ES2933567T3 - Instalación CLC que incluye un separador sólido/sólido con medios de distribución de una mezcla de gas-sólido - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una instalación CLC para la combustión de materia prima hidrocarbonada sólida que genera partículas de inquemados, que comprende un separador sólido/sólido encima del reactor de combustión para separar de forma eficaz las partículas del sólido portador de oxígeno de las partículas de incombustibles contenidas en el reactor. mezcla gas-sólido (14) saliendo del reactor de combustión. La carcasa (1) del separador sólido/sólido, el reactor de combustión y la entrada (2) de la mezcla gas-sólido (14) de la carcasa tienen forma de paralelepípedo. La entrada (2) está provista, en su parte superior, de medios (3) para distribuir dicha mezcla gas-sólido en el interior de la carcasa, extendiéndose dichos medios en toda la longitud de la entrada, mejorando la separación sólido/sólido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
instalación CLC que incluye un separador sólido/sólido con medios de distribución de una mezcla de gas-sólido
Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de la combustión química en bucle (CLC) de cargas hidrocarbonadas por oxidación-reducción que opera en lecho fluidificado, y más particularmente a la combustión química en bucle que opera en lecho fluidificado de cargas hidrocarbonadas sólidas.
Contexto general
La combustión química en bucle, o procedimiento de “Chemical Looping Combustion” (“Combustión química en bucle”) (CLC) en su terminología anglosajona, es un procedimiento que consiste en implementar reacciones de oxidaciónreducción de una masa activa, típicamente un óxido metálico, para descomponer la reacción de combustión en dos reacciones sucesivas: una primera reacción de oxidación de la masa activa en contacto con un gas oxidante, típicamente aire, y una segunda reacción de reducción de la masa activa en contacto con la carga cuya combustión se desea. En el procedimiento de CLC, la masa activa óxido-reductora juega así el papel de transportador de oxígeno. Este material sólido se presenta en forma de partículas que circulan según diferentes regímenes de transporte en un lecho fluidificado en el bucle. Estas partículas se oxidan al contacto con el aire en una primera zona de reacción, denominada reactor de aire. Luego se transportan a una segunda zona de reacción llamada reactor de combustible donde se ponen en contacto con una carga hidrocarbonada sólida (por ejemplo, carbón, coque, coque de petróleo o "pet-coke” en inglés, biomasa, arenas bituminosas, desechos domésticos), líquido (ej.: fueloil, betún, diesel, gasolinas, aceite de esquistos, etc.) o gaseosos (ej.: gas natural, gas natural sintético, biogás, gas de esquisto) cuya combustión se desea efectuar. El oxígeno transportado por las partículas de material transportador de oxígeno alimenta la combustión de la carga. Esto da como resultado un efluente gaseoso formado por la combustión de la carga y un flujo de partículas reducidas. Las partículas se envían de vuelta al reactor de aire para volver a oxidarse allí, cerrando así el bucle.
El procedimiento CLC permite producir energía (vapor, electricidad, etc.) recuperando el calor liberado por las reacciones de combustión al mismo tiempo que facilita la captura del dióxido de carbono (CO2) emitido durante la combustión gracias a la producción de humos ricos en CO2. La captación de CO2 puede hacerse en efecto después de la condensación del vapor de agua y la compresión de los humos, y éste puede entonces almacenarse, por ejemplo, en un acuífero profundo, o recuperarse, por ejemplo, empleándolo para mejorar el rendimiento de las explotaciones petrolíferas en procedimientos de recuperación mejorada de petróleo (EOR parar “Enhanced Oil Recovery” en inglés) o de gas (EGR para “Enhanced Gas Recovery” en inglés).
El procedimiento CLC también puede permitir la producción de gas de síntesis, o incluso hidrógeno, controlando la combustión e implementando las purificaciones requeridas aguas abajo del procedimiento de combustión.
Otra ventaja resulta de este modo de combustión: la producción de un flujo muy rico en nitrógeno, que es el aire empobrecido obtenido al final de la oxidación de la masa activa en el reactor de aire. Dependiendo del grado de pureza alcanzado, este flujo de nitrógeno puede ser mejorado en diversas aplicaciones, particularmente en el campo de la industria petrolera. Puede, por ejemplo, utilizarse en refinerías como gas inerte en diferentes procedimientos de refino de petróleo o para el tratamiento de las aguas de producción, o como gas inyectado en el subsuelo en procedimientos de EOR.
Durante la combustión de cargas hidrocarbonadas sólidas como el carbón, generalmente se forman partículas sin quemar, que luego constituyen una población de partículas distinta de la de las partículas del portador de oxígeno.
En una implementación por lechos fluidificados circulantes, estas partículas de residuos no quemados pueden ser arrastradas desde el reactor de combustión hasta el reactor de oxidación del portador de oxígeno, lo que puede conducir a la formación de CO2 en el reactor de oxidación y por lo tanto a emisiones de CO2 a la salida del reactor de oxidación, lo cual no es deseable. Pueden surgir otros problemas tras el arrastre de las partículas sin quemar en el reactor de oxidación, tales como la presencia en el flujo de aire empobrecido de compuestos nocivos para el medio ambiente como los SOx y NOx procedentes de la combustión de las partículas sin quemar por el aire, o la contaminación de los refractarios del reactor de aire por las impurezas de la carga. En caso de arrastre importante, una concentración demasiado elevada de estos compuestos requeriría la realización de procedimientos de tratamiento que penalizarían el interés económico de la instalación. Las partículas de residuos no quemados también pueden ser arrastradas con los gases de combustión del reactor de combustión, lo cual no es deseable porque constituyen elementos contaminantes para la atmósfera, y porque esto penaliza el rendimiento energético del procedimiento.
Por partículas de residuos no quemados se entienden las partículas de la carga hidrocarbonada sólida (combustible) que no han sido objeto de una combustión total, y que por lo tanto, todavía contienen compuestos hidrocarbonados. Las partículas de residuos no quemados deben distinguirse de las cenizas que son esencialmente de naturaleza mineral (cenizas que típicamente incluyen los siguientes compuestos: SiO2, Al2O3, Fe2O3 , CaO, MgO, TiO2 , K2O, Na2O, SO3, P2O5).
Se conocen diferentes sistemas para evitar el arrastre de partículas de residuos no quemados en los humos de combustión o en el reactor de oxidación del CLC.
La solicitud WO11151537 describe un dispositivo para separar las partículas de residuos no quemados de las partículas del portador de oxígeno contenidas en la mezcla gaseosa procedente de la zona de combustión de una instalación de CLC. Este dispositivo, que puede denominarse separador sólido/sólido, para distinguirlo de los separadores clásicos llamados gas/sólido tales como los ciclones, se sitúa por encima de la zona de combustión, y comprende un recinto que incluye una parte superior que funciona en fase diluida y una parte inferior que funciona en fase densa. La mezcla gaseosa que contiene las dos poblaciones de partículas es admitida por un conducto de admisión que desemboca en la fase diluida del recinto del separador sólido/sólido, y las partículas más densas, por ejemplo, las partículas del portador de oxígeno, se evacuan por un conducto de evacuación situado en la parte inferior del recinto mientras que las partículas más ligeras, por ejemplo las partículas de residuos no quemados, salen con el gas por un conducto de salida situado en la parte superior del recinto del separador. Las partículas del portador de oxígeno se envían luego hacia el reactor de oxidación y las partículas de residuos no quemados se envían hacia un separador de gas-sólido, típicamente un ciclón, lo que permite reciclar las partículas de residuos no quemados en el reactor de combustión. El separador sólido/sólido según el documento WO11151537 tiene preferiblemente una simetría de revolución, siendo el recinto cilíndrico.
