El lecho fluidizado circulante ( CFB ) es un tipo de combustión en lecho fluidizado que utiliza un circuito de recirculación para una eficiencia de combustión aún mayor. [1] al mismo tiempo que se logran menores emisiones de contaminantes . Los informes sugieren que hasta el 95% de los contaminantes [2] pueden absorberse antes de ser emitidos a la atmósfera. Sin embargo, la tecnología tiene una escala limitada debido a su uso extensivo de piedra caliza y al hecho de que produce subproductos de desecho.
La fluidización es el fenómeno por el cual las partículas sólidas se transportan a un estado fluido a través de una suspensión en un gas o líquido. La mezcla resultante de gas y sólidos promueve una rápida transferencia de calor y reacciones químicas dentro del lecho. Las centrales eléctricas que utilizan esta tecnología son capaces de quemar combustibles de baja calidad con alta eficiencia y sin la necesidad de una costosa preparación de combustible. También son más pequeños que los hornos convencionales equivalentes, por lo que pueden ofrecer importantes ventajas en términos de coste y flexibilidad.
El lecho fluidizado circulante es una tecnología relativamente nueva con la capacidad de lograr menores emisiones de contaminantes. Se han realizado extensas investigaciones sobre esta tecnología en los últimos 15 años debido a la creciente preocupación por la contaminación causada por los métodos tradicionales de combustión de carbón y su sostenibilidad. La importancia de esta tecnología ha crecido recientemente debido a las estrictas regulaciones ambientales sobre emisiones contaminantes. [3]
Los Estándares de Mercurio y Tóxicos del Aire (MATS) promulgados en diciembre de 2011 en Estados Unidos por la Agencia de Protección Ambiental han obligado a todos los países de Europa y América a cumplir estrictamente esta política. Esto significa que las emisiones como metales, gases ácidos , compuestos orgánicos , ácidos de gases de combustión y otros contaminantes de plantas de energía o instalaciones industriales deben cumplir con los requisitos establecidos por la EPA [4] y se deben realizar mejoras para las instalaciones que no cumplan con los requisitos. estándares. Como resultado, se prevé que aumente la demanda de tecnología de lecho fluidizado circulante.
En 1923, el gasificador de carbón de Winkler representó la primera aplicación industrial significativa a gran escala del lecho fluidizado [5] (Kunii y Levenspiel, 1991). La tecnología de combustión de CFB continúa creciendo con fuerza en aplicaciones de grandes plantas de energía de servicios públicos, ya que la tecnología de calderas de CFB ha pasado de aplicaciones industriales de pequeña escala a grandes plantas de energía ultrasupercríticas en menos de 20 años. Los principales ejemplos, ambos proporcionados por Sumitomo SHI FW, son la planta de energía supercrítica CFB de 460 MW que opera desde 2009 en Lagisza , Polonia, [6] y la planta de energía verde ultrasupercrítica de Samcheok (Corea) de 2200 MW que funciona con éxito desde 2016. [7]
La fluidización es el fenómeno por el cual las partículas sólidas se transportan a un estado fluido a través de la suspensión en un gas o líquido. De hecho, existe una forma sencilla y precisa de clasificar los distintos lechos de partículas fluidas (Winaya et al., 2003; Souza-Santos, 2004; Basu, 2006). La mayoría de las características operativas y ambientales del CFB son el resultado directo del comportamiento hidrodinámico . Numerosos investigadores han estudiado la hidrodinámica del CFB (Yang, 1998; Basu, 2006; Rhodes, 2008; Scala, 2013). La fluidización es función de varios parámetros, como la forma, el tamaño y la densidad de las partículas, la velocidad del gas, la geometría de los lechos, etc. Kunii y Levenspiel (1991), Oka y Dekker (2004) y Souza-Santos (2004). definió los regímenes de fluidización como se describe a continuación:
(a) Lecho fijo : cuando el fluido pasa a través del fondo del lecho a un caudal bajo, el fluido simplemente se filtra a través de los espacios vacíos entre las partículas estacionarias.
(b) Fluidización mínima : cuando la velocidad del gas alcanza ( U mf ) la velocidad mínima de fluidización y todas las partículas quedan suspendidas por el fluido que fluye hacia arriba.
(c) Lecho fluido burbujeante : cuando el caudal aumenta más allá de la velocidad mínima de fluidización, el lecho comienza a burbujear. El sistema gas-sólido muestra grandes inestabilidades con burbujeo y canalización de gas con aumento en el caudal más allá de la fluidización mínima. Un lecho de este tipo se denomina fluidizado agregativo, heterogéneo o burbujeante.
