ES2318286T3 - Procedimiento y aparato para la recuperacion del calor en un reactor de lecho fluidificado. - Google Patents
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Abstract
Reactor de lecho fluidificado (10), que comprende: - un horno 16 que tiene un lecho de material particulado y un fondo (24) dotado con unas toberas (26) para gas de fluidificación, limitando dicho fondo el horno desde el fondo; - una cámara de intercambio térmico (40) dotada con superficies de intercambio térmico (48) para recuperar el calor del material particulado; - un canal de descarga (52) conectado a la parte inferior de la cámara de intercambio térmico para retirar material particulado de la cámara de intercambio térmico (40) al horno (16); - un canal auxiliar prácticamente vertical (62) para transferir material particulado de la cámara de intercambio térmico (40) al horno (16) y del horno (16) a la cámara de intercambio térmico (40), estando dotada la parte inferior del canal auxiliar (62) de toberas (68) para el gas de fluidificación y de un conducto de flujo (64) para conectar el canal auxiliar al horno (16) y estando dotada la parte superior del canal auxiliar (62) de un conducto de flujo (66) para conectar el canal auxiliar (62) a la cámara de intercambio térmico (40); y caracterizado porque las toberas proporcionadas en la parte inferior del canal auxiliar (62) son ajustables independientemente de las otras toberas de fluidificación del reactor.
Description
Procedimiento y aparato para la recuperación del
calor en un reactor de lecho fluidificado.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y un aparato para la recuperación del calor en un
reactor de lecho fluidificado. La presente invención se refiere
especialmente a un procedimiento y un aparato para la transferencia
de material particulado entre una cámara de intercambio térmico y un
horno de un reactor de lecho fluidificado.
El reactor de lecho fluidificado de la presente
invención comprende un horno que tiene un lecho de material
particulado y un fondo que limita el horno desde abajo y que
comprende unas toberas para el gas fluidificado; una cámara de
intercambio térmico dotada de superficies de intercambio térmico
para la recuperación del calor del material particulado; y un canal
de descarga conectado a la parte inferior de la cámara de
intercambio térmico para la descarga de material particulado de la
cámara de intercambio térmico al horno.
Se conoce habitualmente dotar un reactor de
lecho fluidificado con una cámara de intercambio térmico, en la
cual el calor se recupera de un material de lecho de partículas a un
medio de intercambio térmico. La cámara de intercambio térmico está
conectada a menudo a la circulación caliente de un reactor de lecho
fluidificado circulante, en el cual la cámara de intercambio
térmico recibe material de lecho caliente que procede del separador
de circulación caliente. La cámara de intercambio térmico puede, no
obstante, ser también una unidad separada, que recibe el material
caliente directamente del horno del reactor.
Cuando se utiliza un reactor de lecho
fluidificado de tipo de lecho fluidificado circulante con una
elevada eficiencia, en otras palabras con una elevada carga, el gas
de fluidificación se alimenta a través de la rejilla del horno a
una gran velocidad, y una gran cantidad del material particulado es
arrastrado con el gas que se descarga desde el reactor. Cuando el
material de lecho caliente separado del gas de descarga por un
separador de partículas es guiado a la cámara de intercambio
térmico, en la cámara de intercambio térmico se recibe normalmente
una suficiente cantidad de material que debe ser enfriado, en cargas
elevadas. Sin embargo, es posible que en ciertas condiciones,
especialmente con cargas bajas del reactor, el flujo de partículas
del separador no sea suficiente para alcanzar la eficiencia de
intercambio térmico necesaria. En dicho caso, es necesario aumentar
el flujo de material caliente a la cámara de intercambio térmico,
alimentando material adicional de lecho directamente desde el
horno.
Es posible también que, especialmente con
elevadas cargas, el flujo de partículas de la circulación caliente
sea mayor de lo necesario en la cámara de intercambio térmico para
obtener una eficiencia deseada de transferencia térmica. En
consecuencia, puede ser apropiado alimentar una parte del material
de la circulación caliente de regreso al horno sin que fluya a
través de las superficies de intercambio térmico de la cámara de
intercambio térmico.
La patente de los EE.UU. nº 5.526.775 ilustra
una cámara de intercambio térmico integrada en un reactor de lecho
fluidificado circulante y conectada a la circulación caliente del
reactor. El material de lecho caliente se transfiere a la parte
superior de la cámara de intercambio térmico desde el separador de
partículas y el material enfriado se eleva desde la parte inferior
de la cámara de intercambio térmico al horno a lo largo de un canal
de descarga vertical. La pared común entre el horno y la cámara de
intercambio térmico en la parte superior de la cámara de
intercambio térmico está dotada de aberturas, a través de las cuales
el material de lecho caliente se recibe en la cámara de intercambio
térmico también directamente desde el horno. A través de estas
aberturas, es también posible descargar material no enfriado como
sobreflujo, cuando el volumen del flujo de circulación caliente es
más elevado de lo necesario para obtener una eficiencia deseada de
intercambio térmico.
La cantidad del material transferido a la cámara
de intercambio térmico a través de las aberturas en la pared de la
construcción ilustrada en la patente de los EE.UU. nº 5.526.775 no
puede ajustarse independientemente. Las aberturas están situadas en
la pared del reactor en una región donde la densidad media de lecho
no es muy elevada. De ese modo, es posible que con las cargas bajas
la cantidad de material caliente que fluye a la cámara de
intercambio térmico a través de las aberturas no sea suficiente, si
el área de las aberturas no es relativamente grande. Otro problema
es que con una situación de sobreflujo, es difícil en algunos casos
controlar la proporción de los flujos de material que fluyen a
través de las aberturas de sobreflujo y el canal de descarga, y así
pues también la eficiencia de intercambio térmico.
La patente de los EE.UU. nº 4.947.804 ilustra
una cámara de intercambio térmico conectada directamente a un
horno. El material del horno se transfiere a la cámara de
intercambio térmico a través de un tubo de alimentación
fluidificada ligeramente inclinado. El tubo de alimentación está
conectado a la parte inferior de la cámara de intercambio térmico
en una región de lecho de alta densidad, con lo que la cantidad del
material arrastrado puede en algunos casos ser demasiado pequeño.
