente mayor que la
de la entrada, o se recircula de vuelta a la entrada del aparato de
oxidación. La temperatura se detecta no solamente en la cámara de
combustión sino también en el interior de los medios
intercambiadores de calor, y cuando se detecta así una temperatura
anormalmente alta en los mismos, los gases en la cámara de
combustión se desvían alrededor del lecho intercambiador de calor y
pueden mezclarse con gases que ya han sido enfriados como resultado
de su paso normal a través de un lecho intercambiador de calor.
La invención se describirá ahora en más detalle,
a modo de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos adjuntos
en los que:
la figura 1 es una vista esquemática de un
aparato regenerativo que incluye la cámara de combustión y medios
sensores según la presente invención; y
la figura 2 es un perfil de temperatura de un
aparato de oxidación según la presente invención.
En la destrucción de compuestos orgánicos
volátiles (COV), existe una multitud de reacciones intermedias que
tienen lugar en la oxidación (descomposición) del COV en dióxido de
carbono y vapor de agua. La última etapa en la cadena de reacción es
la descomposición del monóxido de carbono en dióxido de carbono, en
donde la conversión de monóxido de carbono responde de un tercio de
la liberación total de calor de los COV. A su vez, la descomposición
de monóxido de carbono en dióxido de carbono comienza de 732ºC a
760ºC (1.350ºF a 1.400ºF) y exige el tiempo adecuado para la
finalización. El grado al que la oxidación de un COV tiene lugar en
el interior del lecho de gres cerámico en un aparato de oxidación
térmico regenerativo es función del tipo de COV, la tasa de reacción
del COV, la temperatura del lecho y el tiempo de retención, y el
mezclado en el interior del lecho. Históricamente, con un valor de
referencia de temperatura de oxidación de 816ºC (1.500ºF), la parte
del extremo caliente del lecho de gres cerámico donde puede
comenzar la oxidación no se encuentra a una temperatura
suficientemente alta durante un tiempo suficientemente largo para
permitir que tenga lugar la oxidación completa. Por consiguiente, la
mayor parte de la reacción de oxidación y la energía asociada (es
decir, calor) que se libera como resultado de la oxidación, tiene
lugar en la cámara de combustión. El resultado de esta liberación
de calor puede verse en un incremento en la temperatura de la cámara
de combustión y en una reducción en la entrada de combustible al
quemador de la cámara de combustión.
A una temperatura tradicional de la cámara de
combustión de 816ºC (1.500ºF), la mayor parte de la reacción de
oxidación de los COV tiene lugar en la cámara, y el calor liberado
de esa oxidación calienta el flujo de aire en la cámara. A un nivel
de COV por encima del necesario para una oxidación automantenida, la
temperatura del aire en la cámara sobrepasa el valor de referencia
de 816ºC (1.500ºF) y el quemador se modula a posición cerrada y
cierra el paso. La temperatura continúa elevándose por encima de la
temperatura del valor de referencia de 816ºC (1.500ºF) y, por
consiguiente, se necesita un desvío lateral caliente, que mantiene
la temperatura de 816ºC (1.500ºF) reduciendo la eficacia térmica del
oxidante desviando una parte del flujo oxidado lejos del gres
cerámico.
En consecuencia, la presente invención utiliza
temperaturas de cámara de combustión más elevadas, 871ºC a 927ºC
(1.600ºF a 1.700ºF) y fuerza a la mayoría, si no toda la reacción de
oxidación de los COV a tener lugar en el gres cerámico. El calor
liberado de la reacción exotérmica de los COV calentará la masa más
fría con la que se encuentra en contacto, que ya no es la masa de
flujo de aire de la cámara de combustión, sino que es la masa mucho
mayor y mucho más fría de gres cerámico que tiene una mayor
capacidad calorífica que el aire. Como resultado, la temperatura de
la cámara de combustión permanecerá relativamente constante a la
vez que la masa de gres cerámico absorbe el calor y aumenta su
perfil de temperatura. Aumentando el perfil de temperatura del gres
cerámico, la eficacia térmica del aparato de oxidación se reduce y,
de esta manera, el aparato de oxidación autorregula su eficacia
térmica a medida que los niveles de COV aumentan por encima del
nivel de automantenimiento. Existe un factor limitante realista del
nivel de los COV por encima del automantenimiento que puede ser
ajustado de esta manera, y esto se determina mediante un número de
variables que incluyen: eficacia térmica del intercambiador de
calor, temperatura de descarga, materiales de construcción, tiempo
de conmutación, caída de presión, etc. Por ejemplo, para una
eficacia térmica de un intercambiador de calor del 95%, se elige un
límite óptimo de solvente del 8,0% del límite inferior de
explosividad (LIE). Por encima de este nivel de solvente de LIE del
8,0%, el aparato de oxidación utiliza un desvío lateral caliente a
fin de controlar la temperatura. Un conocimiento del comportamiento
del perfil de temperatura en los medios de gres cerámico se puede
utilizar para controlar los niveles de solvente y, para niveles
mayores del 8,0% de LIE, para controlar el funcionamiento del desvío
lateral caliente. Este perfil de temperatura se obtiene de los
medios sensores de temperatura situados en el gres cerámico según
la presente invención.
