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 PDFInfo
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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.
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.
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 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.
- \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.
- \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
- \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.
{}\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.
- \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.
- \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.
- \quad
- La eficiencia aumenta además en un 5-15% por la humidificación del aire de combustión.
- \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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