ES2291409T3 - Metodo para aumentar la eficiencia de la combustion exotermica de materiales residuales. - Google Patents

Abstract

Proceso para aumentar eficiencia en la combustión de materiales residuales combustibles en una cámara de combustión, en el cual el material residual se conduce a una llama de quemador y se quema en ella con aire de combustión a una temperatura comprendida en el intervalo de 1100ºC a 1700ºC, donde al menos una parte del aire de combustión se reemplaza por un gas rico en oxígeno con un contenido de oxígeno incrementado con respecto al aire, caracterizado porque el gas rico en oxígeno se mezcla con un medio de refrigeración líquido.

Description

Método para aumentar la eficiencia de la combustión exotérmica de materiales residuales.

La invención se refiere a un proceso para aumentar la eficiencia de la combustión de materiales residuales combustibles en una cámara de combustión, en el cual el material residual se lleva a una llama de quemador y se quema en ella con aire de combustión a una temperatura comprendida en el intervalo de 1100ºC a 1700ºC.

Los materiales residuales que no pueden conducirse a ninguna reutilización, tienen que eliminarse finalmente por combustión. Para ello deben mantenerse temperaturas comprendidas en el intervalo de 1100 a 1700ºC, a fin de garantizar una combustión completa. Esto es válido particularmente para materiales residuales que contienen halógenos tales como aceites usados que contienen PCB o hidrocarburos halogenados. Los costes de las plantas de combustión necesarias para ello son muy altos, debido particularmente a los aparatos complejos para la refrigeración y purificación del gas de reacción. Por tanto, es necesario un esfuerzo para reducir los costes específicos en las plantas existentes por aumento de la capacidad. En este contexto, la magnitud limitante es en la mayoría de los casos la corriente volumétrica del gas de reacción.

Diversos procesos de combustión se conocen por los documentos EP 1 030 150 A1 y WO 98/53908 A2.

Para procesos endotérmicos como la disociación térmica de sulfatos metálicos o ácido sulfúrico residual, en los cuales el calor de reacción tiene que ser aportado por combustión de materiales combustibles incorporados adicionalmente, se conocen procesos que aumentan de tal modo la capacidad de las plantas que el oxígeno del aire se reemplaza al menos parcialmente por oxígeno puro. Un proceso de este tipo se describe en el documento DE 197 22 570 (A1).

En el caso de los procesos exotérmicos, esta posibilidad se ve limitada, sin embargo, porque la disminución del contenido de nitrógeno en los gases de combustión conduce directamente a una elevación de la temperatura, para lo cual no están diseñadas en el caso normal las plantas de combustión.

La finalidad de la invención es, por tanto, proporcionar un proceso que permite un aumento de capacidad de las plantas para la combustión exotérmica de materiales residuales.

Este objeto se resuelve de acuerdo con la invención, partiendo del proceso mencionado al principio, de tal manera que al menos una parte del aire de combustión es proporcionada por un gas rico en oxígeno con un contenido de oxígeno elevado en comparación con el aire, y porque el gas rico en oxígeno se mezcla con un medio de refrigeración.

El proceso correspondiente a la invención tiene dos aspectos esenciales.

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Por una parte, se consigue un aumento de la capacidad de la planta de combustión proporcionando un gas rico en oxígeno con un contenido de oxígeno elevado en comparación con el aire, que reemplaza total o parcialmente el aire de combustión. El aumento de capacidad inherente a ello - frente a los procesos conocidos, en los cuales se emplea solamente aire como agente de oxidación - está basado esencialmente en que la proporción de nitrógeno del aire de combustión suprimida como carga inútil se reemplaza por gases de reacción adicionales (oxígeno, agente de refrigeración que se evapora).

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El aumento de temperatura inherente a este procedimiento se compensa total o parcialmente, mezclando el gas rico en oxígeno con un agente de refrigeración. El agente de refrigeración es un líquido. De acuerdo con la invención, la cantidad total del medio de refrigeración o una parte del mismo se mezcla con el gas rico en oxígeno. Por la mezcladura del gas rico en oxígeno con el medio de refrigeración se evitan zonas relativamente frías y muy calientes en la llama del quemador, que por una parte podrían conducir a una combustión incompleta, o por otra parte al deterioro del revestimiento de la cámara de combustión. Por la evaporación del medio de refrigeración líquido se retira de la reacción energía adicional.

