ES2468090A2

ES2468090A2 - Integrated procedure for the generation of electrical energy and corresponding apparatus (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Info

Publication number: ES2468090A2
Application number: ES201331571A
Authority: ES
Inventors: Giovanni Cinti; Andrea Donati
Original assignee: Italcementi SpA
Current assignee: Italcementi SpA
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-06-13
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: ITMI20121882A1; GR20130100552A; ES2468090R1; GR1008385B; ES2468090B1; MA35235B1

Abstract

Integrated procedure for the generation of electrical energy and corresponding apparatus, by integrating the recovery of residual heat from a facility for the production of clinker and the recovery of heat from a solar concentration facility (csp), which foresees the following stages: A) recovering the residual heat of the process gases by passing the process gases through a heat exchanger that feeds a rankine cycle, in which the transport fluid is diathermic oil; B) a part of the transport fluid used in step a) is deflected and brought into contact with a diathermic fluid from the installation operating according to the csp technology; C) said part of transport fluid from stage b), at increased temperature, is forwarded to the system for recovering the residual heat of the process gases. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Procedimiento integrado para la generación de energía eléctrica y aparato correspondiente. Integrated procedure for the generation of electrical energy and corresponding apparatus.

La presente invención se refiere a un procedimiento integrado para la generación de energía eléctrica y a un aparato correspondiente. The present invention relates to an integrated method for generating electrical energy and a corresponding apparatus.

Más en particular, la presente invención se refiere a un procedimiento original e innovador para mejorar la recuperación de energía eléctrica, aplicado a un proceso para la producción de clínker. More particularly, the present invention relates to an original and innovative method for improving the recovery of electrical energy, applied to a process for clinker production.

El proceso de producción de clínker y por tanto, de cemento prevé industrialmente una serie de etapas conectadas y sucesivas. La etapa de cocción de las materias primas es la etapa que caracteriza principalmente todo el proceso de producción. The clinker and, therefore, cement production process provides industrially a series of connected and successive stages. The cooking stage of raw materials is the stage that mainly characterizes the entire production process.

La etapa de cocción va precedida por las etapas de extracción de las materias primas de la cantera, mezcla de las materias primas en proporciones adecuadas para obtener la mezcla cruda de clínker para cemento y va seguida de la etapa de molienda de clínker con correctores de composición tales como yeso, cal, escoria y puzolana. The cooking stage is preceded by the extraction stages of the quarry raw materials, mixing of the raw materials in adequate proportions to obtain the raw clinker mix for cement and is followed by the clinker grinding stage with composition correctors such as plaster, lime, slag and pozzolana.

El ciclo tecnológico en su conjunto y en modo particular la etapa de cocción han experimentado a lo largo del tiempo a dos transformaciones principales: la primera tiene que ver con el proceso en sí. Se ha pasado, de hecho, de una tecnología denominada “por vía húmeda”, en la que la mezcla cruda se alimentaba al horno en forma de fango acuoso, a una tecnología “por vía semiseca”, en la que la mezcla cruda se alimentaba al horno en forma de gránulos obtenidos añadiendo una cantidad limitada de agua a la mezcla cruda molida en seco, para llegar después a la tecnología actual denominada “por vía seca”, en la que la mezcla cruda se alimenta al horno en forma de polvos. The technological cycle as a whole and in particular the cooking stage have undergone two main transformations over time: the first has to do with the process itself. In fact, it has been passed from a technology called “wet way”, in which the raw mixture was fed into the oven in the form of aqueous sludge, to a “semi-dry” technology, in which the raw mixture was fed to the oven in the form of granules obtained by adding a limited amount of water to the dry milled raw mixture, to later arrive at the current technology called "by dry route", in which the raw mixture is fed into the oven in the form of powders.

La presente invención se refiere precisamente al proceso en seco para la producción de clínker. The present invention relates precisely to the dry process for clinker production.

Como se ha indicado anteriormente, en el ámbito del proceso en seco, las materias primas (caliza y arcilla), finamente molidas y homogeneizadas en una instalación de molienda, se introducen desde arriba en una torre de ciclones, en la que la harina cruda se calienta hasta una temperatura de aproximadamente 1000°C, aprovechando el contenido de energía térmica de los gases procedentes del horno. As indicated above, in the field of dry processing, raw materials (limestone and clay), finely ground and homogenized in a milling plant, are introduced from above in a cyclone tower, in which raw flour is heats up to a temperature of approximately 1000 ° C, taking advantage of the thermal energy content of the gases coming from the oven.

La torre de ciclones está constituida normalmente por 4 ó 5 ciclones, en los que el sólido y las fases gaseosas entran en contacto íntimo dando lugar a un intercambio térmico muy eficiente. Como se ha indicado anteriormente, la etapa de cocción de las materias primas es la etapa que caracteriza principalmente todo el proceso de producción y la evolución más reciente de esta etapa de cocción tiene que ver con la introducción del calcinador. En el calcinador, que está constituido por una cámara vertical instalada entre el horno y la torre de ciclones, se produce la entrada de la mayor parte de la energía necesaria para el proceso, la energía necesaria para el calentamiento y la descarbonatación de la caliza contenida en la mezcla cruda. Se trata de un verdadero reactor en el que se produce la reacción de descarbonatación casi por completo y en el que la energía térmica se proporciona sustancialmente desde un quemador. The cyclone tower is normally made up of 4 or 5 cyclones, in which the solid and the gas phases come into intimate contact resulting in a very efficient thermal exchange. As indicated above, the cooking stage of raw materials is the stage that mainly characterizes the entire production process and the most recent evolution of this cooking stage has to do with the introduction of the calciner. In the calciner, which is constituted by a vertical chamber installed between the furnace and the cyclone tower, most of the energy required for the process, the energy required for heating and decarbonation of the limestone contained is produced In the raw mixture. It is a true reactor in which the decarbonation reaction occurs almost completely and in which thermal energy is provided substantially from a burner.