Sobre el mismo principio, la solicitud WO11151535 describe un procedimiento de CLC que implementa un separador sólido/sólido similar que permite separar las partículas de residuos no quemados de las partículas del portador de oxígeno contenidas en la mezcla gaseosa procedente de la zona de combustión de una instalación de CLC. La solicitud WO11151535 describe en particular un separador sólido/sólido colocado encima de una segunda zona de combustión constituida de un reactor de forma alargada que penetra en el recinto del separador. Aunque no se especifica la forma del separador, algunas figuras implícitamente se refieren a un equipo de forma cilíndrica. El separador sólido/sólido según el documento WO11151535 también puede comprender un inserto en forma de cono divergente a la salida del reactor de combustión que penetra en el recinto del separador, para facilitar la distribución de la mezcla gaseosa que contiene partículas por toda la sección del separador.
Estos separadores sólido/sólido de forma cilíndrica no siempre son adecuados para una implementación industrial que involucre equipos de grandes dimensiones. De hecho, las instalaciones industriales de grandes dimensiones que realizan operaciones de combustión a alta temperatura y a baja presión están generalmente realizadas con una geometría de sección rectangular, como es el caso, por ejemplo, de los hornos de reforma con vapor, los hornos de craqueo con vapor, las calderas de combustión de lecho fluidificado, calderas de carbón pulverizado, etc. Esta configuración es particularmente ventajosa para simplificar la instalación de los materiales refractarios dispuestos en toda la superficie interna para proteger el recinto metálico de las altas temperaturas. Esta configuración también permite facilitar el funcionamiento a escala de las instalaciones ya que basta duplicar un elemento unitario en una dimensión para aumentar la capacidad del equipo.
Objetos y resumen de la invención
Los solicitantes han desarrollado así un nuevo separador sólido/sólido integrado en un reactor de combustión de una instalación de CLC, apto para la implementación industrial del CLC. Según la invención, la geometría del separador sólido/sólido es paralelepipédica, al igual que la del reactor de combustión al que corona, y el separador incluye al menos una admisión de la mezcla de gas/sólido procedente del reactor de combustión también de forma paralelepipédica, estando dotada la admisión en su parte superior de medios de distribución de dicha mezcla en el recinto que se extienden por toda la longitud de dicha admisión.
La presente invención tiene por objeto en particular proporcionar un separador sólido/sólido que permita separar eficazmente las partículas de residuos no quemados y las partículas del portador de oxígeno, siendo al mismo tiempo adecuado para una implementación industrial que implique equipos de grandes dimensiones.
Además, la presente invención pretende reducir los costes de fabricación del separador sólido/sólido y simplificar su realización, así como aumentar la vida útil del separador sólido/sólido.
Así, para conseguir al menos uno de los objetivos mencionados, entre otros, la presente invención propone, según un primer aspecto, una instalación de combustión química en bucle de una carga hidrocarbonada sólida que genera partículas de residuos no quemados y que emplea partículas de un sólido portador de oxígeno, incluyendo dicha instalación:
un reactor de reducción que funciona en lecho fluidificado para llevar a cabo la combustión de dicha carga hidrocarbonada sólida en contacto con las partículas de sólido portador de oxígeno, teniendo dicho reactor forma de paralelepípedo;
un reactor de oxidación que funciona en lecho fluidificado para oxidar las partículas del sólido portador de oxígeno reducidas procedentes del reactor de reducción poniéndolas en contacto con un gas oxidante;
un separador sólido/sólido que corona dicho reactor de reducción para separar las partículas del sólido portador de oxígeno de las partículas de residuos no quemados contenidas en la mezcla de gas-sólido procedente de dicho reactor de reducción, incluyendo dicho separador sólido/sólido un recinto de forma paralelepipédica que incluye:
una parte inferior que funciona en fase densa y una parte superior que funciona en fase diluida;
al menos una admisión de forma paralelepipédica para la mezcla de gas-sólido procedente del reactor de reducción,
desembocando dicha admisión en la parte superior del recinto y estando dotada en su parte superior de medios de distribución de dicha mezcla de gas-sólido en el recinto que se extienden en toda la longitud de dicha admisión; al menos una evacuación situada en la parte inferior del recinto;
al menos una salida situada en la parte superior del recinto.
[Preferiblemente, la instalación incluye además un separador gas-sólido alimentado por la salida del recinto del separador sólido/sólido, comprendiendo el separador gas-sólido un conducto de evacuación de un gas empobrecido en partículas ligeras de residuos no quemados, y un conducto de transporte en comunicación con el reactor de reducción para reciclar las partículas de residuos no quemados en el reactor de reducción.
Ventajosamente, el recinto del separador sólido/sólido y su admisión tienen forma de paralelepípedo rectángulo.
Preferiblemente, el reactor de reducción tiene forma de paralelepípedo rectángulo.
El recinto del separador sólido/sólido puede incluir dos evacuaciones dispuestas en el fondo del recinto a cada lado de la admisión.
Preferiblemente, la admisión está centrada en el recinto.
Según un primer modo de realización, los medios para distribuir dicha mezcla de gas-sólido en el recinto del separador sólido/sólido incluyen una viga de sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto.
Ventajosamente, el ángulo a de abertura de la sección de la viga en forma de V está comprendido entre 10° y 150°, y preferiblemente entre 10° y 90°, y aún más preferiblemente entre 10° y 40°.
Ventajosamente, la parte superior de la viga está a una distancia H de la parte superior de la admisión comprendida entre 0,5xL2 y 5xL2, preferiblemente entre 0,5xL2 y 3xL2, y aún más preferentemente entre 0,5xL2 y 1 xl_2 , siendo L2 el ancho del espacio interior de la admisión.
Ventajosamente, la parte superior de la viga tiene una anchura L1 comprendida entre 0,1xL2 y 1,5xL2, preferiblemente entre 0,2xL2 y 1xL2, y aún más preferiblemente entre 0,3xL2 y 0,7xL2, siendo L2 el ancho del espacio interno de la admisión. Según un segundo modo de realización, el separador sólido/sólido incluye medios para enfriar la admisión y la viga. Preferiblemente, los medios de refrigeración son tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor, estando fijados dichos tubos en una cara exterior de las paredes que forman la admisión y en una cara interna de las paredes que forman la viga.
Según un tercer modo de realización, los medios de distribución de dicha mezcla de gas-sólido en el recinto del separador sólido/sólido incluyen una placa curva de concavidad girada hacia la parte baja del recinto, estando la placa curva conectada a las dos paredes que forman la admisión y estando provista de al menos dos hendiduras situadas a cada lado de una parte central de dicha placa curva para el paso de la mezcla de gas/sólido y su distribución hacia la periferia del recinto.
Ventajosamente, este separador sólido/sólido incluye además medios de refrigeración de la admisión y de la placa curva, siendo de preferencia dichos medios de refrigeración tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor, estando dichos tubos fijados sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión y sobre una cara exterior de la placa curva.
Según otro modo de realización, los medios para distribuir dicha mezcla de gas-sólido en el recinto del separador sólido/sólido incluyen una viga cilíndrica.
Otros objetos y ventajas de la invención aparecerán con la lectura de la siguiente descripción de ejemplos de realizaciones particulares de la invención, dados a título de ejemplos no limitativos, realizándose la descripción con referencia a las figuras adjuntas que se describen a continuación.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es un esquema de principio de una instalación de CLC según la invención.
La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de un separador sólido/sólido de la instalación de CLC según un primer modo de realización.
La figura 3 es una vista esquemática en corte de una parte del separador sólido/sólido según el primer modo de realización ilustrado en la figura 2.
La figura 4 es una vista en corte esquemática de parte del separador sólido/sólido según un segundo modo de realización.
La figura 5 es una vista esquemática en perspectiva de un separador sólido/sólido de la instalación de CLC según un tercer modo de realización.
La figura 6 es una vista en corte esquemática de una parte de un separador ejemplar según el primer modo de realización.
La figura 7 es un gráfico que representa el caudal de partículas sólidas (Ds en abscisas) en función del caudal de partículas sólidas arrastradas (Dse en ordenadas) para un ejemplo de separador sólido/sólido según la técnica anterior y varios ejemplos de separadores sólido/sólido según la invención.
En las figuras, las mismas referencias designan elementos idénticos o similares.
