ES2334262T3 - Metodo y sistema para el calentamiento de agua basados en gases calientes. - Google Patents

Metodo y sistema para el calentamiento de agua basados en gases calientes. Download PDF

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Abstract

Método para recuperar calor de un gas de combustión caliente producido en un reactor térmico (1) alimentado con combustible sólido, comprendiendo dicho método inyectar agua al gas en una o más zonas de inyección (2, 3, 4, 7), hacer pasar posteriormente el gas a través de un intercambiador de calor de condensación (8), en el que se condensa al menos algo del vapor de agua en el gas y se libera calor de condensación, y utilizar el calor de condensación para calentar una corriente de fluido, tal como agua, en el intercambiador de calor, caracterizado porque se inyecta el agua en una cantidad tal y una manera tal que debido a la evaporación del agua inyectada, la temperatura del gas de combustión se reduce hasta por debajo de 400ºC, y el punto de rocío del gas pasa a ser al menos de 60ºC.

Description

Método y sistema para el calentamiento de agua basados en gases calientes.
La invención se refiere a un método y a un sistema para la recuperación de calor de un gas caliente, por ejemplo gas de combustión, producido en un reactor térmico, o (de manera más precisa) para el calentamiento de agua por medio de los gases calientes que se liberan por la conversión térmica (gasificación o combustión) de combustibles sólidos por ejemplo biomasa, desechos o carbón.
Se conoce bien el calentamiento de agua a partir de los gases calientes que se liberan durante la conversión térmica de combustibles. El agua caliente puede usarse con fines de calefacción, por ejemplo en casas, apartamentos, oficinas, en industrias, etc. y para el agua doméstica. Las instalaciones con tales fines se producen en tamaños muy diferentes, con un efecto de potencia de entrada de aproximadamente 1 kW-250 MW.
Se hace referencia a "Varme st\ring{a}bi", Nyt teknisk Forlag, 4ª ed., 2004, n.º de pedido 44031-1, ISBN 87-571-2546-5, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Release 2005, 7ª edición, "User friendly it tool for biomass heating plants" en las reuniones de la "2ª conferencia mundial y exposición de tecnología sobre biomasa aplicada a la energía, la industria y la protección del clima" y el documento DE 3544502 A1.
El agua normalmente se calienta en un circuito cerrado y se conduce hasta un punto de consumo, después de lo cual el agua regresa a la unidad de producción de calor después de liberar la energía térmica. Cuando el agua abandona la unidad de producción (suministro), la temperatura del agua es normalmente de 60-90ºC. La temperatura del agua que regresa a la unidad de producción de calor después de enfriarse en el consumidor (retorno) es de aproximadamente 30-50ºC.
Al mismo tiempo, con el desarrollo tecnológico y la atención al ahorro de energía, ha habido una tendencia a reducir las temperaturas de suministro y retorno, puesto que la pérdida de calor desde las tuberías de distribución se reduce en ese sentido.
El agua caliente puede producirse cerca de las ubicaciones requeridas o enviarse al consumidor por medio de una red de calentamiento local.
La energía liberada por la conversión térmica de un combustible puede transferirse al agua caliente en fases, por ejemplo:
1.
Por enfriamiento de la zona alrededor del lugar en el que se produce la conversión térmica, por ejemplo un alimentador enfriado por agua, una rejilla enfriada por agua, zonas enfriadas por agua en el reactor u otras superficies enfriadas en las que tiene lugar la conversión térmica.
2.
Enfriamiento de los gases calientes (secos).
3.
Enfriamiento adicional de los gases, mediante lo cual se condensan los vapores en el gas.
Con respecto a 2. Enfriamiento de los gases calientes (secos)
El gas que abandona la unidad térmica está normalmente a aproximadamente 700-1000ºC, dependiendo de la tecnología, el combustible y las condiciones de funcionamiento (véase por ejemplo el documento US-4 056 068-A). Se conoce bien, por ejemplo en las estaciones CHP, que la temperatura en la unidad térmica puede ajustarse o controlarse mediante la inyección de agua con el fin de proteger los materiales, por ejemplo el sobrecalentador, frente a una temperatura demasiado alta. La cantidad de agua inyectada con el fin de ajustar la temperatura en el cuarto de calderas es, sin embargo, muy limitada; la temperatura del gas sigue siendo alta (por encima de los 600ºC), y las características del gas, por ejemplo el punto de rocío del agua, no cambian substancialmente.
Normalmente, la energía del gas caliente se transfiere a otro medio, por ejemplo agua, usando un intercambiador de calor en el que el gas caliente fluye en un lado mientras que otro medio más frío (por ejemplo agua) fluye en el otro lado. Por tanto, el agua se calienta mientras que el gas se enfría. En algunas plantas, se usan más intercambiadores de calor, por ejemplo precalentamiento de aire y/o sobrecalentamiento de vapor y/o producción de agua
caliente.