El proceso correspondiente a la invención hace posible por tanto un aumento de la capacidad en el caso de una planta de combustión existente, sin que sea necesaria una readaptación costosa del equipo de la planta - por ejemplo por un revestimiento de la cámara de combustión particularmente estable a la temperatura.

Bajo un gas que contiene oxígeno en el contexto de la invención se entiende oxígeno puro o un gas enriquecido en oxígeno con una proporción de oxígeno mayor que 21% en volumen.

La mezcladura del gas que contiene oxígeno y el medio de refrigeración se realiza delante de la llama del quemador o en la propia llama. Sin embargo, se prefiere mezclar el gas rico en oxígeno delante de la llama del quemador con el medio de refrigeración. De este modo se facilita la obtención de una mezcla homogénea, con lo que se evitan sensiblemente diferencias de temperatura en la llama del quemador.

Medios de refrigeración particularmente adecuados en el contexto de la invención son agua o soluciones acuosas. Por el elevado calor de vaporización del agua se retira la energía de la reacción de combustión. De acuerdo con la invención, al menos una parte del medio de refrigeración total (agua o la solución acuosa) se añade al gas rico en oxígeno. Una parte del agente de refrigeración puede añadirse también directamente al material residual, en tanto que una mezcladura adicional de la cantidad total de agente de refrigeración con el material residual es problemática particularmente cuando éste - lo que sucede a menudo - no es homogéneamente miscible con el agua. De hecho, debido a mezclas heterogéneas puede llegarse en estos casos a una combustión incompleta o al deterioro del revestimiento de la cámara de combustión.

Por la invención se hace posible un aumento de la capacidad de hasta 50%, sin que, debido a puntas de temperatura en la llama del quemador se deriven riesgos para la mampostería del horno o surjan problemas de aguas residuales o aire de escape por la combustión incompleta de los materiales residuales.

Preferiblemente, en el caso de la combustión de materiales residuales que contienen cloro se emplea como medio de refrigeración ácido clorhídrico. En tal caso puede tratarse también de ácido clorhídrico impuro. El empleo de ácido clorhídrico como agente de refrigeración está indicado para materiales residuales clorados teniendo en cuenta las plantas de evacuación para cloro existentes así y todo en tal caso.

Ha dado adicionalmente buen resultado la aplicación de agua impurificada con compuestos orgánicos como agente de refrigeración.

En el caso de la combustión de materiales residuales líquidos o gaseosos, se introducen éstos en la cámara de combustión por medio de toberas o quemadores. En tal caso, estos materiales residuales pueden servir como vehículo para una parte del medio de refrigeración. Por otra parte, el medio de refrigeración se inyecta en la llama del quemador preferiblemente por medio de al menos una tobera de atomización.

La atomización del medio de refrigeración se realiza preferiblemente en toberas atomizadoras neumáticas, en las cuales se emplea como gas de atomización el gas rico en oxígeno.

Sin embargo, es también ventajoso en el contexto de la invención emplear como tobera de atomización una tobera que produce una corriente de goteo en forma de al menos una tobera totalmente cónica o al menos una tobera de haz plano, e introducir el gas rico en oxígeno en la corriente de goteo. El gas rico en oxígeno se hace pasar en este caso preferiblemente a través de una abertura circular, que rodea la tobera totalmente cónica o la tobera de haz plano. La disposición de la tobera de atomización o de las toberas de atomización se realiza en este caso ventajosamente de tal manera que la corriente de goteo enriquecida con el gas rico en oxígeno incide en la llama del quemador.

Una mezcladura particularmente íntima de gas rico en oxígeno y medio de refrigeración se alcanza por una variante del proceso correspondiente a la invención, en la cual varias toberas atomizadoras que tienen en cada caso un tubo de afluencia están distribuidas alrededor de una tobera central de combustible provista de un tubo de afluencia.