Haciendo referencia primero a la figura 1, se
muestra esquemáticamente un aparato de oxidación térmico
regenerativo 10 compuesto por dos lechos intercambiadores de calor
2A, 2B; una cámara de combustión 3 que tiene por lo menos un
quemador 4; cámaras de admisión de entrada para cada lecho 7A y 7B;
y aberturas de rendija 6A y 6B para cada cámara de admisión. Cada
lecho 2A, 2B tiene medios de entrada de gas 11, medios de salida de
gas 12, y medios de válvula 13 asociados a los mismos. Los medios
sensores de temperatura 5 tales como pares termoeléctricos se sitúan
en el lecho de gres cerámico. La situación particular de los pares
termoeléctricos no es absolutamente crítica; pueden situarse a 15 cm
(6 pulgadas), 30 cm (12 pulgadas), 46 cm (18 pulgadas), 61 cm (24
pulgadas) por debajo de la parte superior de los medios, por
ejemplo. Preferentemente los pares termoeléctricos se sitúan desde
aproximadamente 31 a 46 cm (12 a 18 pulgadas) por debajo de la parte
superior de los medios tal como se muestra. Cada uno de los medios
sensores de temperatura 5 se encuentra acoplado eléctricamente a
medios de control B. Un conducto/válvula amortiguadora de desvío
caliente 9 recibe una señal de los medios de control 8 que modula la
válvula amortiguadora para mantener una temperatura tal como se ha
medido por los medios sensores de temperatura 5 a un valor de
referencia predeterminado. Los expertos en la técnica reconocerán
que el valor de referencia real utilizado depende en parte de la
profundidad real de los medios sensores de la temperatura en el gres
cerámico, así como del valor de referencia de la cámara de
combustión. Un valor de referencia adecuado se encuentra en la gama
de aproximadamente 871ºC a aproximadamente 899ºC (1.600ºF a
aproximadamente 1.650ºF).
La figura 2 ilustra el perfil de temperatura de
un aparato de oxidación típico de dos columnas según la presente
invención. La temperatura en el gres cerámico de cada lecho del
aparato de oxidación se controla con los pares termoeléctricos TE1 y
TE2. Por ejemplo, con un intercambiador de calor con una eficacia
térmica del 95%, se consigue un perfil automantenido a un nivel de
solvente del 3,5% de LIE.
Preferentemente el sistema regenerativo del
aparato de oxidación térmico de la presente invención consta de dos
columnas regenerativas. A medida que se necesitan unidades mayores
para manipular volúmenes de corriente de alimentación mayores, el
número de columnas se puede aumentar. En el caso de que el volumen
de la corriente de alimentación sea demasiado grande para un sistema
de dos columnas, se puede añadir un sistema adicional (con una
cámara de combustión) y se puede utilizar en combinación con el
primer sistema para satisfacer las necesidades. El aparato
regenerativo de la presente invención puede manipular casi todas las
necesidades de tamaño, desde aproximadamente 141,6 m^{3}/min
(5.000 pies cúbicos estándares por minuto ("SCFM")) hasta
aproximadamente 1.700 m^{3}/min (60.000 SCFM) utilizando dos
columnas. Las aplicaciones que requieren más de 1.700 m^{3}/min
(60.000 SCFM) se pueden manipular con unidades múltiples.
Variando la cantidad de medios intercambiadores
de calor contenidos en las columnas, se pueden obtener eficacias
térmicas (E.T.s) del 85%, 90% o 95%. Por ejemplo, una unidad de E.T.
del 85% tendrá una profundidad de lecho de medios intercambiadores
de calor de aproximadamente 1,37 m (cuatro pies y medio); una unidad
de E.T. del 90% tendrá una profundidad de lecho de 1,98 m (seis pies
y medio); y una unidad de E.T. del 95% tendrá una profundidad de
lecho de 2,59 m (ocho pies y medio). Son preferentes temperaturas
estándares de funcionamiento de 871ºC - 927ºC (1.600ºF - 1.700ºF),
aunque se pueden ajustar temperaturas de diseño de 982ºC - 1093ºC
(1.800ºF - 2.000ºF) o mayores.