Descripción de la invención
El objeto de la invención se refiere a una instalación de CLC para la combustión de cargas hidrocarbonadas sólidas generadoras de partículas de residuos no quemados, que puede ser implementada a escala industrial para grandes capacidades de producción, y que incluye un separador sólido/sólido para separar eficazmente las partículas del sólido portador de oxígeno de las partículas de residuos no quemados contenidas en la mezcla gaseosa que sale del reactor de combustión. El separador sólido/sólido, el reactor de combustión y la admisión de la mezcla gaseosa en el separador sólido/sólido tienen forma de paralelepípedo, y la admisión incluye medios para dispersar la mezcla gaseosa en el separador que se extienden a lo largo de la parte superior de la admisión.
En la presente descripción, las expresiones "material transportador de oxígeno", "masa activa óxido-reductora” y "portador de oxígeno" son equivalentes. Se dice que la masa óxido-reductora es activa en relación con sus capacidades reactivas, en el sentido de que es capaz de desempeñar su papel de transportador de oxígeno en el procedimiento de CLC al capturar y liberar oxígeno. También se podrán utilizar la expresión abreviada "portador de oxígeno" o "masa activa" o el término "sólido portador de oxígeno".
Cabe señalar que, en general, los términos oxidación y reducción se utilizan en relación con el estado oxidado o reducido de la masa activa, respectivamente. El reactor de oxidación, también llamado reactor de aire, es aquel en el que se oxida la masa óxido-reductora y el reactor de reducción, también llamado reactor de combustible o reactor de combustión, es el reactor en el que se reduce la masa óxido-reductora. Los reactores funcionan en lecho fluidificado y la masa activa circula entre el reactor de oxidación y el reactor de reducción. La tecnología de lecho fluidificado circulante se utiliza para permitir el paso continuo de la masa activa desde su estado oxidado en el reactor de oxidación a su estado reducido en el reactor de reducción.
La figura 1 representa el principio general de funcionamiento de una instalación de CLC según la invención.
Antes de describir con más detalle su funcionamiento, la instalación de CLC según la invención incluye los siguientes elementos principales:
un reactor 110 de reducción que funciona en lecho fluidificado para efectuar la combustión de la carga hidrocarbonada sólida 12 en contacto con las partículas del sólido 19 portador de oxígeno, teniendo el reactor 110 forma de paralelepípedo;
un reactor 100 de oxidación que funciona en lecho fluidificado para oxidar las partículas reducidas 15 del sólido portador de oxígeno procedentes del separador 120 sólido-sólido que corona el reactor 110 de reducción, poniéndolas en contacto con un gas oxidante 10;
el separador 120 sólido/sólido que corona el reactor 110 de reducción para separar las partículas del sólido portador de oxígeno de las partículas de residuos no quemados contenidas en la mezcla de gas-sólido procedente del reactor 110 de reducción. Según la invención, el separador 120 sólido/sólido, representado con más detalle en las figuras 2 a 5 descritas a continuación, incluye un recinto de forma paralelepipédica que incluye una parte inferior que funciona en fase densa y una parte superior que funciona en fase diluida. Incluye al menos una admisión de forma paralelepipédica para la mezcla de gas-sólido procedente del reactor 110 de reducción, desembocando esta admisión en la parte superior del recinto y estando dotada en su parte superior de medios para distribuir dicha mezcla de gas-sólido en el recinto que se extienden por toda la longitud de dicha admisión. El separador sólido/sólido comprende igualmente al menos una evacuación situada en la parte inferior del recinto, para evacuar las partículas del portador de oxígeno, y al menos una salida situada en la parte superior del recinto para evacuar las partículas más ligeras que contienen las partículas de residuos no quemados con los gases de combustión. El recinto del separador 120 sólido/sólido también puede incluir un conducto de alimentación de un gas 23 proveniente de una fuente externa para contribuir a la fluidificación y a la separación sólido/sólido.
La instalación de CLC también puede incluir un separador 130 gas-sólido, típicamente del tipo ciclón, alimentado por la salida del recinto del separador 120 sólido/sólido, comprendiendo dicho separador 130 gas-sólido un conducto de evacuación de un gas 21 empobrecido en partículas ligeras de residuos no quemados, y un conducto de transporte en comunicación con el reactor 110 de reducción para reciclar un flujo 18 que contiene las partículas de residuos no quemados en el reactor 110 de reducción.
En la instalación de CLC, el portador de oxígeno reducido en forma de partículas 15 se pone en contacto con el flujo de gas oxidante 10, típicamente aire, en la zona 100 de reacción previamente definida como reactor de aire (o reactor de oxidación). Esto da como resultado el flujo 11 empobrecido en oxígeno (flujo de aire empobrecido) y el flujo 19 de partículas re-oxidadas. El flujo 19 de partículas de portador de oxígeno oxidado se transfiere a la zona 110 de reducción previamente definida como el reactor de reducción, también llamado reactor de combustión o reactor de combustible. El flujo 19 de partículas se pone en contacto con el combustible 12 que es una carga hidrocarbonada sólida. Esto da como resultado la mezcla 14 de gas/sólido que incluye los productos de la combustión, es decir, los gases resultantes de la combustión, principalmente CO2 y H2O si la combustión es completa, pero también H2 y CO en caso de combustión incompleta, un complemento gaseoso posiblemente también procedente del gas 13 de fluidificación introducido en el reactor de reducción (por ejemplo CO2 reciclado y/o vapor de agua), así como las partículas de portador de oxígeno reducido, las partículas de residuos no quemados y las cenizas. Se puede situar un conducto en la parte inferior del reactor 110 para extraer las cenizas aglomeradas entre sí 20 formadas en el reactor 110. En aras de la simplicidad, la representación de la figura 1 no comprende los diversos equipos que pueden formar parte de la unidad de CLC o para el intercambio de calor. Del mismo modo, la figura 1 no representa de forma exhaustiva todos los posibles equipos relativos a la separación o a las posibles recirculaciones de material alrededor de los reactores de aire y combustible. Únicamente se muestra la separación de los elementos comprendidos en el efluente del reactor 110 de combustión, y que se describe a continuación, y la recirculación de una parte de estos elementos en el reactor de combustión.
En el reactor 110 de combustión, la carga hidrocarbonada sólida 12 se pone en contacto a favor de la corriente con la masa activa óxido-reductora en forma de partículas 19 para realizar la combustión de dicha carga por reducción de la masa activa óxido-reductora.
La masa activa óxido-reductora MxOy, representando M un metal, se reduce al estado MxOy-2n-m/2, por medio de la carga hidrocarbonada CnHm, que se oxida correlativamente a CO2 y H2O, según la reacción (1) a continuación, o eventualmente como una mezcla de CO H2 según las proporciones utilizadas.
CnHm MxOy ^ nCO2+ m/2 H2O MxOy-2n-m/2 (1)
La combustión de la carga 12 en contacto con la masa activa se realiza a una temperatura generalmente comprendida entre 600 °C y 1400 °C, preferiblemente entre 800 °C y 1000 °C. El tiempo de contacto varía según el tipo de carga utilizada. Normalmente varía entre 1 segundo y 20 minutos, por ejemplo preferiblemente entre 1 y 10 minutos para una carga sólida.
La mezcla gaseosa 14 que comprende en particular los gases procedentes de la combustión y las partículas de la masa activa y las partículas de residuos no quemados se evacua por la parte superior de la zona 110 de reducción y se introduce en un separador 120 sólido/sólido que permite separar las partículas del portador de oxígeno más pesadas evacuadas en el fondo del separador 120 sólido/sólido, en la totalidad o en parte por un flujo 15, hacia el reactor 100 de oxidación, y las partículas de residuos no quemados más ligeras evacuadas con los gases de combustión por el flujo 17 en la parte alta, preferiblemente en la parte superior, del separador 120 sólido/sólido. La mayor parte de las partículas de residuos no quemados se pueden separar de los gases de combustión en el separador 130 de gas/sólido y se pueden enviar de nuevo al reactor 110 de combustión mediante un flujo 18. La descripción del funcionamiento del separador 120 sólido/sólido se proporciona más adelante.