(d) Lecho fluidizado turbulento : cuando el caudal de gas aumenta lo suficiente, se excede la velocidad terminal ( U tr ) de los sólidos, la superficie superior del lecho desaparece, el arrastre se vuelve apreciable en lugar de burbujear.
(e) Lecho fluidizado rápido : a medida que aumenta aún más la velocidad del gas, los sólidos se sacan del lecho y el gas se fluidiza formando una fase pobre; este régimen se utiliza para operar CFB. En el presente trabajo, se utiliza un lecho fluidizado rápido para operar el CFB donde la caída de presión disminuye dramáticamente en este régimen.
(f) Transporte neumático : más allá del régimen operativo del lecho fluidizado circulante, está la región de transporte neumático , la caída de presión aumenta en este régimen.
Una contribución apreciada de Geldart (1973) clasificó las partículas según su tamaño y densidad en cuatro grupos, a saber. C, A, B y D. El grupo B (de tamaño de partícula d p entre 40 y 500 μm y densidad de ρ s <~1400 kg/m 3 ) se usa comúnmente para CFB. Yang modificó la clasificación de Geldart utilizando el número de Arquímedes Ar, bajo presión, temperatura y densidad adimensional elevadas (Yang, 2007).
Presión y caída de presión El flujo en un CFB es multifásico. La caída de presión irrecuperable a lo largo de la altura del tubo ascendente es un valor básico para el diseño; y esto se debe a la distribución de las partículas sólidas, la formación de huecos, la viscosidad del gas , la velocidad del gas, la densidad del gas y la densidad del sólido. [8] [9]
Durante la fase de combustión, chorros de aire ascendentes harán que los combustibles sólidos queden en suspensión. Esto es para garantizar que el gas y los sólidos se mezclen de forma turbulenta para mejorar la transferencia de calor y las reacciones químicas. El combustible se quemará a una temperatura de 1400 °F (760 °C) a 1700 °F (926,7 °C) para evitar que se forme óxido de nitrógeno . [2] Durante la combustión se liberarán gases de combustión como el dióxido de azufre . Al mismo tiempo, se utilizarán productos químicos absorbentes de azufre, como piedra caliza o dolomita , para mezclarlos con las partículas de combustible en la fase de fluidización, que absorberán casi el 95% de los contaminantes de azufre.
Alternativamente, el químico absorbente de azufre y el combustible se reciclarán para aumentar la eficiencia de producir vapor de mayor calidad y reducir la emisión de contaminantes. Por lo tanto, será posible utilizar la tecnología de lecho fluidizado circulante para quemar combustible con un método mucho más respetuoso con el medio ambiente en comparación con otros procesos convencionales.
La tecnología de lecho fluidizado circulante se puede implementar en muchos campos diferentes, desde petróleo y gas hasta centrales eléctricas. Esta tecnología es muy buscada debido a sus numerosos beneficios. Algunas de las aplicaciones populares del lecho fluidizado circulante son el depurador de lecho fluidizado circulante y el sistema de gasificación de lecho fluidizado circulante.
Una de las aplicaciones de un depurador de lecho fluidizado circulante es en centrales eléctricas que utilizan un sorbente seco, generalmente Ca(OH) 2, para reducir contaminantes como HF, HCL, SO2 y SO3 en una corriente de gases de combustión. [10] Actualmente, Basin Electric Power Cooperative es la única empresa que opera la mejor tecnología de depuración de lecho fluidizado circulante disponible para una planta de calderas alimentadas por carbón cerca de Gillette, Wyoming, desde 2011. [11] —
Los tres componentes principales del depurador de lecho fluidizado circulante en las centrales eléctricas son:
En el proceso de depuración de lecho fluidizado circulante, los gases de combustión ingresarán al reactor desde el fondo del recipiente. Simultáneamente, se inyectará cal hidratada en el absorbente de lecho fluidizado circulante para que se produzca la reacción que convierta el SO 2 y el SO 3 de los gases de combustión en sulfato de calcio y sulfito de calcio . Al mismo tiempo también se inyectará agua para controlar la temperatura de operación y lograr la máxima capacidad de absorción. Luego, los gases de combustión se enviarán a la cámara de bolsas para su posterior filtración. En la cámara de bolsas, una serie de válvulas de aire a lo largo de los filtros producirán ráfagas de aire comprimido para garantizar una recolección de sólidos y polvo más eficiente. Por último, los gases de combustión limpios se dirigirán a la chimenea con la mínima cantidad de contaminantes en la corriente de gases de combustión. [11] El diagrama esquemático del proceso se muestra en la Figura 1.
