ES2693279T3 - Método e instalación para la reducción de partículas de cenizas volantes por combustión rápida - Google Patents

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César Alberto SOSA BLANCO
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Abstract

Un método para la reducción de partículas de cenizas volantes, el método que comprende: - determinar el valor calorífico de las partículas de cenizas volantes; - comparar el valor calorífico determinado de las partículas de cenizas volantes con un valor calorífico mínimo K en el intervalo de 600 a 1000 cal/g; - alimentar una entrada ubicada en la parte inferior de una cámara de combustión rápida vertical (5) con un material de alimentación que comprende las partículas de cenizas volantes y, en caso de que el valor calorífico determinado sea más bajo que el valor calorífico mínimo K, introducir combustible en cantidad suficiente para asegurar que el valor calorífico del material de alimentación es mayor o igual que el valor calorífico mínimo K; - suministrar un flujo de aire corriente arriba desde los medios (9) de dicha cámara de combustión rápida vertical (5), a una velocidad que oscila entre 1 metro/segundo y 3 metros/segundo, para transportar el material de alimentación en suspensión desde la entrada ubicada en la parte inferior de dicha cámara de combustión rápida vertical (5) a una salida ubicada en la parte superior de dicha cámara de combustión rápida vertical (5), con un tiempo de residencia del material en la cámara de combustión rápida (5) que oscila de 5 a 20 segundos, - operar dicha cámara de combustión rápida vertical (5) a una temperatura de al menos 700 °C pero inferior a 900 °C; - recoger partículas de cenizas volantes reducidas del flujo de aire en la salida ubicada en la parte superior de dicha cámara de combustión rápida vertical (5).

Description

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DESCRIPCION
Metodo e instalacion para la reduccion de partfculas de cenizas volantes por combustion rapida Campo de la invencion
La invencion se refiere en general a metodos e instalaciones para la reduccion de cenizas volantes carbonosas.
Las cenizas volantes son un subproducto derivado de la combustion de carbon en plantas de calderas y similares, producidas en cantidades muy grandes en las centrales electricas de energfa electrica de carbon en todo el mundo. El carbon pulverizado se introduce a las plantas de calderas donde se quema este carbon, produciendo asf dos tipos de cenizas: una ceniza ligera "volante" finamente dividida que se arrastra en suspension en los productos gaseosos de combustion y una ceniza mas pesada "de fondo" que cae a la parte inferior de la camara de combustion y se retira de allf Las cenizas volantes pueden separarse de la corriente de gas de combustion arrastrada por un precipitador electrostatico o un colector mecanico mas un precipitador electrostatico en serie.
Qmmicamente, las cenizas volantes contienen una mezcla heterogenea de oxidos de hierro, silicio, aluminio y calcio y normalmente el 5 % o mas de carbono. Ffsicamente, la ceniza volante es un material particulado extremadamente fino y liviano. Como ejemplo, mas del 95 % en peso de cenizas volantes pasa una pantalla de malla 100 y mas del 60 % en peso pasa una pantalla de malla 325.
Las cenizas volantes se pueden utilizar para una variedad de fines. Principalmente, se usa como sustituto o aditivo para el cemento en el hormigon de cemento Portland. De hecho, las caractensticas puzolanicas de las cenizas volantes lo califican como un sustituto del cemento Portland en la fabricacion de hormigon. Algunas de las ventajas atribuidas a dichas cenizas volantes como aditivo para hormigon incluyen una mayor vida util de la estructura del hormigon, mejores caractensticas de flujo y bombeo del hormigon, mejor trabajabilidad y capacidad de acabado, y una disminucion en la cantidad de agua requerida en la mezcla de hormigon. Ademas, sustituir el cemento Portland con cenizas volantes en el cemento o en el hormigon reduce la huella ambiental en comparacion con una aplicacion basada en el cemento Portland al 100 %, ya que la produccion de cemento libera CO2.
Algunas cenizas volantes que se pueden recolectar tienen un contenido de carbono (medido por la Perdida durante la ignicion (Loss on Ignition-LOI)) de aproximadamente el 0,5 al 4 %. Estas cenizas pueden venderse como aditivo mineral aceptable para su uso en hormigon de cemento Portland segun los estandares establecidos en la norma ASTM C-618-92a, que limita la LOI maxima para las clases F y C de cenizas volantes al 6 %.
Sin embargo, no todas las cenizas volantes poseen un contenido de carbono tan bajo como para pasar los estandares provistos en la norma ASTM C-618. Estas partfculas de cenizas volantes no conformes tienen un contenido de LOI superior al 6 %, a veces del orden del 6 % al 20 % y no pueden utilizarse como sustituto de una porcion de cemento Portland. De hecho, la presencia de partfculas de carbon sin quemar en las cenizas volantes de la combustion del carbon afecta adversamente la capacidad de las cenizas volantes para poder usarlas como aditivos en el hormigon.
El aire se atrapa naturalmente en el hormigon a traves de la accion de plegado y cizallamiento de la mezcla de la pasta de cemento durante la operacion de procesamiento por lotes o mezcla de hormigon. Sin embargo, se ha demostrado que las cenizas volantes con alto contenido de carbon causan una reduccion indeseable en el aire arrastrado en el hormigon porque el carbon no quemado en las cenizas volantes tiene una amplia distribucion de tamanos de partfculas que oscilan desde partfculas de carbono amorfo de carbon grueso (> 75 pm) hasta hollm muy fino (= 40 nm) que tienen un area espedfica muy alta (Gao, Y. M., H. S. Shim, et al., "Effects of Carbon on Air Entrainment in Fly Ash Concrete: Role of Soot and Carbon Black", Energy & Fuels 11, 457, 1997). Por lo tanto, la durabilidad del hormigon para los ciclos de congelacion y descongelacion que dependen de su nivel de arrastre de aire se ve afectada negativamente por la presencia de carbono sin quemar. Por lo tanto, la presencia de carbono altera significativamente la consistencia y la cantidad de aire arrastrado en una mezcla de hormigon en la que se ha usado ceniza volante como sustituto del cemento Portland.