En esta disposición, las posibles partículas de más tamaño en el
horno, que pueden ser arrastradas con el combustible o formarse
únicamente en el horno, pueden también provocar problemas. Dicho
tipo de partículas de más tamaño puede disminuir la eficiencia de
intercambio térmico de la cámara de intercambio térmico mediante un
taponado del tubo de alimentación o de los espacios entre las
superficies de intercambio térmico.
La patente de los EE.UU. nº 5.540.894 ilustra
una cámara de proceso, a la cual se transfiere el material desde el
horno a través de un canal de elevación vertical. El material se
descarga de la cámara de proceso a través de aberturas separadas
desde la parte superior de la cámara o a través de las denominadas
aberturas de rejilla en la parte central de la cámara de proceso.
El problema con esta cámara es que es posible que se procese
insuficientemente el material que debe descargarse.
La patente de los EE.UU. nº 4.896.717 ilustra
una cámara de intercambio térmico en la cual el material se
alimenta desde el separador de la circulación caliente a la parte
inferior del mismo y en el cual el material enfriado se descarga
desde la parte superior del mismo al horno como un sobreflujo a lo
largo de un canal vertical. Dicha construcción no permite un ajuste
independiente de la cantidad de material que debe alimentarse.
El objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento y un aparato en los cuales se
minimicen los problemas arriba mencionados de la técnica
anterior.
Más específicamente, el objetivo de la presente
invención es proporcionar un reactor de lecho fluidificado y un
procedimiento de uso de un reactor de lecho fluidificado, donde la
eficiencia de intercambio térmico pueda ajustarse eficientemente en
todos los tipos de cargas.
Un objetivo de la presente invención es
especialmente proporcionar un reactor de lecho fluidificado y un
procedimiento de uso de un reactor de lecho fluidificado, donde se
proporcione un flujo de material suficiente y ajustable con
precisión a la cámara de intercambio térmico en todas las
condiciones de carga del reactor.
Para alcanzar estos objetivos se proporciona un
reactor de lecho fluidificado y un procedimiento de uso de un
reactor de lecho fluidificado, cuyas características únicas se
describen en la parte de caracterización de la reivindicación
independiente de aparato y en la reivindicación independiente de
procedimiento.
En consecuencia, una característica única del
lecho fluidificado circulante de acuerdo con la presente invención
es que el reactor de lecho fluidificado comprende un canal auxiliar
prácticamente vertical para transferir material particulado desde
la cámara de intercambio térmico al horno y desde el horno a la
cámara de intercambio térmico, estando dotada la parte inferior del
canal auxiliar con unas toberas para el gas de fluidificación y con
un conducto flujo para conectar el canal auxiliar al horno, y
estando dotada la parte superior del canal auxiliar con un conducto
de flujo para conectar el canal auxiliar a la cámara de intercambio
térmico.
La cámara de intercambio térmico de acuerdo con
la presente invención puede estar conectada preferentemente a la
circulación caliente del reactor de lecho fluidificado circulante,
pero puede estar conectada también directamente al horno del
reactor de lecho fluidificado, por ejemplo, un reactor de lecho
fluidificado burbujeante.
El canal de descarga de la cámara de intercambio
térmico está preferentemente conectado a la cámara de intercambio
térmico debajo de las superficies de intercambio térmico de la misma
y el canal auxiliar sobre las superficies de intercambio térmico,
respectivamente. Mediante estos canales puede transferirse desde la
cámara de intercambio térmico al horno ya sea material enfriado
desde la parte inferior de la cámara, o material no enfriado desde
la parte superior de la cámara.
Según una realización preferida de la presente
invención, el canal de descarga es prácticamente vertical, la parte
inferior del canal de descarga está dotada con unas toberas para el
gas de fluidificación y la parte inferior del canal de descarga
está dotada de un conducto de flujo para conectar la cámara de
intercambio térmico a un canal de descarga y la parte superior está
dotada de un conducto de flujo para conectar el canal de descarga
al horno. De este modo, existen preferentemente al menos dos canales
prácticamente verticales entre la cámara de intercambio térmico y
el horno: un canal de descarga conectado a la parte inferior de la
cámara de intercambio térmico y un canal auxiliar conectado a la
parte superior de la cámara de intercambio térmico.
El material que debe descargarse desde la parte
inferior de la cámara de intercambio térmico se fluidifica
preferentemente en un canal de descarga vertical de modo que el
material se eleve hacia arriba en el canal, y posteriormente se
dirija al horno a través de un conducto de flujo en la parte
superior del canal de descarga. De manera correspondiente, el
material no enfriado puede descargarse desde la parte superior de la
cámara como un sobreflujo a lo largo de un segundo canal
prácticamente vertical hacia abajo, y posteriormente se dirige al
horno a través de un conducto de flujo en la parte inferior del
canal auxiliar. Mediante el ajuste de la cantidad de material que
debe descargarse desde la parte inferior de la cámara de intercambio
térmico a través del canal de descarga, es posible ajustar
eficientemente la eficiencia de intercambio térmico de la cámara de
intercambio térmico.
Una característica especial de la presente
invención es que el canal auxiliar conectado a la parte superior de
la cámara de intercambio térmico puede utilizarse para la descarga
del exceso de material no enfriado como un sobreflujo desde la
parte superior de la cámara de intercambio térmico o, de manera
alternativa, para alimentar material de lecho caliente a la cámara
de intercambio térmico. Normalmente, el canal auxiliar se utiliza
como un canal de sobreflujo en cargas elevadas y como un canal de
alimentación para material auxiliar en cargas bajas.
Normalmente, en la parte inferior del reactor de
lecho fluidificado deben acoplarse un gran número de dispositivos
necesarios para diferentes operaciones, en un espacio limitado.