En el reactor 100 de oxidación, la masa activa se restaura a su estado oxidado MxOy en contacto con el aire 10, según la reacción (2) siguiente, antes de volver según un flujo 19 hacia el reactor 110 de reducción, y después de ser separada del aire 11 empobrecido en oxígeno evacuado en la parte superior del reactor 100 de oxidación.
MxOy-2n-m/2 + (n+m/4) O2 ^ MxOy (2)
Donde n y m representan respectivamente el número de átomos de carbono y de hidrógeno que han reaccionado con la masa activa en el reactor de combustión.
La temperatura en el reactor de oxidación está generalmente comprendida entre 600 °C y 1400 °C, preferiblemente entre 800 y 1000 °C.
La masa activa, que pasa alternativamente de su forma oxidada a su forma reducida y viceversa, describe un ciclo de oxidación-reducción.
Las zonas de reacción que permiten la implementación de las reacciones de combustión química en bucle están generalmente constituidas de lechos fluidificados o lechos fluidificados circulantes, también llamados lechos transportados.
En la presente invención, las cargas hidrocarbonadas tratadas son cargas hidrocarbonadas sólidas, tales como carbón, coque, coque de petróleo, biomasa, arenas bituminosas, desechos domésticos.
La masa óxido-reductora puede estar compuesta de óxidos metálicos, tales como por ejemplo óxidos de Fe, Ti, Ni, Cu, Mn, Co, V, solos o en mezcla, que pueden proceder de minerales (por ejemplo la ilmenita o la pirolusita) o ser sintético (por ejemplo, partículas de óxido de cobre soportadas sobre alúmina CuO/Al2O3 o partículas de óxido de níquel soportadas sobre alúmina NiO/AbO4, preferiblemente partículas de óxido de cobre soportadas sobre alúmina CuO/AbO3), con o sin
aglutinante, y tiene las propiedades de oxidación-reducción requeridas y las características necesarias para la implementación de la fluidificación. La capacidad de almacenamiento de oxígeno de la masa óxido-reductora está ventajosamente comprendida, según el tipo de material, entre el 0,5% y el 15% en peso. Ventajosamente, la cantidad de oxígeno efectivamente transferida por el óxido metálico está comprendida entre el 0,5 y el 3 % en peso, lo que permite utilizar sólo una fracción de la capacidad total de transferencia de oxígeno, idealmente menos del 30 % para limitar los riesgos de envejecimiento mecánico o aglomeración de las partículas. El uso solo de una fracción de la capacidad de transporte de oxígeno también tiene la ventaja de que el lecho fluidificado actúa como un balasto térmico y así suaviza las variaciones de temperatura en el recorrido del portador de oxígeno.
La masa activa está en forma de partículas que se pueden fluidificar, pertenecientes a los grupos A, B o C de la clasificación de Geldart. A modo de ejemplo, y de forma no limitativa, las partículas de la masa activa óxido-reductora pueden pertenecer al grupo B de la clasificación de Geldart, y tener una granulometría tal que más del 90% de las partículas tengan un tamaño comprendido entre 100 gm y 500 gm, preferiblemente comprendido entre 150 gm y 300 gm. Preferiblemente, las partículas de la masa activa óxido-reductora tienen una densidad comprendida entre 1000 kg/m3 y 5000 kg/m3 y preferiblemente entre 1200 kg/m3 y 4000 kg/m3.
La masa activa de reducción-oxidación puede sufrir una fase de activación para aumentar sus capacidades reactivas, que puede consistir en una fase de aumento de temperatura, preferiblemente progresiva, y preferiblemente bajo atmósfera oxidante (por ejemplo bajo aire).
El reactor 110 de combustión puede comprender un lecho fluidificado en fase densa o en lecho fluidificado transportado o incluso una disposición de lechos constituidos de una fase densa y de una fase de transporte, tal como se describe por ejemplo en la solicitud WO11151537. En este último caso, el reactor de combustión puede comprender entonces una parte superior estrechada lo que permite acelerar y transportar la mezcla de gas-partículas que sale del reactor de combustión.
Aunque se muestra un solo reactor de combustión, la instalación de CLC puede comprender dos reactores de combustión en serie, en particular un primer reactor que funciona en fase densa, en el que la carga sólida sufre esencialmente una eliminación de volatilización de los compuestos volátiles, que generalmente representan del 5 al 50% en peso de la carga sólida según su origen, y una gasificación en contacto con las partículas portadoras 19 de oxígeno, coronado por un segundo reactor que asegura la combustión de la mezcla gaseosa procedente del primer reactor que funciona en lecho fluidificado diluido, típicamente un reactor de forma alargada en el que los gases tienen una velocidad superficial mayor que en el primer reactor, tal como se describe en la solicitud WO11151535. Según tal configuración, las condiciones nominales en el primer reactor de reducción son preferiblemente las siguientes: un tiempo medio de permanencia de la fase sólida (combustible sólido y portador de oxígeno) comprendido entre 0,25 minutos y 20 minutos, de preferencia entre 2 y 10 minutos, una velocidad superficial del gas generalmente comprendida entre 0,3 y 3 m/s (en las condiciones de reacción a la salida del primer reactor), una concentración de portador de oxígeno al menos igual al 10% en volumen. Las condiciones en el segundo reactor de reducción son de preferencia las siguientes: un tiempo de permanencia de la fase gaseosa comprendido generalmente entre 1 segundo y 20 segundos, el flujo de sólido transportado comprendido entre 25 y 500 kg/s/m2, de preferencia comprendido entre 60 y 300 kg/s/m2, una velocidad superficial del gas superior a 3 m/s e inferior a 30 m/s, preferiblemente comprendida entre 5 y 15 m/s (expresada en las condiciones), para facilitar el transporte del conjunto de las partículas minimizando al mismo tiempo las pérdidas de carga para optimizar el rendimiento energético del procedimiento. En este segundo reactor de reducción, el flujo se diluye y la mayor parte del volumen está ocupada por gas. Así, el índice de vacío (porcentaje del volumen ocupado por el gas) es generalmente superior al 90%, o incluso al 95%.
En la instalación de CLC según la invención, el reactor 110 de combustión coronado por el separador 120 sólido/sólido tiene forma de paralelepípedo, preferentemente rectangular. Tal geometría de reactor se adapta bien a una implementación industrial del CLC que incluye equipos de grandes dimensiones. Por gran dimensión, se entiende reactores por lo que la sección se expresa en decenas de m2, sobre alturas de varias decenas de metros. Permite, por ejemplo, facilitar el aumento de escala de la instalación de CLC mediante una posible duplicación del reactor en una dimensión para aumentar su capacidad. Además, esta geometría particular también tiene la ventaja de simplificar la posible colocación de materiales refractarios en toda la superficie interna para proteger el recinto metálico del reactor de las altas temperaturas. Por ejemplo, capas de cemento refractario armado, típicamente con grosores generalmente entre 2 y 50 cm, generalmente cercanos a los 20 cm, en las caras internas expuestas al flujo y a las altas temperaturas permiten utilizar aceros estándar para las partes externas del reactor. El material refractario utilizado para formar capas en las caras internas de la pared metálica del reactor también puede ser ladrillos. Otra configuración consiste en paredes que incluyen tubos por los que circula un fluido portador de calor, como por ejemplo vapor de agua, como el sistema descrito en la figura 4 para el separador 120 sólido/sólido.
A continuación, en relación con las figuras 2 a 5, se describe con más detalle el separador 120 sólido/sólido de la instalación según la invención. Su principio de funcionamiento es el siguiente:
La mezcla 14 de gas/sólido se introduce por una admisión que desemboca en el recinto del separador 120 en forma de fase diluida compuesta esencialmente por gas (al menos un 90% en volumen).
Las partículas sólidas transportadas con el gas en la mezcla 14 de gas/sólido son esencialmente:
las partículas de portador de oxígeno que han cedido al menos una parte de su oxígeno durante su paso por el reactor 110 de combustión;
las partículas de combustible sólido no quemado, o partículas de residuos no quemados;
eventualmente las cenizas volantes, elementos incombustibles resultantes de la combustión total de las partículas de combustible sólido y para las cuales el tiempo de permanencia en el reactor de combustión ha sido suficiente.