Estos intercambiadores de calor son normalmente del tipo de intercambiadores de calor por convección, puesto que la energía se transfiere principalmente desde el gas por convección. Normalmente, se usan tuberías de acero. Cuando se convierten combustibles sólidos, el gas contiene partículas. Estas partículas dan como resultado diversos problemas en este intercambiador de calor: incrustación, corrosión, tasas de intercambio de calor bajas, etc. y con frecuencia se monta un dispositivo para mantener limpios los tubos de gas, por ejemplo soplado de hollín o limpieza mecánica.
El intercambiador de calor usado para transferir energía desde el gas caliente seco está hecho de materiales que se ajustan a las cualidades del gas, normalmente acero resistente al calor.
Normalmente, el gas se enfría en la "parte de convección" hasta aproximadamente 150ºC, puesto que la temperatura del gas está entonces por encima del punto de rocío del ácido y del punto de rocío del agua. Si el gas se enfría hasta o por debajo de los putos de rocío del ácido o agua puede producirse una corrosión intensa en el material resistente al calor del intercambiador de calor.
Con frecuencia el amoniaco, cloro, azufre, partículas, sales, etc., se elimina del gas, por ejemplo mediante un procedimiento de limpieza en seco o semiseco. En este sentido, los materiales que provocan problemas para el medio ambiente o los materiales que bloquean y/o se corroen durante las fases posteriores del procedimiento pueden eliminarse.
Con respecto a 3. Enfriamiento adicional de los gases, mediante lo cual se condensan los vapores en el gas
Con el fin de utilizar más de la energía térmica, el gas puede enfriarse adicionalmente, mediante lo cual se condensan los vapores, incluyendo el vapor de agua en el gas. La composición del gas depende del combustible convertido y de las condiciones en el reactor térmico. Con un alto contenido de humedad en el combustible y una baja cantidad de exceso de aire en la unidad térmica, se obtiene un alto punto de rocío del agua. Normalmente, el punto de rocío del agua en el gas será aproximadamente de 35-60ºC, si el gas está a presión atmosférica. Si se enfría el gas por debajo del punto de rocío del agua, se condensará el vapor de agua, y se libera energía de condensación que puede usarse para la producción de calor adicional. Dependiendo del combustible y de las condiciones en el procedimiento térmico, la utilización de energía puede aumentarse hasta aproximadamente el 30%.
Condensando el vapor de agua se liberan otros materiales del gas también, por ejemplo amoniaco, cloro, azufre, partículas, sales, etc. Puesto que algunas de estas sustancias pueden deteriorar, por ejemplo corroer los materiales usados para enfriar el gas seco (la parte de la convección), la parte de condensación normalmente está hecha de otros materiales. En la parte de la condensación se usan, por ejemplo, fibra de vidrio, material plástico, vidrio, acero inoxidable resistente al ácido, titanio, etc.
Puesto que el gas que se conduce a la unidad de condensación se enfría hasta por ejemplo 150ºC y tiene un punto de rocío de agua de aproximadamente 35-60ºC, la temperatura del agua calentada en la unidad de condensación pasa a ser demasiado baja para usarse para suministro. Por tanto, debe calentarse adicionalmente el agua de la unidad de condensación.
La energía en el gas después de la unidad de condensación puede usarse adicionalmente, por ejemplo transfiriendo vapor de agua y calor al aire de combustión que se añade al procedimiento térmico, o por medio de una bomba térmica.
En algunas plantas, especialmente químicas, se usa el enfriamiento de gases calientes mediante inyección masiva de agua a un "enfriador rápido". Un "enfriador rápido" está por tanto mojado, puesto que existe un exceso de agua. En estas plantas, no tendrán lugar evaporaciones considerables del agua inyectada, puesto que la cantidad de agua es muy grande con el fin de garantizar el enfriamiento de los gases. De manera similar, no tendrá lugar un cambio significativo de las características del gas (por ejemplo el punto de rocío). Las boquillas usadas en un enfriador rápido son del tipo que generan gotas de agua grandes y suministran una cantidad grande de agua. Por tanto, en un enfriador rápido se usa la capacidad térmica (aproximadamente 4,16 J/g/ºC) del agua para enfriar el gas.
En algunas plantas, especialmente químicas, se usa el enfriamiento de gases calientes mediante inyección de agua a un "enfriador por evaporación". En un "enfriador por evaporación", el gas enfriado puede estar seco y, por tanto, pueden usarse sistemas de limpieza de gas seco para limpiar los gases, lo que es necesario debido a las normativas medioambientales. Un ejemplo de tales plantas son las plantas de producción de cemento. El vapor de agua en el gas de los "enfriadores por evaporación" no se condensa y se usa para la producción de agua caliente.