Existen normalmente tres tipos diferentes de flujos sólidos entre
el horno y la cámara de intercambio térmico: un flujo de sólidos
enfriados desde la parte inferior de la cámara de intercambio
térmico al horno, un flujo de sólidos no enfriados desde la parte
superior de la cámara de intercambio térmico al horno y un flujo de
sólidos calientes a la cámara de intercambio térmico. En diferentes
situaciones de uso del reactor de lecho fluidificado, los volúmenes
de flujos de estos diferentes flujos de material pueden ser
considerablemente elevados, esta es la razón por la que cada flujo
requiere un canal de flujo con un tamaño suficiente. Según la
presente invención, el material se transfiere a lo largo del mismo
canal de flujo en diferentes situaciones de uso, bien desde el horno
a la cámara de intercambio térmico o desde la cámara de intercambio
térmico al horno. De ese modo, utilizando dicha disposición se
minimiza el espacio necesario para el canal de flujo de sólidos, lo
que de nuevo simplifica la configuración de diferentes operaciones
en la parte inferior del horno.
Según la presente invención, la parte inferior
del canal auxiliar está dotada con toberas para el gas de
fluidificación. Mediante la modificación de la velocidad de flujo
del gas que fluye a través de dichas toberas, es posible ajustar la
velocidad de flujo y la dirección del flujo del material que fluye
en el canal auxiliar. Si la velocidad de flujo del gas de
fluidificación es baja, ningún material fluye hacia arriba en el
canal, desde el conducto de flujo de la parte inferior al conducto
de flujo de la parte superior, pero el canal sirve únicamente como
un canal de sobreflujo para la descarga del material desde la cámara
de intercambio térmico. Si la velocidad del gas de fluidificación
supera un cierto límite de velocidad, que también con materiales
finos está normalmente por encima de 1 m/s, el material de lecho
fluidificado comienza a fluir desde el horno a la cámara de
intercambio térmico.
Cuando se eleva la velocidad del gas de
fluidificación se eleva, aumenta la cantidad del material de lecho
caliente que fluye a la cámara de intercambio térmico y al mismo
tiempo se mejora la eficiencia de intercambio térmico en la cámara
de intercambio térmico. De ese modo el canal auxiliar de acuerdo con
la invención se desvía operativamente de la abertura de flujo,
conocida como paso de sobreflujo, en que el canal auxiliar también
actúa como canal de entrada, que se ajusta independientemente del
resto de la operación del reactor.
Un reactor de lecho fluidificado de acuerdo con
la presente invención está preferentemente dispuesto de modo que un
horno, una cámara de intercambio térmico, un canal de descarga y un
canal auxiliar formen una estructura uniforme, en la cual el canal
de descarga y el canal auxiliar están dispuestos adyacentemente
entre el horno y la cámara de intercambio térmico. El canal de
descarga y el canal auxiliar están preferentemente dispuestos en la
pared entre la cámara de intercambio térmico y el horno,
adyacentemente, de modo que se encuentren al menos parcialmente al
mismo nivel de altura. Al menos parte de las paredes del horno y la
cámara de intercambio térmico integrada en el mismo están formados
preferentemente de tubos de agua conectados entre sí mediante las
denominadas aletas, que pueden estar al menos parcialmente
revestidas de manera refractaria.
Cuando la cámara de intercambio térmico y el
canal de descarga se fluidifican homogéneamente y con una velocidad
uniforme, los niveles de los lechos fluidificados en la misma están
en equilibrio aproximadamente al mismo nivel de altura. Si las
velocidades de fluidificación en la cámara de intercambio térmico y
en el canal de descarga se desvían mutuamente, la densidad del
lecho es inferior en una región con más fluidificación que en una
región con menos fluidificación. Respectivamente, la altura del
lecho está en un equilibrio superior en una región con más
fluidificación que en una región con menos fluidificación.
El flujo de material a través del canal de
descarga provoca fricción, que es por lo que la presión para
generar el flujo debe ser en una cierta medida mayor en el fondo de
la cámara de intercambio térmico que en el fondo del canal de
descarga. Esta es la razón por lo que en la situación de flujo, la
altura del lecho puede estar a un nivel superior en la cámara de
intercambio térmico que en el canal de descarga.
Se ha observado en la práctica que, en la
disposición ilustrada en la patente de los EE.UU. nº 5.526.775
cuando actúa con cargas elevadas, es en algunas condiciones difícil
el ajuste del flujo de material que fluye a través del canal de
descarga, modificando la velocidad de fluidificación del canal de
descarga. En velocidades muy bajas del gas de fluidificación en el
canal de descarga, se detiene el flujo de material en el canal de
descarga, con lo que todo el material sale como un sobreflujo a
través de las aberturas en la parte superior de la cámara, y la
eficiencia de intercambio térmico de la cámara continúa siendo muy
baja. Una característica sorprendente que se ha observado es que
cuando la velocidad de fluidificación del canal de descarga se eleva
de manera que el material comience a fluir en el canal de descarga,
la capa de material que se acumula en la cámara de intercambio
térmico puede en algunas situaciones comenzar inmediatamente a
empujar todo el material caliente que entra en la cámara a través
del canal de descarga. De este modo, la eficiencia de intercambio
térmico de la cámara de intercambio térmico se eleva rápidamente a
un valor elevado, y no se obtiene la ajustabilidad precisa deseada
de la eficiencia de intercambio térmico.
Una solución natural del problema descrito
anteriormente es añadir fricción provocada por el canal de
descarga, por ejemplo, disminuyendo la anchura del canal. El
problema con esta disposición es que un canal estrecho tiene un
elevado riesgo de atasco, por ejemplo, debido a la formación en el
canal de piezas grandes o acumulaciones aleatorias. Se ha observado
ahora que la ajustabilidad de la eficiencia de intercambio térmico
en la cámara de intercambio térmico puede mejorarse manteniéndose lo
suficientemente pequeña la diferencia de altura entre los bordes
inferiores del conducto de flujo más elevado del canal de sobreflujo
y el conducto de flujo más elevado del canal de descarga. De este
modo, la altura de la capa de material de lecho que se acumula en
la cámara de intercambio térmico nunca se eleva a un nivel que
obligue a todo el material a fluir desde el canal de descarga.
