ES2828057T3 - Instalación de recuperación de energía térmica en un horno de vigas y su conversión en electricidad usando una turbina que genera electricidad mediante la implementación de un ciclo Rankine - Google Patents

Abstract

Un método de recuperación de energía mediante una instalación de recuperación de energía que se puede conectar a al menos un horno de recalentamiento de vigas (2) equipado con quemadores (5), dicho horno de recalentamiento de vigas comprende un sistema de enfriamiento para dichas vigas, en el que fluye agua en estado líquido a la entrada de las vigas y en una mezcla de estado líquido/vapor a la salida de las vigas, dicha mezcla está separada aguas abajo de las vigas en forma de agua líquida por un lado y vapor (4) por el otro, dicha instalación comprende una turbina (14) que genera electricidad realizando un ciclo Rankine sobre un fluido orgánico (21), dicho método comprende una etapa de transferencia directa o indirecta de energía térmica desde el vapor (4) a un fluido de transferencia de calor intermedio (17), preferiblemente orgánico en estado líquido, mediante un intercambiador de calor (18), una etapa de transferencia de energía térmica de dicho fluido de transferencia de calor intermedio al fluido orgánico (21) mediante un intercambiador de calor (8, 19), y un paso de transferencia de energía térmica directa o indirecta de al menos una parte de los gases de combustión de los quemadores (5) al fluido orgánico (21) mediante un intercambiador de calor (12, 19) dispuesto funcionalmente para transferir a dicho fluido orgánico (21) al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión de los quemadores (5) a través de un fluido de transferencia de calor (10) y un intercambiador (9).

Description

DESCRIPCIÓN

Instalación de recuperación de energía térmica en un horno de vigas y su conversión en electricidad usando una turbina que genera electricidad mediante la implementación de un ciclo Rankine

La invención se refiere al campo de la recuperación de energía térmica procedente de hornos de vigas y su conversión en electricidad mediante una turbina de ciclo de expansión utilizando un fluido distinto al vapor de agua.

La invención se refiere en particular a los hornos de recalentamiento de vigas destinados a calentar productos, especialmente planchas, lingotes, piezas brutas o palanquillas, que funcionan a una temperatura adecuada para su laminación en caliente, y en particular para hornos de vigas galopantes. Un horno de recalentamiento permite calentar los productos a altas temperaturas, por ejemplo a una temperatura de aproximadamente 1200 °C para el acero al carbono. El calentamiento del horno se lleva a cabo habitualmente utilizando quemadores alimentados con aire y combustible precalentados y que funcionan con un ligero exceso de aire.

El documento EP0971192 describe un ejemplo de un horno de vigas equipado con vigas fijas y vigas móviles. Los productos se depositan sobre vigas y se calientan mediante quemadores dispuestos tanto por encima como por debajo de los productos. Las vigas constan de morillos y postes refrigerados. Las vigas móviles permiten el transporte de productos en el horno siguiendo un ciclo que comprende una primera fase de subida por las vigas móviles, desde una posición inicial, lo que permite levantar los productos. A la primera fase le sigue una segunda fase de transporte horizontal por las vigas móviles y una tercera fase de retirada de los productos sobre las vigas fijas. De este modo, los productos se mueven un paso sobre las vigas fijas antes de la cuarta fase de retroceso de las vigas móviles en su posición inicial. Los morillos de las vigas fijas están soportados por postes integrados en el fogón del horno. Los morillos de las vigas móviles son soportados por postes que pasan por el fogón del horno y se fijan, debajo del horno, en un bastidor de traslación. El chasis de traslación está soportado por un mecanismo que asegura un ciclo rectangular por el movimiento horizontal y vertical del conjunto de bastidor, los postes y morillos de las vigas móviles.

La estructura de las vigas está formada por tubos o perfiles huecos que se enfrían mediante la circulación de fluido de transferencia de calor, que tradicionalmente es agua a baja temperatura y baja presión, por ejemplo 30 °C a 55 °C y 5 bar. La cantidad de energía descargada por unidad de tiempo por el fluido de transferencia de calor es importante para limitar la temperatura y tener suficiente resistencia mecánica de la estructura de las vigas. La potencia descargada es por ejemplo 10 MWth para un horno con una capacidad de 450 t/h. El agua caliente recuperada a la salida de las vigas se puede utilizar luego en la planta, por ejemplo, para fines sanitarios, la calefacción de edificios o procesos para los que se requieran temperaturas relativamente bajas. Se sabe que el agua a baja temperatura y baja presión que enfría las vigas puede ser reemplazada por agua sobrecalentada a alta presión, que se transforma parcialmente en vapor saturado en los morillos. El vapor resultante se puede utilizar en la planta para diferentes necesidades. El enfriamiento de la estructura de las vigas mediante una mezcla de agua saturada y vapor es ventajoso, particularmente porque permite asegurar el funcionamiento de la estructura de las vigas a una temperatura estable. De hecho, dado que la transición de fase de la fase líquida a la fase de vapor tiene lugar a una temperatura sustancialmente constante, la temperatura de salida de los enfriadores de vigas es constante, independientemente del régimen de funcionamiento del horno, solo la cantidad de agua que se convierte en vapor cambia de fase. La temperatura de salida del fluido refrigerante es, por ejemplo, 215 °C para una presión de fluido de 21 bares absolutos.

