ES2433121A1 - Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes - Google Patents

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Abstract

Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes integrado con una pila de combustible que puede trabajar con combustible líquido y con combustible gaseoso y con el que se obtienen productos solubles en agua. El quemador comprende un conducto de entrada (1) de combustible y comburente dividido en un tubo interior (2) por el que se introduce combustible líquido y en un tubo exterior (3) por el que se introduce combustible gaseoso (residuo anódico de la pila de combustible). Asimismo comprende entradas de comburente (residuo catódico de la pila de combustible mezclado con gases de postcombustión recirculados). Algunos de los orificios de entrada de combustible y comburente están inclinados para conferir a los gases que los atraviesan un flujo turbulento que garantiza una mezcla homogénea del combustible con el comburente y por tanto una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo.

Description

Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los quemadores y más concretamente de los quemadores que se integran en sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes para la producción de corrientes ricas en hidrógeno aptas para alimentar pilas de combustible.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Del estado de la técnica se conocen sistemas de combustión que utilizan quemadores de premezcla en los que el combustible y el comburente se mezclan en una sección previa a la zona de ignición y de desarrollo de la llama.
Un inconveniente que presentan estos quemadores es que existe riesgo de retroceso de la llama. Este fenómeno se produce cuando la velocidad de la llama es mayor que la velocidad de flujo de la mezcla del combustible con el comburente. Esto ocasiona el deterioro anticipado de la zona de premezcla.
Otra opción que se conoce del estado de la técnica son los sistemas de combustión que utilizan quemadores de difusión, sin premezcla. En ellos el combustible y el comburente se inyectan de forma independiente en la zona de ignición de forma que la mezcla se produce por difusión en el espacio previsto para la combustión. El problema más importante asociado a este tipo de quemadores es que no se puede garantizar una mezcla homogénea de los gases que se queman por lo que los gases de postcombustión obtenidos tampoco son un frente homogéneo.
Del estado de la técnica se conocen quemadores integrados con reformadores. Estos quemadores comprenden un colector para recepción y distribución de una corriente de combustible de arranque, un colector con el que se recibe y distribuye una corriente de gas de oxidación y un colector para la recepción y distribución de una corriente de combustible del quemador, y cada uno de estos colectores comprende una pluralidad de tubos de distribución. La salida de los tubos de distribución del combustible del quemador se introduce en la entrada de los tubos de distribución del oxidante. Por otra parte los tubos de distribución del combustible de arranque comprenden una o más aberturas asociadas con al menos una porción de los tubos de distribución de combustible del quemador. Generalmente estos quemadores emplean gas natural y no contemplan el uso de combustibles líquidos.
También se han descrito procedimientos para preparar una mezcla de gases que comprenden hidrógeno y monóxido de carbono mediante una oxidación parcial de una alimentación de hidrocarbonos empleando un quemador. Para ello el quemador comprende una pluralidad de orificios y está provisto de unos tubos coaxiales en las que el hidrocarbono fluye hacia el quemador. Dicho quemador comprende un conducto que separa los tubos por los que circula el hidrocarbono de unos tubos por los que fluye un gas de oxidación y a través del que circula un gas moderador.
Sin embargo, ninguno de los documentos conocidos hasta la fecha describe quemadores capaces de proporcionar un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto es especialmente importante cuando el quemador se va a integrar con otros elementos de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, como por ejemplo un reformador.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un quemador para ser integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que alimenta a una pila de combustible. El quemador propuesto utiliza como combustible bioetanol líquido en la etapa de arranque, y residuo anódico de la pila de combustible (que es una corriente de gas formada básicamente por H2, CH4, CO2 y H2O) durante la etapa de funcionamiento normal.
En caso de que el empleo de residuo anódico no sea suficiente para obtener la energía necesaria en el quemador, se emplea durante la etapa de funcionamiento normal un aporte extra de bioetanol líquido, que al mezclarse con el residuo anódico se evapora (debido a que el residuo anódico se introduce a una elevada temperatura) para ser empleado como combustible gaseoso.
Como comburente se emplea residuo catódico de la pila de combustible (que es una corriente de gases formada esencialmente por O2 y H2O) que preferiblemente se mezcla con gases de postcombustión recirculados para diluir la concentración en O2 antes de introducir el residuo catódico al quemador. Esto permite disminuir la temperatura de la llama adiabática (la llama que se produce al mezclar el comburente con el combustible) hasta niveles necesarios para poder ser soportados por los materiales de construcción del quemador.