Debido a la velocidad impuesta del gas en el separador 120 sólido/sólido, las partículas pesadas sedimentan en la parte inferior del separador 120 sólido/sólido y son extraídas (flujo 15) por al menos una evacuación prevista en la parte inferior del recinto, mientras que las partículas ligeras son arrastradas en la parte superior del separador 120 sólido/sólido y son evacuadas (flujo 17) por una salida situada en la parte alta del recinto, por ejemplo en la parte superior del recinto. Las partículas pesadas están constituidas esencialmente por las partículas del portador de oxígeno a reciclar, y las partículas ligeras están constituidas esencialmente por las partículas de residuos no quemados a reciclar hacia la zona de combustión, y eventualmente por las cenizas volantes. Dentro del separador 120 sólido/sólido, la velocidad superficial del flujo de gas es mayor que la velocidad terminal de caída de las partículas de combustible no quemadas para permitir su arrastre con el gas, por ejemplo 3 veces superior a la velocidad terminal de caída de las partículas de combustible no quemadas. Así, sometiendo la mezcla de partículas procedentes del reactor 110 de combustión a un flujo gaseoso de velocidad impuesta, es posible realizar una separación "rápida" entre las partículas pesadas y las partículas ligeras. Por separación rápida, se entiende una separación que tiene lugar en menos de 1 minuto y preferiblemente en menos de 20 segundos, correspondiendo esta duración al tiempo de permanencia de las partículas ligeras en la fase diluida del separador 120. La fase diluida tiene generalmente un índice de sólidos generalmente inferior al 5%, o incluso inferior al 1 % (vol.).
El separador 120 comprende un recinto de forma paralelepipédica, preferiblemente rectangular, con al menos una admisión de dicha mezcla también de forma paralelepipédica, preferentemente rectangular, al menos una evacuación situada en la parte inferior del recinto y al menos una salida situada en la parte superior del recinto, eligiéndose los parámetros de admisión y de evacuación/salida para crear en el recinto una fase densa en la parte inferior y una fase diluida en la parte superior, y en la que la admisión desemboca en la fase diluida.
Así, la separación se realiza en la fase diluida del separador 120 sólido/sólido para obtener la mejor eficacia de separación posible.
La eficacia de separación se puede definir mediante la fórmula: X= cantidad de partículas de residuos no quemados arrastradas con el gas / cantidad total de partículas de residuos no quemados en la mezcla de partículas que entran en el separador.
Se puede obtener una eficacia de separación generalmente superior al 70%, o incluso superior al 80%, con la implementación de dicho separador 120 sólido/sólido.
Debido a esta buena eficacia de separación, es posible optimizar el índice de captación de CO2 del procedimiento, estando definida éste por la relación entre cantidad de CO2 emitido a nivel de zona de combustión / cantidad total de CO2 emitido en el bucle de la CLC. Por lo tanto, el índice de captación puede ser superior al 90%. Tal eficacia de separación, que influye en el reciclado de los no quemados en el reactor de combustión, puede permitir limitar el tiempo de permanencia de la carga en el reactor de combustión, lo que puede autorizar diferentes diseños del reactor de combustión, en particular una zona en lecho fluidificado en fase densa más compacta.
Preferiblemente, el flujo gaseoso a una velocidad impuesta es inducido en su totalidad por la mezcla 14 de gas/sólido proveniente del reactor 110 de combustión, pero también es posible ajustar la velocidad mediante la inyección adicional de un gas 23 proveniente de una fuente externa, que puede también contribuir a la fluidificación de una fase densa que acumula las partículas sedimentadas.
De preferencia, la velocidad superficial del gas en la fase diluida del recinto del separador 120 se fija en un valor generalmente comprendido entre el 30 y el 300% de la velocidad terminal de caída media de las partículas de portador de oxígeno, preferiblemente comprendido entre el 50 y el 150%, y más preferiblemente entre el 75 y el 125%.
La velocidad terminal media de caída se obtiene a partir de la fórmula (*):
vt= { 4dM ~ p g)s x 1/2
3 P gCD }
donde: dp es el diámetro medio de las partículas
Ps es la densidad de las partículas (kg/m3)
Pg es la densidad del gas (kg/m3)
Cd el coeficiente de arrastre
(*): extraída de Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann, Daizo Kunii, Octave Levenspiel, pág.80).
El flujo gaseoso 17 por tanto comprende los gases de combustión y las partículas más ligeras que son mayoritariamente partículas de residuos no quemados y eventualmente cenizas volantes, pudiendo una fracción minoritaria de estas partículas las más ligeras estar constituidas por partículas de portadores de oxígeno, en particular finos del portador de oxígeno producidos por desgaste. Este flujo puede ser enviado a un separador 130 gas-sólido, por ejemplo un ciclón, para recuperar las partículas sólidas contenidas en el flujo gaseoso 17 y reciclarlas en el reactor 110 de combustión por un flujo 18, después de la eliminación eventual de las cenizas volantes por elutriación en lecho fluidificado, por ejemplo. En este caso, la salida del recinto del separador 120 sólido/sólido alimenta al separador 130 gas-sólido que comprende un conducto de descarga del gas 21 empobrecido en partículas ligeras de residuos no quemados y un conducto de transporte en comunicación con el reactor 110 de reducción para reciclar las partículas de residuos no quemados en el reactor 110 de reducción. Aunque en la figura 1 se representa una sola etapa de separación de gas-sólido, se pueden prever otros separadores de gas-sólido, de tipo ciclones o filtros, por ejemplo, aguas abajo del separador 130 de gas/sólido para efectuar una mayor eliminación de polvo de los efluentes de combustión.
La figura 2 es un esquema de un separador sólido/sólido según un primer modo de realización.
El separador 121 sólido/sólido incluye un recinto 1 en forma de paralelepípedo rectángulo que comprende una admisión 2 de la mezcla 14 de gas-sólido compuesta por partículas sólidas del portador de oxígeno, partículas sólidas de residuos no quemados, cenizas, y gas, esencialmente vapor de agua, CO2, y gas de síntesis (CO y H2) en pequeñas cantidades, procedente dicha mezcla 14 del reactor 110 de combustión situado debajo del separador 121 sólido/sólido.
La admisión 2 tiene forma de paralelepípedo, preferiblemente rectángulo. Está compuesta más precisamente por dos paredes enfrentadas, preferiblemente sustancialmente paralelas, que se extienden de preferencia sustancialmente sobre toda la longitud del recinto 1. El recinto 1 también puede comprender varias admisiones 2 para tal mezcla de gas-sólido. La o las admisiones 2 están conectadas en su parte inferior a la parte superior del reactor de combustión.
La admisión está centrada de preferencia en el recinto 1. También puede estar descentrada, sin que este descentrado sea demasiado grande, para mantener una distribución de la mezcla de gas-sólido lo más uniforme posible en el recinto 1 a la salida de la admisión 2.
La altura entre la parte superior de la admisión y la parte superior del recinto está comprendida, por ejemplo, entre 0,5 y 2 veces la altura de liberación, preferiblemente entre 1 y 1,2 veces la altura de liberación. Siendo la altura de liberación la altura a partir de la cual la concentración de sólido arrastrado en la fase gaseosa es constante
La admisión penetra en el recinto a una profundidad axial preferiblemente comprendida entre 0.7xL2 y 5xL2, más preferiblemente entre 1,5xL2 y 3xL2, siendo L2 el ancho de admisión, es decir el ancho del espacio interno de la admisión 2, que es el espacio interno formado entre las dos paredes constitutivas de la admisión 2 que están enfrentadas.