Un equipo de recuperación de calor se coloca tradicionalmente en un conducto de humos del horno. Este permite la recuperación de energía de estos humos precalentando el aire de combustión de los quemadores y, en ocasiones, el combustible. Aguas abajo de este equipo de recuperación de calor, la temperatura de los gases de combustión permanece relativamente alta, por ejemplo 300 °C. Se conoce la adición de otros intercambiadores de calor, o una caldera de recuperación, a los conductos de humos para extraer aún más los humos. Cuando el enfriamiento de la estructura de las vigas se logra mediante agua sobrecalentada con producción de vapor, esto puede ser, por ejemplo, un ahorrador de agua sobrecalentada o vapor de sobrecalentamiento.

Los hornos de recalentamiento de acero funcionan de forma continua y tienen una gran capacidad de producción, por ejemplo, 450 t/h. Su régimen de funcionamiento varía con frecuencia, particularmente de acuerdo con la naturaleza y temperatura de los productos introducidos en el horno y el tiempo del horno. Como resultado, el volumen de los gases de escape también varía con frecuencia, ya que es sustancialmente proporcional al tonelaje por hora de los productos calentados en el horno. Los cambios en el flujo de los gases de combustión también van acompañados de una variación de temperatura de dichos humos. Estas fluctuaciones en la temperatura de los humos provocan una variación significativa en la eficiencia de los intercambiadores dispuestos en chimeneas o calderas de recuperación. A un tonelaje reducido, la temperatura de los gases de combustión ya no permite recuperar la energía residual del vapor.

Los productos a calentar en el horno deben calentarse siempre a la temperatura de laminación, y siendo esta relativamente constante, la temperatura de las paredes del horno varía ligeramente. Dado que las pérdidas térmicas a través de las vigas fluctúan ligeramente, la generación de vapor por un sistema de enfriamiento de la estructura de la viga depende menos del tonelaje por hora del horno.

Las energías térmicas contenidas en los humos y los enfriadores de vigas representan cada uno aproximadamente 10 MW^th en un horno de 450 t/h con temperaturas de aproximadamente 300 °C y 200 °C respectivamente. El uso de un ciclo agua-vapor para generar electricidad a partir de estas energías es difícil de implementar y no resulta rentable económicamente con estos niveles de temperatura y potencia térmica, así como con estas amplitudes de variaciones de potencia.

El documento KR20140036363 describe una solución de recuperación de energía en un horno de recalentamiento de acero que permite evaluar las pérdidas de energía del horno contenidas en los humos y en el sistema de enfriamiento de las vigas, explotándolas en una instalación común de generación eléctrica, evitando la problemas de variabilidad de los mismos. Este implementa una generación de electricidad mediante un ciclo termodinámico Rankine utilizando un fluido orgánico como fluido de trabajo. Una máquina de ciclo de Rankine orgánico (ORC) permite la conversión de calor de temperatura media y baja en electricidad mediante el uso de un fluido de trabajo orgánico de densidad superior a la del agua. En la máquina de ORC, el fluido de trabajo en estado líquido se comprime y se vaporiza. Luego, el vapor del fluido orgánico se expande antes de condensarse. La máquina comprende particularmente un evaporador, una turbina de expansión, un condensador y una bomba reforzadora. La turbina de expansión es por ejemplo de tipo radial o axial, con una o dos etapas, cuya rotación acciona un alternador que genera electricidad.

El fluido orgánico tiene un punto de ebullición bajo, por ejemplo inferior a 50 °C a presión atmosférica, y es del tipo humectante, es decir que no es necesario sobrecalentar el vapor de este fluido después de la evaporación para evitar la formación de gotitas en la turbina durante la expansión. A pesar de la baja temperatura del depósito caliente, este tipo de fluido puede permitir así extraer el máximo trabajo en la turbina y así tener una mejor eficiencia que un ciclo de vapor a bajas temperaturas, por ejemplo por debajo de 350 °C.

Así, la elección de la tecnología de ORC, entre los distintos ciclos termodinámicos para la generación de electricidad, proporciona una mejor eficiencia termodinámica de la máquina, es decir, la relación entre la energía térmica disponible y la electricidad neta generada.

Las calorías necesarias para vaporizar el fluido orgánico de la máquina de ORC son proporcionadas por la energía recuperada en el horno de calentamiento, parcialmente en los enfriadores de vigas y parcialmente en los humos de combustión.