Durante el arranque del quemador, cuando todavía no se dispone de residuo anódico de la pila de combustible, se utiliza como combustible O2 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados. En la etapa inicial del arranque no se dispone todavía de gases de postcombustión recirculados y el O2 puro se mezcla con CO2. Dicho CO2 está presente en las líneas del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes porque queda remanente tras haber realizado una purga antes de llevar a cabo este prearranque.
Una ventaja muy importante del quemador de la presente invención es que los productos que se obtienen al quemar el combustible con el comburente son sustancias solubles en agua. Esta ventaja es importante para aquellas aplicaciones que requieran de un método alternativo de evacuación de gases que no sea la expulsión a la atmósfera.
El quemador propuesto permite procesar al mismo tiempo el residuo anódico y el residuo catódico de la pila de combustible integrada con el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado.
La presente invención describe un quemador que produce una mezcla homogénea de combustible y comburente para producir una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto permite obtener una distribución de temperaturas uniforme en cualquier punto del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. En un ejemplo de realización en el que se dispone de una unidad de reformado con el quemador descrito y un reformador integrado con él, la diferencia entre la mayor temperatura y la menor temperatura en el reformador es menor que un 10% de la temperatura media de funcionamiento del reformador. Preferiblemente la diferencia de temperaturas es menor que un 5% de dicha temperatura media.
El quemador comprende un conducto de entrada de combustible y comburente que se divide en una primera sección y en una segunda sección. En la primera sección el conducto de entrada de combustible y comburente comprende un tubo interior para el paso de un combustible líquido y un tubo exterior, para entrada de un combustible gaseoso.
En la segunda sección se dispone una placa de distribución de combustible en la que hay un atomizador situado en el centro de la placa y unas entradas de combustible gaseoso, y a lo largo del conducto de entrada en esta segunda sección se disponen unos orificios primarios (entrada primaria) a través de las que se introduce comburente en el conducto de entrada.
Asimismo el quemador comprende una tercera sección, con una placa de distribución de comburente con unos orificios secundarios que conforman una entrada secundaria para entrada de comburente. La placa de distribución de comburente está unida al conducto de entrada al final de la segunda sección y a una manga por la que circula la mezcla de combustible y comburente. En el extremo de la manga se disponen unos orificios terciarios (entrada terciaria) destinada al paso de gases de postcombustión recirculados para refrigeración en el extremo de la manga.
El extremo de la manga encaja en un tubo concéntrico que es parte de una cámara de combustión del quemador. Dicha cámara de combustión que dispone de una camisa envolvente por la que circulan gases de postcombustión para reducir la temperatura superficial de dicha cámara de combustión.
En una realización preferente de la invención el combustible líquido es bioetanol líquido y el combustible gaseoso es residuo anódico de la pila de combustible a la que se une el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. Como se ha descrito anteriormente, el combustible líquido se emplea en las etapas de arranque del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes ya que en ese momento no se ha generado todavía residuo anódico en la pila de combustible para poder emplearlo como combustible.
En caso de que durante el funcionamiento del quemador no se consiga suficiente energía utilizando el residuo anódico como combustible líquido se puede realizar un aporte de bioetanol líquido, que se alimenta conjuntamente con el residuo anódico, evaporándose al mezclarse con el residuo anódico en el conducto de entrada, de forma que la mezcla se introduce como combustible gaseoso.
El tubo interior, por el que circula el combustible líquido, está conectado a un atomizador situado en el centro de la placa de distribución de combustible. Para realizar la pulverización del combustible líquido se hace necesario un gas atomizador, que en una realización preferente es O2 o bien una mezcla de O2 con gases de postcombustión recirculados.
El atomizador comprende unos primeros orificios del atomizador que están inclinados respecto al eje del tubo interior de forma que el combustible líquido que los atraviesa adquiere un flujo turbulento y gira en sentido horario.
Asimismo, el tubo interior comprende un segundo conducto, que es concéntrico con el primer conducto y de diámetro mayor. Este segundo conducto desemboca en la boquilla del atomizador y más concretamente en unos segundos orificios del atomizador, que están inclinados respecto al eje del tubo interior tal que cuando el gas atomizador los atraviesa le confieren un flujo turbulento y lo hacen girar en sentido anti horario.
Preferentemente los primeros orificios del atomizador están distribuidos radialmente y equidistantes entre sí. Los segundos orificios del atomizador también están distribuidos radialmente y equidistantes entre sí.
El tubo exterior está conectado con una placa de distribución de combustible que comprende unos orificios de paso de combustible que son rectos. Es decir, su eje es paralelo al eje del tubo exterior. Asimismo en el conducto de entrada en la segunda sección se disponen unos orificios primarios (entrada primaria) que son unos orificios tangenciales, paralelos a la dirección del combustible que circula por el conducto de entrada. Es decir, tienen cierta inclinación respecto al eje del tubo exterior de forma que cuando el comburente atraviesa los orificios que forman la entrada primaria éste adquiere un movimiento rotatorio.