Ademas, las cenizas volantes con alto contenido de carbono proporcionan una apariencia de superficie aceitosa u oscura sobre las superficies de hormigon terminadas, ya que el carbono flota en la superficie durante el acabado y el uso de cenizas volantes con alto contenido de carbono requiere una mayor adicion de agua y la necesidad de incorporar mayores cantidades de agente de atrapamiento de aire en el hormigon.
Ademas, en algunos casos, las cenizas volantes con alto contenido de carbono pueden mostrar una reduccion en la reactividad puzolanica deseable.
Por lo tanto, es necesario procesar las cenizas volantes en bruto para reducir la cantidad de carbono sin quemar al valor mmimo, incluso por debajo de los niveles indicados por las regulaciones o los organismos normativos.
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Antecedentes de la invencion
Con el fin de maximizar la aplicacion comercial de cenizas volantes de combustion de carbon como componente en la fabricacion de hormigon, se han desarrollado muchos metodos para eliminar las partfculas de carbono de las cenizas volantes, reduciendo asf los inconvenientes relacionados con la presencia de cantidades indeseables de carbono.
Dichos metodos para eliminar partfculas de carbono suelen utilizar medios basados en la flotacion por espuma (vease patente US 6.068.131), distribucion del tamano de partfcula (patente US5996808) o tecnicas electrostaticas (veanse patentes US5938041, JP2004243154A, JP2005279489A). Sin embargo, aunque estos metodos pueden ser apropiados para reducir el contenido de carbono de las cenizas volantes reducidas con el fin de cumplir con las especificaciones para su aplicacion en cemento o hormigon, no permiten reducir el contenido de carbono a un valor tan bajo (por ejemplo, menos del 2 %) como para asegurar que los sistemas de hormigon no se vean afectados negativamente por las partfculas de carbono restantes. Ademas, estas tecnicas son bastante caras en terminos de inversion y producen costes operativos elevados (energfa, procesamiento previo y posterior).
Se han descrito varios metodos de combustion para eliminar el carbono de las cenizas volantes (veanse patentes US 5390611, US 2004231566, US 2006180060). Uno de los metodos de combustion mas utilizados es la quema de carbono usando lechos fluidizados (veanse patentes US 5.399.194, US 5.160.539, US 2008075647, US 2008173217 o WO 2007097745). Sin embargo, este metodo presenta los siguientes inconvenientes. Los lechos fluidizados no pueden mantener las condiciones de fluidizacion sin que se transporten las partfculas finas. Por lo tanto, dichos metodos requieren un sistema adicional para capturar las pequenas partfculas en la parte superior del equipo de recoleccion normal y existen restricciones con respecto a la distribucion del tamano de la partfcula de cenizas volantes a reducir con dichos metodos, de modo que el numero de partfculas pequenas arrastradas sea limitado.
Ademas, cuando se usa un lecho de burbujeo, el control de la temperatura del bano de burbujas tiene la consecuencia de fundir parcialmente las partfculas de cenizas volantes cuando las temperaturas aumentan demasiado. Un tiempo de residencia muy alto a una temperatura elevada puede danar las partfculas de cenizas volantes vttrea, lo que resulta en una sinterizacion o aglomeracion parcial, lo que disminuye la calidad del producto final reducido o requiere procesos posteriores como la trituracion o molienda que aumentan la complejidad y los costes de proceso. La reduccion de la temperatura del lecho puede evitar el problema del sobrecalentamiento, pero limita la combustion de las partfculas de carbono y da como resultado que las cenizas volantes tengan todavfa una LOI elevada. A veces, las temperaturas del lecho se controlan mediante un circuito de recirculacion de partfculas de cenizas volantes reducidas para evitar que las temperaturas aumenten demasiado. Sin embargo, dicho circuito de recirculacion aumenta la complejidad tecnica de la instalacion. Ademas, las partfculas de cenizas volantes que tienen un bajo valor calonfico son casi imposibles de tratar con esas tecnicas.
La mayona de estos problemas estan relacionados con el uso de lechos fluidizados, ya que se puede producir la sinterizacion de las partfculas debido al sobrecalentamiento importante y local incluso a una temperatura general mas baja del lecho cuando ocurre la autocombustion.
Ademas, la patente GB 1.577.234 describe un metodo y una instalacion para tratar las cenizas volantes para la produccion de ladrillos. Las partfculas de cenizas volantes precalentadas se inyectan en una camara de combustion en la que una corriente de aire las arrastra hacia arriba. El tiempo medio de residencia de las partfculas de cenizas volantes es de aproximadamente 5 segundos. La combustion de las partfculas de cenizas volantes es, por tanto, una combustion rapida. El polvo de carbono se inyecta en la camara de combustion tan pronto como el contenido de carbono de las partfculas de ceniza cae por debajo del 3 %.
Sin embargo, el metodo no permite asegurar la combustion espontanea de todo el carbono presente en las partfculas de cenizas volantes. Ademas, la estrategia de control de la temperatura de la camara de combustion no permite evitar el sobrecalentamiento total de las cenizas volantes y las partfculas de cenizas volantes asf obtenidas tienen propiedades modificadas y calidad reducida. De hecho, la temperatura en la camara de combustion no se controla con precision. Como ejemplo, el caudal de las cenizas volantes y/o el caudal del carbono no se controlan ni se utilizan para controlar la temperatura de la camara de combustion. Ademas, el balance de energfa del sistema se controla midiendo la temperatura fuera de la camara de combustion, en el conducto de descarga, y no garantiza que algunas partes del reactor tengan una temperatura mas baja, lo que provoca un aumento del contenido de carbono en las partfculas de cenizas volantes reducidas o una mayor temperatura que provoca el sobrecalentamiento de las cenizas volantes. Por otra parte, las partfculas gruesas de carbono se depositan en el fondo conico de la camara de combustion, en la que comienzan a quemarse, causando el problema de aumentar la temperatura y formar partfculas fundidas de cenizas volantes.