En la solución descrita por el documento KR20140036363, el fluido refrigerante de los morillos y postes es una mezcla de sales fundidas. Esta mezcla está compuesta, por ejemplo, en masa por 52 % de KNO³, 18 % de NaNO³ y 30 % de LiNO³. Para mantener estas sales fundidas dentro del rango de temperatura requerido para el correcto funcionamiento del horno, y especialmente para mantenerlas en la fase líquida, la instalación comprende un bucle de recirculación 40 con equipo adicional lo que hace que la explotación sea más cara y relativamente compleja con respecto a una solución en la que el fluido refrigerante es agua o una mezcla de agua/vapor. Las calorías de las sales fundidas se transmiten al fluido orgánico del ORC por medio de un intercambiador 21. En caso de deterioro de este intercambiador, las sales fundidas pueden entrar en contacto con el fluido orgánico del ORC, lo que constituye un riesgo para la instalación. Además, esta solución no permite modular el aporte de calor de las sales fundidas al fluido orgánico del ORC. Si se detiene el ORC, la entrada continua de calorías por parte de las sales fundidas puede provocar un aumento muy significativo de la temperatura del fluido orgánico, y por tanto, un riesgo para la instalación.

Además, el documento KR20140036363 describe una solución en la que parte de los humos intercambia calor directamente con el fluido orgánico del ORC por medio de un intercambiador de calor 51. En caso de deterioro de este intercambiador, existe un riesgo de incendio si el fluido orgánico del ORC entra en contacto con los humos.

El estado de la técnica no permite una doble recuperación de energía sobre los humos del horno de calentamiento y sobre el fluido refrigerante de morillos y postes en condiciones que permitan una eficiencia energética óptima, flexibilidad en la regulación del funcionamiento del ORC y condiciones de funcionamiento seguras.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, este objeto se logra con un método de recuperación de energía mediante una instalación de recuperación de energía, adaptada para ser conectada a al menos un horno de recalentamiento de vigas equipado con quemadores, dicho horno de recalentamiento de vigas comprende un sistema de enfriamiento de dichas vigas, en las que circula agua, que está en estado líquido a la entrada de las vigas y en estado de mezcla líquido/vapor a la salida de las vigas, dicha mezcla está separada aguas abajo de las vigas en agua líquida por un lado y vapor por el otro, el vapor transfiere calorías directa o indirectamente a un primer bucle de recirculación intermedio, y además un sistema de recuperación de energía para absorber una parte de las calorías del gas de combustión expulsado por el horno, dichas calorías se transfieren a un segundo bucle de recirculación intermedio, dichos primer y segundo bucles de recirculación intermedios transfieren directa o indirectamente las calorías a un bucle de fluido orgánico dispuesto para alimentar una turbina que genera electricidad mediante la implementación de un ciclo orgánico de Rankine.

En una configuración en la que el enfriamiento de los morillos se realiza mediante agua y una mezcla agua/vapor, la condensación de los vapores en el intercambiador permite una transferencia significativa de calorías entre el vapor y el fluido orgánico del ORC.

De acuerdo con la invención, las calorías provenientes del vapor y las provenientes del circuito de gas de combustión se transfieren indirectamente al fluido orgánico del ORC, a través de un primer bucle de recirculación intermedio dispuesto entre un circuito que comprende el vapor y el fluido orgánico, respectivamente a través de un segundo bucle de recirculación intermedio dispuesto entre el circuito de gas de combustión y el fluido orgánico.

El circuito de vapor está aislado del fluido orgánico mediante al menos dos dispositivos, tales como dos intercambiadores.

El circuito de gas de combustión está aislado del fluido orgánico mediante al menos dos dispositivos, tales como dos intercambiadores.

Por tanto, de acuerdo con la invención, las calorías del vapor se transfieren primero a un primer bucle de recirculación intermedio antes de ser transferidas al fluido orgánico utilizado en el ciclo Rankine. Además, aunque el vapor tiene una presión muy alta en comparación con la del fluido orgánico, no existe un riesgo significativo de explosión si el intercambiador se rompe, incluso si el fluido orgánico del ORC es muy a menudo un hidrocarburo o un refrigerante inflamable, porque el vapor no puede entrar en contacto con dicho fluido orgánico.

Además, de acuerdo con la invención, las calorías de los humos se transfieren primero a un segundo bucle de recirculación intermedio antes de ser transferidas al fluido orgánico usado en el ciclo Rankine. Tampoco existe un intercambio posible entre el fluido orgánico utilizado en el ciclo Rankine y los gases de combustión, lo que evita un riesgo de incendio que está presente en la técnica anterior.

De acuerdo con la invención, el método tiene por tanto más seguridad que el de la técnica anterior.

La combinación de las dos fuentes de energía provenientes de los gases de combustión y el sistema de enfriamiento permite por un lado poder incrementar la generación eléctrica total anual y por otro lado poder limitar la inversión. En efecto, esta combinación permite obtener una mayor cantidad de energía utilizable en una sola máquina de ORC de gran capacidad (más barata y con mejor rendimiento), que si las dos fuentes de calor fueran explotadas por separado por dos máquinas de ORC de menor capacidad (menor rendimiento y proporcionalmente más caras).