En algunas plantas, alimentadas con gas o petróleo, la cámara de combustión es muy compacta y va seguida de un inyector que se usa como bomba de gas. El eyector puede ir seguido entonces de un intercambiador de calor en el que se condensa el vapor de agua y de ese modo se recupera energía. Sin embargo, tales sistemas no pueden usarse por varias razones, por ejemplo: A. Los sistemas de alimentación y las cámaras de combustión para combustibles sólidos son muy diferentes de los sistemas de alimentación y las cámaras de combustión para combustibles gaseosos.
A continuación, el calor de condensación corroerá y/o obstruirá con partículas si se usan combustibles sólidos.
La invención proporciona un método y una planta que permite la transferencia de energía desde gases calientes hasta el agua u otro fluido por medio de considerablemente menos unidades de transferencia de calor, puesto que la transferencia de calor desde gases calientes puede reunirse en una única unidad de condensación. Además, se obtiene un circuito de agua más sencillo puesto que se evitan el acoplamiento y control del circuito de agua para una unidad de condensación así como una parte de convección.
Por tanto, la invención proporciona un método para la recuperación de calor de un gas de combustión caliente, producido en un reactor térmico según se define en la reivindicación 1. Según el método, se inyecta agua en una o más zonas de inyección en una cantidad tal y en una manera tal que la temperatura del gas de combustión se reduce hasta por debajo de 400ºC y el punto de rocío del gas es al menos de 60ºC debido a la evaporación del agua. Posteriormente, el agua se conduce a través de una unidad intercambiadora de calor de condensación (8), en la que se condensa al menos algo del vapor de agua, y el calor de condensación se usa para calentar una corriente de líquido, principalmente agua.
En este sentido, el calor de evaporación completa del agua (aproximadamente 2,2 MJ/Kg) se utiliza dos veces:
1.
Por la inyección de agua y su evaporación, aumenta la cantidad de vapor de agua en el gas y, por tanto, aumenta el punto de rocío del gas.
Puede mencionarse como ejemplo que la inyección de agua en un gas de combustión procedente de la combustión de biomasa en una cantidad tal que se enfría el gas hasta 150ºC, aumentará el punto de rocío del gas de combustión hasta aproximadamente 85ºC. El punto de rocío en el gas de combustión es normalmente de 35-60ºC sin inyección de agua.
2.
El gas enfriado que contiene una gran cantidad de vapor de agua puede producir entonces la cantidad de energía en la unidad intercambiadora de calor de condensación que previamente se produjo en al menos dos unidades, es decir una parte de convección caliente y seca y una parte de condensación. Además, el punto de rocío del gas de combustión ha aumentado considerablemente debido a la inyección de agua, lo que significa que la unidad intercambiadora de calor de condensación puede calentar el agua u otro líquido hasta una temperatura adecuada para usar el agua directamente como suministro.
Al menos una parte del agua inyectada en los gases calientes se atomizará en una boquilla, por lo cual el agua se evaporará más rápidamente.
La inyección de agua en el gas caliente puede tener lugar en varias zonas de inyección, que pueden comprender el combustible, el reactor térmico, una unidad de limpieza de gas y/o la unidad intercambiadora de calor de condensación. Mediante la inyección de agua al combustible y/o al reactor térmico, se obtienen varias ventajas:
-
Si la planta está diseñada para combustibles húmedos, la misma planta puede usarse para combustibles secos mediante la inyección de agua al combustible y/o al reactor térmico. Por tanto, se obtiene una planta flexible con respecto al combustible.
-
La formación de NOx puede controlarse y reducirse, puesto que la formación de NOx es independiente de la temperatura.
El reactor térmico y las tuberías de gas hacia la unidad intercambiadora de calor de condensación pueden estar separados o construirse juntos en una unidad, puesto que la conversión térmica tiene lugar entonces en una zona, mientras que la inyección de agua puede tener lugar en esa zona del reactor y posiblemente también en alguna otra parte en una zona posterior.
Antes y/o después de la unidad de condensación, el gas puede limpiarse de materiales indeseables tales como por ejemplo amoniaco, metales pesados, ácidos, cloro, azufre, partículas, sales, etc. Esto puede realizarse por ejemplo en un filtro de mangas, un ciclón y un electrofiltro o en un lavador químico, posiblemente combinado con la adición de absorbentes tales como carbón activado, cal, bicarbonato, etcétera. Siempre que la temperatura del gas esté por encima del punto de rocío del agua, pueden usarse tecnologías de limpieza de gas seco, por ejemplo filtro de mangas o electrofiltro. Si el gas está húmedo, pueden usarse lavadores químicos y/o electrofiltros húmedos.