El recinto 1 del separador 120 sólido/sólido también comprende en su parte superior una salida 4 para otra mezcla 17 de gas-sólido compuesta esencialmente por el gas mencionado anteriormente, de la mayor parte de las partículas sólidas de residuos no quemados, de las cenizas y de una pequeña parte de las partículas del portador de oxígeno. La salida 4 está situada preferiblemente en la parte superior del recinto. La salida 4 también puede estar situada sobre una pared lateral en la parte superior del recinto, permitiendo evacuar lateralmente la mezcla 17 de gas/sólido, y facilitando por ejemplo la conexión al separador 130 sólido-sólido. La mezcla 17 que sale por la salida 4 se dirige de preferencia hacia un separador 130 gas-sólido, por ejemplo un ciclón, como ya se ha explicado anteriormente. El recinto 1 también puede incluir varias salidas para tal mezcla 17 de gas-sólido.
La salida 4 tiene preferiblemente la forma de un paralelepípedo, preferiblemente rectángulo, como se muestra. En este caso, de preferencia se extiende sustancialmente a toda la longitud del recinto. Sin embargo, la salida 4 puede tener cualquier otra forma geométrica, por ejemplo cilíndrica para facilitar la conexión con el separador 130 sólido-sólido.
La salida 4 está preferiblemente centrada en el recinto 1. Alternativamente, puede estar descentrada.
El recinto 1 del separador 120 sólido/sólido comprende dos evacuaciones 5 dispuestas en el fondo del recinto 1 a cada lado de la admisión 2. Permiten que una mezcla 15 de sólidos compuesta mayoritariamente de partículas del portador de oxígeno y de una pequeña fracción de partículas sólidas de residuos no quemados sólidos, de preferencia un contenido de partículas sólidas de residuos no quemados inferior al 30%, preferiblemente inferior al 20%, del contenido inicial en la mezcla de gas-sólido que llega por la admisión 2, sea evacuada y dirigida hacia el reactor 100 de oxidación donde las partículas del portador de oxígeno son nuevamente oxidadas en contacto con un gas oxidante, por ejemplo, aire. En el recinto 1 se puede prever alternativamente una única evacuación o más de dos evacuaciones para evacuar la mezcla 15 de sólidos.
Las evacuaciones 5 tienen preferentemente forma de paralelepípedo, preferiblemente rectángulo. Se extienden preferentemente sobre sustancialmente toda la longitud del recinto. Alternativamente, pueden tener otra forma geométrica,
por ejemplo cilindrica.
En una configuración en la que la admisión 2, la salida 4 y las salidas 5 tienen una forma de paralelepípedo rectángulo, como se muestra en la figura 2, la admisión 2, la salida 4 y las evacuaciones 5 incluyen cada una dos paredes laterales que se extienden sustancialmente sobre toda la longitud del recinto 1, y son preferiblemente sustancialmente paralelas entre sí.
El objetivo del separador sólido/sólido es en primer lugar minimizar la concentración de partículas sólidas de residuos no quemados en la mezcla de sólidos que sale por la evacuación 5 en el fondo del separador 120, para limitar el arrastre de los no quemados hacia el reactor oxidación y así asegurar un índice de captación de CO2 elevado, y luego minimizar la concentración de partículas de portador de oxígeno en la mezcla 17 de gas-sólido enviada a la salida 4 situada en la parte superior del separador 120 sólido/sólido. La eficacia del separador sólido/sólido se basa por tanto en una separación eficaz de estas dos poblaciones de partículas sólidas en el recinto 1, cuyo funcionamiento ya se ha descrito anteriormente.
Según la invención, la admisión 2 está equipada en su parte superior con medios 3 de distribución de dicha mezcla de gassólido en el recinto 1 que se extienden en toda la longitud de la admisión 2. Estos medios están dispuestos en la parte superior de la admisión 2 para mejorar la distribución de la mezcla 14 de gas-sólido en toda la sección del recinto 1 del separador 120 sólido/sólido. Esta mejor distribución de la mezcla de gas-sólido a su entrada en el recinto mejora la separación por gravedad de las partículas sólidas. Por un efecto de desviación de la mezcla de gas-líquido ligado a la presencia de los medios 3 de distribución, las partículas más densas, es decir, las del portador de oxígeno, se ralentizan acercándose a las paredes laterales del recinto 1 y caen hacia la parte baja del recinto. 1. Las partículas más ligeras, incluidas las partículas de residuos no quemados, conservan una velocidad de arrastre suficiente para llegar a la parte alta del recinto 1 y salir con los gases por la salida 4.
Los propios medios 3 de distribución también provocan una ralentización de las partículas por contacto de las partículas con dichos medios, desempeñando de alguna forma una misión de "rompe chorro", que del mismo modo mejora la separación por gravedad de las partículas del portador de oxígeno y de los no quemados en el recinto 1 del separador.
Según el primer modo de realización representado en la figura 2, estos medios de distribución de la mezcla 14 de gassólido están formados por una viga 3 de sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto 1.
La viga se puede fijar a la admisión, o a otro soporte tal como las paredes del recinto, por cualquier medio de fijación conocido por el experto en la técnica resistente a las condiciones de funcionamiento del CLC, por ejemplo mediante patas de fijación o cualquier otro elemento de conexión fijo soldado entre las paredes de la admisión o del recinto y la viga. Los elementos de fijación de la viga no se muestran en la figura 2 por simplicidad.
La figura 3 representa una vista detallada de parte del separador 120 sólido/sólido que muestra la disposición de la viga 3 con respecto a la admisión 2.
La geometría y la posición de la viga 3 están definidas en particular por los siguientes parámetros:
- el ángulo a de abertura de la sección en forma de V de la viga, formado entre las dos paredes que forman la viga de sección en forma de V,
- el ancho L1 de la viga 3, definido en la parte superior de la viga donde es el mayor debido a la sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto 1,
- la distancia H entre la parte superior de la viga, y la parte superior de la admisión 2, más precisamente entre el plano horizontal en la parte superior de la viga 3 y el plano horizontal en la parte superior de la admisión 2.
Estos dos últimos parámetros, L1 y H, se puede expresar en función del ancho L2 de la admisión 2. El ancho L2 de la admisión es el ancho del espacio interno de la admisión 2, es decir, el espacio interno formado entre las dos paredes enfrentadas de la admisión 2.
Ventajosamente, la sección en forma de V de la viga 3 forma preferiblemente un ángulo a de abertura comprendido entre 10° y 150°, más preferiblemente entre 10° y 90°, y aún más preferiblemente comprendido entre 10° y 50°. Por ejemplo, el ángulo de abertura es de 30°. Se prefiere una geometría con un ángulo de apertura bajo, preferiblemente comprendido entre 10° y 50°, porque permite proporcionar una superficie de contacto de las paredes de la viga con las partículas arrastradas lo más tangencial posible, lo que en particular hace permite limitar la intensidad de los choques mecánicos ejercidos sobre las partículas del portador de oxígeno y, en consecuencia, su desgaste por uso.
Ventajosamente, la distancia H está comprendida entre 0,5xL2 y 5xL2, preferiblemente entre 0,5xL2 y 3xL2, y aún más preferiblemente entre 0,5xL2 y 1xL2. Por ejemplo, la distancia H es 0.9xL2.
Ventajosamente, el ancho L1 está entre comprendido entre 0,1 xL2 y 1,5xL2, preferiblemente entre 0,2xL2 y 1 xL2 , e incluso más preferiblemente entre 0,3xL2 y 0,7xL2. Por ejemplo, el ancho L1 es de 0,5xL2.
Según una variante, la viga 3 puede ser maciza, y por tanto tener una sección en forma de triángulo.
La viga 3 puede estar formada de una sola pieza, o ensamblando varias piezas, por ejemplo una sucesión de placas longitudinales fijadas entre sí para formar la viga con una sección en V.
Los materiales utilizados para realizar el recinto del separador sólido/sólido y sus elementos constituyentes (admisión o admisiones, evacuación o evacuaciones, salida o salidas, medios de distribución, etc.) pueden elegirse entre materiales refractarios, por ejemplo de tipo hormigón refractario, ladrillo refractario o cerámico, aceros de alta temperatura, por ejemplo del tipo Hastelloy ®, Incoloy ®, Inconel ® o Manaurite ®, o aceros convencionales, por ejemplo del tipo acero inoxidable o acero al carbono enfriado según la variante presentada en figura 4 y descrita a continuación, o una combinación de estos materiales.