Con ello puede conseguirse una mejora adicional, de tal manera que los tubos de afluencia de las toberas atomizadoras abarcan con el tubo de afluencia de la tobera de combustible un ángulo mayor que 0º, preferiblemente comprendido en el intervalo de 20º a 90º. Gracias al ángulo se obtiene un enfoque en el campo de la llama del quemador y con ello una mezcla más intensiva que en el caso de toberas que transcurren paralelamente. Esta disposición de enfoque de tubo de afluencia y tobera de combustible se prefiere también, por lo demás, en el caso del empleo de una sola tobera atomizadora.

En el caso de un procedimiento, en el cual el aire de combustión se introduce tangencialmente en la cámara de combustión para la producción de turbulencia, se prefiere introducir también tangencialmente en la cámara de combustión el gas rico en oxígeno. A este fin, la tobera atomizadora o las toberas atomizadoras se orientan ventajosamente no en dirección radial, sino de tal manera que las mismas refuercen la turbulencia obtenida por la corriente de aire de combustión tangencial. Para ello, los tubos de afluencia de las toberas atomizadoras abarcan con los radios de la cámara de afluencia de aire un ángulo comprendido en el intervalo de 5º a 45º. De este modo pueden la tobera atomizadora o las toberas atomizadoras estar inclinadas adicionalmente respecto al eje central de la cámara del quemador.

Es posible introducir el medio de refrigeración y el gas rico en oxígeno por medio de una sola tobera atomizadora. Sin embargo, es ventajosa la introducción a través de varias toberas atomizadoras, de las cuales, dependiendo del aumento de capacidad requerido, se hacen operar en condiciones óptimas solamente una parte o la totalidad.

En el contexto de la invención es posible también mezclar directamente una parte del oxígeno de aporte para el aumento de capacidad con el aire de combustión. Adicionalmente, es posible alimentar una parte del medio de refrigeración con los materiales combustibles residuales, alimentándose ventajosamente los líquidos, en el caso de no ser miscibles, como una emulsión en el horno.

Además del aumento de capacidad en el caso de la combustión de materiales residuales líquidos o gaseosos, la invención abarca también el aumento de capacidad en el caso de la combustión de materiales residuales sólidos. Esto último se realiza por lo general en hornos tubulares rotativos. En este caso, la corriente de gotas del medio de refrigeración obtenida en las toberas atomizadoras, mezclada con el gas rico en oxígeno, se inyecta en el material a quemar en la zona de entrada del material residual en el horno.

Con ayuda de un caso de aplicación difícil - debido a la alta temperatura de combustión y al breve tiempo de residencia - se expondrán las ventajas de la invención sin que por ello se limite el alcance de la misma.

Ejemplo

Se procede de acuerdo con la técnica anterior como sigue:

En un horno en forma de tambor con 2,2 m de diámetro y 4,5 m de longitud se introdujeron en total por medio de una tobera 2750 kg/h de hidrocarburos clorados con un contenido de cloro de 73% en peso, y 200 kg/h de agua. A través de una cámara de afluencia se inyectaron en el horno 9000 m^{3}/h (c.n.) de aire de combustión, de tal manera que el mismo afluía tangencialmente a la tobera. Por la reacción de combustión se obtuvieron 10500 m^{3}/h (c.n.) de gases de reacción con una temperatura de 1570ºC. Éstos contenían 12% en volumen de HCl, 9,3% en volumen de H_{2}O, 11,3% en volumen de CO_{2}, 2,9% en volumen de O_{2} y 64,5% en volumen de N_{2}. Después de un tiempo de residencia de aprox. 1 s en el horno, los gases se enfriaron bruscamente en un "quench" y se enviaron a la planta de condensación de HCl.

El factor limitante de la capacidad de la planta es el tiempo de reacción necesario a 1500 hasta 1600ºC y con ello el caudal volumétrico del gas de reacción.