Una parte del agua inyectada al gas puede inyectarse ventajosamente a gran velocidad en la dirección del flujo del gas. Mediante esto, la energía cinética del agua puede transferirse al gas, y entonces la inyección de agua puede actuar como una bomba de gas (eyector).
Si se desea una temperatura de suministro especialmente alta, el agua calentada en la unidad intercambiadora de calor de condensación puede calentarse adicionalmente, por ejemplo por medio de un alimentador enfriado por agua, una rejilla enfriada por agua, zonas enfriadas por agua en el reactor y/u otras superficies enfriadas alrededor de la zona de conversión térmica o por medio de otra producción térmica.
Después de la unidad intercambiadora de calor de condensación, se dejará una cierta cantidad de energía en el gas en forma de calor y vapor de agua. Algo de esa energía puede utilizarse mediante transferencia al aire de combustión por medio de un intercambiador de entalpía. En un intercambiador de entalpía se transfieren vapor de agua y calor al aire de combustión, lo que implica una cantidad de vapor de agua incluso mayor en el gas y por tanto una eficiencia mayor de la unidad de condensación. Los intercambiadores de entalpía pueden diseñarse en diferentes modos, por ejemplo como unidades giratorias, en las que aire de combustión fluye en un lado y gas caliente en el otro, o como sistema en el que el gas después de la unidad intercambiadora de calor de condensación cambia con agua fría, mediante lo cual se calienta el agua. El agua calentada puede usarse entonces para calentar y humidificar el aire de combustión.
En la combustión de combustibles sólidos, por ejemplo paja o residuos, con frecuencia se producirá la sedimentación de partículas en la parte de la convección, puesto que las partículas calientes son pegajosas debido a un bajo punto de fusión de las cenizas. Este problema se elimina mediante la inyección de agua y la correspondiente reducción de la temperatura del gas.
El agua caliente puede producirse cerca del lugar de consumo o enviarse al consumidor por medio de una red de calentamiento local. Las plantas diseñadas según la invención pueden construirse en un espectro de tamaños muy amplio, con un efecto de potencia de entrada de aproximadamente 1 kW-250 MW.
La unidad térmica puede tener otros fines que sólo la producción de calor, por ejemplo producción de gas y electricidad entre otros. Entre las tecnologías relevantes para la invención pueden mencionarse: plantas de combustión para combustible sólido (biomasa, residuos y carbón) para la mera producción de calor así como producción de CHP, calderas encendidas mediante gas y petróleo, motores, turbinas de gas, plantas de gasificación, etc.
Si la unidad térmica es del tipo de lecho fluido, la inyección de agua al lecho puede usarse para ajustar la temperatura en el lecho, mediante lo cual pueden obtenerse ventajas de funcionamiento (por ejemplo formación de escoria) y medioambientales (por ejemplo reducción de NOx). La inyección de agua al lecho contribuirá adicionalmente a la fluidificación del lecho. Esta clase de ajuste de temperatura es considerablemente más robusto que la técnica tradicional en forma de serpentines de enfriamiento que se desgastan rápidamente del material del lecho.
El agua condensada puede limpiarse de partículas, sales, metales pesados, etc. y ajustarse su pH, antes que se use o se conduzca fuera.
El agua inyectada al combustible en la unidad térmica, en los gases o en el condensador puede condensarse, segregarse en la unidad de condensación o añadirse desde fuera.
En la unidad térmica, la unidad de condensación y en el conducto de gas de conexión puede haber presión atmosférica, o presiones por encima o por debajo de la atmosférica.
La invención proporciona además un sistema para la descomposición de combustible y la producción de agua caliente según se define en la reivindicación 13, y que comprende un reactor térmico, un conducto de gas de combustión, uno o más dispositivos de inyección de agua por ejemplo en forma de boquillas, y una unidad intercambiadora de calor de condensación conectada al conducto de gas de combustión. En este caso, al menos algo del vapor de agua del gas se condensa, y el calor de condensación se usa para el calentamiento de un flujo de líquido, preferiblemente agua, y medios para el control de la inyección de agua al gas de combustión con el fin de que la temperatura del gas de combustión se reduzca hasta por debajo de 400ºC y el punto de rocío del gas pase a ser al menos de 60ºC debido a la evaporación de agua.
La invención se explica con más detalle a continuación, haciendo referencia al dibujo en el que:
la figura 1 muestra esquemáticamente el primer diseño de la planta según la invención,
la figura 2 muestra esquemáticamente el segundo diseño de la planta según la invención, en la que el combustible sólido se quema en una caldera de parrillas, y en la que las partículas se eliminan del gas de combustión en un filtro de mangas antes de su condensación,
la figura 3 muestra esquemáticamente el tercer diseño de la planta según la invención, en la que el combustible sólido se quema en una caldera de parrillas, y en la que se añade agua por medio de un eyector,
la figura 4 muestra esquemáticamente el quinto diseño de la planta, en la que se gasifica combustible y se usa la energía térmica en el gas,
la figura 5 muestra un diagrama de la potencia de salida del gas de combustión procedente del enfriamiento, con y sin inyección de agua y evaporación previas, y
la figura 6 muestra dos tablas con los cálculos de energía, en los que se convierten el combustible húmedo y seco, respectivamente. Los cálculos muestran resultados para las tecnologías convencionales actuales y para la invención con y sin humidificación del aire de combustión.
