XVI.- CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO
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XVI.1.- TECNOLOGÍA DE LA COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIFICADO
La tecnología de la combustión en lecho fluidificado (FBC) presenta diversas ventajas para la generación
de vapor, en la
combustión de combustibles sólidos
recuperación de energía de otros procesos
combustión de combustibles residuales
.
El proceso consiste en una mezcla de partículas sólidas suspendidas en un flujo gaseoso ascendente,
que en conjunto presenta propiedades fluidas.
La combustión tiene lugar en el lecho con
altas transferencias caloríficas al hogar de la unidad
bajas temperaturas de combustión
Las ventajas del proceso radican en
la flexibilidad del combustible a utilizar
las reducidas emisiones que se producen
Para visualizar el proceso de fluidificación, en la Fig XVI.1a se presenta un recipiente que tiene, en
su parte inferior, una cámara de suministro de aire coronada por una placa distribuidora que asegura el
flujo de aire a través del lecho. La cámara superior, por encima del nivel del lecho, está llena de arena o
de un material granular de forma que:
- Se hace circular un pequeño flujo de aire a través de la placa distribuidora hacia la arena estática que tiene encima,
pasando por los huecos de la misma. A bajas velocidades del flujo de aire, la fuerza que se ejerce sobre las partículas de arena
no es grande, por lo que éstas permanecen estáticas, lo que caracteriza el lecho fijo o colapsado, representado en la Fig XVI.1b
- Al aumentar el flujo de aire, el fluido ejerce una fuerza mayor sobre las partículas de arena reduciendo la fuerza de
contacto entre las mismas, llegándose a un equilibrio entre las fuerzas de arrastre y gravedad, momento en el que las partículas
quedan en suspensión dentro del flujo ascendente de aire
- El instante en el que el lecho comienza a comportarse como un fluido caracteriza la condición mínima de fluidificación
que, una vez superada, Fig XVI.1c, presenta un incremento del volumen del lecho, respecto al del lecho no fluidificado
- Si el flujo de aire sigue aumentando, el lecho se hace menos uniforme y se forman burbujas de aire, por lo que el lecho
comienza a ser algo turbulento (etapa de lecho burbujeante), Fig XVI.1d. En esta situación, el volumen ocupado por la mezcla
(sólidos + aire) se incrementa de forma importante, observándose un nivel de lecho perceptible y una transición entre el lecho
y su espacio superior perfectamente diáfana
- Al incrementar aún más el flujo de aire, las burbujas se hacen más grandes y se empiezan a combinar entre sí, configurando
grandes huecos en el seno del lecho, al tiempo que los sólidos presentes están en contacto como grupos altamente concen-
XVI.-457
trados, (lecho fluidificado turbulento)
- Si a la salida del recinto los sólidos se capturan y devuelven al lecho, se dice que circulan a lo largo de un bucle; esta
etapa se identifica como lecho fluidificado circulante, Fig XVI.1e
a) Placa distribuidora b) Lecho estático c) Fluidificación mínima d) Lecho burbujeante e) Lecho circulante
Fig XVI.1.- Condiciones típicas de lecho fluidificado
En el
entre el lecho denso del fondo del recipiente y la zona diluida superior, decreciendo gradualmente la
concentración de sólidos entre estas dos regiones.
El peso de los sólidos recirculados desde la salida del recinto hacia la zona del lecho es del orden de
cientos de veces el peso del aire que fluye por el sistema, siendo la cantidad de sólidos en el recipiente
proporcional a la cantidad de arena recirculada desde el separador de partículas, por lo que la presión diferencial
lecho fluidificado circulante, al contrario que en el lecho burbujeante, no hay una clara transiciónaumenta hasta alcanzar el valor necesario para mantener los sólidos en el recipiente
varía entre la parte superior e inferior del recipiente con el flujo de aire, Fig XVI.2
Fig XVI.2.- Influencia de la velocidad del aire sobre la caída de presión a través del lecho
a) Para flujos de aire bajos, la presión diferencial depende sólo de la masa de arena existente en el lecho, y aumenta con
el flujo de aire hasta alcanzar la velocidad de fluidificación mínima, en que la arena está en suspensión dentro del flujo de aire,
(lecho estático)
b) Para flujos de aire mayores la presión diferencial es constante, hasta que su velocidad se hace lo suficientemente alta
como para arrastrar la arena fuera del recipiente, (lecho burbujeante y turbulento)
c) Para flujos de aire mucho mayores, la presión diferencial decrece conforme el sistema pierde masa, (lecho arrastrado)
De las condiciones de fluidificación descritas, para la producción de vapor en plantas termoeléctricas
sólo se utilizan los lechos burbujeantes y los lechos circulantes.
Antecedentes.-
como materia prima granular. El proceso de gasificación del carbón en lecho fluidificado de Fritz Winkler
(1920), se utilizó comercialmente para producir gas a partir del carbón que se utilizaba como combustible,
o como materia prima para procesos químicos; en la actualidad para producir gas de síntesis, la industria
ha encontrado otras alternativas al proceso Winkler, más fáciles y baratas, a partir de gas natural
o fuelóleos. Otros trabajos de investigación (1930/40) pusieron de relieve las ventajas del lecho fluidificado
y del pirolizador catalítico de fluidos (reactor
Una de las aplicaciones más antiguas del lecho fluidificado utilizaba el carbónsólidos-gas) para la obtención de gasolinas y otrosXVI.-458
productos petrolíferos.
Fig XVI.3.- Planta de ensayo de 2,5 MWt para combustión en lecho fluidificado
En la década de 1960, para reducir las emisiones de SO
se empezó a considerar que los procesos de combustión en lecho fluidificado ofrecían la posibilidad de reducirlas
y fue a partir de aquí cuando comenzó el desarrollo de la caldera de lecho fluidificado quemando
carbón.