La figura 4 muestra una vista detallada de parte de un separador 122 sólido/sólido según un segundo modo de realización de la invención. La vista se centra en la viga 3 y la admisión 2. El separador 122 sólido/sólido es en todos los aspectos idéntico al del según el primer modo de realización, excepto por el hecho de que también comprende medios para enfriar la admisión 2 y la viga 3.
La geometría del separador 122 sólido/sólido, en particular la admisión 2 de forma paralelepipédica, que se extiende de preferencia sobre sustancialmente toda la longitud del recinto paralelepipédico, así como la viga en forma de V que corona dicha admisión 2, permiten la integración de medios de enfriamiento de los materiales que forman estos elementos del separador.
Preferiblemente, los medios de refrigeración comprenden tubos metálicos 6a y 6b para el paso de un fluido portador de calor, estando fijados los tubos, por ejemplo soldados, sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión 2 y sobre una cara interior de las paredes que forman la viga 3.
Por cara exterior de las paredes de la admisión 2 se entiende la cara en contacto con el espacio interior del recinto 1. Por cara interior de las paredes de la viga 3, se entiende la cara en contacto con el espacio interior formado entre las dos paredes en forma de V que forman la viga 3.
La viga 3 incluye por ejemplo al menos un tubo 6a dispuesto entre las paredes que forma la viga en forma de V. Esta configuración permite no obstruir el paso de la mezcla de gas-sólido a la salida de la admisión 2.
La admisión 2 incluye al menos una fila de tubos 6b, por ejemplo 6 filas de tubos 6b, sobre la cara exterior de cada una de las dos paredes que forman la admisión. Los tubos 6b pueden, por ejemplo, estar interconectados para formar un serpentín en cada pared, o ser independientes.
Alternativamente, los tubos 6a y 6b pueden ensamblarse entre sí para formar paredes refrigerantes y al mismo tiempo ser elementos estructurales que forman la viga 3 y/o la admisión 2.
Los tubos se alimentan con un fluido portador de calor a una temperatura inferior a la que opera en el separador sólido/sólido, lo que permite enfriar los internos por intercambio de calor, para mantenerlos a una temperatura particularmente inferior a las temperaturas de fluencia.
Ventajosamente se utiliza vapor de agua como fluido portador de calor.
Dichos medios de enfriamiento permiten por una parte la utilización de materiales más convencionales para la fabricación de estos elementos internos del separador sólido/sólido, tal como el acero, en lugar de aleaciones refractarias que son costosas y complejas de implementar y que se pueden requerir para resistir las muy altas temperaturas de funcionamiento del separador sólido/sólido, generalmente por encima de 900 °C y potencialmente por encima de los 1000 °C, que solicitan fuertemente los materiales y pueden provocar problemas de fluencia de los materiales metálicos convencionales.
Por otra parte, tales medios de refrigeración permiten hacer más fiable el funcionamiento a largo plazo del separador sólido/sólido, y por tanto la instalación de CLC, con las esperadas solicitaciones mecánicas, ligadas a las altas temperaturas impuestas por el CLC, menos importantes.
Un modo de realización de este tipo es, por lo tanto, particularmente adecuado para la implementación industrial que involucra equipos generalmente costosos de grandes dimensiones, por economía de los costes de fabricación del separador sólido/sólido y por una economía de costes operativos vinculados a una mayor operatividad fiable a largo plazo.
En el caso de que se utilice vapor de agua como fluido portador de calor, otra ventaja de este segundo modo de realización reside en la posibilidad de producir energía aprovechando el vapor sobrecalentado producido por el intercambio térmico operado gracias a estos medios de refrigeración.
La figura 5 es un esquema de un separador sólido/sólido según un tercer modo de realización. El separador 123 sólido/sólido es idéntico al del primer modo de realización, a excepción de los medios de distribución de la mezcla de gassólido en el recinto.
Según este tercer modo de realización, los medios de distribución de la mezcla de gas-sólido incluyen una placa curva 7 con una concavidad orientada hacia la parte baja del recinto 1, estando la placa curva 7 conectada a las dos paredes que
forman la admisión 2 y estando provista al menos de dos hendiduras 8 situadas a ambos lados de una parte central de dicha placa curva 7 y extendiéndose a lo largo de la parte superior de la admisión 2 para el paso de la mezcla de gas/sólido y su distribución hacia la periferia del recinto 1. Las hendiduras 8 se extienden preferiblemente sobre sustancialmente toda la longitud de la parte superior de la admisión. La mezcla de 14 gas-sólido que entra en el recinto 1 se distribuye así de forma similar a lo descrito para el primer modo de realización con la viga 3.
Según un cuarto modo de realización, no representado, el separador 123 sólido/sólido incluye además medios para enfriar la admisión 2 y la placa curva 7. Se trata de una variante del tercer modo de realización.
Como para el separador 122 según el segundo modo de realización representado en la figura 4, estos medios de refrigeración son preferiblemente tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor, de preferencia vapor de agua. Los tubos se fijan sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión 2 y sobre una cara exterior de la placa curva 7. La cara exterior de la placa curva es la cara en contacto con el espacio interior del recinto 1. Por oposición, la cara interior de la placa curva 7 está situada por el lado del espacio interno formado en la admisión 2. Los tubos fijados a la admisión 2 pueden disponerse de manera similar a la configuración descrita en relación con la figura 3.
Esta configuración presenta ventajas similares a las descritas para el segundo modo de realización de la invención.
Según otro modo de realización no representado, el separador 120 sólido/sólido es en todos los aspectos idéntico al del primer modo de realización descrito en relación con la figura 2, a excepción de los medios de distribución de la mezcla de gas-sólido en el recinto, que no son una viga de sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto 1, sino que están formadas por una viga cilíndrica.
Según este modo de realización, la geometría y la posición de la viga se definen esencialmente por los dos parámetros siguientes: el diámetro exterior D1 del haz y la distancia H entre la parte superior de la viga y la parte superior de la admisión del separador sólido/sólido, más precisamente entre el plano horizontal en la parte superior de la viga y el plano horizontal en la parte superior de la admisión. Estos últimos parámetros, D1 y H, se pueden expresar en función del ancho L2 de la admisión, de forma idéntica a los parámetros L1 y H según el primer modo de realización: Ventajosamente, la distancia H está comprendida entre 0,5xL2 y 5xL2 , preferiblemente entre 0,5xL2 y 3xL2, y aún más preferiblemente entre 0,5xL2 y 1 xL2. Por ejemplo, la distancia H es 0,9xL2.
Ventajosamente, el diámetro D1 está comprendido entre 0,1xL2 y 1.5xL2 , preferiblemente entre 0,2xL2 y 1xL2 , e incluso más preferiblemente entre 0,3xL2 y 0,7xL2. Por ejemplo, el diámetro D1 es de 0,5xL2.
Dicho separador sólido/sólido también puede comprender medios de refrigeración similares a los descritos en relación con la figura 4, en particular tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor fijados, por ejemplo soldados sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión, o soldados entre sí para formar directamente las paredes de la admisión, y tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor que pueden fijarse en el interior de la viga cilíndrica o ser sustituidos por la propia viga cilíndrica en la que pueda circular un fluido portador de calor.
Ejemplo
El siguiente ejemplo pretende mostrar la eficacia de los medios de dispersión de la mezcla de gas/sólido en el separador sólido/sólido de la instalación de CLC según la invención, en comparación con un separador sólido/sólido desprovisto de tales medios.
Según este ejemplo, se ensayan diferentes configuraciones según la invención, implementando todas ellas una viga de sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto del separador sólido/sólido, según el primer modo de realización.
Los resultados también muestran la influencia del ángulo de abertura de la viga en V, así como la posición de la viga en V por encima de la parte superior de la admisión.
Se evalúan diferentes geometrías de vigas en forma de V a diferentes alturas con respecto a la parte superior de la admisión 2, dentro de una maqueta denominada “fría”, es decir, una instalación no reactiva que funciona a temperatura ambiente, equivalente en tamaño a un separador sólido/sólido con una potencia de 1 MWh, una sección de 0,3 m2, una altura total de 4 metros y una altura de admisión de 1 metro.