A continuación, las partes correspondientes en los diferentes diseños tendrán los mismos términos de referencia.
En la figura 1, 1 es una unidad o reactor, al que se le añade combustible. El combustibles se convierte térmicamente por la adición de aire (y/u oxígeno). Por tanto, se produce un gas caliente en la unidad térmica 1. El combustible añadido a la unidad 1 es sólido, por ejemplo biomasa, residuos o carbón. Si la unidad térmica 1 está diseñada para combustibles con bajo poder calorífico, por ejemplo combustible húmedo, y si el combustible añadido tiene un poder calorífico mayor, la temperatura en la unidad o en el generador 1 puede ajustarse añadiendo agua al combustible en 2 y/o añadiendo agua en 3 dentro de la unidad térmica 1.
En 4, se inyecta agua a los gases calientes que abandonan la unidad térmica 1. El agua se evapora y enfría los gases considerablemente, puesto que la energía de evaporación del agua es muy alta. La unidad en la que se sitúa la inyección 4 puede construirse de acero, ladrillos, piezas fundidas y/u otros materiales resistentes al calor. La cantidad de agua dosificada en 4 puede controlarse en base a la temperatura del gas y/o del punto de rocío por medio de medios de control S adecuados, situados en una posición después de 4, en la que el agua inyectada se ha evaporado.
Si el gas enfriado contiene impurezas, por ejemplo partículas, una unidad de limpieza de gas 5 puede eliminar estas impurezas del gas seco. Por medio de una bomba o soplador de gas 6, el gas puede bombearse hacia una unidad intercambiadora de calor de condensación 8, en la que el calor en los gases, incluyendo el calor de condensación en el vapor de agua, puede transferirse al agua que va a calentarse. En la unidad de condensación, también puede inyectarse agua en 7.
El extractor de gas 6 también puede situarse después de la unidad de condensación 8, en la que el flujo de gas es menor debido al enfriamiento del gas y la condensación del vapor de agua.
En y/o después de la unidad de condensación 8 pueden eliminarse más impurezas del gas en 9 y/o del condensado producido en 12. Después de la unidad de condensación 8, algo de la energía dejada en el gas en forma de calor y humedad puede transferirse, en 10, al aire de combustión, que se añade a la unidad térmica 1. El aire humidificado puede calentarse además en un intercambiador de calor 11, antes de añadir el aire a la unidad térmica 1, mediante lo cual las conducciones de suministro se mantienen secas.
Este tipo de planta puede producirse en muchos tamaños diferentes, desde plantas con pocos kW (calderas de uso doméstico) hasta plantas grandes por encima de 100 MW.
La figura 2 muestra una planta de combustión para la producción de calor local, y en la que se limpia el gas antes de su condensación y se humidifica el aire de combustión. 1 es un quemador para la combustión de combustible sólido. La planta está revestida de ladrillos de manera que puede quemar combustibles con un alto contenido en agua (hasta el 60% de agua) o que de lo contrario tienen un bajo poder calorífico (inferior a 10 MJ/kg). Combustibles con un poder calorífico más alto también pueden quemarse en una planta de este tipo, puesto que puede añadirse agua al combustible en 2, o en el cuarto de calderas en 3. Además, en 4 se añade agua a los gases calientes que abandonan el quemador 1. El agua se evapora y enfría los gases hasta aproximadamente 150-200ºC. Posteriormente, se limpia el gas de las partículas en un filtro de mangas 5. Si otras sustancias deben eliminarse del gas, pueden añadirse absorbentes antes del filtro, por ejemplo cal, carbón activado, bicarbonato, etc.
