ES2272406T3 - Recirculacion de gases quemados en incineradores de desperdicios. - Google Patents
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Abstract
Método para la incineración de material de desperdicio en un incinerador, que comprende: suministro de material de desperdicio en una zona de incineración que contiene una rejilla de incineración, de manera que el material de desperdicio es suministrado a un primer lado de la rejilla de incineración y es desplazado a un segundo lado durante la realización del método, suministrando desde debajo, a través de la rejilla de incineración y el material de desperdicio situado sobre la misma, un gas primario a efecto de incinerar por lo menos parcialmente dicho material de desperdicio en un área de combustión que se extiende desde la rejilla de incineración al primer nivel por encima de la rejilla de incineración, de manera que la zona de incineración comprende como mínimo dos zonas, siendo suministrado el material de desperdicio a una primera zona y de manera que, durante la realización del método, el material de desperdicio es desplazado a una zona sucesiva conectada; un primer gas principal parcial es suministrado a la primera zona por un contenido de oxígeno menor de 20% en volumen y una temperatura comprendida entre 50oC a 450oC, preferentemente entre 50oC a 300oC, y una cantidad de gas primario parcial sucesiva es suministrada a la zona o zonas sucesivas; y caracterizado porque la temperatura es controlada para cada suministro de gas principal parcial.
Description
Recirculación de gases quemados en incineradores
de desperdicios.
La presente invención se refiere a un método
para la incineración de desperdicios en un incinerador de
desperdicios según el preámbulo de la reivindicación 1 y, también,
a un incinerador de desperdicios de alto rendimiento.
Los incineradores de desperdicios y la forma en
que estos funcionan son conocidos en la práctica. En general, el
material de desperdicios a incinerar es colocado sobre un soporte
que presenta orificios, conocido en general como rejilla del
incinerador, en el que se conduce aire de combustión, como gas
primario, desde debajo, atravesando la rejilla del incinerador y el
material de desperdicios. Este aire de combustión suministra el
oxígeno necesario requerido para la incineración. Frecuentemente,
este aire es recalentado a efectos de conseguir que los desperdicios
quemen mejor, dado que el aire de combustión caliente tienen un
efecto de calentamiento en el material a incinerar y, asimismo,
ayuda parcialmente a secar el material de desperdicios de manera que
es más fácil de entrar en combustión. No obstante, dado el
contenido poco homogéneo del material de desperdicio, en realidad se
puede producir un exceso de oxígeno o defecto del mismo localmente
en el lecho de los desperdicios, dependiendo de la posición del
lecho de los desperdicios y de la magnitud de la incineración que
tienen lugar. Los gases resultantes de la incineración
(identificados como gases de desperdicios o gases quemados) tienen,
por lo tanto, una composición irregular.
A efectos de quemar adicionalmente estos gases
de desperdicios que pueden contener monóxido de carbono y partículas
de otros desperdicios incombustibles en ciertos lugares y para
mezclarlos con las partes de gas que todavía contienen oxígeno, se
utiliza una llamada inyección secundaria. Esta inyección secundaria
de gas tiene lugar a una altura determinada, por encima del lecho
de los desperdicios, de manera que los gases de los desperdicios se
mezclan entre sí suficientemente para formar un gas homogeneizado.
El gas secundario consiste, en general, en aire que contiene
oxígeno que puede ser utilizado por la reacción de incineración.
Esto significa que existe siempre un exceso de oxígeno disponible
desde el punto de alimentación en el gas secundario.
En el caso de incineradores de gran capacidad no
es siempre posible conseguir una mezcla suficiente de los gases de
desperdicios no homogéneos por la adición del gas secundario. En
este caso, la adición de un tercer gas tiene lugar a una cierta
altura, por encima de la entrada del gas secundario. Para la adición
del tercer gas se utilizan preferentemente gases de desperdicios
(es decir, gases quemados) del incinerador de desperdicios
(recirculación de gases quemados). Esto evita que el tercer gas deba
ser precalentado, tal como ocurriría si se utilizara aire frío del
exterior.
Si bien la técnica descrita es la utilizada
generalmente, existen una serie de inconvenientes. El rendimiento
de los incineradores de desperdicios habituales es relativamente
bajo y, además, los gases de desperdicio creados contienen una gran
proporción de substancias no deseadas, tales como una gran cantidad
de óxidos nitrosos y de monóxido de carbono. En la publicación
DE-A-3915992 se ha propuesto una
serie de mejoras, especialmente para la reducción de los contenidos
de óxidos de nitrógeno.
La presente invención está destinada a dar a
conocer una técnica mejorada, tal como se ha indicado en la parte
introductoria, de manera que se puedan reducir estos inconvenientes.
En particular, la invención está destinada a conseguir una técnica
en la que se puede mejorar el rendimiento de la instalación y en la
que se puede disminuir la emisión de substancias peligrosas.
Para ello, la presente invención reconoce un
método, tal como se describe en el preámbulo, que se caracteriza
por la parte caracterizante de la reivindicación 1. Utilizando estas
medidas se consigue una técnica que tiene como resultado un
rendimiento mejorado y en la que la cantidad de substancias
peligrosas se hace mínima.
Un método según la presente invención, puede ser
llevado a cabo de manera especialmente ventajosa utilizando las
medidas que se describen en las reivindicaciones que se adjuntan más
adelante en este documento.
De acuerdo con la invención, se utiliza un gas
primario en la primera zona que tiene un bajo contenido de oxígeno.