En la tercera sección, se dispone una placa de distribución de comburente que comprende unos orificios secundarios para la distribución de gases comburentes (entrada secundaria). Los orificios secundarios tienen un cierto ángulo que dota al comburente y con ello a la llama (la llama que se produce cuando se mezclan el combustible y el comburente) de un movimiento rotatorio, lo que favorece al mezclado de combustible y comburente. En concreto están inclinados en dirección tangencial y también con respecto al eje axial. La llama que se produce en el quemador es una llama que gira alrededor del eje axial de la manga del quemador.
Es decir, el quemador confiere a la mezcla de combustible y comburente un efecto remolino, gracias a una componente rotacional que se impone cuando se introduce el comburente por la entrada secundaria, que favorece el mezclado rápido y homogéneo del combustible con el comburente. Este flujo de combustible y comburente con efecto remolino origina una recirculación en la boca del quemador que garantiza la estabilidad de la llama.
La manga del quemador, en la tercera sección, está encajada en un tubo concéntrico que es parte de la cámara de combustión. En el extremo de la manga que está más cerca de la cámara de combustión se disponen unos orificios terciarios (entrada terciaria) también para la introducción de comburente y que están dispuestos de forma radial en la manga. A través de dicha entrada terciaria se introduce el comburente diluido con gases recirculados de postcombustión que han sido empleados anteriormente para reducir la temperatura superficial de la carcasa de la cámara de combustión.
En una realización preferente el quemador comprende adicionalmente una carcasa de aislamiento para evitar que se creen puntos calientes (en los que la temperatura sea mayor de 200ºC) en la superficie exterior. Esta característica es especialmente importante cuando se emplea el quemador en un emplazamiento clasificado como zona de atmósfera explosiva ya que la creación de puntos calientes en la superficie implicaría la aparición de fuentes de ignición. Adicionalmente, la existencia de esta carcasa de aislamiento contribuye a minimizar las pérdidas de calor hacia el exterior.
En la carcasa del quemador se disponen las entradas de combustible y comburente al quemador. El residuo anódico que se emplea como combustible puede provenir de refrigerar algún componente del sistema de procesado del bioetanol, como por ejemplo la etapa de purificación del gas de reformado, con lo cual llega caliente (generalmente a más de 300ºC) (combustible gaseoso caliente), o bien puede proceder directamente desde la pila de combustible, en cuyo caso llega frío (aproximadamente a 60ºC) (combustible gaseoso frío).
Así pues la carcasa comprende dos entradas para el combustible gaseoso (combustible gaseoso caliente y combustible gaseoso frío), una entrada de comburente y una entrada auxiliar de combustible líquido (bioetanol).
A lo largo de la memoria se emplea el término bioetanol por su origen no fósil pero cualquier experto de la materia entenderá a partir de la presente descripción que el quemador propuesto puede trabajar con etanol de cualquier origen.
El interior de la carcasa está canalizado de forma que los gases no circulan libremente. El comburente mezclado con los gases de postcombustión realiza un camino definido para refrigerar la brida de la conexión de entrada combustible gaseoso caliente.
El quemador de la presente invención está unido a una cámara de combustión, que tiene una doble camisa que la rodea para aislarla y evitar que se creen puntos calientes.
En una realización preferente de la invención el quemador está integrado con un reactor de reformado. Asimismo en una realización todavía más preferente la integración del conjunto del quemador y del reformador constituye un módulo compacto. En caso de que la presente invención se incorpore por ejemplo en un submarino, el conjunto del quemador con el reformador puede ser extraído de forma sencilla por la escotilla del submarino durante las labores de mantenimiento y reparación. En la realización en la que el quemador y el reformador están integrados, la función del quemador es proporcionar el suficiente calor para mantener la condición isotérmica del reformador.
Es decir, el quemador debe generar el suficiente calor para para mantener el perfil de temperatura deseado en el reformador. Concretamente la temperatura de reacción de reformado que garantiza el quemador está entre 500ºC y 800ºC. Preferentemente en un ejemplo de realización la temperatura debe estar entre 700ºC y 750ºC. De esta forma se garantizan los requisitos energéticos de la reacción endotérmica que tiene lugar en su interior.
El conjunto de quemador y reformador es un módulo compacto ya que el reformador está totalmente integrado en la cámara de combustión, en el interior de la doble camisa. De esta forma la energía que se genera en la combustión se emplea para mantener la temperatura necesaria en el reformador.