Además, la combinación de las dos fuentes de energía provenientes de los gases de combustión y el sistema de enfriamiento puede estabilizar la entrada de energía suministrada a la máquina de ORC. La combinación de las dos fuentes de energía provenientes de los gases de combustión y el sistema de enfriamiento puede hacer que la máquina de ORC funcione más a menudo en su rango de operación óptimo.

El dimensionamiento de la máquina de ORC permite limitar el monto de la inversión y por lo tanto el tiempo requerido para el retorno de la inversión, aumentando así el interés económico beneficioso de su implementación. En su diseño, el tamaño de un horno de recalentamiento está hecho para una capacidad de producción nominal que corresponde a calentar un número de toneladas por hora de un producto de referencia desde una temperatura inicial hasta un punto de ebullición. Por experiencia, durante el funcionamiento, el horno funciona en promedio a aproximadamente el 70 % de su capacidad nominal.

Además, una máquina de ORC funciona correctamente en una amplia gama de variaciones de la fuente de calor, la potencia térmica entrante generalmente puede variar entre 30 % y 100 %. La máxima eficiencia de la máquina de ORC se obtiene para la máxima potencia de diseño y disminuye con la potencia térmica de entrada. Una máquina de ORC debe detenerse cuando el suministro de calorías al fluido orgánico de la máquina de ORC está por debajo de un umbral mínimo, generalmente entre el 20 % y el 30 % de la capacidad máxima permitida por la máquina de ORC. Al combinar las dos fuentes de energía térmica, la invención asegura que el suministro de calorías nunca sea inferior al 30 % de la carga térmica, gracias a la estabilidad y la capacidad de la fuente de calor proveniente del sistema de enfriamiento de las vigas. Por lo tanto, la máquina de ORC está siempre en funcionamiento, excepto en caso de parada de la instalación, y no requiere un control complejo.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se prevé una instalación de recuperación de energía que se pueda conectar a al menos un horno de recalentamiento de vigas equipado con quemadores, dicho horno de recalentamiento de vigas comprende un sistema de enfriamiento de dichas vigas, en el que circula agua, esta última está en estado líquido a la entrada de las vigas y en estado de mezcla líquido/vapor a la salida de las vigas, dicha mezcla está separada aguas abajo de las vigas en agua líquida por un lado y vapor por el otro, dicha instalación comprende una turbina dispuesta para generar electricidad mediante la implementación de un ciclo Rankine sobre un fluido orgánico, dicha instalación comprende además al menos intercambiadores de calor dispuestos funcionalmente para transferir a dicho fluido orgánico, al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión de los quemadores, a través de un fluido de transferencia de calor, y al menos parte de las calorías contenidas en el vapor, a través de un fluido de transferencia de calor.

De acuerdo con una posibilidad de la instalación, al menos un horno de recalentamiento de vigas puede comprender un intercambiador de calor que se dispone en una descarga de gases de combustión de dicho al menos un horno de recalentamiento de vigas para recoger las calorías de dichos gases de combustión y transmitirlas al fluido de transferencia de calor que circula en dicho intercambiador de calor.

Colocado en la descarga de gases de combustión, de acuerdo con la invención, el intercambiador puede eventualmente disponerse aguas abajo en la dirección del flujo de gases de combustión de otros equipos de recuperación de energía sobre los gases de combustión. Los otros equipos de recuperación de energía pueden ser, por ejemplo, un recuperador para precalentar el aire de combustión de los quemadores.

De acuerdo con uno de los aspectos de la invención, la instalación comprende un primer intercambiador de calor dispuesto funcionalmente para transferir directa o indirectamente la energía del vapor a un fluido de transferencia de calor intermedio, y un segundo intercambiador de calor dispuesto para transferir energía térmica desde dicho fluido de transferencia de calor intermedio hasta el fluido orgánico de la máquina de ORC.

De acuerdo con la invención, el fluido de transferencia de calor intermedio puede ser un fluido orgánico en estado líquido, en las condiciones de uso, por ejemplo un aceite térmico. Ventajosamente, el fluido del medio de transferencia de calor no es inflamable a la temperatura a la que se utiliza, siendo su temperatura de ignición sensiblemente superior a la del fluido orgánico del ORC.

Esta configuración permite mejorar la robustez del equipo al limitar las variaciones bruscas de temperatura de intercambio con el fluido orgánico del ORC en caso de parada del horno gracias a la capacidad de almacenamiento de energía del fluido intermedio de masa. Esta también ayuda a mejorar la seguridad del calor proveniente del vapor del sistema de intercambio con el intercambiador controlando localmente el comportamiento de este intercambio sin perturbar el bucle que alimenta el intercambiador de ORC. Como el vapor está a una presión sustancialmente más alta que la del fluido intermedio (aproximadamente 20 bar en el lado del vapor contra aproximadamente 4 a 7 bar en el lado del fluido intermedio), en caso de que el intercambiador se rompa, el flujo de fluido sería del circuito de vapor hacia el circuito de fluido intermedio evitando así la propagación del fluido intermedio en los morillos y postes.