Dado el bajo contenido de oxígeno, un incremento de la temperatura
no tienen como resultado automáticamente la combustión real del
material de desperdicios. Por lo tanto, incluso puede ser utilizada
una temperatura superior a 300ºC, por ejemplo 450ºC o superior.
Dado que el gas primario sirve, en primera instancia, para calentar
y secar las partes compactas del material de desperdicios, en
principio esto no genera, problema alguno. En el segundo caso, las
partes fácilmente combustibles del material de desperdicio se queman
como resultado del suministro del gas primario, lo que tiene lugar,
por lo tanto, con deficiencia de oxígeno. Esto significa que la
incineración del lecho de desperdicios tiene lugar, solamente, de
forma parcial. Como consecuencia, se pueden liberar una cantidad
relativamente grande de monóxido de carbono, CH_{4} y otros
productos de la reacción de la incineración. Otras partes del
primer suministro de gas primario no tendrán como resultado
combustión alguna y abandonarán, por lo tanto, el lecho de
desperdicios con un bajo contenido de oxígeno. Estas partes de gas,
liberadas en la primera zona, son mezcladas junto con el gas
secundario. Las partes del gas primario que contienen un exceso de
oxígeno, como resultado de que la combustión no es suficientemente
buena en ciertas partes del lecho de desperdicios, aseguran, como
mínimo, que una parte del monóxido de carbono se quema, tal como se
ha descrito anteriormente. A causa de la combustión limitada del
material de desperdicio en la primera zona, las temperaturas en el
lecho de desperdicios siguen siendo relativamente bajas y el
material de desperdicio será solamente pirolizado en un grado
limitado. En una zona siguiente, en la que se añade una cantidad
mayor de oxígeno, esto tiene como resultado una buena combustión y
una temperatura más elevada en el lecho de desperdicios que si la
combustión tiene lugar en la primera zona. Dado que el material de
desperdicios no es homogéneo y dada la distribución no homogénea
del material de desperdicio sobre la rejilla del incinerador,
siempre existirán ciertas partes del material de desperdicios que
reciben poco oxígeno.
Tal como se ha indicado anteriormente el gas
primario de la primera zona sirve, en primer lugar, para secar el
material de desperdicios que ha sido colocado en el incinerador.
Para ello, el gas primario, que es suministrado a la primera zona,
es alimentado a una temperatura comprendida entre 50ºC y 300ºC,
preferentemente entre 150ºC y 300ºC. El precalentamiento del gas
primario para un incinerador de desperdicios requiere una gran
cantidad de energía y es especialmente necesario si el material de
desperdicio es difícil de quemar. El precalentamiento de los gases
primarios depende, por lo tanto, del llamado potencial térmico del
material de desperdicios. Es preferible que el gas primario se
encuentre a una temperatura aproximada de 100ºC, en el caso de un
potencial térmico de 11.000 kilojoules por kilo, mientras que la
temperatura de los gases primarios debe ser aproximadamente de
180ºC, en el caso de materiales de desperdicios con una potencia
térmica aproximada de 7.000 kilojoules. Estos valores se basan en la
utilización de aire como gas primario, tanto como gas de
precalentamiento como gas de ignición.
Tal como se ha mencionado anteriormente, el
material de desperdicios, que es colocado en un incinerador de
desperdicios para incineración, varia considerablemente tanto en
contenido como en humedad. En cuanto a la humedad que pueda existir
en el material de desperdicios, es importante la forma en que esta
humedad se extiende por el material de desperdicios. Si una parte
del material de desperdicios se encuentra relativamente seca y, por
lo tanto, es fácilmente combustible, esta parte asegurará que el
material de desperdicios más húmedo que lo rodea se secará
rápidamente y, por lo tanto, se quemará. En la práctica, las partes
secas y húmedas del material de desperdicios no están divididas de
forma homogénea, de manera que la combustión tiene lugar de forma
muy irregular. Con las combinaciones de desperdicios fácilmente
combustibles y desperdicios difíciles de quemar, así como material
de desperdicios con un elevado potencial térmico y otros bajo
potencial térmico, se puede observar que existen diferente
situaciones, todas las cuales presentan exigencias específicas en
la temperatura de los gases primarios.
El material de desperdicios, que es fácilmente
combustible y tiene elevado potencial térmico, requiere un
precalentamiento muy reducido del gas primario. Si se utiliza aire
para recalentamiento, éste tienen como resultado una llama muy viva
por encima del lecho de desperdicios, de manera que el encendido en
el lecho de desperdicios es muy fuertemente
sub-estequiométrico, lo que tienen como resultado
temperaturas muy elevadas localmente en la cámara de incineración.
En este caso, el recalentamiento del aire es innecesario.
El material de desperdicios que es fácilmente
combustible pero que tiene un bajo potencial térmico tampoco
requiere precalentamiento del aire. Además, existen menores
probabilidades de una combustión fuertemente
sub-estequiométrica.
El material de desperdicios que no es fácilmente
combustible y que tiene un elevado potencial térmico requiere aire
primario a temperatura elevada, a efectos de conseguir una
combustión suficiente del material de desperdicios, por una parte,
y, por otra, por la razón indicada, la combustión real del material
de desperdicios resultará fácilmente en una combustión simple
sub-estequiométrica. Por lo tanto, es necesaria una
regulación cuidadosa de la temperatura de los gases primarios para
controlar la combustión.