En la década de 1970 se realizan estudios para evaluar, en las grandes unidades generadoras de vapor
de las plantas termoeléctricas, la aplicación de la combustión en lecho fluidificado a presión atmosférica,
(lecho fluido atmosférico). En 1977 se construyó y puso en funcionamiento una unidad de lecho
burbujeante de 6
de lechos fluidificados burbujeantes atmosféricos. Entre las últimas aplicaciones de lechos burbujeantes
alimentados con carbón, se encuentran algunos reequipamientos de remodelación y modernización
de antiguas calderas de vapor, que están todavía en explotación. A finales de la década de 1980, utilizando
los conocimientos que se tenían sobre lechos burbujeantes y técnicas de Studsvick AB, el mercado
de calderas de lecho fluido quemando carbón se decantó por los
2 y de NOx en las plantas termoeléctricas,x 6 ft (1,8 x 1,8 m), cuyos resultados han contribuido al avance de la tecnología de calderaslechos circulantes.Comparación con otros métodos de combustión.-
utilizan para quemar cualquier tipo de combustible sólido.
En un hogar convencional que quema
oxidación de las partículas de combustible (el 70% pasan por el tamiz de 200 mesh), suspendidas en los
flujos de aire y humos que existen en el hogar. El volumen de humos que rodea los quemadores es la zona
más caliente del hogar, con temperaturas del orden de
Las cámaras de combustión de lecho fluido secarbón pulverizado, el proceso de combustión consiste en la3000 a 3500ºF
1650 a 1927ºC
, siendo el tiempo de residencia de
las partículas en el hogar el mismo que el de los humos.
En los
en las calderas de carbón pulverizado, siendo el tamaño normal de carbones bituminosos del orden de
hogares mecánicos se queman partículas de combustible mucho mayores que las utilizadasXVI.-459
1”
con aire y gases pasando a través del lecho de combustible; la temperatura supera los 3000ºF
(1650ºC) y el tiempo de residencia queda determinado por la velocidad correspondiente a la parrilla móvil
del hogar.
Para la
pulverizado y el del hogar mecánico; para un lecho fluido, el carbón se trocea a un tamaño menor de
0,25”(6,4 mm), pudiéndose utilizar según las propiedades del carbón tamaños
÷ 1,25”= (25,4÷ 31,8 mm). La mayor parte del combustible se quema sobre algún tipo de parrilla móvil,combustión en lechos fluidificados, el tamaño del combustible se sitúa entre el del carbónsuperiores a 1, 25" (31,8 mm)
inferiores a 0, 125" (3,18 mm)
El carbón se alimenta por la parte baja del hogar.
La densidad del lecho burbujeante es de 45 lb/ft
La densidad del lecho circulante es de 35 lb/ft
Los sólidos, en el flujo ascensional de aire y gases, se mantienen a una temperatura de
1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
3 (721 kg/m3)3 (561 kg/m3)
Cuando el combustible se introduce en el lecho se calienta rápidamente y, superada su temperatura
de ignición, se enciende y pasa a formar parte de la masa incandescente del hogar.
Los flujos de aire y combustible hacia el lecho denso, en régimen permanente, se controlan de forma
que en la combustión se libere la cantidad de calor deseada hacia el hogar, quemándose el combustible
en un
Como consecuencia
aireexceso del orden del 20%.del gran tiempo de residencia del combustible
de la alta temperatura del proceso de transferencia de masa
, el combustible se puede
quemar eficientemente en el hogar de lecho fluidificado, a una temperatura considerablemente inferior a
la de los procesos convencionales. Las partículas de combustible se quedan en el lecho denso, hasta que
son arrastradas por los gases o se eliminan con los sólidos purgados.
El tamaño de las partículas, conforme arden, se reduce hasta alcanzar uno determinado, en el que
se igualan su velocidad y la de los humos, produciéndose a partir de este instante el arrastre de partículas,
por lo que el tiempo de residencia dependerá del tamaño inicial de la partícula de combustible y del
régimen de reducción de su tamaño por combustión y fricción.
En los
de los humos y al mayor tamaño del combustible alimentado. El tiempo de residencia de las partículas
finas del combustible arrastradas por los humos fuera del lecho, aumenta por medio de la captación
y reciclado de las partículas hacia el hogar.
En los
es mucho mayor, (ya que para los lechos circulantes se trata de un lecho flotante), lo que justifica el
que las partículas se recuperen mediante un colector de polvo y se recirculen hacia el hogar. El tiempo
de residencia de las partículas depende de la recuperación del colector y del reciclado de sólidos, y excede
mucho del tiempo de residencia de los humos.
La concentración de combustible en el lecho denso es baja; por ejemplo:
lechos fluidificados burbujeantes, la combustión tiene lugar en el lecho, debido a la menor velocidadlechos circulantes las partículas que abandonan el lecho, en comparación con los burbujeantes,- Para un combustible como la madera es difícil encontrar en el lecho una cantidad de C medible
- Cuando se quema carbón bituminoso el contenido de C en el lecho es inferior al 1%
- Cuando se utiliza un absorbente para la captura del S, la porción del lecho restante está constituida por ceniza, cal y
sulfato cálcico
- Cuando no se emplean absorbentes, está formada por arena u otro material
La eficiencia de conversión del C es:
Para la madera y combustibles de alta reactividad
Para carbones bituminosos > 98%
Para carbones menos reactivos y de escombreras, ligeramente inferior
≈ 100%
XVI.-460
Fig XVI.4.- Caldera de lecho fluidificado
Características de diseño:
- Uno o dos calderines
- Opción para reducir las emisiones de NO
x y SO2- Queman madera húmeda y otros combustibles de potencia calorífica entre (2800
- Reducen el volumen de lodos mientras producen vapor
÷3500 Btu/lb)
Capacidad de nuevas unidades:
- Apoyadas por abajo: hasta
225.000 lb/h
28,4 kg/s
- Soportadas por arriba: de 225.000
28,4
÷ 700.000 lb/h÷ 88,2 kg/s
Capacidad readaptaciones: Hasta 1.000.000 lb/h (126 kg/s)
Presión de vapor: 2400 psig (16,5 MPa)
Temperatura de salida del sobrecalentador: hasta 950ºF (510ºC)
Combustibles:
Capaz de quemar una amplia variedad de combustibles convencionales y residuos combustibles con alta humedad, como:
- Residuos de madera y cortezas
- Lodos de reciclado la fabricación de papel
- Lodos de depuradora
- Combustibles derivados de neumáticos
- Petróleo y gas natural ; Carbón
Fig XVI.5.- a) Caldera de lecho fluidificado burbujeante; b) Caldera de lecho fluidificado circulante
XVI.-461
XVI.2.- VENTAJAS DE LA COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIFICADO
El motivo principal para el desarrollo de las cámaras de combustión de lecho fluidificado, fue la exigencia
de tener que reducir las emisiones de SO
lecho fluido permite quemar carbones con altos contenidos en S y obtener bajos niveles de emisión de
SO
Conforme esta tecnología se perfecciona, el proceso permitirá quemar carbones de baja calidad que,
actualmente, son imposibles de quemar por otros métodos.