Ademas, la cantidad de aire inyectado a la camara de combustion es la cantidad estequiometrica. Por lo tanto, cualquier variacion en el contenido de carbono puede producir una combustion incompleta, que puede generar monoxido de carbono. El equipo de postcombustion esta ubicado a la salida del tubo de combustion para completar la oxidacion del carbono a dioxido de carbono. Sin embargo, esta etapa de postcombustion es peligrosa debido a las condiciones explosivas de producir monoxido de carbono.
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El documento EP 0.227.196 A2 describe un proceso para la gasificacion de carbon para producir gas de smtesis.
El documento US 6.755.901 B1 describe un metodo y un aparato para la aplicacion de batido para eliminar compuestos de amomaco de las cenizas volantes, lo que convierte a las cenizas volantes en un producto comercializable.
El documento US 2004/0033184 A1 describe un metodo para eliminar el carbono de las cenizas volantes.
Sumario de la invencion
Por consiguiente, el objetivo de la invencion es remediar los inconvenientes anteriores proporcionando un metodo de bajo coste para la reduccion de las cenizas volantes que permite obtener partmulas de cenizas volantes que tienen menos del 1 % de perdida de ignicion sin modificar su fase mineralogica.
Para lograr estos objetivos, un primer aspecto de la invencion se refiere a un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 1.
Por lo tanto, utilizando este metodo en el que las partmulas de carbono se queman en una suspension que fluye hacia arriba a una temperatura de al menos 700 °C, se pueden producir partmulas de cenizas volantes que estan practicamente libres de carbono sin modificar las fases mineralogicas, y la morfologfa de las partmulas de cenizas volantes. Ademas, el metodo es particularmente eficiente porque el valor calonfico del material de alimentacion se ajusta para asegurar la combustion espontanea del carbono presente en las partmulas de cenizas volantes.
El valor calonfico puede determinarse utilizando tecnicas calorimetricas o midiendo la cantidad de carbono presente en las cenizas volantes en bruto. La medicion del valor calonfico y/o el contenido de azufre o ambos contenidos se pueden realizar por lotes en base a muestras estadfsticas o en lmea. El valor calonfico mmimo K esta en el intervalo de 600 a 1000 cal/g. De este modo, se completa la combustion y se evita el sobrecalentamiento de las cenizas volantes.
Ventajosamente, la etapa para determinar el valor calonfico comprende medir los contenidos de carbono y azufre de las partmulas de cenizas volantes. Por lo tanto, el valor calonfico se determina con precision. Los contenidos de carbono y azufre tambien pueden medirse utilizando tecnicas de perdida de ignicion o de combustion combinadas con analisis infrarrojo que son equipos comerciales convencionales de control de calidad. Ambos tipos de analisis se pueden usar en lmea o en base a muestras representativas.
Ventajosamente, el combustible es carbon.
Preferiblemente, el carbon se muele a un tamano de partmulas promedio en el intervalo de 50 a 200 micrometres. Por lo tanto, el carbon es transportado por el flujo de aire con las partreulas de cenizas volantes a traves de la camara de combustion rapida.
La temperatura media en la camara de combustion se mide y se controla entre 700 y 800 °C. Por lo tanto, se produce una reaccion completa de combustion del carbon en la camara de combustion sin sobrecalentamiento de las partreulas de cenizas volantes.
Ventajosamente, la temperatura de la camara de combustion se controla regulando el caudal del material de alimentacion y/o regulando el valor calonfico mmimo K. Por lo tanto, la temperatura de la camara de combustion se controla con precision.
De acuerdo con una realizacion preferida, la temperatura promedio en la camara de combustion se controla modificando el caudal de aire en la entrada de la camara de combustion, en los casos en que las partreulas de cenizas volantes tienen un valor calonfico superior a 1300 cal/g. Por lo tanto, la temperatura se controla para evitar la produccion de cenizas volantes sinterizadas. El caudal del flujo de aire suministrado a la camara de combustion se controla de modo que el tiempo de residencia promedio del material de alimentacion en la camara de combustion se encuentre entre aproximadamente 5 a 20 segundos. Por lo tanto, la reaccion de combustion es una combustion rapida tambien llamada "combustion rapida", que es eficiente para quemar el carbono sin sobrecalentamiento de las partreulas de cenizas volantes.
Preferiblemente, el caudal del flujo de aire y/o el caudal del material de alimentacion se controlan, ya que el aire es al menos un 30 % superior a la cantidad estequiometrica de aire para la oxidacion de carbono a dioxido de carbono. Por lo tanto, la combustion es completa y no genera monoxido de carbono, que es un gas altamente toxico.
La velocidad del flujo de aire a traves de la camara de combustion oscila de 1 metro/segundo a 3 metros/segundo para asegurar que las partreulas de cenizas volantes se arrastren hacia arriba a traves de la camara de combustion y que las partreulas de cenizas volantes permanezcan durante un corto penodo de tiempo en la camara de combustion.
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De acuerdo con una realizacion preferida, el flujo de aire se precalienta a una temperatura en el intervalo de 400 a 600 °C antes de suministrarse a la camara de combustion para asegurar el autoencendido de las partfculas de carbono. Preferiblemente, el flujo de aire se precalienta mediante un intercambio de calor con el flujo de aire que sale de la camara de combustion, antes de suministrarse a la camara de combustion. Por lo tanto, el metodo tiene un menor consumo de energfa y, por lo tanto, tiene un menor coste operativo.
Normalmente, las partfculas de cenizas volantes tienen una distribucion de tamano de partfcula representada por una d50 en el intervalo de 50 a 200 micrometros. Por lo tanto, la mayona de las partfculas de cenizas volantes son transportadas por el flujo de aire corriente arriba a su debido tiempo a traves de la camara de combustion y la cantidad de material recolectado en el fondo de la camara de combustion a medida que disminuye la ceniza de fondo.
De acuerdo con un segundo aspecto, la invencion se refiere a una instalacion de acuerdo con la reivindicacion 14. Esta instalacion esta configurada para implementar el metodo de acuerdo con el primer aspecto de la invencion.
De acuerdo con una realizacion preferida, el dispositivo de alimentacion de combustible y el dispositivo de alimentacion de partfculas de cenizas volantes comprenden un dispositivo de pesaje y un alimentador de tornillo.