Además, la presencia de un circuito intermedio entre el circuito de vapor y el circuito de ORC permite evitar que el vapor entre en contacto con el fluido orgánico del ORC, dicho contacto puede ser una fuente de explosión.

Esta solución también permite el uso de un intercambiador de tecnología robusta para el intercambio entre el fluido intermedio y el fluido orgánico del ORC, ambos fluidos tienen propiedades similares. De este modo, esta ayuda a reforzar la seguridad operativa de la máquina de ORC en caso de un problema en el circuito de enfriamiento de vapor de las vigas.

Para mejorar aún más la seguridad de la instalación, se puede agregar un bucle intermedio adicional entre el vapor y el fluido intermedio descrito anteriormente.

El uso de un fluido orgánico intermedio para recuperar calorías de los gases de combustión cuyo fluido permanece en estado líquido, independientemente de las fluctuaciones de temperatura y volumen de los gases de combustión en la tubería de descarga de humo, tiene la ventaja de facilitar en gran medida el funcionamiento de la instalación con respecto a la implementación de una caldera de recuperación en la que se produce una transición de fase en el intercambiador a mayor presión.

Ventajosamente de acuerdo con la invención, la regulación del suministro de calorías a la máquina de ORC se puede realizar en el circuito de gas de combustión, mediante un desvío parcial del intercambiador de aspiración de gases colocado en el conducto de humos o una dilución de los gases con aire frío para bajar la temperatura. Debido al dimensionamiento del ORC para un funcionamiento del horno al 70 % de su capacidad nominal, si el aporte de calor a la máquina de ORC es demasiado alto, parte de los gases de combustión desvía el intercambiador del circuito de aspiración de gases de combustión o los gases de combustión se diluirán sin interferir con el funcionamiento del horno.

El fluido de transferencia de calor utilizado para recoger las calorías de los gases de combustión y el que se utiliza indirectamente para recoger las calorías de los morillos y postes pueden ser de la misma naturaleza, pero este método también permite el uso de fluidos de transferencia de calor de diferentes propiedades. Esto puede optimizar la recuperación de energía con fluidos utilizados a diferentes niveles de temperatura y mejorar la seguridad de la instalación eligiendo fluidos que minimicen el riesgo de incendio o explosión en caso de contacto entre el humo o vapor y estos fluidos.

Como realización alternativa, la adición de almacenamiento de energía en los circuitos intermedios permite mejorar la eficiencia del conjunto sin perturbar el circuito de intercambio principal hacia el ORC.

Ventajosamente, puede que el funcionamiento del sistema de enfriamiento de las vigas no se vea modificado por la presencia de la máquina de ORC. De este modo se puede simplificar el control de la instalación.

La salida de calor transmitida a un fluido térmico utilizado en el circuito de aspiración de gases de combustión puede determinarse directamente por el aumento de temperatura de dicho fluido en un intercambiador de calor del sistema de aspiración de gases de combustión.

Si la máquina de ORC se detiene, un desvío de los gases de combustión colocado en el circuito de gases de combustión puede evitar el calentamiento del fluido térmico utilizado en el circuito de aspiración de gases de combustión. Otro método es utilizar un fluido de transferencia de calor que funcione a mayor temperatura en el bucle intermedio y/o reducir la temperatura de los gases de combustión diluyéndolos, por ejemplo, con aire de entrada aguas arriba del equipo de recuperación colocado en el conducto de humos. También se pueden colocar torres de enfriamiento en el circuito de agua/vapor sobrecalentado para evacuar las calorías de las vigas.

Ventajosamente de acuerdo con la invención, la máquina de ORC está dimensionada de acuerdo con el régimen operativo medio del horno de recalentamiento y no de acuerdo con la capacidad nominal del horno. Esto tiene una doble ventaja: la máquina de ORC es más pequeña, la cantidad de inversión se puede reducir, y la máquina de ORC puede maximizar el tiempo de operación en un punto óptimo (máxima eficiencia) generando así la máxima electricidad para un retorno de la inversión más rápido.

De acuerdo con la invención, la instalación puede comprender además otro intercambiador de calor dispuesto funcionalmente para transferir energía térmica desde al menos otra fuente al fluido orgánico.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se prevé un horno de recalentamiento de vigas equipado con quemadores, caracterizado porque este está equipado con una instalación de recuperación de energía de acuerdo con la invención, dicha instalación de energía está conectada a dicho horno.