En una realización de la invención el reformador que se integra en el quemador es multitubular. La integración de quemador y reformador que se realiza con el quemador de la presente invención permite asegurar una distribución uniforme de temperatura en los tubos del reformador en los que se produce la reacción de reformado.
Otra ventaja importante del quemador de la presente invención es que permite procesar los residuos anódico y catódico de la pila de combustible del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que se integra, en todos los estados de funcionamiento y en las operaciones de arranque, parada normal y de emergencia.
Como ventaja adicional del quemador propuesto, éste permite procesar todos los venteos del propio sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, para lo que, en una realización de la invención en la que no se puede liberar gases combustibles u oxidantes al ambiente, los escapes de las válvulas de seguridad de los componentes del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes se conectan a las distintas entradas del quemador. Del mismo modo el quemador permite procesar los gases de purga de la pila de combustible durante las fases de arranque y parada.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista seccionada del quemador en la que se muestran las direcciones de entrada del combustible y el comburente por las diferentes entradas del quemador.
Figura 2.- Muestra una vista de una unidad de reformado en la que se aprecia el quemador y el reformador con el que está integrado.
Figura 3.- Muestra una vista del tubo interior.
Figura 4.- Muestra una vista de la boquilla del atomizador.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que produce una corriente rica en H2 para alimentar una pila de combustible que genera un residuo catódico y un residuo anódico. El quemador desarrollado permite procesar todos los residuos de la pila de combustible y, en general, procesar los residuos de todo el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado.
Una ventaja muy importante de la presente invención es que los productos que se obtienen con el quemador son sustancias solubles en agua. Esto permite que el quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes propuesto, pueda ser empleado por ejemplo en aplicaciones de propulsión marinas en las que se quiere pasar inadvertido, como un submarino. Gracias a la solubilidad de los productos en agua dichos productos pueden liberarse en el mar, a distintas profundidades, sin ser detectados.
Durante la etapa de arranque del quemador el combustible que se emplea es bioetanol líquido, que se obtiene de un sistema de almacenamiento de bioetanol. Este bioetanol líquido se pulveriza en el atomizador del quemador empleando un gas atomizador que puede ser una mezcla de O2 puro proveniente de un sistema de almacenamiento de oxígeno mezclado con gases de combustión recirculados.
Durante la etapa de funcionamiento normal del quemador el combustible que se utiliza es el residuo anódico de la pila de combustible. En el caso de que el empleo del residuo anódico como combustible no sea suficiente, se añade bioetanol líquido que se mezcla con el residuo anódico antes de ser introducido en el quemador.
Parte del residuo anódico de la pila de combustible se emplea en otros elementos del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes como por ejemplo en la etapa de purificación del gas de reformado donde aumenta su temperatura. Esta parte del residuo anódico llega al quemador a una temperatura aproximada de 300ºC. Esto es lo que se denomina combustible gaseoso caliente. El resto del residuo anódico de la pila de combustible se dirige directamente al quemador y llega a una temperatura aproximada de 60ºC. Esto es lo que se denomina combustible gaseoso frío.
Cuando se utiliza bioetanol líquido como combustible para aporte extra de energía, mezclado con el residuo anódico, éste se evapora (al entrar en contacto con el residuo anódico caliente). Así pues el combustible entra al quemador en estado gaseoso.
El comburente que se emplea en el quemador de la presente invención es una mezcla del residuo catódico de la pila de combustible mezclado con gases de combustión recirculados.
El quemador de la presente invención se observa en la figura 1. Dicho quemador comprende un conducto de entrada (1) de combustible y comburente. Dicho conducto de entrada está dividido en una primera sección y una segunda sección. En la primera sección el conducto de entrada (1) comprende un tubo interior (2) y un tubo exterior (3), concéntrico al tubo interior (2) y de mayor diámetro. A través del tubo interior (2) se introduce en el interior del quemador el combustible líquido (A) que se emplea durante la etapa de arranque.
En una realización preferente de la invención, el tubo interior (2) está conectado por uno de sus extremos a un sistema de almacenamiento de bioetanol y por el otro extremo a un atomizador (6) que está destinado a pulverizar el bioetanol líquido como se muestra en la figura 3.
En la figura 4 se observa como el tubo interior (2) se divide a su vez en un primer tubo (2.1), situado en la parte central del tubo interior (2), a través del que circula el combustible líquido (A) hasta la boquilla (20) del atomizador, y en un segundo tubo (2.2), concéntrico al primer tubo y situado a su alrededor formando una sección anular a través de la que circula el gas atomizador (C) hasta la boquilla (20) del atomizador. El gas atomizador (C) es necesario para permitir una correcta pulverización del combustible líquido. En una realización preferente el combustible líquido es bioetanol líquido.