Finalmente, es esencial disponer de aire
precalentado para el material de desperdicios que no es fácilmente
combustible y que tiene un potencial térmico reducido.
En general, las técnicas actuales pueden
proporcionar solamente un temperatura única para los gases
primarios. Esto significa que, en general, los gases primarios son
precalentados, lo que en muchos casos se realizará en condiciones
sub-estequiométricas.
Desde otro punto de vista, la invención da a
conocer una técnica mejorada, tal como se ha indicado anteriormente,
en la que la temperatura es controlada para cada suministro de gas
primario parcial. Esto posibilita una regulación en la que la
temperatura del gas primario se incrementa solamente en las zonas en
las que ello es necesario a causa de la composición del material de
desperdicios. Por esta razón, los gases primarios, que son
suministrados a la primera zona, se encuentran a una temperatura
comprendida entre 50ºC a 450ºC, preferentemente en una gama de 50ºC
a 300ºC, con una fuerte preferencia por la gama de valores de 150ºC
a 300ºC. Al escoger una temperatura relativamente elevada en la
primera zona, el calentamiento de las zonas siguientes puede ser
mucho menor. El objetivo es de escoger una temperatura, en la
primera zona, que sea tan elevada que en muchos casos se pueda
reducir el precalentamiento a cero en las otra zonas. Además, al
escoger un flujo de aire relativamente bajo en la primera zona (de
5% a 15% del flujo de aire primario total) se utiliza relativamente
poca energía para el precalentamiento.
Los párrafos siguientes describen la invención
de manera más detallada basada en las ilustraciones.
La figura muestra la disposición perfil
esquemática de un incinerador de desperdicios de acuerdo con el
diseño preferente de la invención. El incinerador mostrado tiene
cuatro suministros de gas distintos para el gas primario (1), (2),
(3), (4). Estos son introducidos bajo la rejilla (5) del incinerador
por encima de la cual se encuentra el lecho de desperdicios (6). En
el diseño mostrado, los tubos de suministro para el primer, segundo
y tercer suministro de gas primario están dotados de un
precalentador de aire (7), (8).
El material de desperdicios está situado sobre
la rejilla (5) del incinerador por encima del primer suministro de
gas primario (1), donde recibe el gas de desperdicios desde debajo
que se origina del incinerador de desperdicios. Este gas de
desperdicios tienen un bajo contenido de oxígeno. El gas primario
del primer suministro de gas (1) pasará a través del lecho de
desperdicios (6) por medio de los canales de gas disponibles. El
material de desperdicios, que llega a establecer contacto directo
con dicho canal, es secado en mayor medida que el resto del
material de desperdicios. Si el material de desperdicios,
parcialmente seco, es desplazado a una posición en la que se
suministra la segunda parte del gas primario (2), dado que esta
segunda parte del suministro contiene oxígeno, el frente de llama
avanza, prácticamente de forma inmediata hacia abajo, a través de
esos canales. Por esta razón es útil mezclar, en cierta medida, el
material de desperdicios y alterar los canales existentes al situar
las rejilla (5) para la segunda zona y zonas sucesivas algo más
bajas y, preferentemente, a una altura que es algo menor que el
promedio de la altura del lecho. El resultado de esta mezcla es que
las parte de la superficie, que ya queman en la primera zona (1),
llegan al lecho de desperdicios (6) y se queman o secan
adicionalmente el otro material de desperdicios, de manera que el
material de desperdicios de la segunda zona (2) quema de manera más
homogénea. Además, la posibilidad de ser capaz de regular el proceso
se incrementa porque, en este caso, la rejilla de la primera zona
puede ser utilizada para el ajuste fino de la regulación del
suministro para el resto del proceso. El frente de llama por encima
del material de desperdicios alcanzará la primera altura. Cerca de
esta altura se encuentra un suministro de gas secundario (9). Es
preferible que una serie de suministros (9) queden situados
alrededor de la circunferencia de la instalación. Los gases
quemados, que se forman en el frente de llama por encima del lecho
de desperdicios, no están constituidos por partes homogéneas. A
causa de la composición no homogénea del material de desperdicios,
ciertas partes del mismo se incineran bien y, por lo tanto, en
dichas partes el oxígeno del gas primario habrá reaccionado. En
otras partes en las que la incineración no ha tenido lugar en
ninguna proporción sensible, parte del oxígeno suministrado por el
suministro de gas primario no habrá reaccionado y, por lo tanto,
permanecerá en los gases quemados. Por añadidura de un gas
secundario, se puede conseguir una buena mezcla de estos gases
quemados. Utilizando gases con un contenido reducido de oxígeno,
tal como gases de desperdicios procedentes del incinerador de
desperdicios, como gases secundarios, se crea una fuerte acción de
mezcla a la primera altura, la parte superior de las llamas en la
que se encuentra el lugar más caliente de los gases quemados, pero
solamente se crea un exceso limitado de oxígeno de manera que se
minimiza la formación de NO_{x}. Mediante el suministro del
tercer gas (10) en una posición situada más abajo del suministro del
gas secundario (9), se suministra un gas portador de oxígeno con un
contenido adecuado de O_{2} (preferentemente con un exceso) a
efectos de quemar el CO restante y cualesquiera otros productos de
desperdicios posiblemente combustibles en los gases quemados. Dado
que esto tiene lugar de forma descendente, los gases quemados son
homogéneos y algo más fríos y, por lo tanto, es menor la formación
de óxidos de nitrógeno. Especialmente, el hecho de que los gases
quemados se encuentran ya mezclados, no se forman temperaturas
máximas locales que provocan la mayor parte de la formación de
óxidos de nitrógeno.