Ventajosamente, la camara de combustion rapida tiene un revestimiento refractario interno. Por lo tanto, la camara de combustion esta bien aislada y se reducen las perdidas de calor.
En una realizacion preferida, se distribuyen al menos cinco termopares a lo largo de la camara de combustion rapida. Por lo tanto, las temperaturas se miden dentro de la camara de combustion para asegurar que la temperatura promedio de la camara de combustion se determine con precision. Ademas, se pueden usar termopares para verificar que ninguna parte de la camara de combustion alcance una temperatura de sobrecalentamiento.
Preferiblemente, la instalacion comprende un sistema de precalentamiento de flujo de aire. De acuerdo con una realizacion preferida, el sistema de precalentamiento de flujo de aire comprende un intercambiador de calor que transfiere calor desde la salida de flujo de aire procedente de la camara de combustion al flujo de aire suministrado a la camara de combustion.
En resumen, la invencion proporciona un metodo y una instalacion para la reduccion de las cenizas volantes en el que las partfculas de cenizas volantes reducidas tienen un contenido de carbono muy bajo y tienen las altas propiedades puzolanicas de las cenizas volantes en bruto iniciales para optimizar el uso de las cenizas volantes reducidas en aplicaciones de cemento u hormigon. Ademas, la invencion proporciona un proceso de reduccion de cenizas volantes altamente versatil que puede gestionar cualquier tipo de cenizas volantes con una restriccion limitada o nula con respecto al tamano de partfcula, el valor calonfico de las cenizas volantes en bruto o el tipo de cenizas volantes. La invencion proporciona un metodo que tiene costes operativos muy bajos en comparacion con los sistemas desvelados actualmente y una instalacion en la que no se necesita una recirculacion sofisticada del material.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion se ilustrara ahora, simplemente a modo de ejemplo, con referencia a los siguientes dibujos:
- La Figura 1 muestra una instalacion de reduccion de cenizas volantes de acuerdo con una realizacion espedfica de la invencion; y
- La Figura 2 muestra una estrategia de control de valor K de acuerdo con una realizacion alternativa de la invencion.
Descripcion detallada de la invencion
Las partfculas de cenizas volantes se transportan desde un patio de almacenamiento hasta un silo de cenizas volantes 1, ilustrado en la Figura 1, a traves de un transportador, camion o cualquier otro medio. Se permite una humedad en las cenizas volantes hasta contenidos a los que se puedan transportar e introducir a la camara de combustion 5.
En una realizacion no ilustrada, la instalacion puede comprender un secador de cenizas volantes que permita obtener partfculas de cenizas volantes que tengan preferiblemente un contenido de humedad inferior al 5 %, preferiblemente entre el 2 y el 3 %. El secador de cenizas volantes puede ser un secador rapido, un secador de paletas, un secador de cuchillas o cualquier dispositivo que permita mezclar partfculas de cenizas volantes con aire caliente. La salida del secador de cenizas volantes esta conectada a un ciclon caliente para separar las partfculas de cenizas volantes y los gases.
Las cenizas volantes contienen partfculas de diferentes tamanos. La distribucion de tamano de partfculas (DTP) de las cenizas volantes, que se define por el porcentaje de peso de los intervalos de tamano, se evalua mediante
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analisis de pantalla o cualquier dispositivo que realice este analisis. Las partmulas de cenizas volantes a reducir se seleccionan y se preparan para que tengan una distribucion de tamano de partmula representada por una d50 en el intervalo de 50 a 200 micrometros, donde d50 corresponde a un tamano al que el 50 % en peso del material esta por encima de este valor.
Normalmente, las cenizas volantes tienen un valor calonfico en el intervalo de 160 a 1300 cal/g. Segun la invencion, un analizador de valor calonfico 14 determina con precision el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes. Las partmulas de cenizas volantes que salen del silo 1 se muestrean regularmente, por ejemplo cada hora, y el analizador mide el valor calonfico. Como ejemplo, el analizador puede ser un calonmetro LECO AC 500 o equivalente. El analizador 14 proporciona una senal de control en relacion con el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes a un dispositivo de control.
Como alternativa, el analisis del valor calonfico puede realizarse midiendo la diferencia de peso de una muestra de cenizas volantes antes y despues de una combustion completa. Ademas, el analisis del valor calonfico tambien puede realizarse midiendo los contenidos de carbono y azufre de las muestras con un analizador de combustion de carbono/azufre. Basandose en el analisis mencionado anteriormente, el analizador evaluo el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes con la siguiente formula:
HV = 0,01* (% de C * 7831,1 + % de S * 2216,88) kcal/kg
donde HV representa el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes; % de C representa el porcentaje en peso de carbono; y % de S representa el porcentaje en peso de azufre.
A continuacion, el dispositivo de control compara el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes con un valor calonfico mmimo K. En caso de que las partmulas de cenizas volantes tengan un valor K inferior al valor predefinido K, se anade carbon a las partmulas de cenizas volantes para asegurar un valor calonfico mmimo del material de alimentacion que se introducira en una camara de combustion 5.
El analizador tambien se puede utilizar para medir el valor calonfico del material de alimentacion que comprende las cenizas volantes y el carbon para mejorar el control de regulacion del proceso.
El carbon se almacena en un silo de carbon 2. Ventajosamente, el carbon se muele previamente a un tamano de partmula promedio en el intervalo de 50 a 200 micrometres. El valor calonfico de la produccion de carbon del silo de carbon 2 tambien se muestrea regularmente y el analizador 14 mide el valor calonfico Hc del carbon.
Como alternativa a anadir carbon al material de alimentacion, tengase en cuenta que, como combustible anadido al material de alimentacion, tambien se pueden usar gas natural, cascara de arroz o bagazo de cana de azucar.
A continuacion se describiran dos metodos de control de adicion de carbon.