Se aspira el gas de combustión a través del extractor de gas o la bomba 6 y se enfría en la unidad de condensación 8, que comprende dos torres de enfriamiento situadas una encima de la otra, denominadas respectivamente "Kol. 1" y "Kol. 2", y un intercambiador de calor 13, puesto que el gas de combustión fluye en contracorriente con el condensado enfriado 7a. Puesto que la unidad de condensación 8 está construida de fibra de vidrio, es importante que se enfríe el gas hasta por debajo de aproximadamente 150ºC, antes de la entrada. La adición de agua en la boquilla en 7b protege a la entrada del condensador 14 de calentarse demasiado. En la torre de enfriamiento "Kol. 1", se añade agua de enfriamiento en 7a. Por esto, se condensa el vapor en el flujo del gas de combustión, y se recoge el condensado en una sala 15 bajo las torres de enfriamiento y la entrada 14. El condensado caliente se somete a intercambio de calor en el intercambiador de calor 13 mediante agua en un sistema de calentamiento local que no se muestra, a medida que el agua de calentamiento local fría se añade por medio de una tubería de retorno, mientras que el agua caliente se conduce de vuelta al sistema por medio de una tubería de suministro. Puesto que el punto de rocío del gas de combustión es alto, por ejemplo aproximadamente de 85ºC, la temperatura del condensado producido puede ser aproximadamente de 85-90ºC. Por tanto, el agua de calentamiento local puede calentarse por el condensado en una única etapa.
El aire de combustión añadido al quemador 1 puede calentarse en un humidificador 17, en el que se añade agua caliente en 18, o por medio de un dispositivo calentador 11, garantizando que los conductos de aire se mantengan secos. El agua añadida en 2 - 4, 7a, 7b y 18, puede ser (tal como se muestra) el condensado enfriado que abandona el intercambiador de calor 13, y cualquier condensado en exceso puede conducirse fuera en 19. El condenado recogido en la parte inferior del humidificador 17 puede usarse para la adición a la torre de enfriamiento "Kol. 2".
Cuando el gas de combustión se ha enfriado por el condensado en el torre "Kol. 1", se conduce a través de otra sección, "Kol. 2", en la que el gas se enfría por el agua que se ha enfriado por el aire de combustión. El enfriamiento del gas de combustión y la humidificación del aire de combustión forman juntos un intercambiador de entalpía 10, que incrementa la eficiencia energética.
La figura 3 muestra una planta de combustión para la producción de calentamiento local. El gas se conduce a través de la planta por medio de una bomba eyectora. 1 es un quemador para la combustión de combustible sólido. En 4, se añade agua a los gases calientes que abandonan el quemador 1. El agua se evapora y enfría los gases. En 7a, se inyecta agua a gran velocidad en la dirección del flujo del gas a través de una tubería 20, cuya sección transversal aumenta en la dirección de flujo. Por tanto, la inyección de agua en 7a a través de la tubería 20 actúa como eyector.
En un intercambiador de calor de condensación 8, se transfiere la energía térmica desde el gas de combustión hasta el agua de calentamiento local. El intercambiador de calor en 8 puede estar hecho de vidrio, plástico o acero inoxidable resistente al ácido, pero no necesita ser resistente al calor. El intercambiador puede limpiarse de partículas por medio de agua inyectada en 7b, pero no es necesario que sea una limpieza continua. El condensado producido puede limpiarse de partículas, etc. en 12, antes de que se use como agua de inyección en 4a, 4b y 7 o se drene a un drenaje en 19.
La figura 4 muestra un diseño preferido de una planta gasificadora 1, en la que el gas producido se enfría en primer lugar al usarse para el precalentamiento del aire de combustión en un intercambiador de calor 21, y luego, se enfría por inyección de agua en 4. El gasificador esbozado es del tipo de "lecho fijo con fases", pero en principio pueden ser otros tipos de gasificadores, por ejemplo un gasificador de lecho fluido.
\global\parskip0.950000\baselineskip
Después de la inyección de agua en 4, se limpia el gas de partículas (y posiblemente de alquitranes) por ejemplo en un filtro de mangas y/o un filtro de carbón activado 5, después de lo cual se enfría el gas en un intercambiador de calor 8 durante la condensación de agua. Por medio de una bomba o soplador de gas 6, el gas se sopla hacia una unidad de conversión, ilustrada en este caso mediante un motor, pero también puede haber otras unidades de conversión, por ejemplo una turbina de gas, un equipo de licuefacción para la conversión del gas en combustible fluido, etc.
La energía del gas de combustión de la unidad de conversión puede utilizarse por ejemplo para la producción de calor. Por tanto, la invención puede utilizarse dos veces.
La figura 5 es un diagrama que muestra el cálculo de la potencia de salida procedente del enfriamiento del gas de combustión desde, respectivamente, una caldera tradicional y mediante la inyección de agua según la invención, véanse las figuras 2 y 3. Los datos comunes para los dos cálculos son:
\bullet
una cantidad de combustible (residuos/astillas de madera) de 3000 kg/hora
\bullet
el contenido en humedad en el combustibles es del 45%
\bullet
el O_{2} en el gas de combustión es del 5% (seco)
\bullet
la temperatura del gas de combustión fuera de la caldera/después de la inyección de agua = 150ºC.