La subdivisión del suministro de gas primario en
varias zonas, tal como se ha mostrado en las cuatro zonas de la
ilustración (1), (2), (3), (4), que pasan sucesivamente por el
material de desperdicios a incinerar (6), consigue una combustión
óptima. Esto se puede conseguir especialmente porque la temperatura
puede ser regulada de forma independiente para cada zona. Dado que,
en la práctica, es difícil evaluar el potencial térmico del
material de desperdicios y su comportamiento en ignición por
adelantado para poderse basar en el mismo, la regulación del ajuste
de temperatura del gas primario tiene lugar detectando el frente de
llama para cada zona. Esto se puede conseguir a mano o mediante una
medición automática del frente de llama con ayuda de cámaras de
vídeo para luz visible y/o luz de infrarrojos.
Los gases primarios suministrados a la primera
zona (1) pueden tener una elevada temperatura sin problema alguno,
porque el contenido de oxígeno de éstos es muy bajo. El contenido de
oxígeno puede ser 0% en volumen o más elevado. La incineración por
encima de la primera zona es, por lo tanto, limitada. La temperatura
máxima de la llama en la primera zona se reduce, por lo tanto, en
proporción al porcentaje de oxígeno disponible, de manera que no se
pueden producir averías en la rejilla de desperdicios. En
particular, se evitan averías producidas por gotas de metal fundido
que se sueldan a la superficie de la rejilla. Con las técnicas
actuales, en las que se utiliza habitualmente una rejilla enfriada
por agua, no es posible obtener esta ventaja en un grado elevado de
este tipo.
Dado que la energía disponible que es liberada
en la primera zona es limitada, porque solamente tiene lugar una
combustión basada en una cantidad limitada de oxígeno, la reacción
de los gases de desperdicios en la primera zona es también
limitada. El material de desperdicios puede ser completamente
presecado sin que todo el material sea incinerado en la primera
zona. Esto tiene como resultado una buena situación de combustión
en la segunda zona, en la que es posible que no sea necesario más
precalentamiento del aire, pero en la que la incineración puede
estar todavía bien regulada. Una incineración homogénea puede ser
conseguida especialmente en la segunda zona cuando la rejilla (5)
del incinerador está colocada en un punto más bajo, tal como se ha
descrito anteriormente.
Tal como se ha mencionado anteriormente, es
preferible que la recirculación de gases de desperdicios sea
realizada como gas primario en la primera zona. De esta manera, los
gases de desperdicios del incinerador después de pasar por el
filtro de polvo (11) son recirculados a la primera zona. El
porcentaje de oxígeno y la temperatura son, en este caso, fijados
de modo razonablemente firme (dependiendo del diseño del proceso) y
no se pueden utilizar para el control real del proceso de
combustión. La cantidad (flujo) de gases primarios en la primera
zona es muy fácil de variar en una amplia gama.
Otras posibilidades de aplicación como primera
parte constituyente del suministro de gas son la utilización de
gases de desperdicios procedente de los quemadores de gas, calderas
que funcionan con gas, motores de gas o turbinas de gas, por
ejemplo. Es especialmente importante la utilización de motores de
gas en base a los gases de desperdicios disponibles, tales como gas
biológico que resulta de la fermentación producida por purificación
de aguas residuales, por ejemplo. Dado que, en este caso, el calor
de los gases de desperdicios procedentes del motor son utilizados
también de manera eficaz, el rendimiento aumenta significativamente
en comparación con la disposición convencional separada del motor
de bio-gas en el que solamente se utiliza la
electricidad generada y el calor precedente del agua de
refrigeración.
Los gases de desperdicios producidos de esta
manera pueden ser mezclados con aire exterior, a efectos de lograr
la temperatura requerida combinada con el porcentaje de oxígeno
necesario, de manera que todavía se añada un cierto porcentaje de
oxígeno a estos gases. La cantidad de aire que se añade a los gases
de desperdicios desde el exterior depende de la temperatura
necesaria para el gas primario en la primera zona. En general, será
de 100ºC a 270ºC. En el caso de gases de desperdicios procedentes de
una caldera de gas, una parte de calor de los gases de desperdicios
será recuperada, de manera que este gas tendrá una temperatura menor
cuando se suministra a la primera zona. El porcentaje de oxígeno en
este caso variará de 0% a 15%. Además, la recuperación de calor de
la combustión del gas en el quemador de gas tendrá como resultado un
mayor rendimiento para la totalidad de la instalación. Los gases de
desperdicios procedentes de una turbina de gas también pueden ser
utilizados de manera adecuada. Especialmente en el caso de gases de
desperdicios de una turbina de gas o motor de gas, éstos pueden
tener una temperatura superior a 270ºC, por ejemplo, 450ºC o
superior. Si los desperdicios contienen una parte de humedad y el
flujo en la primera zona no es elevado, incluso con estas
temperaturas, la pirólisis puede estar limitada de manera que
permanece suficiente potencia calorífica en los desperdicios, para
conseguir una buena combustión en la zona sucesiva (segunda). La
mezcla con aire frío o con gases de desperdicios de recirculación
más fríos es también posible. La invención es, por lo tanto,
adaptable asimismo para casos similares en los que la temperatura
del suministro de gas primario es superior a 300ºC.