El primer metodo es una estrategia de alimentacion hacia adelante en la que se anade carbon para garantizar un valor calonfico mmimo en la mezcla (valor K). El dispositivo de control calcula la adicion de carbon utilizando el valor calonfico conocido del carbon, el valor calonfico de las cenizas volantes calculado previamente, el caudal de las cenizas volantes del dispositivo de alimentacion de las cenizas volantes y el valor K utilizando la siguiente ecuacion:
Fc = Ff * (K - Hf)/(Hc - K),
donde Fc representa el caudal del carbon, Ff representa el caudal de las cenizas volantes, Hc representa el valor calonfico del carbon, Hf representa el valor calonfico de las cenizas volantes y K representa el valor mmimo seleccionado para el valor calonfico de la materia prima.
Naturalmente, cuando el valor calonfico de las partfculas de cenizas volantes es mayor que K, se detiene la adicion de carbon.
Por lo tanto, el dispositivo de control controla un dispositivo de alimentacion de carbon 3 y/o un dispositivo de alimentacion de partrnulas de cenizas volantes 4 para fijar la cantidad de carbon y/o de partrnulas de cenizas volantes que se introducen a la camara de combustion rapida 5 de modo que el material de alimentacion tenga un valor calonfico mayor o igual al valor calonfico mmimo K.
El segundo metodo es una estrategia de retroalimentacion representada en la Figura 2. Los valores calonficos del carbon y las partfculas de cenizas volantes se miden en un calonmetro o analizador equivalente 14; los caudales masicos se miden con los instrumentos ubicados en el alimentador, como pesometros o instrumentos equivalentes.
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Las senales de estas variables en el sistema de control se utilizan para calcular el valor calonfico de la mezcla entrante a la camara de combustion (valor Km) de la siguiente manera:
Km = (Fc * Hc + Ff * Hf)/(Fc + Ff)
En un circuito de retroalimentacion, el dispositivo de control es un controlador proporcional, integral y derivado (PID) donde la variable controlada es el valor de Km. El punto de ajuste de esta variable corresponde al valor mmimo de K y la variable manipulada es el caudal del carbon. El procedimiento de ajuste del circuito de control para definir como debe cambiar la variable manipulada cuando el Km calculado es diferente del valor K es muy conocido. Cuando Km es mas bajo que K, el caudal de carbon Fc aumenta y cuando Km es mas alta que K, el caudal de carbon Fc disminuye.
Para asegurar la combustion espontanea del carbono presente en las cenizas volantes y el carbon, el material de alimentacion tiene un valor calonfico mmimo K en el intervalo de 600 a 1000 cal/g. Mas preferiblemente, el valor calonfico mmimo K esta en el intervalo de 800 a 1000 cal/g. Estos valores se obtuvieron mediante experimentos a escala de laboratorio en los que se quemaron diferentes mezclas de cenizas volantes y carbon. Los resultados mostraron que la combustion se completa cuando la temperatura de la camara de combustion fue de 700 °C y se quemo una mezcla de carbon y cenizas volantes con un valor calonfico de 600 cal/g. Tambien se observo que cuando se aumenta el valor de K a valores de 1000 cal/g, las temperaturas en la camara de combustion son de alrededor de 900 °C. Por lo tanto, para no danar las partmulas de cenizas volantes, el valor calonfico mmimo K debe ser igual o inferior a 1000 cal/g. Con esta experimentacion se debe definir previamente el valor de K. Esta condicion es necesaria para asegurar la combustion espontanea del carbono presente en las cenizas volantes y el carbon.
En la realizacion ilustrada, la instalacion comprende un dispositivo de alimentacion de carbon 3 y un dispositivo de alimentacion de partmulas de cenizas volantes 4 que alimenta independientemente una entrada de la camara de combustion rapida 5. En otra realizacion, no ilustrada, las partmulas de cenizas volantes y el carbon se mezclan previamente en un mezclador antes de introducirse a la camara de combustion 5. Cada uno de estos sistemas de alimentacion 3, 4 tiene un sistema de pesaje para controlar el caudal y proporcionar informacion al dispositivo de control de la cantidad de material de alimentacion que ingresa a la camara de combustion rapida 5 por hora. Los dispositivos de alimentacion 3, 4 pueden ser alimentadores de tornillo o cualquier otro dispositivo que tenga un motor de velocidad variable para controlar los caudales. Por lo tanto, el dispositivo de control puede controlar el caudal ajustando la velocidad de los dispositivos de alimentacion 3, 4.
La instalacion tambien comprende una camara de combustion 5. Segun la invencion, la camara de combustion es una camara de combustion rapida 5 que comprende una camara vertical en la que el aire y el material de alimentacion se queman en una suspension que fluye hacia arriba. Una camara de combustion rapida proporciona un tratamiento termico rapido designado como "combustion rapida" con una duracion del orden de unos pocos segundos a unas pocas decenas de segundos.
La camara de combustion rapida 5 tiene al menos una entrada para introducir el material alimentado que comprende partmulas de cenizas volantes y, en caso de que el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes sea menor que K, carbon en cantidad suficiente como se ha explicado anteriormente. En la entrada, un inyector, no ilustrado, introdujo partmulas de cenizas volantes y carbon en la camara de combustion 5.
La camara de combustion rapida 5 tiene un quemador 13. El quemador 13 funciona con cualquier agente de combustion y aire y se usa durante el inicio de la instalacion. El funcionamiento de la camara de combustion rapida 5 comienza cuando se inyecta el flujo de aire y el quemador 13 comienza a calentar el cuerpo de la camara de combustion rapida 5. Cuando la temperatura promedio en la camara de combustion 5 esta en el intervalo de 700 a 800 °C, se encienden el dispositivo de alimentacion de cenizas volantes 4 y finalmente el dispositivo de alimentacion de carbon 3 y el quemador 13 se apaga. La combustion de las cenizas volantes continua sin anadir energfa en el quemador 13.
La camara de combustion rapida 5 comprende termopares distribuidos a lo largo de la camara y conectados a un dispositivo de control de la temperatura para controlar la temperatura operativa en la camara entre 700 y 850 °C. Ventajosamente, hay al menos tres termopares distribuidos a lo largo de la camara de combustion y, mas preferiblemente, hay al menos cinco termopares.