Otras características y ventajas resultarán evidentes a la luz de la descripción de las realizaciones preferidas de la invención acompañadas de las figuras en las que:

.La figura 1 representa esquemáticamente una instalación de acuerdo con una primera realización en la que el fluido orgánico de la máquina de ORC se precalienta en serie mediante la recuperación de energía en las dos fuentes, vapor y gases de combustión;

.La figura 2 representa esquemáticamente una instalación de acuerdo con una segunda realización similar a la de la figura 1, pero en la que el fluido orgánico de la máquina de ORC se precalienta en un solo paso, después de la adición aguas arriba de las dos fuentes de vapor y gas de combustión;

.La figura 3 representa esquemáticamente una instalación de acuerdo con una tercera realización similar a la de la figura 2 en la que se añade un circuito intermedio adicional en el lado del vapor; y

.La figura 4 representa esquemáticamente una instalación de acuerdo con una cuarta realización en la que los fluidos orgánicos que recogen las calorías de las vigas y los gases de combustión se mezclan aguas arriba de la máquina de ORC y se recupera la energía al mismo tiempo.

Al no ser exhaustivas estas realizaciones, en particular será posible realizar variantes de la invención que comprendan únicamente una selección de las características descritas a continuación, descritas o generalizadas, aisladas de las demás características descritas, si esta selección de características es suficiente para conferir una ventaja técnica o para diferenciar la invención del estado de la técnica.

En la figura 1, se puede ver representada esquemáticamente una instalación de acuerdo con una primera realización de la invención. Para simplificar la descripción, en esta figura solo se muestra el equipo necesario para comprender la invención. Los equipos esenciales para el funcionamiento de la instalación, tales como bombas, válvulas, tapa de alimentos, tanque de expansión, etc., no se muestran en esta figura ni en las siguientes, ni están contenidos en esta descripción, el experto debe saber definirlos, dimensionarlos e implementarlos de manera óptima en la instalación.

Los productos 1 se calientan continuamente en un horno de recalentamiento de vigas 2. El movimiento y mantenimiento de los productos en el horno se realiza mediante vigas fijas y vigas móviles. Las vigas comprenden morillos 3a y postes 3b en los que circula un fluido refrigerante. Los quemadores 5 calientan el horno 2 y los productos 1. Los gases de combustión de los quemadores 5 se descargan del horno mediante un conducto de humos 6.

En la entrada de las vigas, el fluido refrigerante es, por ejemplo, agua sobrecalentada a una temperatura de 215 °C y una presión de 21 bar absolutos. Durante su flujo en las vigas, el agua sobrecalentada se convierte parcialmente en vapor saturado 4. A la salida de las vigas, el fluido refrigerante está compuesto por una mezcla de agua sobrecalentada y vapor saturado 4. Un globo 7 permite la separación de agua líquida y vapor saturado 4.

La instalación comprende una máquina de ORC que implementa un ciclo Rankine sobre un fluido orgánico 21 que circula por un circuito 13.

La instalación comprende un bucle de recirculación intermedio 16 dispuesto entre el circuito de vapor y el circuito 13 de la máquina de ORC. Un fluido de transferencia de calor intermedio 17 circula en el bucle de recirculación intermedio 16, preferiblemente orgánico, mantenido en estado líquido.

El bucle de recirculación intermedio 16 comprende en particular dos intercambiadores de calor 8 y 18 y una bomba de circulación, no representada. Así, el vapor saturado 4 proporciona calorías al fluido refrigerante intermedio 17 por medio del intercambiador 18 en el que se condensa, luego el medio de transferencia de calor 17 a su vez proporciona calorías al fluido orgánico 21 de la máquina de ORC por medio del intercambiador 8.

La adición del bucle de recirculación intermedio 16 puede mejorar la seguridad de la instalación y utilizar fluidos térmicos de diferentes propiedades. Por tanto, el fluido de transferencia de calor intermedio 17 puede tener una mayor compatibilidad con el vapor que el fluido orgánico 21 del ORC, limitando así el riesgo de incendio o explosión.

Un intercambiador de calor 9 puede estar dispuesto en el conector de chimenea 6, posiblemente aguas abajo, en la dirección del flujo de los gases de combustión, con respecto a otros equipos de recuperación de energía en los gases de combustión, por ejemplo, un recuperador de precalentamiento del aire de combustión de los quemadores.

El intercambiador de calor 9 puede ser alimentado con un fluido de transferencia de calor 10, preferiblemente orgánico en estado líquido, que circula en un bucle de recirculación 11. El fluido de transferencia de calor 10 puede ser de la misma naturaleza que el fluido de transferencia de calor intermedio 17, en el lado del vapor, pero también puede ser de naturaleza diferente. Los gases de combustión transfieren parte de su calor al fluido de transferencia de calor 10 en el intercambiador de calor 9. Un segundo intercambiador de calor 12 está dispuesto en el bucle de recirculación 11. El segundo intercambiador 12 permite la transferencia de calorías capturadas por el fluido de transferencia de calor 10 al fluido orgánico 21 de la máquina de ORC.