Con objeto de aumentar la capacidad de esta planta, se soldaron en la cámara de afluencia de aire 6 soportes, por los cuales se elevaban 6 toberas atomizadoras neumáticas en la cámara de afluencia de tal manera que las toberas formaban detrás de la tobera de combustión central una corona alrededor de ésta. Los tubos de afluencia de la tobera del quemador y las toberas atomizadoras abarcaban un ángulo de 60º. Los tubos de afluencia formaban con el radio un ángulo de 20º en la dirección en la que tenía lugar la introducción tangencial del aire de combustión.

La combustión de los materiales residuales se condujo al comienzo del ensayo de la manera descrita anteriormente. En el funcionamiento estacionario con una temperatura de combustión de 1570ºC, las toberas atomizadoras neumáticas se pusieron en operación y se ajustó gradualmente la alimentación de material residual y aire de combustión. En condiciones teóricas de régimen con capacidad incrementada, se obtuvo el ajuste siguiente de los parámetros de operación:

Se alimentaron 3300 kg/h de material residual a través de la tobera de combustible. El aporte de aire de combustión fue desde 9000 m^{3}/h a 5400 m^{3}/h (c.n.). Con las 6 toberas atomizadoras se inyectaron en total en la llama 1730 l/h de agua con 1000 m^{3}/h (c.n.) de oxígeno. La temperatura de los gases de combustión pudo mantenerse en el intervalo de 1550 a 1580ºC. El caudal volumétrico de gas de reacción se mantuvo constante en 10500 m^{3}/h (c.n.). El gas de reacción contenía 14,4% en volumen de HCl, 28,8% en volumen de H_{2}O, 13,6% en volumen de CO_{2}, 2,9% en volumen de O_{2} y 40,2% en volumen de N_{2}. El análisis del ácido clorhídrico condensado confirmó la combustión completa del material residual.

La capacidad de la planta de combustión se incrementó en un 20% por el empleo de O_{2}, con reducción simultánea de un 28% en el volumen de gas residual.

Claims (13)

1. Proceso para aumentar eficiencia en la combustión de materiales residuales combustibles en una cámara de combustión, en el cual el material residual se conduce a una llama de quemador y se quema en ella con aire de combustión a una temperatura comprendida en el intervalo de 1100ºC a 1700ºC, donde al menos una parte del aire de combustión se reemplaza por un gas rico en oxígeno con un contenido de oxígeno incrementado con respecto al aire, caracterizado porque el gas rico en oxígeno se mezcla con un medio de refrigeración líquido.

2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque el gas rico en oxígeno se mezcla con el medio de refrigeración delante de la llama del quemador.

3. Proceso según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque como medio de refrigeración se emplea agua o una solución acuosa.

4. Proceso según la reivindicación 3, caracterizado porque como medio de refrigeración se emplea ácido clorhídrico.

5. Proceso según la reivindicación 3, caracterizado porque como solución acuosa se emplea agua impurificada con compuestos orgánicos.

6. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el medio de refrigeración se inyecta en la llama del quemador mediante al menos una tobera atomizadora.

7. Proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque como tobera atomizadora se emplea una tobera atomizadora neumática, y como gas de atomización se emplea el gas rico en oxígeno.

8. Proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque como tobera atomizadora se emplea una tobera generadora de una corriente de goteo en forma de tobera totalmente cónica o una tobera de haz plano, y el gas rico en oxígeno se introduce en la corriente de goteo.

9. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque varias toberas atomizadoras que exhiben en cada caso un tubo de afluencia están distribuidas alrededor de una tobera central de combustible que tiene un tubo de afluencia.

10. Proceso según la reivindicación 9, caracterizado porque los tubos de afluencia de las toberas atomizadoras abarcan un ángulo mayor que 0º, comprendido preferiblemente en el intervalo de 20º a 90º.

11. Proceso según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque los tubos de afluencia de las toberas atomizadoras abarcan con los radios de la cámara de afluencia de aire un ángulo comprendido en el intervalo de 5º a 45º.

12. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el gas rico en oxígeno se mezcla con el aire de combustión.

13. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una parte del medio de refrigeración se mezcla con el material residual.