En una realización preferente para el arranque del quemador, el gas atomizador es CO2 que está presente en las líneas del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. Posteriormente el gas atomizador que se emplea es gas de postcombustión. Dicho gas de postcombustión puede estar también mezclado con O2 puro. El gas de postcombustión es el gas que se obtiene cuando se quema la mezcla de combustible y comburente.
En una realización preferente en la primera sección del quemador se introduce en tubo exterior (3) combustible gaseoso (B) como se observa en la figura 4. Está conectado a la pila de combustible y está destinado al paso del residuo anódico de dicha pila de combustible. El tubo exterior (3) también está conectado a una entrada auxiliar de bioetanol destinada a permitir el paso de bioetanol al tubo exterior (3) cuando es necesario un aporte extra de energía durante la etapa de operación normal del quemador si no se obtiene suficiente energía quemando el residuo anódico de la pila de combustible.
La segunda sección del quemador, dispuesta en el conducto de entrada (1) comprende una placa de distribución de combustible (7) en el centro de la cual está el atomizador (6) al que se conecta el tubo interior (2) de la primera sección. Dicha placa de distribución de gases (7) comprende una pluralidad de orificios de paso de combustible (10) para el paso del combustible gaseoso que circula por el tubo exterior (3) del conducto de entrada (1) de la primera sección a la segunda sección. A lo largo de la segunda sección en el conducto de entrada (1) se disponen unos orificios primarios (12) que conforman una entrada primaria de comburente. Dichos orificios primarios (12) están inclinados respecto al eje del tubo exterior (3) en dirección axial y en dirección tangencial.
Los orificios primarios (12) están destinados al paso del comburente (D) como se observa en la figura 1. El gas comburente (D) que se introduce en el quemador por los orificios primarios (12) y por los orificios secundarios
(11) es la misma mezcla. La mayoría del comburente (D) entra por los orificios secundarios (11). Por los orificios primarios (12) se introduce solo una pequeña porción de comburente (D) para hacer un primer mezclado con el combustible (A, B).
A continuación de la segunda sección del quemador se dispone una tercera sección que comprende a su vez una placa de distribución de comburente (8) en la que hay unos orificios secundarios (11) destinados al paso de comburente a la tercera sección del quemador. Los orificios secundarios (11) están inclinados en dirección axial y en dirección tangencial. Dichos ángulos de inclinación están comprendidos en una realización preferente entre 20 grados y 40 grados.
Dicha tercera sección comprende también una manga donde se produce la mezcla del combustible con el comburente y cuyo extremo se encaja con una sección cónica de una cámara de combustión (15) a la que está unida el quemador de la invención. En el extremo de la manga (13) que queda más cercano a la cámara de combustión (15) se disponen unos orificios terciarios (14), que conforman una entrada terciaria de comburente. La placa de distribución de comburente (8) se puede denominar también como placa de distribución de comburente.
En la figura 2 se observa un detalle del quemador en el que se muestran la placa de distribución de combustible
(7) con el atomizador (6) y los orificios de paso de combustible (10), y la placa de distribución del comburente (8) con los orificios secundarios (11).
En el centro de la placa de distribución de combustible (7) está el atomizador (6) y alrededor de dicho atomizador (6) se distribuyen los orificios de paso de combustible (10) que permiten el paso del combustible gaseoso (B) que atraviesa el tubo exterior (3) en la primera sección del conducto de entrada (1) hasta la segunda sección. En la primera placa de distribución (7) se disponen también el ignitor y un sensor de infrarrojos o ultravioletas para detectar si hay llama o no.
El atomizador (6) comprende una boquilla (20) de rociado con unos primeros orificios del atomizador (21) que tienen un ángulo determinado respecto al eje central del tubo interior (2) tal que confiere al flujo de combustible líquido (A) una rotación en sentido horario. El gas atomizador se proporciona a través de unos segundos orificios del atomizador (22), que también están inclinados respecto al eje central del tubo exterior (3), pero con un ángulo diferente al de los primeros orificios del atomizador (21) que confieren al gas atomizador (B) una rotación anti horaria.
En un ejemplo de realización de la presente invención los primeros orificios del atomizador (21) son de menor tamaño que los segundos orificios del atomizador (22) y tienen una inclinación mayor en dirección tangencial. En este ejemplo de realización la inclinación de los primeros orificios del atomizador (21) está entre los 10 grados y los 30 grados y la inclinación de los segundos agujeros está entre 30 grados y 60 grados.