Se ensayan un total de seis configuraciones C1 a C6 y se comparan con una configuración C7 de un separador sólido/sólido según la técnica anterior sin viga.
La figura 6 esquematiza el montaje realizado y los principales parámetros geométricos tenidos en cuenta, cuyos valores se resumen en la siguiente tabla.
La distancia L2 se fija en 240 mm.
Estas configuraciones C1 a C7 se evalúan para diferentes caudales de sólido en forma de partículas que varían de 3000 a 9000 kg/h. El sólido está compuesto por ilmenita, que es un mineral que combina titanio y hierro, cuya mayor parte de la población tiene un diámetro comprendido entre 100 y 150 gm (diámetro de Sauter dsv = 113 gm) para una densidad de grano de 4750 kg/m3.
Los resultados se ilustran en el gráfico de la figura 7 que da el caudal de partículas sólidas (Ds en abscisas, en kg/h) en función del caudal de partículas sólidas arrastradas (Dse en ordenadas, en %) para un ejemplo de un separador C7 sólido/sólido según la técnica anterior, referenciado 7 en la leyenda del gráfico, y varios ejemplos de separadores C1 a C6 sólido/sólido según la invención, referenciados 1 a 6 en la leyenda del gráfico
La eficacia de la separación sólido/sólido se evalúa en base al porcentaje de partículas sólidas arrastradas hacia la salida 4 del separador sólido/sólido (relación de la cantidad de partículas arrastradas con el gas / cantidad total de partículas en la mezcla de partículas que entran en el separador).
La mayor eficacia corresponde al porcentaje menos elevado.
Como se muestra en la figura 7, se puede ver que la presencia de una viga en forma de V en la parte superior de la admisión 2 permite mejorar significativamente la eficacia, en un factor de 3 a 6 según las geometrías consideradas.
También se observa que se logra una eficacia equivalente para la mayoría de las configuraciones ensayadas. Solo las geometrías con viga en V con un ángulo a de abertura de 30° y un ancho pequeño L1 (170 mm) presentan una sensibilidad en función de la elevación H de la viga. Por el contrario, se logran rendimientos equivalentes cuando la viga está ubicada lo más cerca posible de la parte superior de la admisión 2 de la mezcla de gas-sólido (H=0.9xL2).
Claims (15)
1. instalación de combustión química en bucle de una carga hidrocarbonada sólida que genera partículas de residuos no quemados y que emplea partículas de un sólido portador de oxígeno, comprendiendo dicha instalación:
- un reactor (110) de reducción que funciona en lecho fluidificado para efectuar la combustión de dicha carga hidrocarbonada sólida en contacto con las partículas del sólido (19) portador de oxígeno, teniendo dicho reactor forma de paralelepípedo;
- un reactor (100) de oxidación que funciona en lecho fluidificado para oxidar las partículas reducidas del sólido portador de oxígeno procedente del reactor (110) de reducción poniéndolas en contacto con un gas oxidante (10);
- un separador (120, 121, 123) sólido/sólido que corona dicho reactor (110) de reducción para separar las partículas del sólido portador de oxígeno de las partículas de residuos no quemados contenidos en la mezcla de gas/sólido resultante de dicho reactor (110) de reducción, comprendiendo dicho separador sólido/sólido un recinto (1) de forma paralelepipédica que incluye:
- una parte inferior que funciona en fase densa y una parte superior que funciona en fase diluida;
- al menos una admisión (2) de forma paralelepipédica para la mezcla de gas/sólido procedente del reactor (110) de reducción, desembocando dicha admisión en la parte superior del recinto (1) y estando equipada en su parte superior con medios (3, 7, 8) de distribución de dicha mezcla de gas/sólido en el recinto que se extienden a toda la longitud de dicha admisión;
- al menos una evacuación (5) situada en la parte inferior del recinto (1);
- al menos una salida (4) situada en la parte superior del recinto (1).
2. Instalación según la reivindicación 1, que incluye además un separador (130) gas/sólido alimentado por la salida (4) del recinto (1) del separador (120, 121, 123) sólido/sólido, comprendiendo dicho separador (130) gas/sólido un conducto de evacuación de un gas (21) empobrecido en partículas ligeras de residuos no quemados, y un conducto de transporte en comunicación con el reactor (110) de reducción para reciclar un flujo (18) que contiene las partículas de residuos no quemados en el reactor (110) de reducción.
3. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el recinto (1) del separador (120, 121, 123) sólido/sólido y su admisión (2) tienen forma de paralelepípedo rectángulo.
4. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el reactor (110) de reducción tiene forma de paralelepípedo rectángulo.
5. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la el recinto (1) del separador (120, 121, 123) sólido/sólido incluye dos evacuaciones (5) situadas en el fondo del recinto (1) a ambos lados de la admisión (2).
6. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la admisión (2) está centrada en el recinto (1).
7. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los medios de distribución de dicha mezcla de gas/sólido en el recinto (1) del separador (120, 121, 123) sólido/sólido incluyen una viga (3) de sección en forma de V abierta hacia la parte superior del recinto (1).
8. Instalación según la reivindicación 7, en la que el ángulo a de abertura de la sección en forma de V de dicha viga (3) está comprendido entre 10° y 150°, y preferiblemente entre 10° y 90°, y más preferentemente aún entre 10° y 40°.
9. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 7 y 8, en la que la parte superior de dicha viga (3) está a una distancia H de la parte superior de la admisión (2) comprendida entre 0,5xl_2 y 5xl_2, preferiblemente entre 0,5xl_2 y 3xl_2 y más preferiblemente aún entre 0,5xL2 y 1 xl_2, siendo L2 el ancho del espacio interior de la admisión (2).
10. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en la que la parte superior de dicha viga (3) tiene una anchura L1 comprendida entre 0,1 xL2 y 1,5xL2 , preferiblemente entre 0,2xL2 y 1 xL2 y más preferiblemente aún entre 0,3xL2 y 0,7xL2 , siendo L2 el ancho del espacio interior de la admisión (2).
11. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en la que el separador sólido/sólido incluye además medios de refrigeración de la admisión (2) y de la viga (3).
12. Instalación según la reivindicación 11, en la que los medios de refrigeración son tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor, estando fijados dichos tubos sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión (2) y sobre una cara interior de las paredes que forman la viga (3).
13. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que los medios de distribución de dicha mezcla
de gas/sólido en el recinto (1) del separador (120, 121, 123) sólido/sólido incluyen una placa curva (7) con una concavidad orientada hacia la parte baja del recinto (1), estando dicha placa curva (7) conectada a las dos paredes que forman la admisión (2) y provista de al menos dos hendiduras (8) situadas a ambos lados de una parte central de dicha placa curva (7) para el paso de la mezcla de gas/sólido y su distribución hacia la periferia del recinto (1).
14. Instalación según la reivindicación 13, en la que el separador sólido/sólido incluye además medios de refrigeración de la admisión (2) y de la placa curva (7), siendo de preferencia dichos medios de refrigeración unos tubos metálicos para el paso de un fluido portador de calor, estando fijados dichos tubos sobre una cara exterior de las paredes que forman la admisión (2) y sobre una cara exterior de la placa curva (7).
15. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que los medios de distribución de dicha mezcla de gas/sólido en el recinto (1) del separador (120) sólido/sólido incluyen una viga cilíndrica.
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| US8596075B2 (en) * | 2009-02-26 | 2013-12-03 | Palmer Labs, Llc | System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid |
| ES2421210T3 (es) * | 2009-06-12 | 2013-08-29 | Alstom Technology Ltd | Sistema para conversión de material combustible |
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| US9790437B2 (en) * | 2014-10-09 | 2017-10-17 | Saudi Arabian Oil Company | Integrated heavy liquid fuel coking with chemical looping concept |
| US10782016B2 (en) * | 2015-03-12 | 2020-09-22 | General Electric Technology Gmbh | System and method for reducing emissions in a chemical looping combustion system |
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