Según una realización preferida de la presente
invención, el conducto de flujo en la parte superior del canal
auxiliar es como máximo de aproximadamente 500 mm, más
preferentemente como máximo cerca de 300 mm, un nivel más elevado
que el conducto de flujo en la parte superior del canal de descarga.
En algunas situaciones, por ejemplo, cuando la movilidad del
material de lecho es especialmente buena, puede ser necesario
ajustar el conducto de flujo en la parte superior del canal
auxiliar al mismo nivel o incluso a un nivel de altura inferior que
el conducto de flujo en la parte superior del canal de descarga.
La disposición de los conductos de flujo en la
parte superior de los canales de la manera descrita anteriormente
permite que mediante la modificación de la velocidad de
fluidificación del canal de descarga, es posible ajustar una
porción deseada del material para que fluya a través de la cámara de
intercambio térmico y para que salga a través del canal de descarga
desde el fondo de la cámara de intercambio térmico. El resto del
material caliente sale como un sobreflujo a través del canal
auxiliar directamente al horno y no se permite que entre en
contacto con las superficies de intercambio térmico. De ese modo,
cambiando la cantidad de la porción que sale a través del canal de
descarga, es posible ajustar eficientemente la eficiencia de
intercambio térmico de la cámara de intercambio térmico.
Según la realización preferida de la presente
invención, el material se transfiere a la cámara de intercambio
térmico además del canal auxiliar, también a través de primeros
medios de entrada. Cuando la cámara de intercambio térmico se
conecta a la caldera de lecho fluidificado circulante, los primeros
medios de entrada comprenden preferentemente un tubo de retorno que
lleva desde el separador de la circulación caliente a la cámara de
intercambio térmico. Cuando la cámara de intercambio térmico se
conecta al horno de la caldera de lecho fluidificado circulante,
los primeros medios de alimentación comprenden preferentemente
aberturas en la pared que conectan la cámara de intercambio térmico
y el horno.
De ese modo es posible que la mayoría del
material caliente entre en la cámara de intercambio térmico a
través del canal auxiliar de acuerdo con la invención. De manera
preferente, los primeros medios de alimentación están, no obstante,
dispuestos de modo que la mayoría del material caliente entre a
través de los primeros medios de alimentación y el canal auxiliar
de acuerdo con la invención se utiliza únicamente si es necesario
ajustar el flujo de material de la manera descrita
anteriormente.
Según una realización preferida de la presente
invención, un reactor de lecho fluidificado comprende al menos dos
canales de descarga adyacentes de modo que el canal auxiliar de
acuerdo con la invención esté dispuesto entre dos canales de
descarga. Una cámara de intercambio térmico de gran tamaño puede
también comprender una serie de canales auxiliares de acuerdo con
la invención, que están dispuestos preferentemente entre los dos
canales de descarga.
El posicionamiento alternativo de los canales de
descarga y los canales auxiliares permite una estructura compacta,
por medio de la cual la gran cantidad de material de lecho
descargado de la cámara de intercambio térmico puede distribuirse
eficiente y uniformemente en el horno. En un reactor de lecho
fluidificado de gran tamaño existen preferentemente una serie de
cámaras de intercambio térmico dispuestas adyacentemente. Mediante
la utilización en estas cámaras de una disposición de canal de
descarga de acuerdo con lo anteriormente descrito, es posible
proporcionar un flujo uniforme de partículas entre las cámaras de
intercambio térmico y el horno.
El volumen de la cámara de intercambio térmico
puede ser suficiente para permitirle adaptarse a la cantidad
deseada de la superficie de intercambio térmico. Una solución
ventajosa para aumentar el volumen de la cámara es situar el fondo
de la cámara a un nivel de altura inferior al de la rejilla del
horno. De este modo, el conducto de flujo en la parte inferior del
canal auxiliar está preferentemente a un nivel superior que el
flujo de conducto en la parte inferior del canal de descarga.
Es posible que existan partículas de mayor
tamaño que el resto del material de lecho en la rejilla del horno,
lo que puede perturbar el funcionamiento de la cámara de intercambio
térmico, por ejemplo, atascando el canal de entrada o los espacios
entre las superficies de intercambio térmico. Las partículas de más
tamaño que el resto de las partículas del lecho pueden ser de
carbón o partículas de algún otro combustible, que cuando entran en
la cámara de intercambio térmico pueden quemarse no completamente y
aumentar el contenido de monóxido de carbón del gas de escape del
reactor. A fin de evitar los problemas arriba mencionados se ha
comprobado que es ventajoso colocar el conducto de flujo en la parte
inferior del canal auxiliar a un nivel superior al nivel de la
rejilla del horno, preferentemente a un nivel de al menos 200 mm.
superior al nivel de altura de la rejilla. Un escalón por debajo
del conducto de flujo impide que piezas de gran tamaño perjudiciales
entren en el canal auxiliar o la cámara de intercambio térmico.
El conducto de flujo en la parte inferior del
canal auxiliar comprende normalmente al menos una parte corta de
canal prácticamente horizontal, cuyo fondo tiene unas toberas para
el gas de fluidificación. A fin de impedir que las piezas de más
tamaño en el fondo del horno fluyan al canal auxiliar, se ha
observado que es conveniente que la parte del canal prácticamente
horizontal se eleve hacia fuera en una cierta medida desde el
horno. La inclinación de elevación de la parte del canal es
preferentemente de cerca de 10-20 grados. Las
toberas para el gas de fluidificación dispuestas en el canal en la
parte de canal prácticamente horizontal pueden ser preferentemente
unas toberas que dirigen el gas de fluidificación hacia el horno,
por ejemplo las denominadas rejillas escalonadas. Mediante el uso
de las toberas de direccionamiento, el flujo de material puede
dirigirse a la rejilla inferior, alejándose del flujo de conducto
del canal auxiliar, lo que de nuevo disminuye el riesgo de que
partículas de más tamaño en el fondo del horno fluyan al canal
auxiliar. Cuando se utilizan rejillas escalonadas, el conducto de
flujo del canal auxiliar puede estar preferentemente al nivel de la
rejilla inferior de modo que la rejilla escalonada de la porción
prácticamente horizontal del canal sea una extensión de la rejilla
escalonada del fondo del horno.