En los lechos fluidos se aplican las reglas de la combustión, por lo que para cada diseño hay que tener
en cuenta la composición química y el poder calorífico del combustible.
Las calderas de lecho fluidificado se diseñan para que en el lecho se tenga una temperatura de operación
del orden de
2 y NOx; la utilización de la tecnología de combustión en2, sin necesidad de añadir equipamiento para la posterior eliminación del S contenido en los humos.1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
, lo que implica una serie de ventajas funcionales.
Emisiones reducidas de SO
lecho fluido, es posible utilizar un absorbente (caliza o dolomía), para eliminar el SO
de combustión, que cuando se añade al lecho produce una reacción en el hogar entre la cal CaO resultante
y el SO
2 y NOx.- Debido a la baja temperatura de operación en las calderas de2 presente en los gases2 presente en los humos, reduciendo las emisiones de SO2 en más de un 90%, según seanel contenido en S del combustible
la cantidad de absorbente que se añada al proceso
El N
si la temperatura es menor de este valor, la formación de NO
con temperaturas en el lecho comprendidas entre
2 y el O2 reaccionan a altas temperaturas, por encima de 2700ºF (1482ºC), para formar NOx;x decrece muy rápidamente de forma que1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
, la cantidad de NO
menor que la de otras unidades convencionales similares que operan a temperaturas más elevadas.
En algunos lechos burbujeantes y en la totalidad de los lechos circulantes, se consiguen reducciones
en la formación de NO
se emplean técnicas de depuración de postcombustión, se pueden alcanzar emisiones de NO
menores.
x formado es muchox mayores, mediante una estratificación del airecomburente. Si sobre los humosx todavíaCeniza del combustible.-
con un elevado factor de ensuciamiento con cenizas de bajo punto de fusión; como la combustión se realiza
a una temperatura muy inferior a la del punto de fusión de la ceniza del combustible, muchos de los
problemas de funcionamiento de las calderas convencionales asociados a los combustibles, se minimizan
considerablemente con el empleo de lechos fluidificados.
No obstante, hay que tomar precauciones frente a la concentración de metales alcalinos en el lecho,
ya que podrían provocar incrustaciones, especialmente en el sobrecalentador, lo que sugiere elegir
una temperatura de operación para el hogar del lecho fluidificado de 1500ºF (816ºC), para aquellos combustibles
que tengan cenizas con alto contenido en metales alcalinos.
Las bajas temperaturas de combustión permiten quemar combustiblesCombustibles de bajo poder calorífico.-
quemar combustibles que tengan poderes caloríficos bajos, debido al:
El proceso de combustión en lecho fluidificado sirve para- Rápido calentamiento de las partículas del combustible debido a la gran masa de material caliente que configura el
lecho fluidificado
- Gran tiempo de residencia del combustible en el lecho
circunstancias que compensan los efectos derivados de la menor temperatura de combustión, en com-
XVI.-462
paración con los procesos convencionales. Cuando se queman combustibles con un alto grado de humedad,
es necesario tener en cuenta el peso que adquieren los humos por el vapor de agua que llevan, situación
que hay que prever en el diseño de los pasos de convección y otros componentes de la unidad.
Preparación del combustible.-
fluidificado tiene muchas ventajas en comparación con los sistemas convencionales de combustión de
carbón pulverizado. Los combustibles con mucha ceniza precisan pulverizadores de mayor potencia
cuando se queman en hogares de carbón pulverizado.
Cuando combustibles con mucha ceniza se utilizan en un hogar de lecho fluidificado, se trocean en
tamaños de menos de 0,25” (6,4 mm). Una caldera de lecho fluidificado se diseña para quemar una amplia
gama de combustibles, más de los que corresponden a los otros métodos alternativos de combustión;
no obstante, una vez diseñada la caldera de lecho fluidificado para una determinada gama de combustibles,
se pueden admitir algunas desviaciones en los valores de diseño para que la unidad funcione
correctamente; la caldera de lecho fluidificado circulante es más flexible que la burbujeante.
Para carbones con elevado contenido en ceniza, la caldera de lechoXVI.3.- CALDERAS DE LECHO FLUIDIFICADO A PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Calderas de lecho fluidificado burbujeante.-
de una caldera de lecho fluidificado burbujeante, en la que el lecho tiene una profundidad de 4 ft (1,2
m); la Fig XVI.7 muestra la distribución de densidades del material, en la que el tramo de caída vertical
de la densidad indica la parte alta del lecho.