La segunda placa de distribución (8) dispone de unos orificios secundarios (11), que están inclinadas respecto al eje de la placa de distribución de gases (8) y están destinadas al paso de comburente (D), es decir, de residuo catódico mezclado con gases de postcombustión recirculados. Gracias a la inclinación de la que disponen los orificios secundarios (11) el flujo de entrada del comburente (D) que los atraviesa es turbulento.
El quemador comprende una tercera sección, formada por una manga (13) y está conectada por un extremo a la segunda sección, mediante la placa de distribución de comburente (8) y conectada por el otro extremo a un tubo que es parte de la cámara de combustión (15). En la tercera sección se introduce comburente (D) a través de los orificios secundarios (11) en la placa de distribución de comburente (8) y recibe la mezcla de comburente y combustible que se produce en la segunda sección del conducto de entrada (1). Comprende unos orificios terciarios (14) en la manga (13) destinados al paso de gases de postcombustión recirculados para refrigeración
(E) como se observa en las figuras 1 y 2.
El quemador está conectado a una cámara de combustión (15). Dicha cámara de combustión (15) está rodeada de una doble camisa por cuyo interior circulan los gases de postcombustión, permitiendo el enfriamiento de la parte exterior de ésta. Asimismo, el calor de los gases de postcombustión se emplea en otras etapas del sistema de producción de bioetanol como por ejemplo para evaporar agua y para dar calor a la reacción de reformado. La cámara de combustión (15) soporta una temperatura de hasta 1100ºC y gracias a la recirculación de los gases de combustión a través de la doble camisa, el exterior está a una temperatura inferior a 200ºC, haciéndola válida para atmósferas con requisitos ATEX2.
En una realización preferente, el quemador comprende adicionalmente una carcasa de aislamiento para evitar puntos calientes superficiales que puedan suponer una fuente de ignición. Esto también contribuye en que el quemador pueda ser empleado en atmósferas con requisitos ATEX2.
La carcasa cubre la primera y la segunda secciones del quemador. Esta carcasa comprende una entrada de residuo anódico frío a través de la que pasa el residuo anódico que proviene directamente desde la pila de combustible y una entrada de residuo anódico caliente que recibe el residuo anódico de la pila de combustible después de haberse recirculado para refrigerar algún componente del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado el quemador.
En una realización preferente de la invención la corriente de gas de residuo anódico que se recircula desde la pila de combustible se emplea para enfriar un reactor WGS (reactor water-gas shift) que forma parte del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. Dentro de la carcasa se mezclan la corriente de residuo anódico frío que entra por su entrada correspondiente y la corriente de residuo anódico caliente que entra por su entrada correspondiente. Dichas corrientes gaseosas se mezclan también con corriente de bioetanol auxiliar que entra por la entrada auxiliar de bioetanol y entran ya mezcladas por el conducto de entrada (1).
La carcasa dispone además de una entrada de comburente a través de la que se introduce la mezcla de residuo catódico de la pila de combustible, gases de postcombustión y oxígeno (el oxígeno solo se emplea durante la fase de arranque cuando no se dispone de residuo catódico). Cuando esta mezcla entra en la carcasa se fuerza su recorrido por el interior de dicha carcasa para que pase por la brida de la entrada de residuo anódico caliente para refrigerarla. Esta corriente de gas con residuo catódico mezclado con oxígeno entra al quemador por los orificios primarios (entrada primaria) (12) y por los orificios secundarios (entrada secundaria) (11).
Preferentemente, el quemador de la presente invención puede trabajar solo con combustible gaseoso, solo con combustible líquido o con ambos. Los caudales de combustible gaseoso que puede procesar la presente invención son de hasta 300 Kg/h. Los caudales de combustible líquido que puede procesar son de hasta 100 Kg/h (estos caudales de combustible líquido son los que atraviesan el tubo interior (2) y llegan hasta el atomizador (6) donde se pulverizan).
Los gases de postcombustión están compuestos por sustancias solubles en agua, como CO2, y contienen una cantidad mínima de inquemados y de oxígeno. Es decir, se obtiene un frente de gases de postcombustión homogéneo.
El atomizador (6) trabaja preferentemente con gas de baja presión, es decir, con una presión a 100 mbar. Preferentemente esta presión será de entre 60 y 70 mbar, y más preferentemente será de 65 mbar.
En una realización preferente el quemador se integra con un reformador catalítico que opera a condiciones de temperatura próximas a isotermas. Esta realización está representada en la figura 2. En esta realización el reformador se utiliza para producir un corriente rica en H2 a partir de bioetanol en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. El H2 obtenido se utiliza para alimentar la pila de combustible de dicho sistema para proporcionar la energía para un sistema marítimo móvil, como por ejemplo un submarino.
El quemador descrito permite, cuando está integrado con un reformador, conseguir una distribución homogénea de temperaturas en los tubos de reformado del reformador (23).