La temperatura de funcionamiento promedio en la camara de combustion rapida 5 debe estar comprendida entre 700 y 800 °C. Por lo tanto, el dispositivo de control de temperatura regula las temperaturas operativas promedio ajustando los caudales y/o la velocidad de flujo y la temperatura del flujo de aire corriente arriba y/o el valor calonfico mmimo K para mantener la temperatura promedio en la camara de combustion en el intervalo anteriormente mencionado. Ademas, para evitar la aglomeracion y la sinterizacion de las partmulas de cenizas volantes en el cuerpo de la camara de combustion 5, todas las temperaturas medidas por termopares no deben superar los 900 °C. Por lo tanto, en el caso de alcanzar una temperatura superior a 900 °C, el dispositivo de control de temperatura debe detener la adicion de carbono, y si esta condicion persiste, reducir el caudal de las cenizas volantes.
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Segun una realizacion de la invencion, el caudal de aire en la entrada de la camara de combustion se modifica para controlar la temperatura de combustion en los casos en que las partmulas de cenizas volantes tienen un poder calonfico superior a 1300 cal/g.
De acuerdo con una realizacion de la invencion, tambien se puede poner un intercambiador de calor en la camara de combustion rapida 5 para controlar la temperatura de combustion en los casos en que las partmulas de cenizas volantes tengan un poder calonfico superior a 1300 cal/g. El fluido refrigerante puede ser aire o cualquier fluido que transporte la energfa fuera del reactor para ser recuperado como vapor.
La instalacion tambien comprende medios para suministrar un flujo de aire corriente arriba para transportar el material de alimentacion en suspension desde la entrada hasta una salida de la camara de combustion rapida 5. Los medios para suministrar el flujo de aire comprenden un soplador de tiro forzado 9. Ademas, la instalacion comprende un sistema de precalentamiento de flujo de aire. Por lo tanto, el flujo de aire corriente arriba se calienta de modo que la temperatura del aire se encuentre en el intervalo de 400 a 600 °C para asegurar la ignicion automatica de las partmulas de carbono del material de alimentacion.
El control del caudal de aire se realiza conectando un dispositivo de medicion de flujo de aire y un controlador conectado a una valvula (no mostrada) ubicada en la lmea de suministro de aire de proceso antes de ingresar al intercambiador de calor 8.
En la realizacion ilustrada, el sistema de precalentamiento de flujo de aire comprende un precalentador de aire 12 y dos sistemas de recuperacion de energfa 7, 8. El primer intercambiador de calor 7 esta ubicado dentro del ciclon 6, en el que se recogen partmulas de cenizas volantes del flujo de aire que sale de la camara de combustion rapida 5 y el segundo intercambiador de calor 8 esta ubicado en la lmea de desbordamiento de dicho ciclon 6. El sistema de precalentamiento de flujo de aire tambien comprende un dispositivo de control de la temperatura de flujo de aire y un termopar ubicado en la entrada de flujo de aire de la camara de combustion rapida 5 conectado a dicho dispositivo de control de la temperatura de flujo de aire, por asf mantener la temperatura de entrada del flujo de aire entre 400 y 600 °C. Cuando la temperatura del flujo de aire que entra en la camara de combustion es inferior al lfmite para la autoignicion de las partmulas de carbono, el precalentador 12 se enciende y su valvula de entrada 15 se abre para aumentar la temperatura del aire entre 400 y 600 °C.
La velocidad de flujo de aire se ajusta para tener una velocidad de aire en el intervalo de 1,0 a 3,0 m/s en la camara de combustion rapida 5 y un tiempo de residencia promedio de las partmulas en la camara de combustion 5 en el intervalo de 5 a 20 segundos. Naturalmente, la velocidad del flujo de aire se determina en relacion con las dimensiones de la camara de combustion rapida, que normalmente estan en el intervalo de 10 a 25 m (altura) y de 1 a 3 m (diametro).
Ademas, para asegurar la combustion total de carbono en la camara de combustion, el caudal de aire debe ser al menos un 30 % superior a la cantidad estequiometrica de aire necesaria para la oxidacion de carbono a dioxido de carbono. En estas condiciones, no se produce monoxido de carbono y no es necesario el equipo de post-combustion en la salida de la camara de combustion para completar la reaccion de oxidacion. Por lo tanto, el caudal de flujo de aire y/o los caudales del material de alimentacion se ajustan en consecuencia.
El caudal de aire para lograr un 30 % en exceso del aire estequiometrico se calcula con los siguientes metodos:
a) Cuando se mide el valor calonfico HV del material de alimentacion y/o se puede calcular, el analisis de carbono se puede estimar considerando el carbono como el mayor contribuyente al HV en la mezcla y se calcula con la formula: % de C = HV * 100/7831,1
Una vez que se calcula el porcentaje de carbono, se calcula el caudal de aire en Nm3/h mediante la siguiente formula AF = 126,12 * mtph * % de C
b) Cuando el carbono y el azufre se miden en la mezcla, se calcula el caudal de aire en Nm3/h mediante la ecuacion AF = 1513,47 * mtph * (% de C/12 +% de S/32)
donde AF = caudal de aire Nm3/h y mtph = toneladas de material de alimentacion por hora.
Ventajosamente, la camara de combustion rapida 5 esta bien aislada para reducir la perdida de calor poniendo un revestimiento refractario en la superficie interna de la camara de combustion 5.
El material de alimentacion se introduce en la entrada de la camara de combustion 5, situada cerca del fondo de la camara. En la camara de combustion rapida 5, el material de alimentacion entra en contacto con el flujo de aire corriente arriba que se inyecta en la parte inferior de la camara de combustion rapida 5. Las partmulas de material de alimentacion se transportan a traves de la camara de combustion rapida 5 y entran en contacto con otras partmulas donde la combustion esta en curso, y esto permite que nuevas partmulas entrantes inicien la combustion.