A fin de asegurar el flujo del material fino a
la cámara de intercambio térmico al mismo tiempo que se impide que
piezas de más tamaño entren en la misma, es posible disponer de
manera ventajosa unas toberas para el gas de fluidificación a
diferentes niveles de altura en el canal auxiliar. Debido a que las
toberas para el gas de fluidificación están dispuestas a diferentes
niveles de altura, la velocidad de flujo del gas de fluidificación
en la parte superior del canal auxiliar es superior a la de la parte
inferior del canal. De este modo, la velocidad de fluidificación en
la parte inferior del canal auxiliar puede ser aproximadamente 1
m/s, en la parte intermedia aproximadamente 2 m/s y en la parte
superior del canal aproximadamente 3 m/s o incluso más.
La invención se describe con más detalle a
continuación por medio de un ejemplo, en referencia con los dibujos
adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una sección
transversal vertical de un reactor de lecho fluidificado, cuya
circulación caliente se proporciona con una cámara de intercambio
térmico,
La Figura 2 ilustra esquemáticamente una sección
transversal vertical de una cámara de intercambio térmico de
acuerdo con la invención;
La Figura 3 ilustra esquemáticamente una vista
frontal de una cámara de intercambio térmico de acuerdo con la
invención, tomada desde la dirección del horno;
La Figura 4 ilustra esquemáticamente una sección
transversal horizontal de un reactor de lecho fluidificado que
tiene dos cámaras de intercambio térmico de acuerdo con la
invención;
La Figura 5 ilustra esquemáticamente una sección
transversal vertical de una segunda cámara de intercambio térmico
de acuerdo con la presente invención.
La Figura 1 es una sección transversal vertical
esquemática de un reactor de lecho fluidificado circulante 10 que
tiene una cámara de intercambio térmico 40 de acuerdo con la
presente invención. El reactor de lecho fluidificado circulante
comprende un horno 16 definido por paredes 12, 14 de tubos de agua,
y comprendiendo de nuevo dicho horno medios 18 para la alimentación
de combustible, por ejemplo carbón o biocombustible, material
inerte de lecho, por ejemplo tierra, y posibles aditivos, por
ejemplo caliza. El reactor también comprende medios 20 para
alimentar gas de fluidificación con contenido de oxígeno,
normalmente aire, a una velocidad predeterminada a través de la
caja de vientos 22 y toberas 26 para el gas de fluidificación
colocado en un fondo 24 del horno a la parte inferior del horno 16.
Normalmente, la velocidad del aire de fluidificación en el horno
del reactor de lecho fluidificado circulante es 3-8
m/s. El horno comprende normalmente también toberas secundarias de
aire que, no obstante, no se ilustran en la Figura 1.
El combustible reacciona en el horno con el
oxígeno del gas de fluidificación y genera gases de combustión, que
se elevan a la parte superior del horno y el material del lecho es
arrastrado con los mismos. Los gases de combustión y el material
particulado arrastrado con los mismos salen a un separador 30 de
partículas a través de un conducto 28 dispuesto en la parte
superior del horno. La mayoría del material particulado en el
separador de partículas se separa de los gases de escape, y los
gases limpiados 32 se descargan a través de un tubo de descarga 39
a una sección de convección, no ilustrada en la Figura 1, y
posteriormente a través de una chimenea al aire. El material
particulado separado en el separador de partículas 30 se dirige a la
cámara de intercambio térmico 40 a través de un conducto de retorno
36 y un cierre de gases 38 en la parte inferior de la misma.
En la cámara de intercambio térmico 40 se forma
un lecho de material particulado caliente de retorno. La cámara de
intercambio térmico 40 comprende medios 42 para alimentar el gas de
fluidificación a la cámara a una velocidad predeterminada a través
de la caja de vientos 44 y las toberas 46. La velocidad del gas de
fluidificación en la cámara de intercambio térmico es normalmente
baja de manera relativa, habitualmente por debajo de 1 m/s. De ese
modo, el lecho de la cámara de intercambio térmico es un denominado
lecho fluidificado burbujeante, que actúa de manera muy similar al
líquido y que tiene una superficie superior bien definida.
La cámara 40 comprende superficies de
intercambio térmico 48, que se utilizan para transferir el calor
del material de lecho caliente fluidificado a un medio de
intercambio térmico que fluye dentro de las superficies de
intercambio térmico. Modificando la velocidad del gas de
fluidificación en la cámara de intercambio térmico es posible
ajustar en cierta medida la eficiencia de intercambio térmico de la
cámara. De manera general, la superficie del lecho en la cámara de
intercambio térmico se encuentra por encima de las superficies de
intercambio térmico, con lo que las superficies de intercambio
térmico están dentro del lecho fluidificado.
Las partículas enfriadas fluyen a un canal de
descarga prácticamente vertical 52 a través de una abertura 50 en
la parte inferior de la cámara de intercambio térmico 40. El canal
de descarga 52 está dotado de medios 54, a través de los cuales es
posible alimentar gas de fluidificación en la parte inferior del
canal a una velocidad predeterminada a través de una caja de
vientos 56 y las toberas 58. El material fluidificado se eleva
hacia arriba en el canal de descarga 52 y sale de regreso al horno
16 a través de una abertura 60 en la parte superior del canal. La
velocidad del gas de fluidificación en el canal de descarga puede
variar en diferentes situaciones de uso, pero en la mayoría de los
casos es aproximadamente igual o ligeramente superior a la
velocidad del gas de fluidificación en la cámara de intercambio
térmico.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente una sección
transversal vertical de una cámara de intercambio térmico de
acuerdo con la presente invención, que muestra un canal auxiliar
prácticamente vertical 62. La Figura 2 puede ilustrar otra sección
de la cámara de intercambio térmico del reactor de lecho
fluidificado circulante ilustrado en la Figura 1 o puede ser una
sección de una cámara de intercambio térmico independiente, que no
está conectada a la circulación caliente de un reactor de lecho
fluidificado circulante, sino que está conectada directamente al
horno de un reactor, por ejemplo a un reactor de lecho fluidificado
burbujeante. En ambos casos, preferentemente dos canales
prácticamente verticales conectan a la cámara de intercambio térmico
40 un canal de descarga 52 de acuerdo con la Figura 1 y un canal
auxiliar 62 de acuerdo con la Figura 2.