La superficie de transferencia de calor de haz tubular, se coloca en el lecho, para lograr:
La Fig XVI.6 representa los componentes principales- El balance energético
- La temperatura de operación que se desee alcanzar
Para combustibles de bajo poder calorífico, esta superficie se reduce a un mínimo e, incluso, puede
que no exista. En cualquier caso, la temperatura del lecho es uniforme y siempre se mantiene dentro de
un margen de ± 25ºF (14ºC), como consecuencia de la mezcla de gases y sólidos que tiene lugar.
La caldera de lecho fluidificado burbujeante que quema carbón incluye un sistema de recirculación
que separa los sólidos de los gases que salen del economizador y los recircula hacia el lecho; esta operación
maximiza la eficiencia de la combustión y la captura de S.
Fig XVI.6.- Esquema de caldera con lecho fluidificado burbujeante
XVI.-463
La recirculación de sólidos se limita al 25% del peso de humos, y para combustibles muy reactivos
se suele suprimir. Los lechos fluidificados burbujeantes que queman carbón, operan con una velocidad
superficial de humos, a plena carga, comprendida entre 8
El tamaño máximo de material del lecho corresponde al que pasa por el tamiz de 600 micras.
÷ 10 ft/s (2,4÷ 5 m/s).Fig XVI.7.- Perfil de la distribución de densidades en el hogar de la caldera
con lecho fluidificado burbujeante a presión atmosférica
Calderas de lecho fluidificado circulante, (CFB).-
principales de una caldera de lecho fluidificado circulante y la Fig XVI.9 el perfil de la distribución de densidades
del material en el hogar de la caldera. El lecho denso de este tipo de caldera no tiene ningún banco
tubular de superficie termointercambiadora.
La absorción de calor se realiza
La Fig XVI.8 representa los componentespor las paredes del hogar
por la superficie interior de los muros y paredes divisorias
; ésto es posible
debido a la gran cantidad de sólidos que recirculan por el interior y por el exterior del hogar.
Fig XVI.8.- Esquema de caldera con lecho fluidificado circulante
XVI.-464
Fig XVI.9.- Distribución de densidades en el hogar de la caldera con lecho fluidificado circulante a presión atmosférica IR-CFB
El calor transferido a las paredes del hogar es suficiente para facilitar la absorción calorífica necesaria
para mantener la temperatura de referencia del lecho de
1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
, con una velocidad superficial
de gases a plena carga de 20 ft/s (6,1 m/s) y un tamaño de sólidos máximo de 590 micras en el hogar
inferior, con un tamaño promedio entre 150
÷ 200 micras.XVI.4.- EMISIONES
Las emisiones contaminantes procedentes de las calderas y de los procesos de combustión de elevada
potencia, varían en cada país, aunque los componentes y productos que son objeto de control y regulación,
suelen ser los mismos
Los principales productos de referencia son:
- El dióxido de azufre SO
2- Los óxidos de nitrógeno NO
x- El monóxido de carbono CO
- Los hidrocarburos y partículas en suspensión
Las calderas de lecho fluidificado se diseñan para quemar combustibles sólidos, al tiempo que controlan
muchas de las emisiones contaminantes.
Dióxido de azufre, SO
éste se oxida y pasa a SO
caliza al lecho, tiene lugar un proceso endotérmico (calcinación) para formar la cal CaO:
2.- Cuando se queman combustibles que contienen S, la mayor parte de2 formando parte de los gases de combustión (Ver cap XXXIV). Cuando se añadeC aCO
3 ( sól ) + 766 (Btu/lb) de CaCO3 ⇒ CaO( sól ) + CO2 ( gas )la cual una vez formada reacciona con el SO
sulfato cálcico CaSO
2 de los gases y con el O2, según un proceso exotérmico, formando4, según la reacción:SO
2 + 12O
2 + CaO( sól ) ⇒ CaSO4 ( sól ) + 6733 Btu/lb( de S)Para las temperaturas de operación de un lecho fluidificado el sulfato cálcico CaSO
estable, se elimina en forma sólida, y se puede vender.
Las primeras instalaciones de combustión en lecho fluidificado se realizaron en calderas de proceso
directo (de un paso), en las que el carbón y la caliza:
4 es químicamenteAlimentaban la cámara de combustión
Reaccionaban en la misma
A continuación salían del sistema
XVI.-465
La eficiencia de la combustión y de la captura de S quedaban por debajo de los valores esperados en
el diseño. Para mejorar la instalación, una parte de los sólidos que salían del hogar (ceniza, CaSO
cal) se separaba de los gases mediante un colector de polvo situado entre el economizador y el calentador
de aire, y se recirculaba inyectándolos en el hogar para facilitar otras reacciones.
La Fig XVI.10 representa el efecto de la recirculación de sólidos sobre la captura de S en un lecho
fluidificado burbujeante, limitando los valores del recirculado a un máximo de 2,5 veces el de combustible,
como resultado de consideraciones de tipo práctico relativas al tamaño y disposición de los equipos.
En el lecho fluidificado circulante, aguas abajo del hogar, se coloca un
diseñado especialmente para la recirculación de todos los sólidos capturados, por lo que la captura de S y
la eficiencia de la combustión se mejoran, con relación a los lechos fluidificados burbujeantes.
4, C ycolector-separador primario,Fig XVI.10.- Relación entre la captura de azufre y la tasa de reciclado
Características de diseño: Torre lavadora con atomizadores utilizados para el control de SO
una distribución uniforme de los gases de combustión y mejora de la absorción.
Aplicable a caldera de 50 MW a 1300 MW ; Eficiencia: 99%
Reactivos: Principalmente piedra caliza; también magnesio, carbonato de sodio y amoniaco.
Combustibles: Todos los combustibles sólidos, principalmente el carbón
Fig XVI.11.- Depurador para desulfuración húmeda de gases de combustión (Wet FGD)
2, con bandeja de diseño patentada paraAlgunos diseños incluyen un segundo
debido al incremento de la concentración de partículas finas en el hogar.