Los gases de desperdicios procedentes del
incinerador de desperdicios, tal como se ha mostrado en la figura,
que son extraídos después de haber pasado a través del filtro de
polvo (11), se encuentran en una temperatura comprendida entre
100ºC y 270ºC. Un problema que se puede presentar utilizando
recirculación de gases de desperdicios de este tipo es la corrosión
en "puntos fríos" y la fuga de los gases de recirculación hacia
el exterior en lugares en los que existe una presión elevada. A
causa de la temperatura de los gases de recirculación, es posible
una corrosión similar tal como resultado de condensación del gas
recirculante en los tubos que suministran gas en la zona de
incineración, por ejemplo, por debajo de la rejilla (5) del
incinerador. De acuerdo con la implementación preferente, es mejor
encerrar el suministro de la primera parte del gas primario (1) en
un cuerpo envolvente (12) que será alimentado con gases, tal como se
ha mostrado en la figura 2. Esto hace posible un aislamiento
satisfactorio. Además, cualesquiera fugas de los gases recirculantes
en este cuerpo envolvente (12) no conducirá a problemas directos en
el área inmediata porque los gases que han escapado por fugas serán
recogidos y diluídos en el cuerpo envolvente (12). Estos gases se
podrán hacer pasar a continuación a la zona de incineración. Tal
como se ha mostrado en la figura 2, la segunda parte del suministro
del gas primario se utiliza para mantener la parte circundante del
suministro de la primera parte del gas de suministro (1) a la
temperatura más elevada necesaria, de manera que no puede tener
lugar condensación alguna. El suministro (1) y especialmente la
tolva por debajo de la rejilla (5) de la primera zona, tal como se
ha mostrado en la figura 2, están situados en este caso en un
cuerpo envolvente (12) que es mantenido en una temperatura regulada
por la segunda parte del suministro de gas, y que se puede mantener
también a una presión más elevada de acuerdo con otra
implementación recomendada. Dado que este suministro de la primera
parte de gas está aislado y rodeado por el aire precalentado
mediante un precalentador de aire, se pueden impedir los puentes de
frío mediante esta construcción. Si este precalentador es el
calentador de la segunda parte del suministro primario de gas (7),
este calentador debe funcionar de manera continuada a una
temperatura suficientemente elevada. Si es necesario, se puede
disponer, en este caso una derivación en la que el gas primario
suministrado en la segunda zona no pasa a través del precalentador
de aire (7). También es posible, utilizando una válvula de control,
proporcionar una conexión entre el aire precalentado que procede del
cuerpo envolvente y la tolva para la primera parte del suministro
de gas, a efectos de añadir aire rico en oxígeno a la primera parte
del suministro.
El gas de desperdicios que se utiliza para
recirculación debe ser retirado preferentemente del incinerador de
desperdicios a través de un filtro de bolsas o un filtro
electroestático (11), de manera que la cantidad de polvo en el gas
recirculante es baja y no se presentan problemas con depósitos en
los tubos. La temperatura del gas en recirculación está comprendida
entre 170ºC y 270ºC, preferentemente entre 190ºC y 230ºC. Esta
temperatura debe ser suficientemente elevada para impedir problemas
con la condensación de gases de desperdicios, pero también debe ser
suficientemente baja para el tratamiento por los materiales de
filtro habituales de los filtros de bolsas, por ejemplo, una capa
catalítica especial sobre el material de filtro de los filtros de
bolsas. Por medio de una inyección de amoníaco común, tal como es
bien conocido, en el primer tiro del escape de gases de
desperdicios (SNCR), es posible una conversión catalítica de
NO_{x} con NH_{3} a esta temperatura, en combinación con el
fraccionamiento de dioxina/furano.
El aire primario para la primera zona es
regulado a efectos de controlar el fuego en la segunda y tercera
zonas. La gama de suministro de gas con intermedio de la primera
zona debe ser aproximadamente de 2,5% a 25% de la cantidad total de
gas primario. Para desperdicios domésticos normales con una potencia
calorífica aproximada de 10.000 Kilojoules/kilo, es suficiente el
10% del total para secar bien el material de desperdicios, por la
alta temperatura de recirculación de gases utilizada. En el caso de
incineración satisfactoria (llama corta y potente en la segunda
zona y reducido porcentaje de material restante), el proceso de
secado es más que satisfactorio y la cantidad de suministro de gas
se puede reducir al 5%. En el caso en el que los desperdicios no se
queman suficientemente, la cantidad se puede incrementar hasta
20%.
La rejilla (5) del incinerador en la primera
zona sobre la que se sitúa el material de desperdicios a quemar
(6), de manera inicial, no tiene que estar dotada de refrigeración
de agua. Cuando se utiliza refrigeración de agua, la condensación
del agua del gas recirculado puede tener lugar especialmente en las
partes enfriadas. Tal como se ha mencionado anteriormente, los
gases de recirculación tienen un contenido de oxígeno muy bajo pero
temperatura relativamente alta, de manera que no se produce
virtualmente combustión en el material de desperdicios por encima
de la primera zona. Además, dado el bajo contenido de oxígeno (como
mínimo menor del 20% del volumen), pueden existir temperaturas de
llama de hasta un máximo de 500ºC si el contenido de oxígeno es
menor de 10% en volumen. No obstante, dado el bajo contenido de
oxígeno y la temperatura reducida, el frente de llama difícilmente
puede desplazarse hacia abajo. Esto significa que no se pueden
producir averías a la rejilla (5) del incinerador de la primera
zona por sobrecalentamiento de la rejilla.