La parte inferior del canal auxiliar
prácticamente vertical 62 ilustrado en la Figura 2, está dotada de
un conducto de flujo 64 a la parte inferior del horno 16 y la parte
superior del mismo está dotada de un conducto de flujo 66 a la
parte superior de la cámara de intercambio térmico 40. El canal está
conectado preferentemente al horno en una región donde la densidad
del lecho fluidificado es elevada y a la cámara de intercambio
térmico al nivel de la superficie superior del lecho fluidificado o
por encima de la misma. El fondo del canal 62 está dotado de
toberas 68 para gases de fluidificación, a través de las cuales es
posible alimentar gas de fluidificación a una velocidad
predeterminada.
Cuando la velocidad del gas de fluidificación en
el canal 62 es lo suficientemente elevada, normalmente por encima
de 1 m/s, el material de lecho caliente se mueve a través del canal
desde la parte inferior del horno 16 a la cámara de intercambio
térmico 40. La cantidad del material en movimiento puede ajustarse
eficientemente cambiando la velocidad del gas de fluidificación en
el canal 62. El material de lecho que se mueve a través del canal
62 puede formar la mayoría del flujo de material caliente que fluye
a la cámara de intercambio térmico 40, pero preferentemente la
mayoría del material caliente llega a través de algún otro modo, y
únicamente el flujo de material auxiliar requerido para el ajuste
de la eficiencia de intercambio térmico de la cámara de intercambio
térmico fluye a través del
canal 62.
canal 62.
Según una realización preferida, la velocidad de
flujo para el gas de fluidificación en el canal 62, y así pues la
velocidad de flujo del material auxiliar que se mueve a la cámara de
intercambio térmico 40 a lo largo del canal 62, se controla
basándose en la temperatura medida por medios 70 del medio de
intercambio térmico que sale de las superficies de intercambio
térmico 48. La velocidad de flujo del gas de fluidificación en el
canal 62 puede también ajustarse basándose en la temperatura de la
cámara de intercambio térmico 40, el horno 16 o el canal de
descarga 52 o los materiales particulados de la misma.
Cuando la velocidad de los gases de
fluidificación en el canal 62 es inferior a una cierta velocidad
límite, normalmente menos de 1 m/s, ningún material se mueve a
través del canal 62 desde el horno 16 a la cámara de intercambio
térmico 40. De ese modo, es posible que el material fluya en otra
dirección a través del canal, como un sobreflujo desde la parte
superior de la cámara de intercambio térmico 40 al horno 16. El
sobreflujo tiene lugar si más material fluye a través de otra ruta a
la cámara 40 de lo que puede salir a través del canal de descarga
52. El material puede fluir a la cámara de intercambio térmico 40
desde el separador 30 del reactor de lecho fluidificado circulante
y/o, por ejemplo, a través de aberturas 72 en una parte 14a de pared
común a la cámara 40 y al horno 16.
El fondo 74 del canal 62 en la disposición de la
Figura 2 está dispuesto a un nivel superior, en una cierta medida,
al fondo 24 del horno 16. Un escalón 76 entre estos niveles de
altura impide que piezas de gran tamaño posiblemente en el fondo
del horno entren en el canal 62 o la cámara de intercambio térmico
40. La altura del escalón 76 es preferentemente al menos 200
mm.
La cámara de intercambio térmico 40 comprende
preferentemente dos canales de descarga adyacentes 52 y un canal
auxiliar 62 dispuesto al menos parcialmente al mismo nivel que los
canales de descarga. La Figura 3 ilustra esquemáticamente una vista
frontal de la porción 14a de pared común al horno y a la cámara de
intercambio térmico, ilustrada desde la dirección del horno. La
Figura 3 muestra una colocación respectiva preferida de las
aberturas de flujo de los dos canales de descarga 52 y de un canal
auxiliar 62 dispuesto entre los mismos. En la Figura 3, las
aberturas de flujo que se abren al horno se ilustran por una línea
continua, y las aberturas de flujo que se abren a la cámara de
intercambio térmico y los canales de flujo en la parte 14a de pared
se ilustran por una línea discontinua.
A fin de poder controlar eficientemente el flujo
de material a través de los canales de descarga 52 de una cámara de
intercambio térmico en una situación de sobreflujo, se ha observado
que es ventajoso que el borde inferior 80 de la abertura 66 del
flujo superior del canal auxiliar 62 no sea mucho mayor que el
borde inferior 78 de las aberturas 60 de flujo superior de los
canales de descarga 52. De manera preferente, el borde inferior 80
de la abertura 66 de flujo superior del canal auxiliar 62 es como
máximo 500 mm. más elevado, más preferentemente como máximo 300 mm.
más elevado que el borde inferior 78 de las aberturas 60 de flujo
superior de los canales de descarga 52.
El borde inferior 82 del conducto 64 de flujo
inferior del canal auxiliar 62 en la Figura 3 es más elevado,
preferentemente al menos 200 mm más elevado que el nivel que el
fondo 24 del horno. A fin de maximizar el volumen de la cámara, el
fondo de la cámara de intercambio térmico es preferentemente más
bajo que la rejilla del horno. De ese modo, los conductos 50 de
flujo inferior de los canales de descarga 52 son preferentemente
más bajos que el conducto 64 de flujo inferior del canal auxiliar
62. La Figura 3 también muestra aberturas 72 en la parte superior
de la parte 14a de pared común, de manera que el material caliente
pueda fluir a través de dichas aberturas desde las partes
superiores del lecho fluidificado en el horno a la parte superior de
la cámara de intercambio térmico.