En la realización preferente en la que el quemador y el reformador están integrados el reformador es multitubular y la integración con el quemador permite obtener una distribución de temperaturas homogéneas en todos los tubos.
En un ejemplo de realización en la que el quemador está integrado con un reformador, se consigue una unidad de reformado de dimensiones reducidas, con un diámetro menor de 790 mm, y una longitud menor de 2100 mm.
Es objeto también de la presente invención el uso del quemador anteriormente descrito en un sistema de
5 reformado de hidrocarburos y alcoholes para la producción de una corriente de hidrógeno de un submarino. Como se ha descrito anteriormente el quemador de la invención se puede emplear en submarinos gracias a que se consigue una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo, de los que todos los productos obtenidos son solubles en agua.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, integrado con una pila de combustible que genera un residuo anódico y un residuo catódico, está caracterizado por que los gases de postcombustión que se producen son solubles en agua y comprende esencialmente un conducto de entrada (1) de comburente y combustible, una manga (13), y está unido por la manga (13) a una cámara de combustión (15) y se divide en:
    -
    una primera sección en el conducto de entrada (1) que comprende un tubo interior (2) por el que se introduce combustible líquido (A) y un tubo exterior (3), concéntrico al tubo interior (2) y de mayor diámetro, por el que se introduce combustible gaseoso (B);
    -
    una segunda sección en el conducto de entrada (1) adyacente a la primera sección, que comprende una placa de distribución de combustible (7) que dispone de un atomizador (6) en el centro y que está conectado al tubo interior (2), y alrededor del atomizador (6) hay unos primeros orificios (10) conectados con el tubo exterior (3); y en el conducto de entrada (1) se disponen radialmente unos orificios primarios (12), destinadas al paso de comburente (D);
    -
    una tercera sección, adyacente a la segunda sección, que comprende una placa de distribución de comburente (8) de mayor diámetro que la primera placa de distribución (7) y que dispone de una pluralidad de orificios secundarios (11) destinadas al paso de comburente (D); una manga (13) que comprende unos orificios terciarios (14) destinados al paso de gases de postcombustión (E); está conectado a la segunda sección a través de la segunda placa de distribución de comburente (8) y de la cámara intermedia (9);
    y la cámara de combustión (15) a la que está conectado el quemador está rodeada de doble camisa para la recirculación de gases de postcombustión recirculados destinados a refrigeración del exterior de la cámara de combustión (15).
  2. 2.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el tubo interior (2) comprende un primer tubo (2.1), situado en la parte central, a través del que circula combustible líquido (A) hasta el atomizador (6), y un segundo tubo (2.2), concéntrico al primer tubo
    (2.1) y de mayor tamaño que él, a través de la circula gas atomizador (C) hasta el atomizador (6).
  3. 3.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el atomizador (6) comprende una boquilla (20) de rociado con unos primeros orificios del atomizador (21) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2) que confieren al flujo de combustible líquido
    (A) una rotación en sentido horario y unos segundos orificios del atomizador (22) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2) que confieren al gas atomizador (C) una rotación anti horaria.
  4. 4.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una entrada auxiliar conectada al tubo exterior (3) destinada al paso de combustible líquido.
  5. 5.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una carcasa de aislamiento del quemador que comprende una entrada de residuo anódico frío destinada al paso del residuo anódico que proviene de la pila de combustible, comprende una entrada de residuo anódico caliente destinada al paso de residuo anódico después de haberse recirculado para refrigerar algún componente del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes con el que está integrado el quemador y una entrada de comburente destinada al paso de comburente.
  6. 6.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 5 caracterizado porque la carcasa comprende adicionalmente una entrada auxiliar destinada al paso de combustible líquido.
  7. 7.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque está integrado con un reactor de reformado de hidrocarburos y alcoholes constituyendo un módulo compacto.
  8. 8.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 7 caracterizado porque el reformador es multitubular.
  9. 9.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 8 caracterizado porque los gases de postcombustión del quemador se recirculan alrededor de los tubos del reformador.
  10. 10.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las 5 reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible líquido es bioetanol.
  11. 11.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible gaseoso está seleccionado entre residuo anódico de la pila de combustible, y una mezcla de residuo anódico con bioetanol líquido.
  12. 12.- Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las
    10 reivindicaciones anteriores caracterizado por que el comburente es uno seleccionado entre una mezcla de residuo catódico de la pila de combustible con gases de postcombustión recirculados, O2 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados u O2 puro mezclado con CO2.