El material de desperdicios de la primera zona
que alcanza la segunda zona se encuentra, no obstante, bien seco y
es fácilmente combustible. Cuando este material de desperdicios
llega a la segunda zona, se añade un suministro de aire primario
con un contenido normal de oxígeno. Esto provoca que el centro de
llamas se desplace hacia abajo virtualmente de forma instantánea.
Por esta razón, es preferible que la rejilla del incinerador en la
segunda zona (5) sea refrigerada por agua. A causa del contenido de
oxígeno y también de la mezcla satisfactoria del oxígeno y el
material de desperdicios a quemar, tendrá lugar una llama muy
potente en el lecho del incinerador que quema hasta arriba de la
rejilla (5). A causa de la pirólisis parcial como resultado de la
alta temperatura del gas primario, en la primera zona, las partes
muy fácilmente combustibles del material de desperdicios
(especialmente materiales sintéticos) pierden ya una parte de su
potencia térmica y las temperaturas máximas en las zonas segunda y
tercera son menores que en el caso en el que el material de
desperdicios de la primera zona es incinerado por completo, tal
como es el caso habitual cuando se utiliza aire rico en oxígeno. El
calor que absorbe la rejilla (5) y facilita al agua de
refrigeración es reutilizado de manera adecuada.
Si la combustión en la segunda y tercera zonas
tiene lugar de manera muy satisfactoria, el gas primario para la
segunda y tercera zonas puede ser utilizado sin ningún
precalentamiento adicional del aire (-7-, -8-), reduciendo, por lo
tanto, la temperatura de la rejilla y de la llama, y reduciendo
también la formación de NO_{x}. Para desperdicios normales de
tipo doméstico (9.000 a 11.000 Kilojoules por kilo), éste será el
caso en general cuando el material de desperdicios (6) tiene que ser
presecado en la primera zona con ayuda de recirculación de gas. El
gas que es suministrado a las zonas segunda y tercera puede ser, por
lo tanto, aire fresco suministrado directamente desde el exterior.
Además del ahorro de energía conseguido de este modo, se tiene la
ventaja de que cuando el aire es frío, la velocidad del aire será
más baja para igual suministro de oxígeno, de manera que se creará
menos polvo en los gases quemados.
Tal como se ha descrito en lo anterior, la
cantidad de oxígeno suministro por intermedio de las zonas segunda
y tercera al material de desperdicios que se tiene que quemar (6)
debe ser aproximadamente estequiométrico o algo menos (de 0,8 a 1,0
veces la cantidad de oxígeno necesaria para la combustión).
Dependiendo del tipo de material de desperdicios, para cada zona
aproximadamente se debe suministrar 15% a 40% de la cantidad total
de suministro de gas primario y terciario a las zonas segunda y
tercera. Lo preferente es que la cantidad de aire suministrado a la
segunda y tercera zona sea aproximadamente de 25% a 30% de la
cantidad total de gas utilizado como suministro de aire primario y
terciario. El resultado de ello es que la mayor cantidad de calor
se desarrolla en el propio lecho de desperdicios. El residuo
carbonoso, es decir, el porcentaje de carbono no quemado, mejora
como consecuencia y, a causa de la temperatura elevada, la máxima
proporción de metales pesados es expulsada de la escoria
resultante. La calidad de la escoria resultante mejora por lo tanto
a causa del secado satisfactorio en la primera zona. Tal como se ha
mencionado anteriormente, el gas utilizado para las zonas segunda y
tercera preferentemente no debe ser precalentado y, en el caso de un
suministro suficientemente bueno de material de desperdicios que
puede ser pre-secado a efectos de conseguir una
combustión rápida en la segunda zona, se puede omitir, si es
necesario, el precalentador de aire (7), (8). Contrariamente a lo
previsto en la Patente DE3915992A1 anteriormente mencionada, no es
aconsejable utilizar también un contenido de oxígeno medido en la
zona principal de combustión, porque la combustión tiene lugar en
todo caso en aquélla de forma
sub-estequiométrica.
La última zona, por ejemplo una zona cuarta o
incluso una zona quinta, o también otra zona adicional si se
utilizan varias zonas similares, es una zona final de incineración y
refrigeración que recibe solamente de 5% a 15% de la cantidad total
de gas. El gas recirculado puede ser posiblemente utilizado en esta
zona. Esto tiene la ventaja de que el CO_{2} y H_{2}O
contenidos en los gases recirculados, si es necesario suplementados
con agua adicional, reaccionan con el calcio de las escorias, de
manera que pasa por un proceso rápido de envejecimiento y existe un
valor de pH más bajo en cualquier lixiviado posterior. De esta
manera la calidad de la escoria es mejorada porque existe un menor
lixiviado. En los momentos en los que la incineración de la zona
principal de incineración no está procediendo de modo satisfactorio,
puede ser útil utilizar temporalmente un contenido de oxígeno
incrementado directamente después de la zona de incineración
principal, a efectos de conseguir una buena combustión de la capa
de cenizas más baja.
A efectos de obtener el contenido bajo de
oxígeno que se ha indicado en el gas secundario, es preferible
suministrar gas recirculado, es decir, gas de desperdicios del
incinerador, como gas secundario.
Para el tercer suministro de aire, lo preferible
es un porcentaje de 5% a 30% de la cantidad total de aire
suministrado, preferentemente de 10% a 20%.