Todas estas mejoras son consecuencia de los mayores tiempos de contacto
superficie de las partículas finas, que están en contacto con los gases.
colector-separador situado aguas debajo de la zona de convección,sólido-gases y de la mayorXVI.-466
En el lecho fluidificado circulante es normal una reducción del 90% de SO
2 para una relación molar2 <
S
Ca< 2 ,5
En el lecho fluidificado burbujeante se precisan relaciones
según sea el contenido en S del combustible y la reactividad de la caliza.Ca
S
ligeramente superiores a 2,5.
Para eliminar un determinado nivel de SO
2 hay que utilizar una relaciónCa
S
tanto mayor cuanto
menor sea el contenido de S en el combustible.
Para conseguir reducciones de S superiores al 90%, se requieren cantidades de caliza que aumentan
muy rápidamente, por lo que el factor económico puede hacer derivar hacia otros métodos alternativos
de eliminación de S, como los lavadores de gases para calderas convencionales que queman carbón pulverizado.
Óxidos de nitrógeno NO
x.- Tienen dos orígenes distintos:el N
el N
2 que contiene el combustible2 que contiene el aire comburente
Normalmente, a los óxidos de nitrógeno en los humos se les considera como NO
representativo de varios compuestos
x siendo el subíndice(Ver cap XXXIII).El óxido que procede del combustible se denomina
oxidación del nitrógeno del
alta temperatura, superior a 2700ºF (1482ºC). Como el lecho fluidificado opera a baja temperatura, el
NOx del combustible, mientras que el formado por laairecomburente se llama NOx térmico, puesto que es el resultado de un proceso aNO
Una caldera de lecho fluidificado puede suprimir o minimizar el
dosificación de
x térmico es mínimo, en el global de los NOx formados.NOx del combustible, disminuyendo laairecomburente a través de la placa distribuidora, por lo que parte de los compuestos de N2del combustible se descomponen en nitrógeno molecular, en lugar de contribuir a la formación de los
NO
lograr el mismo fin.
La combustión estratificada se usa en :
x. Este proceso de combustión estratificada se usa también en otros métodos de combustión, para- Lechos fluidificados burbujeantes que no tengan superficies termointercambiadoras sumergidas en el lecho
- Todos los lechos fluidificados circulantes
Este tipo de combustión no se emplea con haces tubulares sumergidos en el lecho, porque con combustión
subestequiométrica los gases tienen muchos componentes reductores, que suelen provocar rápidas
pérdidas de metal en los tubos del hogar. En la combustión estratificada, las paredes del hogar se
protegen en toda la altura de la zona reductora del hogar, con una delgada capa de refractario.
En las calderas de lecho fluidificado la combinación de
las bajas temperaturas de operación
la combustión estratificada
, permiten
operar con emisiones de NO
Un valor normal de emisión de NO
está entre 100
x particularmente bajas.x para lechos fluidificados de unidades que queman carbones,÷ 200 ppm de volumen seco.CO e hidrocarburos.-
en la combustión, minimizando el
gases de combustión, lo que se consigue mediante:
Cuando se diseña una caldera, es necesario conseguir la máxima eficienciaCinquemado y las cantidades de CO y de hidrocarburos presentes en los- La correcta elección del número de puntos de alimentación del combustible
- El diseño apropiado del sistema de aire
- El tiempo de residencia en el hogar que garantice la mezcla de combustible y aire y una combustión completa
En calderas de lecho fluidificado que queman carbones, las concentraciones normales son:
- Para el CO en los gases, inferiores a 200 ppm de volumen seco
XVI.-467
- Para los hidrocarburos, inferiores a 20 ppm de volumen seco
Partículas.-
La ceniza del combustible sólido se libera durante el proceso de combustión:- Parte de ella queda en el lecho fluidificado y, posteriormente, se descarga mediante el sistema de eliminación de material
del lecho o por un sistema de purga; su tamaño es mayor que el correspondiente al tamiz de 140 mesh (105 micras) siendo
de fácil manipulación y transporte en el el sistema de evacuación
- El resto de la ceniza sale de la caldera, con los gases, en forma de partículas sólidas en suspensión; su tamaño es inferior
al del tamiz 325 mesh (44 micras), y su separación de los humos y posterior recuperación exige colectores-separadores de
alta eficiencia
Con carácter general, en las calderas de lecho fluidificado a presión atmosférica se usan filtros de
sacos, Fig XVI.12, que son menos sensibles a las propiedades de las cenizas (tamaño, concentración, resistividad,
etc.) que los depuradores electrostáticos convencionales, Fig XVI.13.
(Ver cap XXXII).Fig XVI.11.- Filtro de sacos por impulsos de aire
(Para carbón y residuos sólidos municipales
Fig XVI.13.- Precipitador electrostático seco
(Para cualquier combustible
Características de diseño del filtro de sacos, Fig XVI.12.-
cuales tiene, a lo largo, varios miles de bolsas de tela de pequeño diámetro, apoyadas verticalmente. Los
humos pasan a través de las bolsas de material poroso, que separan las partículas de los gases de combustión;
las bolsas se limpian por pulsos de aire comprimido; la eficiencia es del 99,9%
Compartimentos múltiples, cada uno de losCaracterísticas de diseño del precipitador electrostático, Fig XVI.13.-
en los gases de combustión se descargan eléctricamente sobre una serie de placas colectoras verticales
a través de las cuales pasan los humos horizontalmente, para ser enviadas mecánicamente a las
tolvas de ceniza. Los electrodos se centran entre las placas, proporcionando un campo eléctrico que carga
las partículas, que son atraídas y recogidas por las placas
Las partículas de ceniza volanteXVI.5.- DISEÑO DEL HOGAR DE UNA CALDERA DE LECHO FLUIDIFICADO
Los factores que afectan al diseño del hogar de una caldera de lecho fluidificado, los especifican el
propietario y el diseñador, y se deducen de datos empíricos. La información inicial para el diseño de una
caldera con hogar de lecho fluidificado, se puede agrupar en:
Especificaciones del propietario:
- Potencia de la unidad y flujo de vapor
XVI.-468
- Tipo de combustible, contenido en ceniza y humedad, tamaño, reactividad, análisis, características abrasivas, ensuciamiento,
aglutinación, etc
- Tipo de caliza, reactividad, tamaño y características de abrasión
- Requisitos para la captura de S
- Tipo de absorbente, tamaño, reactividad y análisis
- Límites de emisión de NO
x- Mínima carga de la unidad
Especificaciones del diseñador:
- Tipo de sistema de alimentación en el lecho, por encima o por debajo del mismo
- Número y ubicación de los puntos de alimentación de combustible
- Eficiencia de la combustión.