En función del número de ciclones que constituyen la torre de ciclones, la temperatura de los gases en la salida varía de 300°C a 350°C. Tal residuo contenido de energía térmica de los gases procedentes del horno y que han atravesado la torre de ciclones, se usa en la instalación de molienda de la materia prima para desecar los componentes, eliminando la humedad naturalmente asociada a las materias primas que van a molerse. Depending on the number of cyclones that make up the cyclone tower, the temperature of the gases at the outlet varies from 300 ° C to 350 ° C. Such waste thermal energy content of the gases coming from the furnace and that have passed through the cyclone tower, is used in the milling facility of the raw material to dry the components, eliminating the moisture naturally associated with the raw materials that are to be milled .

Antes de entrar en la instalación de molienda de la materia prima, los gases se enfrían normalmente en una torre de acondicionamiento para alcanzarla temperatura óptima (150–250°C). Before entering the mill of the raw material, the gases are normally cooled in a conditioning tower to reach the optimum temperature (150-250 ° C).

Normalmente los gases a la salida de la torre de ciclones presentan un contenido en Normally the gases at the exit of the cyclone tower have a content of

oxígeno igual equal oxygen: al 3% aproximadamente y un contenido en CO2 igual al 20/30% to the 3% approximately Y a content in CO2 same to the 20/30%

aproximadamente approximately: (CO2 que procede de la oxidación del combustible y de la (CO2 that proceeds from the oxidation of the fuel Y from the

descomposición de la caliza). limestone decomposition).

También cuando la torre de ciclones está dotada de un último ciclón con el objetivo de eliminar los polvos, el contenido en polvos en los gases alcanza aproximadamente 60 g/Nm3. Also when the cyclone tower is equipped with a last cyclone with the aim of eliminating dusts, the dust content in the gases reaches approximately 60 g / Nm3.

La harina cruda, al abandonar la caliza, entra en el horno giratorio, en el que se forman los constituyentes fundamentales del clínker, es decir silicatos y aluminatos de calcio. De hecho, gracias al combustible introducido en la cabeza del horno, el material bruto alcanza la temperatura de 1400/1500°C suficiente pa ra la producción de clínker. La ligera inclinación del horno combinada con su lenta rotación permite trasladar la masa del material de la entrada a la salida del horno. The raw flour, when leaving the limestone, enters the rotary kiln, in which the fundamental constituents of the clinker are formed, that is calcium silicates and aluminates. In fact, thanks to the fuel introduced into the furnace head, the raw material reaches a temperature of 1400/1500 ° C sufficient for clinker production. The slight inclination of the oven combined with its slow rotation allows the mass of the material from the entrance to the exit of the oven to be transferred.

El clínker producido, a la salida del horno, cae sobre una rejilla agujereada móvil que transporta el material, mientras lo enfría con un flujo de aire fresco a temperatura ambiente. Una parte del aire de enfriamiento, precalentado por el clínker caliente, se emplea después como aire comburente del combustible introducido en el horno (aire secundario) y en el calcinador (aire terciario). The clinker produced, at the exit of the oven, falls on a mobile perforated grid that transports the material, while cooling it with a flow of fresh air at room temperature. A part of the cooling air, preheated by the hot clinker, is then used as combustion air of the fuel introduced in the furnace (secondary air) and in the calciner (tertiary air).

El clínker a la temperatura de 80/100°C se envía al almacenamiento para después molerse y mezclarse con los aditivos necesarios para obtener un cemento de la calidad deseada. The clinker at the temperature of 80/100 ° C is sent to storage and then ground and mixed with the additives necessary to obtain a cement of the desired quality.

Una cantidad considerable de aire procedente del enfriamiento del clínker, a una temperatura de aproximadamente 300°C, no puede reut ilizarse como aire comburente en el proceso y está por tanto disponible para la recuperación del calor residual o puede liberarse a la atmosfera, previa eliminación de polvos mediante filtros adecuados. A considerable amount of air from clinker cooling, at a temperature of approximately 300 ° C, cannot be reused as a combustion air in the process and is therefore available for the recovery of residual heat or can be released into the atmosphere, after elimination of powders by suitable filters.

El contenido de humedad de las materias primas desempeña un papel determinante en la gestión de los flujos de calor y por tanto en la posibilidad de prever y realizar una recuperación de calor de los humos de escape con el objetivo de producir energía. The moisture content of the raw materials plays a decisive role in the management of heat fluxes and therefore in the possibility of anticipating and recovering heat from the exhaust fumes in order to produce energy.

Efectivamente, en el caso de materias primas que presentan una humedad elevada, el calor de los gases procedentes de la torre de ciclones y de la etapa de enfriamiento del clínker se utiliza, respectivamente, en la instalación de molienda de la harina cruda y en la instalación final de molienda del cemento, precisamente para mantener bajo control el contenido de humedad de la harina cruda y del cemento. Indeed, in the case of raw materials that have high humidity, the heat of the gases coming from the cyclone tower and the clinker cooling stage is used, respectively, in the milling of raw flour and in the final installation of cement grinding, precisely to keep the moisture content of raw flour and cement under control.

Por consiguiente, la cantidad de calor recuperado del proceso de producción de clínker aumenta o disminuye en función de la humedad de las materias primas que se alimentan a la instalación de molienda. Consequently, the amount of heat recovered from the clinker production process increases or decreases depending on the humidity of the raw materials that are fed to the milling facility.

Además cabe recordar que las condiciones de los gases de proceso pueden variar al variar la cantidad de clínker producido en el horno y al variar la composición y las características de las materias primas. In addition, it should be remembered that the conditions of the process gases may vary by varying the amount of clinker produced in the oven and by varying the composition and characteristics of the raw materials.