Cuando la altura de la llama por encima del
lecho de desperdicios (6) se reduce debido a una combustión
inadecuada o a ignición insuficiente, es preferible reducir la
cantidad de suministro de aire terciario, o posiblemente incluso
interrumpirlo por completo, a efectos de corregir el porcentaje
creciente de oxígeno en los gases quemados, que es el resultado de
una combustión no adecuada.
Para regular la capacidad del fuego, la posición
de la zona principal de combustión y la extensión a la que el
material de desperdicios es incinerado al final de la rejilla, se
dispone de las siguientes cantidades de control:
- -
- cantidad de material de desperdicios alimentado a la rejilla
- -
- transporte del material de desperdicios sobre la rejilla
- -
- cantidad de aire suministrado a cada zona
- -
- temperatura del aire en cada zona
- -
- contenido de oxígeno en la primera zona.
Esto significa que existe un gran número de
combinaciones posibles. Es preferible utilizar el transporte de
material de desperdicio como regulador principal de la capacidad de
la instalación. El suministro de material de desperdicio a la
rejilla se debe ajustar a efectos de obtener un espesor
satisfactorio de la capa. Con respecto a la creación de emisiones
bajas, no se recomienda regular la cantidad de aire de la zona de
combustión principal, porque esto alteraría la estequiometría y,
por lo tanto, el equilibrio de la combustión. Solamente son
posibles en esta zona ajustes menores de 10% aproximadamente de este
flujo o ajustes lentos que no sean más rápidos que el suministro
del material de desperdicio a la zona de combustión, a efectos de
controlar la capacidad y posición del fuego, respectivamente. Con
la regulación individual de la temperatura de cada zona propuesta
en la reivindicación 2, es posible soportar temporalmente una falta
local de combustión en la zona principal de combustión sin adaptar
la cantidad de suministro de aire. En lo que respecta a la
utilización de energía, la limitación de la formación No_{x} y
la influencia negativa en el proceso de desperdicios están
destinadas a mantener la temperatura nominal del aire en la zona
principal de combustión lo más baja posible. Esto se puede
controlar al actuar sobre el proceso de secado de la primera zona.
Para ello un porcentaje de oxígeno fijo, lo más bajo posible, está
destinado a ello en principio así como una alta temperatura en el
primer suministro de gas primario. De esta manera, el primer
suministro de gas primario pasa a ser la cantidad de regulación
principal para el secado del material de desperdicios. Este flujo es
regulado de manera que tenga lugar un combustión satisfactoria en
la segunda zona, pero no más de lo necesario para impedir una
combustión demasiado violenta.
Se puede observar de la información anterior que
la invención da a conocer una técnica muy mejorada para la
combustión de material de desperdicio en un incinerador de
desperdicio. Las inversiones adicionales necesarias para la
recirculación de los gases de desperdicio y la construcción más
compleja para el suministro de los gases de recirculación en la
primera zona se compensan por el hecho de que la limpieza de los
gases de desperdicio puede ser llevada a cabo a menor escala, y el
hecho de que se necesita mucha menos energía para el
precalentamiento de la parte principal del suministro de gas. Las
ventajas se consiguen especialmente dado que la incineración es
mejor y porque esto resulta en una capa de cenizas de mejor calidad.
Además existe la ventaja de que se puede procesar material de
desperdicio con una amplia gama de potencias térmicas (de 5.000 a
16.000 kilojulios por kilogramo) con incineración fácilmente
controlable. Dado el satisfactorio pre-secado en la
primera zona, se puede conseguir una temperatura de la llama y
altura de la misma más constantes de manera que se pueden evitar
los máximos y mínimos de la producción de vapor. Todas estas medidas
conducen a un rendimiento energético mejorado. Esto hace posible
conseguir un rendimiento en la producción eléctrica de un mínimo de
30% bruto/26% neto, 33% bruto/29% neto con mejora del rendimiento,
o bien 36% bruto/33% neto con el mejor rendimiento, cuando un
método tal como se ha descrito en la presente invención se combina
con un método tal como los descritos en las solicitudes de patente
de los mismos inventores que se presentan conjuntamente con esta
solicitud de patente. Además, el contenido de NO_{x} es reducido,
en primer lugar, por la menor temperatura del incinerador y, en
segundo lugar, por el hecho de que se puede aplicar a esta técnica
de manera efectiva un filtro de polvo catalítico.
La invención no queda limitada a la
implementación mostrada en las figuras y descripción que se han
indicado, sino solamente por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (18)
1. Método para la incineración de material de
desperdicio en un incinerador, que comprende:
- suministro de material de desperdicio en una zona de incineración que contiene una rejilla de incineración, de manera que el material de desperdicio es suministrado a un primer lado de la rejilla de incineración y es desplazado a un segundo lado durante la realización del método, suministrando desde debajo, a través de la rejilla de incineración y el material de desperdicio situado sobre la misma, un gas primario a efecto de incinerar por lo menos parcialmente dicho material de desperdicio en un área de combustión que se extiende desde la rejilla de incineración al primer nivel por encima de la rejilla de incineración,
de manera que la zona de incineración comprende
como mínimo dos zonas, siendo suministrado el material de
desperdicio a una primera zona y de manera que, durante la
realización del método, el material de desperdicio es desplazado a
una zona sucesiva conectada; un primer gas principal parcial es
suministrado a la primera zona por un contenido de oxígeno menor de
20% en volumen y una temperatura comprendida entre 50ºC a 450ºC,
preferentemente entre 50ºC a 300ºC, y una cantidad de gas primario
parcial sucesiva es suministrada a la zona o zonas sucesivas; y
caracterizado porque la temperatura es
controlada para cada suministro de gas principal parcial.
2. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el primer suministro de gas principal
parcial comprende gases de desperdicio procedentes de un
incinerador, preferentemente gases de desperdicio de un incinerador
de desperdicios, una caldera de gas, un motor de gas o una turbina
de gas, siendo los más preferentes los gases de desperdicio
procedentes de un incinerador de desperdicios.
3. Método, según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la construcción del suministro del
primer suministro de gas principal parcial, siempre que éste
comprenda gases de desperdicios procedentes de un incinerador,
queda alojada en un cuerpo envolvente, recibiendo dicho cuerpo
envolvente la alimentación de gases a una temperatura y/o presión
iguales o superiores a la temperatura o presión, respectivamente,
del primer suministro de gas principal parcial.
4. Método, según las reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque el gas de desperdicio de un incinerador
es filtrado, preferentemente mediante un filtro de polvo.
5. Método, según las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque el gas secundario es suministrado cerca
del primer nivel por encima de la rejilla de incineración y un
tercer gas es suministrado a un segundo nivel por encima del primer
nivel, de manera que el gas secundario tiene un contenido de oxigeno
<20% en volumen y el tercer gas tiene un contenido de oxígeno
más elevado que el gas secundario.
6. Método, según la reivindicación 5,
caracterizado porque el gas secundario contiene gases de
desperdicios procedentes de un incinerador de desperdicios.
7. Método, según las reivindicación 5 ó 6,
caracterizado porque el gas terciario comprende aire
externo.
8. Método, según las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizada porque el gas primario de la primera zona tiene
un contenido de oxígeno comprendido entre 0% y 15%, preferentemente
de 0% a 10%.
9. Método, según las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque el gas primario es suministrado por un
mínimo de tres suministros parciales, de manera que como
mínimo:
- -
- un primer suministro parcial de gas tiene un contenido de O_{2} comprendido entre 0% y 15% y constituye entre 2% y 25% de la cantidad total de gas primario;
- -
- uno o varios suministros de gas parcial sucesivos constituyen entre 15% y 90% de la cantidad total de gas primario; y
- -
- un último suministro de gas parcial constituye entre 5% y 25% de la cantidad total de gas primario.
10. Método, según las reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado porque el cuerpo envolvente recibe la
alimentación de gases procedentes de un suministro de gas principal
parcial sucesivo.
11. Método, según la reivindicación 10,
caracterizado porque los gases procedentes del cuerpo
envolvente son suministrados a continuación a la zona de
incineración, por ejemplo, por mezcla de los mismos con el primer
suministro de gas principal parcial.
12. Método, según la reivindicación 10,
caracterizado porque los gases procedentes del cuerpo
envolvente son suministrados a continuación a una zona de
incineración sucesiva, por ejemplo, mediante una pared lateral, o
como gas secundario en la caldera como gas de incineración.
13. Método, según las reivindicaciones 10 a 12,
caracterizado porque el cuerpo envolvente recibe la
alimentación de gases a una temperatura mínima de 150ºC.
14. Método, según las reivindicaciones 1 a 13,
caracterizado porque el tubo para el suministro de gases de
recirculación está encerrado en un tubo que recibe la alimentación
de gases a una temperatura y/o presión igual o superior a la del
primer suministro de gas principal parcial.
15. Método, según las reivindicaciones 1 a 14,
caracterizada porque el primer suministro de gas principal
parcial es controlado a efectos de incluir en la incineración en la
zona de incineración principal conectada al variar básicamente el
flujo del primer suministro de gas principal parcial, y el contenido
de oxigeno y/o la temperatura son variados subsiguientemente o
simultáneamente.
16. Horno para la incineración de desperdicios
para un incinerador de desperdicios, que consiste en una rejilla de
incinerador (5) para el material de desperdicios (6) a incinerar,
medios para desplazar los desperdicios a incinerar desde un primer
lado a un segundo lado, medios para el suministro de gas primario
(1, 2, 3, 4) por debajo de la rejilla del incinerador, medios para
el suministro de gas secundario (9) a un primer nivel por encima de
la rejilla del incinerador y medios de suministro de gas terciario
(10) como segundo nivel por encima de la rejilla del incinerador y
por encima de los medios de suministro de gas secundario, de manera
que los medios de suministro de gas secundario están conectados a
una salida de gases de desperdicios procedentes del incinerador de
desperdicios, caracterizado porque se disponen un sensor de
temperatura y un calentador para control de la temperatura de cada
uno de los suministros de gas principal.
17. Horno para la incineración de desperdicios,
según la reivindicación 16, caracterizado porque los medios
de suministro de gas principal están conectados a la salida de gases
de desperdicio de un quemador de gas, una caldera de gas, un motor
de gas, una turbina de gas, una planta de fermentación de aguas
residuales o bien un motor de bio-gas.
18. Horno para la incineración de desperdicios,
según la reivindicación 16, caracterizado porque los medios
para el suministro de gas principal consisten como mínimo en dos
suministros separados, estando situado el primer suministro de gas
principal cerca del primer lado por debajo de la rejilla del
incinerador, y estando situados los segundos medios de suministro
de gas principal cerca del segundo lado por debajo de la rejilla
del incinerador, y estando conectados los primeros medios de
suministro de gas principal a un escape de gases de desperdicio
procedentes de un incinerador de desperdicios.
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