La gasificación es el proceso de convertir materiales de desecho biodegradables en gas sintético sin combustión. Este proceso se utilizó por primera vez en la central eléctrica de Gussing en Austria [12] y se basa en la gasificación con vapor de biomasa en un lecho fluidizado con circulación interna.
En el proceso de gasificación, el combustible se gasificará a 850 °C [12] en presencia de vapor para producir un gas sintético limpio y libre de nitrógeno . El carbón se quemará con aire en el
cámara de combustión para proporcionar el calentamiento para el proceso de gasificación al ser un proceso endotérmico . La transferencia térmica se producirá entre la cámara de gasificación y la de combustión. El proceso de gasificación ilustrado se presenta en la Figura 2.
La reacción química que tiene lugar en la gasificación se muestra en las ecuaciones [1] y [2], mientras que la reacción en la cámara de combustión se representa en la ecuación [3].
Gasificación;
C + H2O = CO + H2 [ 1]
C + CO 2 = 2CO [2]
Combustión;
C + O 2 = CO 2 [3]
También se puede utilizar cal dolomita o piedra caliza para aumentar la concentración de hidrógeno absorbiendo dióxido de carbono para aumentar el proceso de combustión.
La desulfuración húmeda de gases de combustión (DGC húmeda) se ha utilizado normalmente para capturar los gases contaminantes. Sin embargo, esta maquinaria es cara, difícil de mantener y ocupa mucho espacio en la central eléctrica. La DGC húmeda utiliza mucha agua; sin embargo, sólo se pueden capturar metales marginales como el mercurio y gases ácidos como HCl, HF, SO2 y SO3. [13]
El uso de CFB y depuradores secos en el Centro de Energía Híbrida de la ciudad de Virginia le permite capturar hasta el 99,6% del SO2 emitido.
La nueva tecnología de depurador de lecho fluidizado circulante (CFBS) se introdujo alrededor de 1984. El diseño de la pared del turbulador garantizará una mezcla perfecta y la capacidad de capturar diversos contaminantes. El uso de metales de aleación se reemplazó por un diseño de acero al carbono, lo que redujo el costo de instalación. También viene en un tamaño compacto, por lo que se pueden reducir los costos de capital . El uso de agua también se puede reducir con el diseño de boquillas rociadoras de agua sin tapones. [14] El CFBS puede someterse a un proceso de autolimpieza, reduciendo el coste de mantenimiento. La temperatura de funcionamiento es más baja, por lo que la producción de óxidos de nitrógeno, que contribuyen al smog, es menor. [15]
A pesar de todas las ventajas, el CFBS está limitado a 400 MW por unidad. La piedra caliza utilizada en el CFBS es cara y debe guardarse en un silo de hormigón o de acero en lugar de en un montón[8]. Además de eso, esta maquinaria también produce un subproducto, por ejemplo CaCl , que no tiene muchos usos debido a sus propiedades. [15]
Otro tipo de CFB es la gasificación en lecho fluidizado circulante (CFBG), que es preferible a otros tipos de gasificadores. CFBG tiene una alta tasa de transferencia de masa y calor, así como un contacto gas-sólido altamente eficiente. A baja temperatura de funcionamiento del CFBG, se puede lograr un mayor tiempo de residencia del sólido, lo que conduce a un mayor rendimiento de gasificación. [16] El proceso CFBG es más eficiente energéticamente ya que es un proceso endotérmico. Sólo se generará el calor necesario para mantener el proceso a la temperatura óptima. [16] Prácticamente todo el calor producido será utilizado a lo largo de todos los procesos, al ser un proceso adiabático e isotérmico. [dieciséis]
Aunque el proceso CFBG es capaz de gestionar una amplia gama de combustibles, no se puede lograr un alto rendimiento de gasificación para los combustibles que son menos reactivos, como la antracita y el coque de petróleo, debido a la baja temperatura de funcionamiento. El flujo también es complejo multifásico y cada partícula distinta debe ampliarse de una manera diferente [17]
Hoy en día, se han inventado varios diseños para CFBS, por ejemplo, el CFBS desarrollado por Clyde Bergemann Power Group, a saber, depuradores secos circulantes (CDS). Este tipo de CFBS consta de tres circuitos de control de retroalimentación distintos que son para temperatura, caída de presión y emisión de dióxido de azufre . [18] Para minimizar la erosión, su inyección fue diseñada para estar por encima del venturi. No sólo eso, el CDS contiene menos piezas móviles en comparación con otros tipos de CFBS. Este diseño conducirá a un menor coste de mantenimiento. Los principales componentes del CDS se muestran en la Figura 3.