El fluido orgánico circula en la máquina de ORC en el bucle de recirculación 13 que incluye, preferiblemente sucesivamente en la dirección del flujo del fluido, los intercambiadores de calor 8 y 12, una turbina de expansión 14, un intercambiador de condensación 15 de fluido orgánico 21 de la máquina de ORC y un bomba reforzadora 24. La energía térmica transferida al fluido orgánico 21 de la máquina de ORC en los intercambiadores de calor 8 y 12 permite que este último pase a la fase de vapor. La expansión del vapor hace girar la turbina de expansión 14 que está acoplada a un alternador que genera electricidad. A la salida de la turbina de expansión 14, el intercambiador 15 permite condensar el fluido orgánico 21, antes de que sea devuelto a los intercambiadores de calor 8 y 12 para experimentar un nuevo ciclo Rankine. El fluido orgánico 21 transfiere calorías en el intercambiador 15 a un fluido de transferencia de calor que fluye en un circuito 22.

Un conjunto de registros 23 permite desviar el intercambiador de calor 9, por la totalidad o parte de los gases de combustión.

Un intercambiador de calor 25 permite capturar calorías de un fluido 26 disponible en el sitio y transmitirlas al fluido orgánico 21 de la máquina de ORC. De acuerdo con la invención, la instalación permite así actualizar también una o más de otras fuentes de calor para aumentar la eficiencia global del sitio industrial en el que se instala.

La figura 2 representa esquemáticamente una realización alternativa de la invención en la que las calorías de los gases de combustión se suministran al fluido intermedio 17 y no directamente al fluido 21 del ORC. Asimismo, el suministro complementario de calorías del fluido 26 se realiza al fluido intermedio 17 y no directamente al fluido 21 del ORC. Esta configuración permite un control simplificado del ORC, y aumenta su seguridad, con un solo intercambiador de calor en el que todo el calor gana al fluido 21 y se logra su vaporización.

La figura 3 representa esquemáticamente otra realización de la invención en la que se añade un bucle intermedio 30 en el lado del vapor en el que circula un fluido de transferencia de calor 31. El vapor 4 proporciona calorías al fluido de transferencia de calor 31 al condensarse en el intercambiador 18, luego el fluido de transferencia de calor 31 a su vez cede estas calorías al fluido de transferencia de calor 17 por medio de un intercambiador de calor 32. Esta configuración permite reforzar la seguridad de la instalación, y la flexibilidad de su control, la tecnología de los intercambiadores de calor 8, 18, 31 y la naturaleza de los fluidos de transferencia de calor 31, 17, 21 se eligen para tener tecnologías probadas en los intercambiadores de calor y para limitar el riesgo de incendio o explosión en caso de contacto entre los fluidos en caso de que los intercambiadores de fluidos exploten.

La figura 4 representa esquemáticamente otra variante de realización de la invención en la que se produce una mezcla entre parte del fluido de transferencia de calor 10 que circula en el bucle de recirculación 11 y una parte del fluido de transferencia de calor intermedio 17, preferentemente orgánico, que circula en el bucle de recirculación 16, los fluidos 10 y 17 tienen la misma naturaleza. Esta mezcla, por ejemplo realizada por medio de válvulas de tres vías 20, fluye luego a un intercambiador de calor 19 en el que transfiere calorías al fluido orgánico 21 de la máquina de ORC. En la salida del intercambiador 19, la mezcla de fluidos se distribuye de nuevo entre los dos bucles de recirculación 11 y 16, por ejemplo mediante válvulas de tres vías.

La cantidad de energía disponible en los gases de combustión y los enfriadores de vigas es generalmente de aproximadamente la misma magnitud, por ejemplo, 10 MWth en los gases de combustión y en las vigas para un horno con una capacidad de 450 t/h.

En el intercambiador de calor 18, en el que la temperatura del vapor saturado 4 es sustancialmente constante, por ejemplo 215 °C para una presión de 21 bares absolutos, el intercambio de calor con el fluido de transferencia de calor intermedio 17 del bucle de recirculación 16 es siempre óptimo.

En el intercambiador de calor 9, la temperatura de los gases de combustión puede variar, por ejemplo, de 300 °C, para una capacidad máxima del horno, a 280 °C para el 70 % de su capacidad. Por tanto, el intercambio de calor con el fluido de transferencia de calor 10 del bucle de recirculación 11 es variable y las condiciones de funcionamiento del fluido común del bucle 20 que entra en la máquina de ORC pueden variar, en el caso de un aceite térmico, desde una temperatura de 225 °C a 215 °C y una tasa de flujo de 70 kg/s a 50 kg/s respectivamente de acuerdo con los dos casos de funcionamiento descritos anteriormente. Para tales temperaturas, el fluido orgánico 21 de la máquina de ORC más adecuada es el pentano, ya que se transporta aguas arriba de la turbina de expansión 14 a una temperatura por ejemplo de entre 135 °C y 160 °C, respectivamente, de acuerdo con dos casos de funcionamiento, de modo que la potencia neta entregada por la máquina de ORC sea máxima, de 1,2 MW^e y 0,9 MW^e , respectivamente.