- Número y ubicación de los puntos de inyección del absorbente
- Aire
- Temperatura y velocidad de operación del lecho
- Tamaño de las partículas en el lecho
- Cantidad de sólidos que salen
por el drenaje del lecho
con los humos hacia el colector final de partículas
primario, airesecundario y ubicación de las toberas sobre el lecho
- Cantidad, temperatura y ubicación de los sólidos recirculados hacia el hogar, desde el colector de partículas y desde los
clasificadores de drenaje del lecho.
- Influencia del material del lecho
Requisitos de combustión.-
bituminoso, es preciso alimentarlo de forma continua con una cantidad suficiente de partículas, al
tiempo que éstas tengan una determinada distribución de tamaños para mantener un proceso estable.
Para que un lecho fluidificado funcione adecuadamente con un carbón- Si las partículas son demasiado gruesas el lecho pierde fluidificación y pasa a comportarse como un lecho fijo
- Si las partículas son demasiado finas se pueden proyectar fuera del hogar, por lo que no se puede mantener un adecuado
número de ellas en el lecho fluidificado
Un
forma que:
lecho burbujeante debe recibir, suspender, mezclar y quemar las partículas del combustible, de- Si la densidad del lecho es muy pequeña, o el lecho es demasiado delgado, se puede producir una acumulación de partículas
de combustible en una zona puntual del mismo, en la que el combustible y la ceniza se juntan configurando masas escorificadas,
lo que provoca altas temperaturas
- Si el lecho se alimenta con muchas partículas grandes, se pierde la fluidificación con un resultado parecido al anterior
Si el
necesita un lecho denso que soporte y mezcle el combustible durante la combustión para evitar los problemas
indicados.
Cuando se quema carbón, la mayor parte de la ceniza se libera en forma de partículas muy finas,
que pueden ser proyectadas por los gases de combustión hacia el exterior del lecho.
número de partículas se distribuye a lo largo de toda la altura del hogar, en su parte inferior se- En lechos burbujeantes, este material no contribuye a mantener el número de partículas del lecho adecuado
- En lechos circulantes, este material se captura y recircula hacia el hogar, como parte de la masa circulante; no obstante,
los finos no aportan una contribución significativa para configurar el lecho denso
Como consecuencia de las grandes diferencias que se pueden presentar en la ceniza del combustible,
no se puede confiar sólo a la ceniza la formación de un lecho estable, y de ahí la necesidad de añadir
al sistema un segundo material inerte (arena), con una adecuada y precisa distribución de tamaños.
Cuando se pretende capturar el S, para que tenga lugar la retención del SO
la arena se sustituye por la caliza. El tamaño ideal del absorbente conque se alimenta la caldera debe
ser el necesario y suficiente para formar un lecho estable. Durante los procesos de calentamiento, calci-
2 en el lecho fluidificado,XVI.-469
nación y sulfatación, el tamaño del absorbente (que entra a formar parte del material del lecho) varía,
así como sus propiedades físicas y químicas, por lo que en muchos casos no se puede predecir con fiabilidad
su tamaño.
Las calizas muy blandas se degradan con más rapidez que otras, por lo que durante la operación
inicial de un lecho fluidificado hay que comprobar sus características y realizar los tanteos necesarios
para establecer su tamaño adecuado y régimen de aporte.
Para un combustible (madera) con poca ceniza, la arena se utiliza para adecuar el contenido del lecho;
dado que la arena no se degrada tan rápidamente como la caliza, su aporte es menor y el tamaño
del material del lecho se puede predecir mejor.
Cuando se usan carbones residuales con cantidades importantes de ceniza exenta de materia orgánica,
se requieren consideraciones especiales; esta ceniza mineral se compone de rocas que se han
arrancado en el proceso de extracción; no se fractura en partículas finas, formando un porcentaje importante
del material del lecho, por lo que el tamaño del combustible alimentado se debe elegir cuidadosamente,
de modo que la ceniza complemente el material del lecho, en lugar de crear problemas a la fluidificación.
Existen calderas de lecho fluidificado, en las que
el tamaño
la consistencia
de la ceniza son suficientes para la
formación de un lecho estable, sin tener que aportar otro material al mismo.
XVI.6.- CARACTERIZACIÓN Y MEDIDA DE PARTÍCULAS
En los hogares de calderas de lecho fluidificado, el movimiento de las partículas viene afectado por:
- Las fuerzas gravitatorias
- Los impactos de las partículas entre sí
- Los impactos de las partículas con las paredes de la caldera
Las características más importantes de una partícula son: su tamaño, densidad y geometría
La
las fuerzas presentes en el hogar. La partícula ideal sería una esfera homogénea, y la mezcla ideal estaría
constituida por un conjunto de esferas homogéneas de igual diámetro. En la práctica, las mezclas
que se presentan son conjuntos de partículas con diferentes tamaños, densidades y formas.