Al igual que CFBS, hay varios diseños disponibles con especificaciones específicas para satisfacer diversas demandas industriales. Uno de los tipos es el CFBG, desarrollado por Phoenix BioEnergy. Este tipo de CFBG combina varias tecnologías e implementa el gasificador de tornillo sin fin en un solo diseño. El gran diámetro del sinfín se colocará horizontalmente encima del lecho fluidizado. Esta configuración aumentará la eficiencia de la gasificación, lo que ayudará en la transferencia de calor a través del agregado suspendido hacia el biocombustible. [19] El diseño completo de este CFBG se muestra en la Figura 4.
Los reactores de lecho fluidizado circulante se han utilizado ampliamente en diversos procesos industriales como la gasificación y la combustión de carbón. [20] Aunque los lechos fluidizados circulantes se usan ampliamente, el CFD, que puede ser descrito por patrones de flujo no uniformes y una retromezcla completa, aún posee gradientes radiales significativos en la densidad de partículas y una menor retención de sólidos dentro del interior del tubo ascendente en comparación. a la pared del reactor. Estos eventos darán como resultado una baja eficiencia de contacto. [21]
Para el caso del proceso de reacción catalítica en fase gaseosa, se debe evitar la retromezcla del gas, por lo que el producto reaccionado es la fase gaseosa. Otra característica del lecho fluidizado circulante es que, como requiere promover el pequeño tiempo de contacto del gas y el catalizador sólido y el flujo tipo pistón , se necesita una velocidad de gas significativamente alta en el tubo ascendente. [21] También se desea que la alta velocidad del gas en el tubo ascendente cumpla con la necesidad de la reacción catalítica en fase gaseosa.
El lecho fluidizado circulante involucra básicamente dos características de equilibrio del sistema gas-sólido, que son las características de diseño y operación.
Diseño: Se produce un circuito de recirculación de partículas cuando las partículas arrastradas, que poseen una cantidad sustancial de flujo , se separan de manera eficiente y externa al reactor desde un reactor central gigante (ascendente) de su fluido portador y luego circularán de regreso al fondo del reactor. tubo de subida. El fluido portador circulará alrededor de este circuito solo una vez, sin embargo, la partícula lo atravesará varias veces antes de abandonar finalmente el sistema [22].
Operacional: El sistema generalmente funciona bajo un alto flujo de partículas y una alta velocidad superficial del gas, que típicamente son (10–1000 kg/m 2 s) y (2–12 m/s) respectivamente. [22] Esta condición operativa se elige para evitar una interfaz distinta entre la región diluida y el lecho denso dentro del tubo ascendente. Por tanto, para el contacto se eligen velocidades del gas por encima del punto de burbujeo. [22] Las condiciones operativas estándar para el lecho fluidizado circulante se pueden ver en la Tabla 1 a continuación.
El lecho fluidizado circulante (CFB) utiliza una alta velocidad del fluido para proporcionar un mejor contacto gas-sólido al proporcionar una mezcla más intensa del fluido para que se pueda obtener una mejor calidad del producto. Sin embargo, las altas velocidades del gas y la recirculación de sólidos pueden hacer que el sistema CFB sea mucho más caro en términos de requerimiento de energía e inversión en comparación con los reactores de lecho fluidizado convencionales. [23] Los CFB se han utilizado ampliamente en el campo de las reacciones en fase gaseosa catalizadas por sólidos en las dos situaciones siguientes. [24]
Un factor importante de los sistemas de circulación es la capacidad de controlar la tasa de circulación del alimento. La velocidad de circulación de la alimentación está controlada por la velocidad del gas en el lecho, que determina el régimen de flujo y la densidad del lecho. Todos los sistemas de circulación se pueden caracterizar por la tasa de circulación de sólidos, kg/s y la relación de transferencia de los materiales suspendidos que se intercambian entre los recipientes. [24]
Para el lecho fluidizado circulante en la combustión de carbón, los lechos necesitan utilizar una mayor velocidad de fluidización, de modo que las partículas permanezcan constantes en los gases de combustión, antes de moverse a través de la cámara de combustión y hacia el ciclón. Durante la combustión, se requiere un lecho denso para mezclar el combustible aunque los sólidos estén dispersos uniformemente por toda la unidad. Las partículas más grandes se extraen y se devuelven a la cámara de combustión para continuar con el proceso, lo que requiere un tiempo de residencia de las partículas relativamente más largo. Si la eficiencia total de conversión de carbono supera el 98%, muestra un buen proceso de separación que deja simplemente una proporción menor de carbón sin quemar en los residuos. [25] Durante todo el proceso, las condiciones de funcionamiento son relativamente uniformes para la cámara de combustión.