  13. 13.- Uso del quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes descrito en las reivindicaciones 1 a 12 en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes de un submarino.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201331238
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 07.08.2013
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    EP 1327821 A1 (MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD) 16/07/2003, párrafos [0035]-[0043], 1-13
    [0070]-[0072], figuras 1, 3, 16
    A
    US 4963089 A (SPIELMAN LYLE S) 16/10/1990, columna 2, línea 64-columna 3, línea 53; 1-13
    figuras 1,3, 5
    A
    US 2005175532 A1 (YAMAGUCHI KOICHI ET AL.) 11/08/2005, párrafos [0002], [0038-0039], 1-13
    figuras 1 y 2
    A
    US 2008010900 A1 (LEE DONG-WOO ET AL.) 17/01/2008, párrafos [0003], [0032]-[0036], 1-13
    figura 5
    A
    GB 2408093 A (BOSCH GMBH ROBERT) 18/05/2005, página 1, líneas 1-25; página 2, 1-13
    líneas 18-33; página 4, líneas 9-21; página 6, líneas 15-26; figura 1
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 22.11.2013
    Examinador M. González Rodríguez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201331238
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD F23D14/02 (2006.01)
    F23D11/10 (2006.01) F23D17/00 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    F23D
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, XPESP, COMPENDEX, INSPEC.
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201331238
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 22.11.2013
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-13 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-13 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201331238
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    EP 1327821 A1 (MATSUSHITA ELECTRIC IND CO LTD) 16.07.2003
    D02
    US 4963089 A (SPIELMAN LYLE S) 16.10.1990
    D03
    US 2005175532 A1 (YAMAGUCHI KOICHI et al.) 11.08.2005
    D04
    US 2008010900 A1 (LEE DONG-WOO et al.) 17.01.2008
    D05
    GB 2408093 A (BOSCH GMBH ROBERT) 18.05.2005
  14. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos que comprende un conducto de entrada de comburente y combustible, una manga y una cámara de combustión.
    El documento D01 divulga un quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos donde se obtiene una corriente de hidrógeno que se alimenta a una pila de combustible para producir electricidad. El quemador (5) consta de un distribuidor cilíndrico de combustible formado por dos tubos concéntricos, por el tubo interior (26) se alimenta el residuo anódico de la pila (7) y por el tubo exterior (22) el gas combustible (6), siendo este distribuidor a su vez coaxial a una cámara de combustión troncocónica (9) que dispone de múltiples orificios (16, 18, 19) para la inyección de comburente y que se encuentra dentro de una cámara de aire (11) (Ver párrafos [0035]-[0043], [0070]-[0072], figuras 1, 3, 16).
    El documento D02 divulga un quemador industrial que consta de un conducto de entrada (15) por el que se alimenta el combustible gaseoso y que está conectado a una placa distribuidora con forma cónica (20), y una zona de mezcla y combustión (16) con forma troncocónica que dispone de orificios para la entrada del comburente desde la cámara cilíndrica de aire exterior (11) que envuelve al sistema (Ver columna 2, línea 64 -columna 3, línea 53; figuras 1,3, 5).
    El documento D03 divulga un sistema de reformado con un quemador (6), donde el combustible se introduce a través de un inyector (61) en una cámara de combustión, que dispone de orificios por donde se introduce aire (62) y gases de combustión
    (63) (Ver párrafos [0002], [0038-0039], figuras 1 y 2).
    El documento D04 divulga un quemador (20) que aporta el calor necesario a un reformador, que consta de un tubo (21) de suministro de combustible y aire a una cámara de combustible (22) con multitud de orificios (24), de modo que la salida de la mezcla por los mismos permite atomizar el combustible que entra en la cámara de combustión (Ver párrafos [0003], [0032][0036], figura 5).
    El documento D05 divulga un quemador (4) integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos (3) en el que se obtiene hidrógeno (10) para su alimentación a una pila de combustible (2), donde el quemador (4) puede ser alimentado por gas de reformado (13), residuo anódico de la pila de combustible (6) ó hidrocarburos (Ver página 1, líneas 1-25; página 2, líneas 1833; página 4, líneas 9-21; página 6, líneas 15-26; figura 1).
    Ninguno de los documentos anteriores, tomados solos o en combinación, revela un quemador con la configuración recogida en la reivindicación 1 de la solicitud. Tampoco hay sugerencias en los documentos citados que dirijan al experto en la materia hacia la invención tal y como se define en la reivindicación 1.
    En consecuencia, el objeto de la reivindicación 1 cumple con los requisitos de novedad y actividad inventiva (Art. 6 y Art. 8 LP).
    Las reivindicaciones 2-13, dependientes de la reivindicación 1, cumplen asimismo con los requisitos de novedad y actividad inventiva (Art. 6 y Art. 8 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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