Considerando además la gran cantidad de polvos en los gases, uno de los aspectos más críticos en la recuperación del calor residual es la capacidad de separar y eliminar los polvos de los gases. Also considering the large amount of dust in the gases, one of the most critical aspects in the recovery of waste heat is the ability to separate and eliminate dust from gases.

La separación de los polvos se produce por gravedad en el cuerpo del intercambiador de calor por lo que debe prestarse una gran atención también al diseño de los dispositivos de intercambio térmico, a fin de evitar la acumulación de polvos y no perjudicar la transferencia de calor. Dust separation occurs by gravity in the body of the heat exchanger, so great attention should also be paid to the design of the heat exchange devices, in order to avoid the accumulation of dusts and not damage the heat transfer.

Por consiguiente, cada espacio en el que los polvos podrían acumularse debe dotarse de tolvas y de dispositivos de evacuación, tales como válvulas dobles o válvulas giratorias, adaptadas para descargar el sólido, manteniendo al mismo tiempo el sistema sellado. Esto es fundamental porque todo el sistema, que constituye la línea de combustión, se mantiene a presión negativa. Por el mismo motivo todas las envolturas de los diversos elementos y los conductos deben realizarse herméticos. Therefore, each space in which dusts could accumulate must be provided with hoppers and evacuation devices, such as double valves or rotary valves, adapted to discharge the solid, while maintaining the system sealed. This is essential because the entire system, which constitutes the combustion line, is maintained at negative pressure. For the same reason all envelopes of the various elements and ducts must be sealed.

El diseño del sistema de recuperación del calor residual debe efectuarse por tanto tomando como base la composición, capacidad y temperatura del flujo de gas disponible y conociendo la cantidad de calor necesaria en las diversas instalaciones de molienda. The design of the waste heat recovery system must therefore be based on the composition, capacity and temperature of the available gas flow and knowing the amount of heat needed in the various milling facilities.

La recuperación del calor residual de los gases de proceso y la generación de energía es una práctica común en la industria del cemento. The recovery of waste heat from process gases and power generation is a common practice in the cement industry.

El objetivo de tal práctica es sustancialmente el siguiente: reducir el consumo de energía mediante la conversión del calor sobrante, que debería liberarse alternativamente a la atmosfera, en energía eléctrica. The objective of such a practice is substantially the following: to reduce energy consumption by converting excess heat, which should be released alternatively to the atmosphere, into electrical energy.

El modo más común para realizar tal objetivo es instalar a la salida del horno y del enfriador un intercambiador de calor de haz de tubos y carcasa, adaptado para generar vapor de agua ligeramente sobrecalentado que va a expandirse después en una turbina de condensación acoplada a un generador eléctrico. The most common way to achieve this objective is to install a tube and housing beam heat exchanger at the outlet of the furnace and cooler, adapted to generate slightly superheated steam that will then expand into a condensation turbine coupled to a Electric generator.

Como se conoce, el vapor de agua durante la expansión tiende a condensarse parcialmente y las gotas que se forman, atravesando la turbina, pueden dañar las palas. Por este motivo el vapor se sobrecalienta lo más posible y la expansión del vapor se regula de modo que no se incremente excesivamente la proporción del condensado en el vapor. As is known, water vapor during expansion tends to partially condense and the droplets that form, passing through the turbine, can damage the blades. For this reason the steam is overheated as much as possible and the steam expansion is regulated so that the proportion of condensate in the steam is not excessively increased.

Cuando la temperatura de los gases residuales derivados del proceso de producción de clínker es muy baja, para la recuperación del calor residual es conveniente utilizar un ciclo Rankine orgánico (ORC) alimentado desde un circuito cerrado con un fluido diatérmico monofase. La tecnología ORC se basa en una turbina de condensación en la que el fluido motor es un compuesto orgánico que tiene la característica de vaporizarse a una temperatura relativamente baja y de expandirse en la turbina sin necesidad de sobrecalentamiento. When the temperature of the residual gases derived from the clinker production process is very low, it is convenient to use an organic Rankine cycle (ORC) fed from a closed circuit with a single phase diathermic fluid for the recovery of residual heat. ORC technology is based on a condensation turbine in which the motor fluid is an organic compound that has the characteristic of vaporizing at a relatively low temperature and expanding into the turbine without overheating.

La turbina funciona por tanto regularmente, sin ninguna solicitación derivada de las condiciones de temperatura, presión y humedad del vapor. The turbine therefore operates regularly, without any request derived from the temperature, pressure and humidity conditions of the steam.

Los límites de las tecnologías actualmente disponibles son el bajo rendimiento y los elevados costes de instalación. El bajo rendimiento depende principalmente del nivel de temperatura al que está disponible el calor procedente de la línea de combustión. En general la baja temperatura de los humos perjudica el rendimiento termodinámico. Además la escasa eficiencia del ciclo hace necesario disipar una ingente cantidad de calor a temperatura ambiente recurriendo a costosos y voluminosos equipos. The limits of currently available technologies are low performance and high installation costs. The low performance depends mainly on the temperature level at which the heat coming from the combustion line is available. In general, the low temperature of the fumes impairs the thermodynamic performance. In addition, the low efficiency of the cycle makes it necessary to dissipate a huge amount of heat at room temperature using expensive and bulky equipment.

Con el objetivo de resolver tal problema, se están desarrollando nuevas maquinarias, pero el límite termodinámico es aún evidente. In order to solve this problem, new machinery is being developed, but the thermodynamic limit is still evident.

Los procedimientos del estado de la técnica presentan por tanto los mencionados inconvenientes. The prior art procedures therefore have the aforementioned drawbacks.

El solicitante ha descubierto por tanto sorprendentemente un procedimiento integrado para la recuperación de calor residual de una instalación para la producción de clínker y generación de energía eléctrica, que permite superar los inconvenientes de los procesos según el estado de la técnica y puede aplicarse también directamente en el lugar de producción de clínker e integrarse en instalaciones de producción de clínker ya existentes. The applicant has therefore surprisingly discovered an integrated procedure for the recovery of waste heat from an installation for clinker production and electric power generation, which allows to overcome the inconveniences of the processes according to the state of the art and can also be applied directly in the clinker production site and integrated into existing clinker production facilities.