La Figura 4 ilustra una sección transversal
horizontal del reactor de lecho fluidificado, que muestra un horno
16, dos cámaras de intercambio térmico 40 y en ambas cámaras de
intercambio térmico dos canales de descarga 52 dispuestos
adyacentemente entre el horno y la cámara de intercambio térmico y
un canal auxiliar 62 dispuesto entre los mismos. En una disposición
de acuerdo con la Figura 4, el material que debe volver desde la
cámara de intercambio térmico 40 se divide uniformemente a través de
la anchura de la pared 14 del horno 16 y el material puede
transferirse uniformemente a las cámaras de intercambio térmico 40
desde la región de la pared 14.
La Figura 5 ilustra una sección transversal
vertical en un canal auxiliar 62 de la cámara de intercambio
térmico 40 de acuerdo con una realización preferida de la presente
invención. La disposición ilustrada en la Figura 5 difiere de la
disposición de la Figura 2 en que no existe ningún escalón entre el
fondo 74 del canal auxiliar 62 y el fondo 24 del horno, sino que el
nivel del fondo 24 continúa directamente con el fondo 74 del canal
auxiliar 62. En la disposición ilustrada en la Figura 5, el fondo de
la parte inferior prácticamente horizontal 84 se inclina hacia el
horno. Normalmente, la inclinación media del fondo es de
10-20 grados.
El fondo de la parte inferior prácticamente
horizontal 84 del canal auxiliar 62 se fluidifica preferentemente
por medio de una rejilla escalonada 86, que dirige el gas de
fluidificación casi horizontalmente hacia el horno. Un fondo
inclinado y un gas de fluidificación dirigido impiden eficientemente
la entrada de partículas grandes posiblemente en el fondo del horno
al canal 62. La rejilla escalonada 86 en la parte inferior del
canal auxiliar puede preferentemente ser una continuación de una
rejilla escalonada 26' del fondo del horno, que dirige piezas de
más tamaño hacia el canal de descarga 88 para material en la parte
central de la rejilla.
El gas de fluidificación se alimenta en la
disposición ilustrada en la Figura 5 también en la parte
verticalmente central del canal. El gas de fluidificación alimentado
a la parte central, por ejemplo, en dos niveles de altura,
proporciona una velocidad en aumento progresivo del gas de
fluidificación. La baja velocidad de fluidificación en la parte
inferior impide que piezas de más tamaño, por ejemplo, piezas
grandes de combustible, se eleven en el canal 62 y la elevada
velocidad de la parte superior asegura que la parte de material fino
del material caliente se eleve hasta la cámara de intercambio
térmico. Según una realización preferida, la velocidad de
fluidificación en la parte inferior del canal 62 es aproximadamente
1 m/s, en la parte central aproximadamente 2 m/s y en la parte
superior aproximadamente 3 m/s.
La invención se describe anteriormente en
relación con las realizaciones que se han visto actualmente como
las más preferidas, pero debe entenderse que la invención no se
limita en modo alguno a éstas, sino que cubre también una serie de
otras disposiciones en el ámbito definido por las reivindicaciones
de patente que se dan a continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citada por el
solicitante es sólo para la comodidad del lector. No forma parte del
documento de patente europea. Incluso aunque se ha prestado mucha
atención en la compilación de las referencias, no pueden excluirse
errores u omisiones y la EPO rechaza cualquier responsabilidad a
este respecto.
- \bullet US 5526775 A [0006] [0007] [0027]
- \bullet US 5540894 A [0009]
- \bullet US 4947804 A [0008]
- \bullet US 4896717 A [0010]
Claims (23)
1. Reactor de lecho fluidificado (10), que
comprende:
- -
- un horno 16 que tiene un lecho de material particulado y un fondo (24) dotado con unas toberas (26) para gas de fluidificación, limitando dicho fondo el horno desde el fondo;
- -
- una cámara de intercambio térmico (40) dotada con superficies de intercambio térmico (48) para recuperar el calor del material particulado;
- -
- un canal de descarga (52) conectado a la parte inferior de la cámara de intercambio térmico para retirar material particulado de la cámara de intercambio térmico (40) al horno (16);
- -
- un canal auxiliar prácticamente vertical (62) para transferir material particulado de la cámara de intercambio térmico (40) al horno (16) y del horno (16) a la cámara de intercambio térmico (40), estando dotada la parte inferior del canal auxiliar (62) de toberas (68) para el gas de fluidificación y de un conducto de flujo (64) para conectar el canal auxiliar al horno (16) y estando dotada la parte superior del canal auxiliar (62) de un conducto de flujo (66) para conectar el canal auxiliar (62) a la cámara de intercambio térmico (40); y
caracterizado porque las
toberas proporcionadas en la parte inferior del canal auxiliar (62)
son ajustables independientemente de las otras toberas de
fluidificación del
reactor.
2. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque el canal de descarga
(52) es prácticamente vertical, la parte inferior del canal de
descarga está dotada de toberas (58) para el gas de fluidificación
y la parte inferior del canal de descarga está dotada de un conducto
de flujo (50) para conectar la cámara de intercambio térmico (40)
al canal de descarga (52), y la parte superior está dotada de un
conducto de flujo (60) para conectar el canal de descarga (52) al
horno (16).
3. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 2, caracterizado porque el horno (16), la
cámara de intercambio térmico (40), el canal de descarga (52) y el
canal auxiliar (62) forman una estructura integral, que tiene el
canal de descarga (52) y el canal auxiliar (62) dispuestos
adyacentemente entre el horno (16) y la cámara de intercambio
térmico (40).
4. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 2, caracterizado porque el reactor (10)
comprende dos canales de descarga (52) y el canal auxiliar está
dispuesto entre los dos canales de descarga.
5. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 2, caracterizado porque el canal de descarga
(52) y el canal auxiliar (62) están al menos parcialmente al mismo
nivel de altura.
6. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 5, caracterizado porque el conducto de flujo
(66) en la parte superior del canal auxiliar (62) está como máximo
a un nivel de altura superior de aproximadamente 500 mm que el
conducto de flujo (60) en la parte superior del canal de descarga
(52).
7. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 6, caracterizado porque el conducto de flujo
(66) en la parte superior del canal auxiliar (62) está como máximo
a un nivel de altura superior de aproximadamente 300 mm por encima
del nivel de altura del conducto de flujo (60) en la parte superior
del canal de descarga (52).
8. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 2, caracterizado porque el conducto de flujo
(64) en la parte inferior del canal auxiliar (62) está por encima
del nivel de altura del conducto de flujo (50) en la parte inferior
del canal de descarga (52).
9. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque el conducto de flujo
(64) en la parte inferior del canal auxiliar (62) está al menos 200
mm por encima del nivel de altura del fondo (24) del horno.
10. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque la parte inferior del
canal auxiliar (62) está a nivel del fondo (24) del horno y el
conducto de flujo (64) en la parte inferior del canal auxiliar
comprende toberas (86) para el gas de fluidificación, dirigiendo
dichas toberas el gas de fluidificación hacia el horno (16).
11. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque el conducto de flujo
(64) en la parte inferior del canal auxiliar (62) está dotado de
toberas de rejilla escalonada (86).
12. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque las toberas para el
gas de fluidificación están dispuestas a diferentes niveles de
altura del canal auxiliar (62).
13. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque el reactor comprende
medios (70) para medir la temperatura del horno (16), la cámara de
intercambio térmico (40) o el canal de descarga (52) o del material
particulado en uno de ellos o del medio de intercambio térmico que
fluye a través de las superficies de intercambio térmico (48)
dispuestas en la cámara de intercambio térmico, y medios para
ajustar la velocidad de flujo del gas de fluidificación que debe
alimentarse a la parte inferior del canal auxiliar (62) basándose en
la temperatura medida.
14. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 1, caracterizado porque la cámara de
intercambio térmico (40) comprende primeros medios (72, 30, 36)
para alimentar material particulado del reactor de lecho
fluidificado a la cámara de intercambio térmico (40).
15. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 14, caracterizado porque el horno (16) y la
cámara de intercambio térmico (40) tienen una parte de pared común
14a y los primeros medios para alimentar material particulado a la
cámara de intercambio térmico (40) comprenden al menos una abertura
(72) en la parte de pared común 14a.
16. Reactor de lecho fluidificado según la
reivindicación 14, caracterizado porque el reactor de lecho
fluidificado (10) es un reactor de lecho fluidificado circulante,
en cuya parte superior el horno está dotado de una abertura de
descarga (28) para la descarga de gases de combustión y partículas
arrastradas en los mismos desde el horno (16) y los primeros medios
para alimentar materiales particulados a la cámara de intercambio
térmico (40) comprenden un separador (30) para separar partículas
de los gases de combustión del horno y un conducto de retorno (36)
para guiar al menos una parte de las partículas separadas a la
cámara de intercambio térmico (40).
17. Procedimiento de recuperación del calor en
un reactor de lecho fluidificado (10), comprendiendo dicho
procedimiento las etapas de:
- (a)
- alimentar combustible carbonáceo (18) y gas de fluidificación oxigenoso (20) a un horno del reactor;
- (b)
- alimentar partículas de material de lecho caliente desde el horno (16) a la parte superior de una cámara de intercambio térmico (40);
- (c)
- recuperar el calor de las partículas de material de lecho caliente en la cámara de intercambio térmico (40), con lo que se producen partículas de material de lecho enfriadas;
- (d)
- descargar las partículas de material de lecho enfriadas desde la parte inferior de la cámara de intercambio térmico (40);
- caracterizado porque el procedimiento comprende una etapa de:
- (e)
- descargar las partículas de material de lecho calientes en un primer estado operativo del reactor de lecho fluidificado (10) como un sobreflujo desde la parte superior de la cámara de intercambio térmico al horno hacia abajo a lo largo de un canal auxiliar prácticamente vertical (62) y transferir en un segundo estado operativo del reactor de lecho fluidificado (10) partículas de material de lecho caliente desde el horno (16) a la cámara de intercambio térmico (40) hacia arriba, a lo largo del canal auxiliar prácticamente vertical (62), por medio del gas de fluidificación alimentado en la parte inferior del canal auxiliar (62) a través de unas toberas (68) dentro del canal auxiliar, que son independientemente ajustables de las otras toberas de fluidificación del reactor.
18. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque la cantidad de material de lecho
caliente transferida desde el horno (16) a la cámara de intercambio
térmico se ajusta modificando la cantidad del gas de fluidificación
alimentado a la parte inferior del canal auxiliar (62).
19. Procedimiento según la reivindicación 18,
caracterizado porque el procedimiento comprende una etapa
de:
- (f)
- medir la temperatura del horno (16), la cámara de intercambio térmico (40) o el canal de descarga (52) o el material en uno de ellos o la temperatura del medio de intercambio térmico que fluye a través de las superficies de intercambio térmico (48) dispuestas en la cámara de intercambio térmico, y ajustar la cantidad de gas de fluidificación alimentado a la parte inferior del canal auxiliar en la etapa (e) basándose en la temperatura medida en la etapa (f).
20. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque en cargas elevadas del reactor de lecho
fluidificado, las partículas de material de lecho calientes se
descargan como un sobreflujo desde la parte superior de la cámara
de intercambio térmico (40) hacia abajo, a lo largo del canal
auxiliar prácticamente vertical (62) y a bajas cargas del reactor
de lecho fluidificado las partículas de material de lecho caliente
se transfieren por medio del gas de fluidificación alimentado en la
parte inferior del canal auxiliar (62) desde el horno (16) a la
cámara de intercambio térmico hacia arriba a lo largo del canal
auxiliar prácticamente vertical (62).
21. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque el reactor de lecho fluidificado (10) es
un reactor de lecho fluidificado circulante y la etapa (b) se
efectúa mediante la alimentación de partículas separadas por un
separador (30) de la circulación caliente del reactor de lecho
fluidificado circulante a la cámara de intercambio térmico (40).
22. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque la etapa (b) tiene lugar mediante la
alimentación de material particulado directamente desde el horno
(16) a la cámara de intercambio térmico (40) a través de una
abertura (72) en la parte de pared común (14a) de la misma.
23. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque en el segundo estado operativo de la
etapa (e), el gas de fluidificación se alimenta al canal auxiliar
(62) en más de un nivel de altura.
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