En los lechos fluidificados los cálculos de transferencia de calor y pérdidas de presión, presuponen
que las mezclas de partículas se caracterizan por
forma de la partícula puede ser desde esférica hasta plana, y determina cómo reacciona frente aUn diámetro y densidad promedio de partícula
Una densidad aparente de la mezcla
Para calcular el diámetro medio de las partículas éstas se suponen esféricas; para tener en cuenta
que las partículas reales no son esféricas, se introduce un factor de corrección del diámetro medio calculado.
Las mezclas contienen cantidades importantes de otras configuraciones de partículas, como las
escamas o perfiles cilíndricos, que son siempre difíciles de caracterizar.
La determinación del
de la misma, mediante una serie de tamices en columna con mallas cada vez más finas; también
hay que comprobar el peso de las cantidades de mezcla cribada que han quedado retenidas en cada
uno de los tamices de la columna
En lechos fluidificados se usan dos diámetros característicos:
diámetro medio de una mezcla, la proporciona el cribado de la muestra representativael gravimétrico
el Sauter
El diámetro Sauter para una mezcla de partículas, se calcula a partir de la relación
Volumen medio
Superficie media
del lote de partículas y se utiliza para predecir el comportamiento hidrodinámico de mezclas, calculándose
a partir de las fracciones gravimétricas de las mezclas de partículas, por la ecuación:
XVI.-470
D
Sauter =X
1 + X 2 + ⋅⋅⋅ + X NX
1D
1+
X
2D
2+
⋅⋅⋅ +X
ND
N=
Xi
1i
=1 DiN
Σ
(micras) , siendo:
D
X
i el diámetro promedio del corte i, en micrasi la fracción en peso del corte i, adimensional
El
de partículas, mediante la expresión:
diámetro gravimétrico medio se calcula a partir de la fracción en peso de cada tamaño de la mezclaD
i
N
grav( micras ) = D1X1 + D2X2 + ⋅⋅⋅⋅ + DN XN = DiXi= 1ΣCuando todas las partículas tienen igual diámetro, los diámetros gravimétrico y Sauter, coinciden.
Para mezclas de partículas con un margen de diámetros estrecho, ambos diámetros son similares
al diámetro Sauter correspondiente a las partículas de menor tamaño.
Para mezclas de partículas con un margen de diámetros amplio, el diámetro medio Sauter es mucho
menor que el diámetro medio gravimétrico.
Caída de presión en el lecho burbujeante.-
interés; para el resto de la caldera, las caídas de presión se calculan mediante las ecuaciones que
se aplican en el diseño de calderas convencionales.
La Fig XVI.7 muestra el perfil de distribución de densidades en el hogar e identifica las zonas utilizadas
para establecer la caída de presión y la transferencia de calor.
La caída de presión
Para un lecho denso, la caída de presión es de especialΔp en el lecho denso se calcula por la ecuación:Δ
plecho burbujeante = C (1 − e ) (ρ part − ρ g ) L , en la que:C es una constante de conversión de unidades
e es la fracción de huecos del lecho
L es la altura del lecho
ρ
part es la densidad de las partículasρ
g es la densidad del gas, en las condiciones del lecho
El parámetro
e dependedel tamaño y densidad de las partículas
de la velocidad y viscosidad del gas en el lecho
Caída de presión en el lecho circulante.-
una caldera de lecho circulante es más complejo que el de un lecho burbujeante. Es norma establecer un
lecho denso, burbujeante o turbulento, en la parte baja del hogar, lo que se consigue graduando la admisión
de aire hacia el hogar, suministrándole entre el 50
distribuidora, reduciendo la velocidad del gas en la zona primaria y facilitando el mantenimiento de un lecho
que tenga tasas relativamente bajas de recirculación de sólidos.
El flujo ascensional de sólidos se reduce al aumentar la altura del hogar, lo que conduce a una disminución
de la densidad local en el hogar, Fig XIX.8.
La caída de presión
El perfil de la distribución de densidades del hogar de÷ 70% del flujo de aire total a través de la placaΔp en un hogar de lecho fluidificado circulante, se obtiene por la expresión:Δ
plecho circulante= C ρb L , en la que:C es una constante de conversión de unidades
ρ
L es la altura del hogar
b es la densidad aparente media
Para la utilización de
que la curva representativa (deducida a partir de datos empíricos) es función de muchas variables, siendo
las más importantes:
Δp se ha desarrollado un perfil de distribución de densidades, Fig XVI.9, en elD
part es el tamaño medio de partículas, encima del lecho densoXVI.-471
D
V es la velocidad del gas
T es la temperatura del hogar
W
B es el tamaño medio de partículas, en el lecho densos es el flujo exterior de sólidos, lb/ft2h (kg/m2s)ρ
s es la densidad de las partículasΦ
D
es un factor de forma de las partículasequiv es el diámetro equivalente del hogarEn el hogar, la densidad aparente de la mezcla varía mucho con la altura, por lo que el hogar se suele
dividir en zonas, calculándose para cada una de ellas una densidad basada en datos experimentales.
Estas zonas son:
de lecho denso, de desprendimiento, de transición y de régimen libreLa caída de presión se aplica a cada una de las zonas y la suma de los cálculos parciales, proporciona
la caída total de presión en el hogar.
XVI.7.- TRANSFERENCIA DE CALOR
En los hogares convencionales, los humos arrastran consigo una parte de la ceniza del combustible,
por el interior y por el exterior del hogar, del orden de menos de 1 kg de sólidos inertes por cada 100 kg de
humos.
La transferencia de calor desde los humos hacia las paredes del hogar se realiza por radiación.
En un hogar de lecho fluidificado circulante, la cantidad de sólidos en los humos puede superar los 5
kg por cada 100 kg de gas, por lo que debido a este alto contenido, en el diseño se deben considerar otros
mecanismos adicionales de transferencia de calor.
La transferencia de calor desde el lecho
a los tubos de un haz inmerso en un lecho burbujeante
a las paredes de un lecho circulante
, comprende
la
En un hogar de caldera convencional, la radiación del gas es la más importante por su nivel de temperatura,
mientras que la convección desde sólidos es poco relevante.