A cargas altas de solvente, una vez se comprueba
que el quemador está cerrado, se permite que la temperatura de la
cámara de combustión se eleve por encima de un valor de referencia
de temperatura predeterminado y únicamente se controla. Teniendo
lugar una combustión en el lecho, los pares termoeléctricos situados
en el lecho de gres cerámico controlan el nivel de solvente a
través del cambio resultante del perfil de temperatura. Si la carga
de solvente es suficientemente alta (es decir, mayor que el 8% de
LIE), entonces el desvío de gas caliente se controla (modula)
basándose en la temperatura detectada en los lechos cerámicos de
gres, no basándose en la temperatura de la cámara de combustión como
en la técnica anterior para conseguir el grado necesario de
reducción del intercambiador de calor. Controlar la temperatura del
lecho en lugar de la temperatura de la cámara de combustión asegura
que la temperatura del lecho se mantiene suficientemente alta para
conseguir una oxidación completa del solvente en el interior del
lecho (simplemente utilizar la temperatura de la cámara de
combustión como punto de control podría provocar que la temperatura
del lecho fuera demasiado fría para altos grados de desvío caliente,
sacrificando, de esta manera, el nivel necesario de destrucción de
solvente en el lecho). Además, permitir que tenga lugar la
combustión en el lecho significa que la cantidad de desvío de gas
caliente requerida (en caso de ser necesaria) será menor que en la
tecnología convencional, permitiendo de esa manera que la unidad de
oxidación se ajuste a LIEs incluso mayores. Tanto el control como la
máxima cantidad de desvío caliente es, por lo tanto, función de la
temperatura mínima permisible del lecho de gres cerámico medida en
una localización precisa en el extremo caliente del
lecho.
lecho.
Si la máxima cantidad permisible de desvío de
gas caliente se consigue por el valor de referencia de control de la
temperatura del lecho de gres cerámico permisible, y si el contenido
de solvente todavía es suficientemente alto, entonces el aire de
dilución del ambiente se introduce como el mecanismo final de
control para mantener un funcionamiento aceptable del aparato de
oxidación. Una temperatura permisible del lecho de gres cerámico del
extremo caliente controlará la cantidad de aire de dilución
introducida.
Una parada de seguridad a alta temperatura de
1.093ºC (2.000ºF) según se mide por la temperatura de la cámara de
combustión masiva cerrará el aparato de oxidación para protegerlo de
un exceso de
temperatura.
temperatura.
Claims (5)
1. Sistema de oxidación regenerativo (10)
para purificar un gas, que comprende:
una pluralidad de columnas regeneradoras (2A,
2B), comprendiendo cada una de dichas columnas medios
intercambiadores de calor;
medios de entrada de gas (11) en comunicación
con cada una de dicha serie de columnas regeneradoras;
medios de salida de gas (12) en comunicación con
cada una de dicha serie de columnas regeneradoras;
una cámara de combustión (3) en comunicación con
cada una de dicha serie de columnas regeneradoras;
medios (4) en dicha cámara de combustión para
generar calor;
medios de válvula (13) en comunicación con
dichos medios de entrada de gas (11) y dicho medios de salida de gas
(12) para dirigir alternativamente dicho gas a los medios de entrada
(11) de una de dicha serie de columnas (2A, 2B) en una primera
dirección y a través de otra de dicha serie de columnas (2A, 2B) en
una segunda dirección; caracterizado por:
medios sensores de temperatura (5) dispuestos en
cada una de dichas columnas regeneradoras (2A, 2B) entre dichos
medios intercambiadores de calor para detectar una alta temperatura
predeterminada en los mismos, y
medios (9) acoplados a dichos medios sensores de
temperatura (5) y a dicha cámara de combustión (3) para extraer una
parte de los gases de dicha cámara de combustión (3) cuando dichos
medios sensores de temperatura (5) detectan dicha alta temperatura
predeterminada.
2. Sistema de oxidación regenerativo de la
reivindicación 1, en el que dichos medios para generar calor
comprenden un quemador (4).
3. Sistema de oxidación regenerativo de la
reivindicación 2, en el que dichos medios de válvula comprenden
válvulas neumáticas de disco (13).
4. Procedimiento para controlar la
temperatura de gases en un aparato térmico regenerativo (10),
incluyendo dicho aparato térmico regenerativo (10) por lo menos dos
zonas de intercambio de calor (2A, 2B) estacionarias en comunicación
con una cámara de combustión (3), conteniendo cada zona medios
intercambiadores de calor, fluyendo dichos gases normalmente al
interior de una de dichas zonas de intercambio de calor (2A, 2B)
estacionarias al abandonar dicha cámara de combustión (3),
comprendiendo dicho procedimiento:
a. detección de la temperatura de dichos gases
entre dichos medios intercambiadores de calor en una de dichas zonas
de intercambio de calor (2A,
2B);
2B);
b. en respuesta a dicha temperatura detectada,
extracción de una parte de los gases de dicha cámara de combustión
(3) a fin de desviar dichos gases a la otra (2B) de dichas zonas de
intercambio de calor.
5. Procedimiento de la reivindicación 4,
en el que dichos medios intercambiadores de calor en dicha una de
dichas zonas de intercambio de calor (2A) tienen una superficie
superior, y en el que dicha temperatura se detecta en dicha una de
dichas zonas de intercambio de calor en una posición desde
aproximadamente 30 cm (12 pulgadas) hasta aproximadamente 46 cm (18
pulgadas) respecto de dicha superficie superior de dichos medios
intercambiadores de calor en dicha
zona (2A).
zona (2A).
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