Es objetivo de la presente invención llegar a un procedimiento integrado para la generación de energía eléctrica mediante la integración del calor residual recuperado de una instalación para la producción de clínker y del calor generado en una instalación de concentración solar (CSP). It is an objective of the present invention to arrive at an integrated process for the generation of electrical energy by integrating the waste heat recovered from a clinker production facility and the heat generated in a solar concentration installation (CSP).

En particular, la integración de la tecnología de concentración solar (conocida en inglés como CSP, Concentrating Solar Power) con el proceso tradicional de recuperación del calor residual, ha permitido sorprendentemente conseguir condiciones óptimas para el funcionamiento de una instalación de generación de energía eléctrica de alto rendimiento, por tanto adecuada para generar energía eléctrica mediante la combinación de calor residual recuperado del proceso de producción de clínker y de calor generado de la radiación solar. In particular, the integration of solar concentration technology (known in English as CSP, Concentrating Solar Power) with the traditional process of waste heat recovery, has surprisingly allowed to achieve optimal conditions for the operation of an electric power generation facility of high performance, therefore suitable for generating electrical energy by combining waste heat recovered from the clinker production process and heat generated from solar radiation.

Una instalación CSP consiste principalmente en diversos módulos solares de concentración diseñados para recuperar el calor de la radiación solar, calentando un fluido diatérmico que recorre el interior de un receptor. A CSP installation consists mainly of various solar concentration modules designed to recover heat from solar radiation, heating a diathermic fluid that runs inside a receiver.

La transferencia de calor tiene lugar por la radiación entre el sol y la superficie del receptor. La irradiación del receptor se mejora mediante la adopción de espejos y lentes destinados a concentrar los rayos solares sobre una pequeña superficie del receptor. El factor de concentración es igual a la proporción entre la superficie irradiada de los espejos y la superficie sobre la que se concentra la irradiación. Heat transfer takes place by radiation between the sun and the surface of the receiver. The irradiation of the receiver is improved by the adoption of mirrors and lenses intended to concentrate the sun's rays on a small surface of the receiver. The concentration factor is equal to the ratio between the irradiated surface of the mirrors and the surface on which the irradiation is concentrated.

Un fluido diatérmico primario, que circula en el interior del receptor, se calienta y lleva el calor generado de la concentración de los rayos solares. El fluido diatérmico primario transfiere el calor a un fluido secundario, que normalmente es el fluido motor de un ciclo Rankine de vapor de agua. En algunos casos puede preverse la interposición de un tercer fluido diatérmico, mientras que hay también algunas tecnologías que permiten el calentamiento directo y la vaporización en el receptor. A primary diathermic fluid, which circulates inside the receiver, is heated and carries the heat generated from the concentration of the sun's rays. The primary diathermic fluid transfers heat to a secondary fluid, which is normally the motor fluid of a Rankine cycle of water vapor. In some cases the interposition of a third diathermic fluid may be provided, while there are also some technologies that allow direct heating and vaporization in the receiver.

El fluido diatérmico primario normalmente usado se elige, según la temperatura máxima de trabajo, entre aceite sintético, sales fundidas de metales alcalinos o aire. Gracias además a los recientes desarrollos de los dispositivos de concentración (espejos y lentes) es posible alcanzar temperaturas superiores a los 600°C. The normally used primary diathermic fluid is chosen, according to the maximum working temperature, from synthetic oil, molten salts of alkali metals or air. Thanks to the recent developments of the concentration devices (mirrors and lenses) it is possible to reach temperatures above 600 ° C.

Las instalaciones CSP están dotadas normalmente de un acumulador de calor en el que es posible acumular durante varias horas el calor solar generado. Tal aspecto es particularmente interesante allí donde esté presente la necesidad de maximizar la producción de energía eléctrica en determinadas horas del día o cuando sea importante mantener constante la producción de energía. CSP installations are normally equipped with a heat accumulator in which it is possible to accumulate the solar heat generated for several hours. Such an aspect is particularly interesting where there is a need to maximize the production of electrical energy at certain times of the day or when it is important to keep energy production constant.

Cuando el acumulador de calor es suficientemente grande, es posible mantener en servicio continuo el turbogenerador y generar así la energía eléctrica día y noche. When the heat accumulator is large enough, it is possible to keep the turbogenerator in continuous service and thus generate electricity day and night.

Esto permite también realizar un procedimiento y una instalación aún más interesantes desde un punto de vista ecológico y económico. This also allows for an even more interesting procedure and installation from an ecological and economic point of view.

En particular, un primer objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento integrado para la generación de energía eléctrica mediante la integración de la recuperación de calor residual de una instalación para la producción de clínker y de la recuperación de calor de una instalación para la concentración solar (CSP), que prevé las siguientes etapas: In particular, a first objective of the present invention is to provide an integrated method for generating electrical energy by integrating the recovery of waste heat from a clinker production facility and the heat recovery from a concentration facility. solar (CSP), which provides for the following stages:

a) recuperar el calor residual de los gases de proceso mediante el paso de los gases de proceso por un intercambiador de calor que alimenta un ciclo Rankine en el que el fluido de transporte es aceite diatérmico; a) recovering the residual heat of the process gases by passing the process gases through a heat exchanger that feeds a Rankine cycle in which the transport fluid is diathermic oil;

b) una parte del fluido de transporte empleado en la etapa a) se desvía y se pone en contacto con un fluido diatérmico procedente de la instalación que opera según la tecnología CSP; b) a part of the transport fluid used in step a) is diverted and contacted with a diathermic fluid from the facility operating according to CSP technology;

c) dicha parte del fluido de transporte procedente de la etapa b), a temperatura aumentada, se reenvía al sistema de recuperación del calor residual de los gases de proceso. c) said part of the transport fluid from stage b), at an increased temperature, is forwarded to the waste heat recovery system of the process gases.