La influencia de una alta concentración de sólidos en el gas es muy significativa; para temperaturas
iguales, los coeficientes de transferencia de calor en las calderas de lecho fluidificado, son considerablemente
superiores a los de las calderas convencionales.
No obstante, como las temperaturas del lecho están comprendidas entre
convección desde los sólidos y el gas, y la radiación desde el gas.1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
, el flujo de
calor total resulta similar en ambos sistemas; el coeficiente medio de transferencia de calor para caldera
de lecho fluidificado circulante es de:
1500 a 1600ºF
816 a 871ºC
.
a) LECHO BURBUJEANTE.-
se divide en tres zonas, Fig XVI.7:
A efectos de transferencia de calor, una caldera de lecho burbujeantelecho burbujeante o lecho denso
zona de desprendimiento
zona superior o de régimen libre
Desde lecho denso a bancos de tubos.-
para un tubo cualquiera, viene dada por la expresión:
La ecuación del coeficiente global de transferencia de calor,U
1
h
o= 1c+ hr+
Rm+ Rt, con :
U
h
R
0 el coeficiente global de transmisión de calor en Btu/ft 2 hºF, (W/m 2 ºK)c el coeficiente de convección y h r el de radiación, para banco tubularm la resistencia de la pared metálica del tubo y R t la resistencia pelicular del tubo
El coeficiente de convección h
c para tubos sueltos, se determina como sigue:XVI.-472
- Para lechos con partículas inferiores a 800 micras, D
h
k
p < 800 micrasc = hctubo simple Ftub = 900 ( 1 − e )gasesd
tubo(
G d
tubo ρsρ
g μ gη
2
gD
2
)
p 3 ρ partg0 ,326 Ftub- Para lechos con partículas superiores a 800 micras, D
h
D
p > 800 micrasc = k ( 1 − e )p{C
1 + (C23600 D
k )}
p ρ g cp ven las que:
F
h
e es el porcentaje de huecos del lecho
k
d
G es el flujo másico del gas, lb/ft
tub es un factor adimensional de la disposición tubular (sólo al tresbolillo)c(tubo simple) es el coeficiente de transferencia térmica del tubo simple, Btu/ft2hºF, (W/m2ºK)gases es la conductividad térmica de los gases, Btu/fthºF (W/mºK)tubo es el diámetro exterior del tubo, ft (m)2s (kg/m2s)ρ
part es la densidad de las partículas, lb/ft3 (kg/m3)η
g es la viscosidad de los gases, lb/fts (kg/ms)ρ
D
C
c
v es la velocidad nominal de los gases del lecho, ft/s (m/s)
g es la densidad de los gases, lb/ft3 (kg/m3)p es el diámetro medio de las partículas, ft (m)1 y C2 son constantes experimentales, adimensionalp es el calor específico de los gases, Btu/lbºF (J/gºK)Para convertir los coeficientes de transferencia de calor relativos a tubos sueltos, en otros aplicables
a bancos tubulares, se usa la ecuación:
F
D
tub = 1 − (oε
x2D
o + ε yD
4
o + ε y) , en la que :D
0 es el diámetro exterior del tubo, (" ) (mm)ε
x es el espaciado entre tubos normal al flujo, (" ) (mm)ε
y es el espaciado entre tubos paralelo al flujo, (" ) (mm)
El coeficiente de transferencia de calor por radiación es:
h
r= σ εT
4
4
gas− TparedT
gas− Tpared,
en la que:ε
es la emisividad global mediaσ
T
= 0,1713.10-8 Btu/ft2 hº R4 = (5,678.10-8 W/m 2 º K 4 )gas es la temperatura de los gases en el lecho; Tpared la de la pared, º R (º K)
La emisividad global media en hogares burbujeantes es
de las partículas.
El coeficiente global de transmisión de calor para un haz tubular sumergido es de
≈ 0,8 y depende de la emisividad y tamaño49 a 60 Btu/ft
227 a 341 W/m
2hº F2 º K
Desde lecho denso a paredes.-
se puede utilizar la ecuación propuesta por Mickley, que incluye una constante experimental C
la forma:
Para evaluar el coeficiente de transferencia térmica por convección,3, enh
3600
D
c pared = C3 (ρ part ( 1 − e ) Vp 3 )−0,263Si las paredes en la zona del lecho burbujeante están cubiertas con refractario, en la ecuación que
facilita el valor del coeficiente global U
0 habrá que añadir la resistencia debida al refractario, que tam-XVI.-473
bién afecta al cálculo del coeficiente de radiación h
El refractario apenas influye en el valor del parámetro
r.h
c pared .Desde la zona de desprendimiento a tubos.-
lecho, es posible que una parte de los tubos superiores del banco tubular no queden sumergidos, quedando
al descubierto. Cuando esa porción tubular se encuentra al descubierto en la parte baja de la zona de
barboteo, el cálculo de la transferencia de calor se realiza en una parte especial del lecho.
El contenido de partículas en el flujo de humos es mucho menor que en el lecho y decrece exponencialmente
con la altura, por lo que la transferencia de calor a la fracción de tubos no sumergidos decrece
muy rápidamente. Una ecuación empírica desarrollada, es:
En períodos de funcionamiento con un bajo nivel deh
cexterior tubo expuestoh
mexterior tubo sumergido= exp {- (
10
+ HL25,8 )
22 } , siendo: HL la altura de los tubos expuestos (no sumergidos)Desde la zona de desprendimiento a paredes.-
el coeficiente de convección se evalúa en la forma:
Para paredes verticales en la zona de desprendimiento,h
c pared = C4 {1 − C5 (1 − e )} + hcg , siendo: C4 y C5 constantes experimentalesEl coeficiente
h
k
cg = 0,023gas