Parece a partir de la figura 5 que pueden producirse aproximadamente 1700 kW en la unidad de condensación enfriando el gas de combustión hasta aproximadamente 45ºC con la tecnología convencional, mientras que pueden producirse 8500 kW usando la invención. Las temperaturas del agua producida son también muy diferentes. Con la tecnología convencional puede producirse agua a aproximadamente 65ºC. Sin embargo, usando la invención, puede producirse agua a 85-90ºC. En la mayoría de los casos, una temperatura de suministro de 85ºC será satisfactoria, pero si esto no es suficiente, puede incorporarse una sección de radiación/un enfriamiento de rejilla para elevar la temperatura. Si se desea por ejemplo una temperatura de suministro de 95ºC, aproximadamente el 10-20% de la energía debe producirse en la sección de radiación/enfriamiento de rejilla.
La figura 6 muestra dos tablas con cifras clave de cálculos seleccionados para plantas de calentamiento local. Parece a partir de las cifras clave que la eficiencia por el uso de combustibles húmedos será la misma para un diseño convencional con funcionamiento de condensación y con "inyección de agua".
Los cálculos con respecto a la invención son "conservadores", es decir el hecho de que la invención permita un mejor control de la planta y por tanto menos exceso de aire, proporcionado un grado de eficiencia más alto, no se ha tenido en cuenta en el cálculo.
Puesto que el funcionamiento de condensación en combustibles secos no es convencional, el nuevo método proporciona un grado de eficiencia más alto por el uso de combustibles secos. Debe observarse que en caso de una temperatura de retorno alta (por encima de 45ºC) y combustible seco, el procedimiento consumirá mucha agua, a menos que se use humidificación del aire de combustión.
Además, la humidificación podrá aumentar considerablemente el grado de eficiencia, especialmente a temperaturas de retorno más altas. Debido a la inyección de agua, la cantidad del gas de combustión aumenta durante el enfriamiento del gas de combustión. La unidad de condensación y las tuberías asociadas deben dimensionarse por supuesto para esto.
Resumen de las ventajas más importantes de la invención \bulletPlanta más sencilla y más barata
\quad
La ventaja más importante del concepto es que la construcción pase a ser considerablemente más sencilla y más barata que para las plantas de condensación tradicionales con tanto una parte de convección como una unidad de condensación. Mediante el uso de la invención, pueden ahorrarse una caldera de convección y el circuito de caldera asociado con derivación e intercambiador de calor, y el circuito de agua y el control de las producciones de calor pasan a ser mucho más simples y por tanto más baratos. Sin embargo, habrá un coste extra por la dosificación de agua y una planta de condensación más grande, pero que será muy pequeño en comparación con los ahorros.
\bulletPlanta compacta
\quad
Los principios usados para transferir calor desde el gas hasta el agua en el concepto (evaporación del agua en un gas caliente y lavador químico + intercambiador de placas/enfriador de tuberías de condensación) son muy eficaces (en comparación con la convección seca) y por tanto compactos. Puesto que se reduce el número de unidades, y los principios para la trasferencia de calor son más eficaces, la planta total pasa a ser más compacta.
\global\parskip1.000000\baselineskip
\bulletCostes de mantenimiento más bajos
\quad
Los costes de mantenimiento de un sistema de inyección de agua pasan a ser considerablemente más bajos que los costes de mantenimiento actuales del "funcionamiento de caldera".
\bullet Mediante el uso de un lecho fluido y mediante el uso de inyección de agua para ajustar la temperatura del lecho,
{}\hskip0.7cm también se obtienen ahorros por el mantenimiento, puesto que se evitan las tuberías de enfriamiento tradiciona-
{}\hskip0.7cm les, que se desgastarán del material del lecho.
\bulletFlexibilidad de combustibles
\quad
Hasta ahora, ha sido necesario construir plantas para combustible o bien húmedo o bien seco. El combustible húmedo necesita revestimiento de ladrillos en la cámara de combustión para obtener una buena combustión. Si se usa combustible seco en plantas revestidas de ladrillos, la temperatura de combustión será demasiado alta. Con el concepto de inyección de agua, la cámara de combustión puede usarse para combustibles húmedos, y en caso de combustión de combustibles secos, se añadirá una cantidad adecuada de agua con el fin de mantener baja la temperatura.
\bulletEficiencia más alta por un mejor control de aire
\quad
La eficiencia aumenta por un menor consumo de aire, puesto que la pérdida del gas de combustión pasa a ser menor. Con una ubicación y control cuidadosos de las boquillas de agua, el consumo de aire puede reducirse en comparación con plantas con un "funcionamiento de caldera", lo que proporcionará una mejor eficiencia.
\bulletEficiencia más alta por la humidificación del aire de combustión
\quad
La eficiencia aumenta además en un 5-15% por la humidificación del aire de combustión.
\bulletMenores emisiones
\quad
Los NOx térmicos pueden reducirse mediante la inyección de agua en y alrededor de la cámara de combustión, especialmente en caso de la combustión de gas y carbón.