El procedimiento integrado para la generación de energía eléctrica mediante combinación de la recuperación de calor residual de una instalación para la producción de clínker y de la recuperación de calor de una instalación de concentración solar (CSP), realiza así la recuperación del calor residual total mediante un ciclo Rankine de fluido orgánico (ORC). The integrated procedure for the generation of electrical energy by combining the recovery of residual heat from a clinker production facility and the heat recovery from a solar concentration installation (CSP), thus performs the recovery of total residual heat by a Rankine cycle of organic fluid (ORC).

Más detalladamente se instala un intercambiador de calor de haz de tubos de modo que intercepte el flujo de los gases del horno y retire el calor residual de los gases de proceso mediante el calentamiento de aceite diatérmico. El aceite calentado transporta el calor recuperado de los gases de proceso a una instalación de producción de energía eléctrica basada en un ciclo Rankine de fluido orgánico (ORC). In more detail a tube bundle heat exchanger is installed so that it intercepts the flow of the furnace gases and removes residual heat from the process gases by heating diathermic oil. The heated oil transports the heat recovered from the process gases to an electrical energy production facility based on a Rankine cycle of organic fluid (ORC).

La integración de la instalación solar CSP en el circuito del fluido de transporte se realiza mediante la etapa b) del procedimiento descrito anteriormente, estos es, con la desviación de una determinada cantidad de aceite del circuito principal. The integration of the CSP solar installation in the transport fluid circuit is carried out by step b) of the procedure described above, that is, with the deviation of a certain amount of oil from the main circuit.

En el circuito principal, que lleva el aceite caliente al sistema ORC, si prevé una ramificación con una cañería que dirige parte del flujo de aceite diatérmico al campo solar. El flujo de aceite diatérmico desviado, está comprendido entre 30 al 50% en volumen respecto al flujo principal de aceite diatérmico y se regula en función de la cantidad de calor generado a partir de los módulos solares. In the main circuit, which brings the hot oil to the ORC system, if it provides a branch with a pipe that directs part of the flow of diathermic oil to the solar field. The diverted diathermic oil flow is between 30 and 50% by volume with respect to the main diathermic oil flow and is regulated according to the amount of heat generated from the solar modules.

Una bomba de velocidad variable permite regular el flujo de modo que no supere la temperatura máxima admisible del aceite, que en el caso aquí ejemplificado es igual a 300°C. A variable speed pump allows the flow to be regulated so that it does not exceed the maximum permissible oil temperature, which in the case exemplified here is equal to 300 ° C.

La transferencia de calor del CSP al aceite se realiza mediante un intercambiador de calor de haz de tubos suplementario, en el que el aceite circula por el lado de los tubos y el fluido diatérmico por el lado de la carcasa. El fluido diatérmico que ha cedido calor al aceite, sale del intercambiador de calor y vuelve nuevamente a los módulos solares. El aceite, que se calienta a costa del calor solar, vuelve a entrar en el circuito principal a una temperatura superior. The heat transfer from the CSP to the oil is carried out by means of a supplementary tube bundle heat exchanger, in which the oil circulates on the side of the tubes and the diathermic fluid on the side of the housing. The diathermic fluid that has given heat to the oil, leaves the heat exchanger and returns again to the solar modules. The oil, which is heated at the expense of solar heat, re-enters the main circuit at a higher temperature.

El calor generado a partir de los módulos solares se suma así al calor recuperado de los gases de proceso procedentes de la línea de producción de clínker, contribuyendo a aumentar la producción de energía eléctrica y la eficiencia global de la transformación del calor en energía eléctrica. The heat generated from the solar modules is thus added to the heat recovered from the process gases from the clinker production line, contributing to increase the production of electrical energy and the overall efficiency of the transformation of heat into electrical energy.

La particularidad de la tecnología CSP para generar calor a alta temperatura se utiliza para mejorar el rendimiento del proceso de transformación del calor en energía eléctrica. The particularity of CSP technology for generating high temperature heat is used to improve the performance of the process of transformation of heat into electrical energy.

En general, la eficiencia de la generación de energía se ve afectada por el nivel de temperatura a la que se pone a disposición el calor residual del proceso industrial. En principio, cuanto más baja es la temperatura de la fuente de calor residual, más baja es la eficiencia de la transformación. Con la disponibilidad de una fuente de calor de aproximadamente 600°C, como la de las instalaciones CSP más avanzadas, el rendimiento termodinámico puede mejorarse notablemente, respecto a una generación que aprovecha exclusivamente el calor residual de una instalación de producción de clínker, llegando hasta valores próximos al 18/20%. In general, the efficiency of power generation is affected by the temperature level at which the residual heat of the industrial process is made available. In principle, the lower the temperature of the residual heat source, the lower the efficiency of the transformation. With the availability of a heat source of approximately 600 ° C, such as that of the most advanced CSP installations, the thermodynamic performance can be significantly improved, compared to a generation that uses exclusively the residual heat of a clinker production facility, reaching up to values close to 18/20%.

La presente invención se refiere también a un aparato para la implementación del procedimiento integrado según la presente invención. The present invention also relates to an apparatus for implementing the integrated method according to the present invention.

En particular, el procedimiento integrado y el aparato según la presente invención permiten optimizar tal recuperación de calor residual del proceso y de calor procedente de la instalación solar, llevando a un mayor incremento de la eficacia global del sistema integrado, respecto a la simple suma de las dos recuperaciones. In particular, the integrated process and the apparatus according to the present invention make it possible to optimize such recovery of residual heat from the process and heat from the solar installation, leading to a greater increase in the overall efficiency of the integrated system, with respect to the simple sum of The two recoveries.