Al diseñar un lecho fluidizado circulante, con distribución de temperatura constante para reacciones endotérmicas o exotérmicas , con el fin de determinar el diseño apropiado para enfriar o calentar los reactores de lecho fluidizado circulante, es necesaria una buena aproximación de las tasas de transferencia de calor para un mejor control, de modo que el reactor puede cambiar su rendimiento para diferentes condiciones de funcionamiento. [6] Para reactores altamente exotérmicos, se recomienda mantener baja la conversión del material y reciclar los posibles reactivos enfriados . También se recomienda separar los componentes en orden de porcentaje decreciente de material en la alimentación. Esto ayudará a reducir el costo de mantenimiento para el próximo proceso de separación.
En muchos procesos industriales que involucran partículas pequeñas, porosas o livianas que deben fluidizarse con un fluido más viscoso en presencia de gas, se prefiere un lecho fluidizado circulante gas-líquido-sólido (GLSCFB) en comparación con el sistema convencional porque puede minimizar zona muerta y aumentar la eficiencia de contacto entre las fases gaseosa, líquida y sólida mejorando la tensión de corte entre esas fases. El lecho fluidizado circulante gas-líquido-sólido también puede proporcionar una mayor retención de gas, producir un tamaño de burbuja más uniforme, un mejor contacto entre fases y buenas capacidades de transferencia de calor y masa. La flexibilidad de usar GLSCFB permite que el lecho fluidizado funcione a una velocidad del líquido mucho mayor que la velocidad mínima de fluidización, lo que a su vez aumenta la conversión fraccionaria y la eficiencia de producción por unidad de área de sección transversal del lecho. Además, el catalizador desactivado usado en el GLSCFB se puede regenerar continuamente usando el lecho fluidizado circulante, lo que a su vez redujo el costo operativo para reemplazar el catalizador con frecuencia. [26]
En cuanto a los depuradores de lecho fluidizado circulante (CFBS), son los más preferidos en la industria debido a su capacidad para producir productos de mayor pureza y al mismo tiempo evitar el problema de la corrosión . El CFBS también se prefiere porque requiere un bajo costo de instalación, una alta captura de metales, un bajo mantenimiento requerido, una amplia flexibilidad de azufre en el combustible y una respuesta rápida para hacer frente a los cambios en las condiciones operativas. [27] Es necesaria alguna modificación en la entrada para eliminar la pérdida de materiales sólidos en el fondo del lecho durante la operación de carga baja. Para una mejor calidad del producto, es aconsejable purificar la corriente de alimentación si es difícil separar la impureza del producto deseado si está presente en grandes cantidades.
Esto permitirá que el lecho fluidizado funcione a su máxima capacidad de manera estable. Cada CFBS necesita tener calderas más grandes que estén conectadas a varios ciclones en paralelo para eliminar los sólidos para la recirculación. [25] Los CFBS también necesitan tener una unidad de recuperación de calor, ya que parte del calor de las cenizas del fondo se puede recuperar, ya que es más viable económicamente en términos de reducir el costo operativo. Los enfriadores de cenizas son propensos a ensuciar el lecho, mientras que los tubos de transferencia de calor en el lecho fluidizado son propensos a la erosión, que puede eliminarse mediante el uso de un poco de aire fluidizado.
Es necesario implementar más tecnologías limpias nuevas para mantener la sostenibilidad de la Tierra. Es necesario desarrollar reactores más grandes, con menores emisiones contaminantes, para satisfacer la demanda global. Una de las mejores tecnologías limpias que se pueden utilizar es la tecnología de lecho fluidizado circulante. [17]
Otro campo importante que se está investigando actualmente es el desarrollo de intercambiadores de calor en lecho utilizados con tecnología de lecho fluidizado circulante. Con este diseño, los materiales del lecho llenan el intercambiador de calor del lecho a través de la parte superior abierta del horno de lecho fluidizado circulante, lo que permite el control de los materiales a través del intercambiador de calor del lecho. [28] Al poder controlar la tasa de rendimiento de los materiales, se puede lograr un mejor control de la absorción de calor y de la temperatura del lecho en el horno. Con un mayor desarrollo en este campo, podremos utilizar plenamente la energía necesaria para accionar el horno con un mínimo desperdicio de energía.
El diseño del separador de viga en U se ha mejorado para lograr una mayor eficiencia, confiabilidad y facilidad de mantenimiento y ahora se encuentra en la cuarta generación de su diseño, como se muestra en la Figura 6.
El diseño mejorado ha aportado numerosos beneficios a la tecnología de lecho fluidizado circulante. Algunos de los beneficios son los siguientes: [28]