\quad
Las emisiones de HCl, SO2, dioxinas, etc. se reducirán cuando se neutralice el agua en la unidad de condensación por ejemplo con NaOH.
\quad
Las emisiones de partículas se reducirán cuando se usen filtros por ejemplo filtros de mangas.
Debe entenderse que pueden hacerse numerosos cambios y modificaciones de las realizaciones de la invención descrita anteriormente dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Además, el uso de combustible sólido en el método y el sistema definidos por las reivindicaciones puede reemplazarse por o complementarse con el uso de combustible gaseoso y/o líquido.

Claims (19)

1. Método para recuperar calor de un gas de combustión caliente producido en un reactor térmico (1) alimentado con combustible sólido, comprendiendo dicho método
inyectar agua al gas en una o más zonas de inyección (2, 3, 4, 7),
hacer pasar posteriormente el gas a través de un intercambiador de calor de condensación (8), en el que se condensa al menos algo del vapor de agua en el gas y se libera calor de condensación, y
utilizar el calor de condensación para calentar una corriente de fluido, tal como agua, en el intercambiador de calor,
caracterizado porque se inyecta el agua en una cantidad tal y una manera tal que debido a la evaporación del agua inyectada, la temperatura del gas de combustión se reduce hasta por debajo de 400ºC, y el punto de rocío del gas pasa a ser al menos de 60ºC.
2. Método según la reivindicación 1, en el que el punto de rocío del gas pasa a ser al menos de 70ºC, preferiblemente de 80ºC u 85ºC.
3. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la temperatura del gas de combustión se reduce hasta por debajo de 300ºC, preferiblemente hasta 150-200ºC.
4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las zonas de inyección (2, 3, 4, 7) se ubican en uno o más de: el reactor térmico (1), zonas aguas abajo del reactor térmico en la dirección de flujo del gas, el combustible en el reactor térmico (1) y el intercambiador de calor (8).
5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las impurezas se eliminan del gas por medio de un filtro de mangas (5), un ciclón, un electrofiltro, un lavador químico o similar.
6. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las impurezas se eliminan del agua condensada.
7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se ajusta el pH del agua condensada.
8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos algo del agua inyectada en el gas de combustión se vaporiza usando una boquilla.
9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que parte del agua inyectada se inyecta a una velocidad superior a 20 m/s en una dirección de flujo del gas.
10. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido calentado en el intercambiador de calor (8) se calienta adicionalmente, por ejemplo por medio de un alimentador enfriado por fluido, una rejilla enfriada por fluido, superficies enfriadas por fluido en el reactor u otras superficies frías alrededor del reactor térmico.
11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el vapor de agua y el calor se transfieren al aire de combustión, que se conduce al reactor térmico (1).
12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el reactor térmico (1) es del tipo de lecho fluido y la inyección de agua al lecho se usa para regular las condiciones de temperatura y flujo en el lecho.
13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el agua condensada del intercambiador de calor se inyecta en la una o más zonas de inyección.
14. Sistema para la descomposición de combustible sólido y para la producción de fluido caliente, comprendiendo dicho sistema
un reactor térmico (1) para descomponer el combustible y producir gas de combustión caliente a partir del combustible,
un enfriador por evaporación con dispositivos de inyección de agua, por ejemplo en forma de boquillas, para la inyección de agua al gas de combustión de manera que se evapora el agua inyectada,
medios para controlar la inyección de agua al gas, y posteriormente
un intercambiador de calor de condensación (8) para condensar al menos algo del vapor de agua en el gas y utilizar el calor de condensación para calentar una corriente de fluido, tal como agua,
caracterizado porque los medios para controlar la inyección de agua se adaptan para inyectar el agua de manera que, como resultado de la evaporación del agua inyectada, la temperatura del gas se reduce hasta por debajo de 400ºC y el punto de rocío del gas pasa a ser al menos de 60ºC.
15. Sistema según la reivindicación 14, que comprende además una o más boquillas para inyectar agua a uno o más de: el combustible en el reactor térmico (1), el reactor térmico y el gas de combustión en conexión con el intercambiador de calor (8).
16. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 14-15, que comprende además una unidad de limpieza de gas (5) en forma de un filtro de mangas, electrofiltro, lavador químico o similar.
17. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 14-16, que tiene medios para conducir al menos algo del fluido desde el intercambiador de calor hasta otra unidad (11) para un calentamiento adicional.
18. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 14-17, que comprende además un intercambiador de entalpía (10), en el que se transfieren el vapor de agua y el calor a aire de combustión que va a añadirse al reactor (1).
19. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 14-18, que comprende un reactor de lecho fluido con medios para la inyección de agua al lecho con el fin de ajustar la temperatura, las emisiones (NOx) y las condiciones de flujo.
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