Un objetivo ulterior de la presente invención es proporcionar un aparato para la generación de energía eléctrica mediante la integración de un sistema para la recuperación de calor residual de los gases de proceso de una instalación para la producción de clínker y de un sistema para la recuperación de calor de una instalación para la concentración solar (CSP), caracterizado porque dicho aparato prevé un ciclo Rankine para la recuperación del calor residual de los gases de proceso en el que el fluido de transporte del ciclo Rankine se envía al sistema para la recuperación de calor de una instalación para la concentración solar (CSP). A further objective of the present invention is to provide an apparatus for the generation of electrical energy by integrating a system for the recovery of waste heat from the process gases of a clinker production facility and a system for the recovery of heat of a facility for solar concentration (CSP), characterized in that said apparatus provides a Rankine cycle for the recovery of waste heat from process gases in which the transport fluid of the Rankine cycle is sent to the system for heat recovery of a facility for solar concentration (CSP).

El procedimiento integrado y el aparato según la presente invención están representados en la figura 1. The integrated process and the apparatus according to the present invention are represented in Figure 1.

La figura 1 es una representación esquemática del proceso y el aparato según la presente invención. Figure 1 is a schematic representation of the process and the apparatus according to the present invention.

Con referencia a la figura 1, en el circuito 1 principal, que lleva el aceite caliente del intercambiador de calor 2 al sistema 3 ORC, se prevé una cañería 4 que dirige parte del flujo de aceite caliente al intercambiador de calor de haz de tubos y carcasa 5 del sistema CSP. Una bomba de velocidad variable (no mostrada en la figura 1) permite regular el flujo de modo que no se supere la temperatura máxima admisible del aceite. With reference to figure 1, in the main circuit 1, which carries the hot oil from the heat exchanger 2 to the ORC system 3, a pipe 4 is provided that directs part of the hot oil flow to the tube bundle heat exchanger and Case 5 of the CSP system. A variable speed pump (not shown in figure 1) allows the flow to be regulated so that the maximum permissible oil temperature is not exceeded.

La transferencia de calor de los gases de proceso procedentes de la instalación para la producción de clínker al aceite se realiza, como se ha mencionado, mediante el intercambiador de calor de haz de tubos 2, en el que el aceite circula por el lado de los tubos y los gases de proceso por el lado de la carcasa. Más detalladamente los gases calientes se alimentan en 6, ceden calor al aceite y salen a través de la línea 7 del intercambiador de calor 2. El aceite frío, introducido en el intercambiador a una temperatura de aproximadamente 120/140°C en 8, cale ntado a costa del calor de los gases de proceso, se envía a una temperatura de aproximadamente 220/240°C al circuito 1 principal del aceite. The heat transfer of the process gases from the clinker production facility to the oil is carried out, as mentioned, by means of the tube bundle heat exchanger 2, in which the oil circulates on the side of the pipes and process gases from the side of the housing. In more detail the hot gases are fed in 6, give heat to the oil and exit through line 7 of the heat exchanger 2. The cold oil, introduced into the exchanger at a temperature of approximately 120/140 ° C in 8, cale At the expense of the heat of the process gases, it is sent at a temperature of approximately 220/240 ° C to the main oil circuit 1.

La transferencia de calor del sistema CSP al aceite se realiza también mediante un intercambiador de calor de haz de tubos 5 suplementario, en el que el aceite circula por el lado de los tubos y el fluido diatérmico por el lado de la carcasa. El fluido diatérmico, que entra a través de la línea 9, cede calor al aceite, sale a través de la línea 10 del intercambiador de calor 5 y vuelve de nuevo a los módulos solares. El aceite, que se calienta a costa del calor solar, vuelve a entrar mediante la línea 11 en el circuito principal del aceite 1 a una temperatura superior. The heat transfer from the CSP system to the oil is also carried out by means of a supplementary tube bundle heat exchanger 5, in which the oil circulates on the side of the tubes and the diathermic fluid on the side of the housing. The diathermic fluid, which enters through line 9, gives heat to the oil, exits through line 10 of the heat exchanger 5 and returns again to the solar modules. The oil, which is heated at the cost of solar heat, re-enters via line 11 in the main circuit of oil 1 at a higher temperature.

Con el objetivo de ilustrar mejor la invención se proporciona el siguiente ejemplo que ha de considerarse con fines ilustrativos y no limitativos de la misma. In order to better illustrate the invention, the following example is provided which is to be considered for illustrative and non-limiting purposes thereof.

Ejemplo 1 Example 1

Integración CSP/ORC -Ejemplo numérico realizado en el establecimiento de Ait Baha CSP / ORC integration -Numerical example carried out in the establishment of Ait Baha

En la instalación para la producción de clínker situada en Ait Baha, la línea de producción de clínker está dotada de un sistema de recuperación del calor residual de la torre de ciclones y de un sistema de generación de energía eléctrica. In the clinker production facility located in Ait Baha, the clinker production line is equipped with a waste heat recovery system for the cyclone tower and an electric power generation system.

Concretamente se ha empleado aceite diatérmico para transferir el calor residual de los gases de proceso a la instalación de generación, utilizando la tecnología OCR para la producción de energía. Specifically, diathermic oil has been used to transfer the residual heat of the process gases to the generation facility, using OCR technology for energy production.

El aceite diatérmico se ha hecho circular en un caudal volumétrico de 180 m3/h (correspondiente a un caudal másico de 46 kg/s) y su temperatura máxima a la salida del intercambiador de proceso es igual a aproximadamente 220°C. The diathermic oil has been circulated at a volumetric flow rate of 180 m3 / h (corresponding to a mass flow rate of 46 kg / s) and its maximum temperature at the outlet of the process exchanger is equal to approximately 220 ° C.

Por tanto el aceite a la entrada del sistema OCR está a una temperatura de aproximadamente 220°C, mientras que a la salida del sistema OCR está a una temperatura de aproximadamente 120°C. Therefore the oil at the inlet of the OCR system is at a temperature of approximately 220 ° C, while at the outlet of the OCR system it is at a temperature of approximately 120 ° C.