En la salida de la camara de combustion rapida 5, los vapores que contienen los materiales despues del paso a traves de la camara se conducen a al menos un ciclon caliente 6 en el que se recogen partmulas de cenizas
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volantes procedentes del flujo de aire. Las partmulas de cenizas volantes se mueven hacia el orificio de flujo inferior y abandonan el ciclon 6. A continuacion, las cenizas volantes reducidas se transportan a un refrigerador y, por ultimo, a un silo final. De acuerdo con la invencion, las partmulas de cenizas volantes reducidas asf obtenidas contienen menos del 1 % de carbono.
Las partmulas muy finas y gases se llevan al desbordamiento, en la salida de desbordamiento del ciclon caliente 6. El intercambiador de calor 8 ubicado en la lmea de desbordamiento de dicho ciclon precalienta el flujo de aire del proceso recuperando la energfa de los gases de combustion calientes. Ademas, la temperatura del flujo de aire del proceso aumenta aun mas al recuperar el calor del intercambiador de calor 7 ubicado en el cuerpo caliente del ciclon 6. Posteriormente, el flujo de aire caliente que sale del intercambiador de calor 7 se utiliza para alimentar la camara de combustion rapida.
Los gases agotados que salen del intercambiador de calor 8 se filtran en un filtro 10 que puede ser un filtro electrostatico o cualquier otro dispositivo que limpie los gases de partmulas finas antes de que pasen a traves del ventilador de tiro inducido 11.
Las cenizas volantes y el carbon del material de alimentacion contienen partmulas gruesas de diferentes tamanos, que no son transportadas por el flujo de aire en la camara de combustion rapida 5, y tienden a asentarse en la parte inferior de la camara de combustion rapida 5. Este material representa aproximadamente el 10 % del material de alimentacion por peso y es necesario instalar una lmea de salida ubicada en la parte inferior de la camara de combustion para recoger este material como ceniza de fondo.
Ejemplos
Las pruebas se realizaron con dos cenizas volantes, una con un alto valor calonfico de 1324 cal/g y otra con un bajo valor calonfico de 168 cal/g. Las propiedades de las cenizas volantes y el carbon se presentan en la Tabla 1. La experimentacion se realizo a nivel de planta piloto en una camara de combustion de 15 metros de altura y 0,5 metros de diametro.
La Tabla 2 muestra las condiciones operativas para los dos ejemplos.
En el Ejemplo 1, el valor calonfico fue superior a 1000 cal/g, por lo que se establecieron las condiciones operativas para mantener una energfa producida en el reactor de 0,32 MM Btu/h y una temperatura promedio del reactor de 750 °C, esto se logro con un alto caudal de aire, 325 NCMH (metros cubicos normales por hora) y un bajo caudal de ceniza volante de 70 kg/h. El producto de este experimento fue una ceniza volante reducida con el 0,6 % de LOI y el 72,7 % del material fue recuperado como ceniza volante reducida.
En el Ejemplo 2, el valor calonfico de las cenizas volantes fue menor para mantener la autocombustion de las cenizas volantes en el reactor. Como el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes era inferior a 600 cal/g, se anadio carbon para formar un material de alimentacion con un 10 % de carbon y un 90 % de ceniza volante y un valor calonfico de 690 cal/g. Este material se proceso en el reactor con una temperatura promedio de 708 °C y con una capacidad de 108 kg/h de cenizas volantes. Los resultados mostraron que las cenizas volantes reducidas con el 0,20 % de LOI y el 81,9 % del material de alimentacion se recuperaron como cenizas volantes reducidas.
Durante la experimentacion en ambas pruebas, las temperaturas de los cinco termopares fueron inferiores a 900 °C y no se produjo material sinterizado ni aglomerado. La ceniza de fondo se produjo en ambas pruebas al 8,1 y al 9 % a partir del material de alimentacion inicial en los Ejemplos 1 y 2 con LOI del 20,0 y el 2,96 respectivamente.
En el laboratorio, durante los experimentos de combustion con varias proporciones de carbon y cenizas volantes, se observo que las mezclas preparadas para tener un valor HV inferior a 600 cal/g producinan una conversion de carbono en CO2 (combustion de carbono en la mezcla) en el intervalo del 41 % al 60 %, mientras que aumentar el carbon en la mezcla para alcanzar valores superiores a 600 cal/g permitira un factor de conversion superior al 95 %.
Tabla 1. Propiedades de los materiales en los Ejemplos 1 y 2
Propiedad del material
Ejemplo 1 Ejemplo 2
Tamano de partmula de las cenizas volantes, micrometres
63 54
LOI de las cenizas volantes, %
20,00 2,96
Valor calonfico de las cenizas volantes, kcal/kg
1324 168
Tamano de partfcula del carbon, micrometros
- 54
Valor calonfico del carbon, kcal/kg
- 4682
Mezcla de alimentacion, LOI%
20 7,45
Valor calonfico de la mezcla, kcal/kg
1324 690
Tabla 2. Variables de proceso y resultados.
Variables del proceso
Ejemplo 1 Ejemplo 2
Temperature media en la camara de combustion, °C
750 708
Velocidad media del aire del flujo de aire corriente arriba, m/s
1,8 1,2
Tiempo promedio de residencia de las partfculas de cenizas volantes, s
7,98 12,12
Temperature de la alimentacion de aire en la camara de combustion, °C
476 450
Aire en exceso, %
157 149
Entrada de caudal de aire total, NCMH
325 222
Aire a la camara de combustion, NCMH
300 202
Aire a cenizas de fondo transportadas, NCMH
25 20
Caudal de las cenizas volantes, kg/h
70 108
Caudal de carbon, kg/h
0 12
% de carbon en la mezcla
0 10
Caudal de cenizas de fondo, kg/h
5,66 10,92
Caudal producto de cenizas volantes, kg/h
50,92 98,273
LOI de producto, %
0,6 0,2

Claims (19)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes, el metodo que comprende:
    - determinar el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes;
    - comparar el valor calonfico determinado de las partmulas de cenizas volantes con un valor calonfico mmimo K en el intervalo de 600 a 1000 cal/g;
    - alimentar una entrada ubicada en la parte inferior de una camara de combustion rapida vertical (5) con un material de alimentacion que comprende las partmulas de cenizas volantes y, en caso de que el valor calonfico determinado sea mas bajo que el valor calonfico mmimo K, introducir combustible en cantidad suficiente para asegurar que el valor calonfico del material de alimentacion es mayor o igual que el valor calonfico mmimo K;
    - suministrar un flujo de aire corriente arriba desde los medios (9) de dicha camara de combustion rapida vertical (5), a una velocidad que oscila entre 1 metro/segundo y 3 metros/segundo, para transportar el material de alimentacion en suspension desde la entrada ubicada en la parte inferior de dicha camara de combustion rapida vertical (5) a una salida ubicada en la parte superior de dicha camara de combustion rapida vertical (5), con un tiempo de residencia del material en la camara de combustion rapida (5) que oscila de 5 a 20 segundos,
    - operar dicha camara de combustion rapida vertical (5) a una temperatura de al menos 700 °C pero inferior a 900 °C;
    - recoger partmulas de cenizas volantes reducidas del flujo de aire en la salida ubicada en la parte superior de dicha camara de combustion rapida vertical (5).