De acuerdo con una realización ilustrativa de la invención, la instalación de recuperación de energía permite recoger las calorías de al menos dos hornos. Puede disponerse un intercambiador de calor 9 en el conector de chimenea de cada horno o de un solo horno. Asimismo, se pueden recuperar calorías del vapor procedente de las vigas de ambos hornos o de uno.

Como se acaba de ver, la invención permite una recuperación de energía eficiente de las pérdidas de calor del horno por los gases de combustión y las vigas, gracias a un dimensionamiento de la máquina de ORC bien adaptado al régimen de funcionamiento del horno y a su estabilidad de funcionamiento resultante de la combinación de dos fuentes de calor.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

   i. Un método de recuperación de energía mediante una instalación de recuperación de energía que se puede conectar a al menos un horno de recalentamiento de vigas (2) equipado con quemadores (5), dicho horno de recalentamiento de vigas comprende un sistema de enfriamiento para dichas vigas, en el que fluye agua en estado líquido a la entrada de las vigas y en una mezcla de estado líquido/vapor a la salida de las vigas, dicha mezcla está separada aguas abajo de las vigas en forma de agua líquida por un lado y vapor (4) por el otro, dicha instalación comprende una turbina (14) que genera electricidad realizando un ciclo Rankine sobre un fluido orgánico (21), dicho método comprende una etapa de transferencia directa o indirecta de energía térmica desde el vapor (4) a un fluido de transferencia de calor intermedio (17), preferiblemente orgánico en estado líquido, mediante un intercambiador de calor (18), una etapa de transferencia de energía térmica de dicho fluido de transferencia de calor intermedio al fluido orgánico (21) mediante un intercambiador de calor (8, 19), y un paso de transferencia de energía térmica directa o indirecta de al menos una parte de los gases de combustión de los quemadores (5) al fluido orgánico (21) mediante un intercambiador de calor (12, 19) dispuesto funcionalmente para transferir a dicho fluido orgánico (21) al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión de los quemadores (5) a través de un fluido de transferencia de calor (10) y un intercambiador (9).
2. 2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el fluido de transferencia de calor (10) para transferir al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión desde los quemadores (5) al fluido orgánico (21) es un fluido orgánico en estado líquido, preferiblemente un aceite térmico.
3. 3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde el fluido de transferencia de calor (10) para transferir al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión de los quemadores (5) al fluido orgánico (21) y al fluido de transferencia de calor intermedio (17) para transferir energía térmica al fluido orgánico (21) son de la misma naturaleza, estos dos fluidos de transferencia de calor (10, 17) se mezclan aguas arriba del intercambiador (19) en el que se lleva a cabo la transferencia de calor entre estos fluidos y el fluido orgánico (21).
4. 4. Instalación de recuperación de energía térmica que se puede conectar a al menos un horno de recalentamiento de vigas (2) equipado con quemadores (5), dicho horno de recalentamiento de vigas comprende un sistema de enfriamiento de dichas vigas, en el que fluye agua, que está en estado líquido a la entrada de las vigas y en una mezcla de estado líquido/vapor a la salida de las vigas, dicha mezcla está separada aguas abajo de las vigas en forma de agua líquida por un lado y vapor (4) por el otro, dicha instalación comprende una turbina (14) dispuesta para generar electricidad mediante la implementación de un ciclo Rankine sobre un fluido orgánico (21), dicha instalación comprende un intercambiador de calor (18) dispuesto funcionalmente para transferir directa o indirectamente energía térmica del vapor (4) a un fluido de transferencia de calor intermedio (17), preferiblemente orgánico en estado líquido, el al menos un intercambiador de calor (8, 19) está dispuesto para transferir energía térmica desde dicho fluido de transferencia de calor intermedio al fluido orgánico (21), dicha instalación comprende además al menos un intercambiador de calor (12, 19) dispuesto funcionalmente para transferir a dicho fluido orgánico (21) al menos una parte de las calorías contenidas en los gases de combustión de los quemadores (5) mediante un fluido de transferencia de calor (10) y un intercambiador (9).
5. 5. Instalación de acuerdo con la reivindicación 4, en donde el al menos un horno de recalentamiento de vigas (2) comprende el intercambiador de calor (9) que está dispuesto en una descarga de gases de combustión de dicho al menos un horno de recalentamiento de vigas para recoger las calorías de dichos gases de combustión y transmitirlas al fluido de transferencia de calor (10) que fluye en dicho intercambiador de calor.
6. 6. Instalación de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, en donde el fluido de transferencia de calor (10) y el fluido de transferencia de calor intermedio (17) son de la misma naturaleza.
7. 7. Instalación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende además otro intercambiador de calor (25) dispuesto funcionalmente para transferir directa o indirectamente energía térmica desde al menos otra fuente (26) al fluido orgánico (21).