Cuando la línea de producción de clínker trabaja a su capacidad nominal igual a 5000 t/día, la potencia térmica recuperable es equivalente a aproximadamente 12000 kW. En tal régimen, el máximo resultado neto del sistema de generación es igual a 1200 kW eléctricos con una eficiencia neta global del 10%. When the clinker production line works at its nominal capacity equal to 5000 t / day, the recoverable thermal power is equivalent to approximately 12,000 kW. In such a regime, the maximum net result of the generation system is equal to 1200 kW of electricity with an overall net efficiency of 10%.

A fin de integrar la instalación CSP en el circuito principal y así poder llegar a aprovechar la capacidad marginal del ORC, un flujo de 60 m3/h de aceite a 220°C se ha desviado del circuito principal y se ha enviado a un intercambiador de calor adecuado para transferir el calor generado de la instalación solar al aceite. Para evitar el sobrecalentamiento del aceite y facilitar el funcionamiento del sistema, la instalación solar está dotada de un acumulador de calor adaptado para acumular calor durante el día y liberarlo durante la noche. In order to integrate the CSP installation into the main circuit and thus be able to take advantage of the marginal capacity of the ORC, a flow of 60 m3 / h of oil at 220 ° C has been diverted from the main circuit and sent to a heat exchanger. adequate heat to transfer the heat generated from the solar installation to the oil. To avoid overheating the oil and facilitate the operation of the system, the solar system is equipped with a heat accumulator adapted to accumulate heat during the day and release it during the night.

En la estación veraniega (de abril a octubre) la producción de la central solar durante el periodo de máxima radiación, es decir, de las 8.00 a las 18.00 (10 horas), equivale a una potencia térmica media de 3000 kW. In the summer season (from April to October) the production of the solar power plant during the period of maximum radiation, that is, from 8.00 to 18.00 (10 hours), is equivalent to an average thermal power of 3000 kW.

Considerando que una parte del calor generado se acumula en el acumulador de calor y regulando el proceso para mantener constante la cantidad de calor transferido al aceite durante las 24 horas, se obtiene una potencia térmica media intercambiada de manera continua igual a 1250 kW, obtenida como la cantidad total generada multiplicando la potencia media de la radiación igual a 3000 kW por las 10 horas medias de radiación: Considering that a part of the heat generated is accumulated in the heat accumulator and regulating the process to keep constant the amount of heat transferred to the oil during the 24 hours, an average thermal power exchanged continuously is equal to 1250 kW, obtained as the total amount generated by multiplying the average radiation power equal to 3000 kW by the average 10 hours of radiation:

3000 x 10 = 30.000 kWh de energía recuperada. 3000 x 10 = 30,000 kWh of recovered energy.

Repartiendo tal energía en el arco de las 24 horas, lo que es posible porque se dispone de un acumulador de calor de dimensiones adecuadas, la potencia media transferida al aceite equivale al total de la energía almacenada 30.000 kWh/24 horas = 1250 kW. Spreading such energy in the 24-hour arc, which is possible because a heat accumulator of adequate dimensions is available, the average power transferred to the oil equals the total stored energy 30,000 kWh / 24 hours = 1250 kW.

Por tanto considerando el flujo de 60 m3/h equivalente a 15 kg/s de aceite a 220°C, la potencia térmica media de 1250 kW y el calor específico medio del aceite igual a 2,6 kJ/kg °C, se obtiene un aumento de la temperatura d el aceite de 32°C (1250/(15x2,6). Therefore considering the flow of 60 m3 / h equivalent to 15 kg / s of oil at 220 ° C, the average thermal power of 1250 kW and the average specific heat of the oil equal to 2.6 kJ / kg ° C, it is obtained an increase in oil temperature of 32 ° C (1250 / (15x2.6).

El aceite de vuelta al circuito principal a 252°C ( 220+32) se ha mezclado por tanto con el aceite a 220°C y el resultado final es un increment o global de la temperatura del aceite antes de la entrada en el sistema ORC. The oil back to the main circuit at 252 ° C (220 + 32) has therefore been mixed with the oil at 220 ° C and the final result is an overall increase in the oil temperature before entering the ORC system .

Considerando que se ha derivado aproximadamente 1/3 del caudal del aceite, el efecto global de la operación es aumentar la temperatura media del aceite en 10°C: en conclusión, el aceite se ha llevado a una temperatura de aproximadamente 230°C (220+10). Considering that approximately 1/3 of the oil flow has been derived, the overall effect of the operation is to increase the average oil temperature by 10 ° C: in conclusion, the oil has been brought to a temperature of approximately 230 ° C (220 +10).

El efecto combinado del calor adicional recuperado a partir del CSP y el aumento de temperatura al entrar en el sistema de generación permiten aumentar la producción de energía y la eficiencia global del ciclo termodinámico. The combined effect of the additional heat recovered from the CSP and the increase in temperature when entering the generation system allow to increase energy production and the overall efficiency of the thermodynamic cycle.

Según las estimaciones efectuadas, el calor total transferido al sistema de generación de energía es igual a aproximadamente 13.156 kW y la eficiencia global pasa del 10 al 12%, generando así una cantidad neta de 1580 kW de potencia eléctrica (aproximadamente el 30% más). According to the estimates made, the total heat transferred to the power generation system is equal to approximately 13,156 kW and the overall efficiency goes from 10 to 12%, thus generating a net amount of 1580 kW of electrical power (approximately 30% more) .

Las figuras 2 y 3 reproducen un esquema del proceso con los números anteriormente señalados en relación con la recuperación de calor residual de los gases de proceso, respectivamente sin y con integración de la recuperación de calor procedente de la instalación CSP. Figures 2 and 3 reproduce a schematic of the process with the numbers indicated above in relation to the recovery of residual heat from the process gases, respectively without and with integration of the heat recovery from the CSP installation.