  2. 2. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa de determinar el valor calonfico comprende medir los contenidos de carbono y azufre de las partmulas de cenizas volantes.
  3. 3. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que el combustible es carbon.
  4. 4. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el carbon se muele a un tamano de partmulas promedio en el intervalo de 50 a 200 pm.
  5. 5. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la temperatura promedio en la camara de combustion (5) se mide y se controla entre 700 y 800 °C.
  6. 6. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que la temperatura de la camara de combustion (5) se controla regulando el caudal del material de alimentacion y/o regulando el valor calonfico mmimo K.
  7. 7. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la temperatura promedio en la camara de combustion se controla modificando el caudal del flujo de aire suministrado a la camara de combustion en los casos en que las partmulas de cenizas volantes tienen un valor calonfico superior a 1300 cal/g.
  8. 8. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el caudal del flujo de aire suministrado a la camara de combustion se controla de modo que el tiempo de residencia promedio del material de alimentacion en la camara de combustion sea inferior a 1 minuto.
  9. 9. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 8, en el que el caudal del flujo de aire suministrado a la camara de combustion se controla de manera que el tiempo de residencia promedio del material de alimentacion en la camara de combustion se encuentra entre aproximadamente 5 y 15 segundos.
  10. 10. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el caudal del flujo de aire y/o el caudal del material de alimentacion se controlan, ya que el aire supera al menos el 30 % de la cantidad estequiometrica de aire para la oxidacion de carbono a dioxido de carbono.
  11. 11. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el flujo de aire se precalienta a una temperatura en el intervalo de 400 a 600 °C antes de suministrarse a la camara de combustion.
  12. 12. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que el flujo de aire se precalienta mediante un intercambio de calor con el flujo de aire que sale de la camara de combustion, antes de suministrarse a la camara de combustion.
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  13. 13. Un metodo para la reduccion de partmulas de cenizas volantes de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que las partmulas de cenizas volantes se seleccionan y se preparan para que tengan una distribucion de tamano de partmula representada por una d50 en el intervalo de 50 a 200 micrometros.
  14. 14. Una instalacion configurada para implementar el metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende:
    - una camara de combustion rapida vertical (5) que comprende medios (9) para suministrar un flujo de aire corriente arriba para transportar un material de alimentacion en suspension desde una entrada ubicada en la parte inferior de dicha camara de combustion rapida vertical (5) hasta una salida ubicada en la parte superior de dicha camara de combustion rapida vertical (5), lo que permite un tiempo de residencia del material en la camara de combustion rapida (5) que oscila entre 5 y 20 segundos
    - un dispositivo de alimentacion de partmulas de cenizas volantes (4);
    - un dispositivo de alimentacion de combustible (3);
    - un analizador de valores termicos (13) que emite una senal en relacion con el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes;
    - un dispositivo de control configurado para:
    • determinar el valor calonfico de las partmulas de cenizas volantes;
    • comparar el valor calonfico determinado de las partmulas de cenizas volantes con un valor calonfico mmimo K en el intervalo de 600 a 1000 cal/g;
    • alimentar la entrada ubicada en la parte inferior de la camara de combustion rapida vertical (5) con un material de alimentacion que comprende las partmulas de cenizas volantes y, en caso de que el valor calonfico determinado sea mas bajo que el valor calonfico mmimo K, introducir combustible en cantidad suficiente para asegurar que el valor calonfico del material de alimentacion es mayor o igual que el valor calonfico mmimo K;
    • suministrar el flujo de aire corriente arriba desde los medios (9) de dicha camara de combustion rapida vertical (5), a una velocidad que oscila entre 1 metro/segundo y 3 metros/segundo, para transportar el material de alimentacion en suspension desde la entrada ubicada en la parte inferior de dicha camara de combustion rapida vertical (5) a la salida ubicada en la parte superior de dicha camara de combustion rapida vertical (5), permitiendo un tiempo de residencia del material en la camara de combustion rapida (5) que oscila entre 5 y 20 segundos,
    • operar la camara de combustion rapida vertical (5) a una temperatura de al menos 700 °C, pero inferior a 900 °C.
  15. 15. Una instalacion de acuerdo con la reivindicacion 14, en la que el dispositivo de alimentacion de combustible (3) y el dispositivo de alimentacion de partmulas de cenizas volantes (4) comprenden un dispositivo de pesaje y un alimentador de tornillo.
  16. 16. Una instalacion de acuerdo con la reivindicacion 14 o15, en la que la camara de combustion rapida (5) tiene un revestimiento refractario.
  17. 17. Una instalacion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, en la que se distribuyen al menos cinco termopares a lo largo de la camara de combustion rapida.
  18. 18. Una instalacion de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, que comprende un sistema de precalentamiento de flujo de aire (6A, 8).
  19. 19. Una instalacion de acuerdo con la reivindicacion 18, en la que el sistema de precalentamiento de flujo de aire comprende un intercambiador de calor (8) que transfiere calor desde la salida de flujo de aire procedente de la camara de combustion al flujo de aire suministrado a la camara de combustion.
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