Más detalladamente, en la figura 2, los gases de proceso se alimentan, a través de la línea 12, a 320°C en 2, donde se produce una recupe ración térmica de los gases de proceso igual a P=12650 kW. El aceite caliente que sale de 2, se envía a través de la línea 1 al intercambiador de calor del sistema ORC 15, en el que tiene lugar una recuperación térmica igual a P=12000 kW. El fluido de transporte que sale de 15 se envía, a través de la línea 16, al generador de energía del sistema ORC 17, obteniendo en 18 una potencia eléctrica neta igual a 1200 kW, con una eficiencia neta global igual al 10%. In more detail, in figure 2, the process gases are fed, through line 12, at 320 ° C in 2, where a thermal recovery of the process gases equal to P = 12650 kW occurs. The hot oil leaving 2 is sent through line 1 to the heat exchanger of the ORC 15 system, in which a thermal recovery equal to P = 12000 kW takes place. The transport fluid leaving 15 is sent, via line 16, to the ORC system power generator 17, obtaining in 18 a net electric power equal to 1200 kW, with a global net efficiency equal to 10%.

El balance térmico del proceso referido en la figura 2 es el siguiente: The thermal balance of the process referred to in Figure 2 is as follows:

calor total disponible total heat available: 12650 kW 12650 kW

calor recuperado heat recovered: 11960 kW 11960 kW

disipación dissipation: 690 kW. 690 kW

En la figura 3, los gases de proceso se alimentan, a través de la línea 12, a 320°C en 2, donde se produce una recuperación térmica de los gases de proceso igual a P=12650 kW. Una parte del aceite caliente que sale de 2 se envía, a través de la línea 4, al intercambiador de calor del sistema CSP 5, en el que tiene lugar una recuperación térmica igual a P=1250 kW. El aceite que sale de 5, posteriormente calentado a 252°C, se reúne con una parte del aceite caliente que sale de 2, enviada a través de la línea 1, y la mezcla se envía, a través de la línea 11, al intercambiador de calor del sistema ORC In figure 3, the process gases are fed, through line 12, at 320 ° C in 2, where a thermal recovery of the process gases equal to P = 12650 kW occurs. A part of the hot oil leaving 2 is sent, via line 4, to the heat exchanger of the CSP 5 system, in which a thermal recovery equal to P = 1250 kW takes place. The oil leaving 5, subsequently heated to 252 ° C, is combined with a part of the hot oil leaving 2, sent through line 1, and the mixture is sent, through line 11, to the exchanger ORC system heat

15. El fluido de transporte que sale de 15 se envía, a través de la línea 16, al generador de energía del sistema ORC 17, obteniendo en 18 una potencia eléctrica neta igual a 1580 kW, con una eficiencia neta global igual al 12%. 15. The transport fluid leaving 15 is sent, via line 16, to the ORC system power generator 17, obtaining in 18 a net electric power equal to 1580 kW, with a global net efficiency equal to 12% .

El balance térmico del proceso referido en la figura 3 es el siguiente: The thermal balance of the process referred to in Figure 3 is as follows:

calor total disponible 13900 kW calor recuperado 13156 kW disipación 744 kW. total heat available 13900 kW heat recovered 13156 kW dissipation 744 kW.

Claims

1. Integrated procedure for the generation of electrical energy by integrating the recovery of waste heat from an installation for clinker production and heat recovery from a facility for solar concentration (CSP), characterized in that it provides for the following stages :

a) recover the residual heat of the process gases by passing the process gases through a heat exchanger that feeds a Rankine cycle, in which the transport fluid is diathermic oil;

b) a part of the transport fluid used in step a) is diverted and contacted with a diathermic fluid from the facility operating according to CSP technology;

c) said part of the transport fluid from stage b), at an increased temperature, is forwarded to the waste heat recovery system of the process gases.

2. 2.: Procedimiento integrado según la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa b) la parte del fluido de transporte empleado en la etapa a), que se desvía y se pone en contacto con el fluido diatérmico procedente de la instalación que opera según la tecnología CSP, está comprendida entre el 30 y el 50% en volumen respecto al flujo principal del fluido de transporte. Integrated method according to claim 1, characterized in that in stage b) the part of the transport fluid used in stage a), which is diverted and is brought into contact with the diathermic fluid from the installation operating according to CSP technology, It is between 30 and 50% by volume with respect to the main flow of the transport fluid.

3. 3.: Procedimiento integrado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el flujo del fluido de transporte es regulado, de manera que no se supere la temperatura máxima admisible del aceite. Integrated process according to any of the preceding claims, characterized in that the flow of the transport fluid is regulated, so that the maximum permissible oil temperature is not exceeded.

4. Four.: Aparato para la generación de energía eléctrica mediante la integración de un sistema para la recuperación de calor residual de los gases de proceso de una instalación para la producción de clínker y de un sistema para la recuperación de calor de una instalación para la concentración solar (CSP), caracterizado porque dicho aparato prevé un ciclo Rankine para la recuperación del calor residual de los gases de proceso, en el que el fluido de transporte del ciclo Rankine se envía al sistema para la recuperación de calor de una instalación para la concentración solar (CSP). Apparatus for generating electrical energy by integrating a system for the recovery of residual heat from the process gases of a clinker production facility and a system for the recovery of heat from a solar concentration installation (CSP ), characterized in that said apparatus provides a Rankine cycle for the recovery of waste heat from process gases, in which the transport fluid of the Rankine cycle is sent to the system for heat recovery of a solar concentration facility (CSP ).

5. 5.: Aparato según la reivindicación 4, caracterizado porque que el ciclo Rankine para la recuperación del calor residual de los gases de proceso es un ciclo ORC. Apparatus according to claim 4, characterized in that the Rankine cycle for the recovery of residual heat from the process gases is an ORC cycle.