Calderas Con Lecho Fluidizado

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1. INTRODUCCION El estudio de los lechos fluidizados se empezó en Alemania por Fritz Winkler en el año de 1921 cuando se investigaba el efecto de introducir gases productos de combustión por el fondo de un recipiente con partículas de coque, observando un fenómeno de sustentación ocurrido en las partículas y que estas adquirían un comportamiento similar al de un fluido. A este comportamiento de un sólido se le conoce como fluidización y se define como “la operación a través de la cual, sólidos finos se desenvuelven como un fluido, por medio del contacto con un líquido o un gas, quedando las partículas en estado de semisuspensión”. Desde 1981 se empezaron a considerar otras tecnologías de quemado no sólo de combustóleos sino otros combustibles. Una de ellas eran los lechos fluidizados. En estos sistemas el combustible permanece suspendido en un lecho que, utilizando aire en ciertas condiciones, se comporta como un fluido y, lo más importante, permite quemar combustibles con eficiencia y retener en él los compuestos contaminantes. La primera aplicación sobresaliente de fluidización se llevó a cabo en el periodo de la Segunda Guerra Mundial. Existía una gran demanda de combustible de alto octanaje debido a que el proceso de desintegración catalítico usado en el petróleo no era tan efectivo, dado que la cantidad de carbón depositada en el catalizador inmediatamente se ensuciaba y tenía que ser regenerada. Por lo anterior se observó que las técnicas de fluidización proporcionaban los medios necesarios para que las reacciones de desintegración y regeneración se lograran efectuar y así resolviendo dicho problema. En los años 60 Davidson explica el movimiento de un fluido alrededor de una burbuja de gas suspendida. Esta explicación se convirtió en un concepto básico que condujo la investigación y comprensión avanzada de un lecho fluidizado burbujeante.

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1. INTRODUCCIONEl estudio de los lechos fluidizados se empez en Alemania por Fritz Winkler en el ao de 1921 cuando se investigaba el efecto de introducir gases productos de combustin por el fondo de un recipiente con partculas de coque, observando un fenmeno de sustentacin ocurrido en las partculas y que estas adquiran un comportamiento similar al de un fluido. A este comportamiento de un slido se le conoce como fluidizacin y se define como la operacin a travs de la cual, slidos finos se desenvuelven como un fluido, por medio del contacto con un lquido o un gas, quedando las partculas en estado de semisuspensin. Desde 1981 se empezaron a considerar otras tecnologas de quemado no slo de combustleos sino otros combustibles. Una de ellas eran los lechos fluidizados. En estos sistemas el combustible permanece suspendido en un lecho que, utilizando aire en ciertas condiciones, se comporta como un fluido y, lo ms importante, permite quemar combustibles con eficiencia y retener en l los compuestos contaminantes. La primera aplicacin sobresaliente de fluidizacin se llev a cabo en el periodo de la Segunda Guerra Mundial. Exista una gran demanda de combustible de alto octanaje debido a que el proceso de desintegracin cataltico usado en el petrleo no era tan efectivo, dado que la cantidad de carbn depositada en el catalizador inmediatamente se ensuciaba y tena que ser regenerada. Por lo anterior se observ que las tcnicas de fluidizacin proporcionaban los medios necesarios para que las reacciones de desintegracin y regeneracin se lograran efectuar y as resolviendo dicho problema.En los aos 60 Davidson explica el movimiento de un fluido alrededor de una burbuja de gas suspendida. Esta explicacin se convirti en un concepto bsico que condujo la investigacin y comprensin avanzada de un lecho fluidizado burbujeante. La tecnologa de lecho fluidizado es una alternativa viable para quemar carbn, combustleo, coque de petrleo, as como para la combustin simultnea de diferentes combustibles, en particular combustleo y carbn, o combustleo y coque de petrleo. Se tienen altas eficiencias y retencin considerable en el lecho de los elementos nocivos, disminucin prcticamente a cero en la formacin de cido sulfrico y emisiones de xidos de nitrgeno y partculas inferiores a la norma vigente.

2. MARCO TEORICO

2.1. EL FENOMENO DE FLUIDIZACINLa fluidizacin es el fenmeno por el cual partculas slidas son suspendidas en el seno de un gas o un lquido, adquiriendo un comportamiento semejante al de un fluido. El material que se fluidiza es casi siempre un slido y el medio que fluidiza puede ser tanto lquido como gas. Las caractersticas y comportamiento de los lechos fluidizados dependen fuertemente de las propiedades del slido y del fluido. Si un fluido en movimiento ascendente a baja velocidad atraviesa un lecho de finas partculas, en principio el fluido se filtra a travs de los espacios entre stas, que permanecen estacionarias; este estado se denomina de lecho fijo. Figura 1 (a). Con un incremento en la velocidad del fluido, las partculas se mueven de forma independiente por medio de pequeas vibraciones. Si se sigue aumentando la velocidad, se alcanza un punto donde todas las partculas se encuentran suspendidas por el flujo ascendente de gas o lquido. En este punto la fuerza de friccin entre el fluido y las partculas se equilibra con el peso de stas, desapareciendo entonces la componente vertical de la fuerza de compresin entre partculas adyacentes. De este modo, la prdida de carga a travs de un volumen determinado de lecho es igual al peso de las partculas existentes por unidad de rea. Este estado se denomina de lecho en comienzo de fluidizacin (Figura 1 (b)) y marca la transicin entre el lecho fijo y el lecho plenamente fluidizado. La velocidad superficial del fluido en este punto se denomina velocidad de mnima fluidizacin.En sistemas fluidizados por lquido, un incremento en la velocidad por encima de la correspondiente a la mnima fluidizacin, normalmente da lugar a una suave y progresiva expansin del lecho. Las posibles inestabilidades provocadas por un flujo irregular se amortiguan y, en condiciones normales, no se observan heterogeneidades ni formacin de burbujas en el lecho. Un lecho con estas caractersticas se denomina de fluidizacin particulada, no burbujeante u homognea (Figura 1 (c)). En sistemas fluidizados por gas resulta poco frecuente observar este comportamiento de fluidizacin homognea, teniendo lugar slo en ciertos casos de partculas muy ligeras con gas denso a alta presin.Generalmente, el comportamiento de los sistemas fluidizados por gas es bastante diferente. As, al producirse un incremento en la velocidad del gas por encima de la correspondiente a la mnima fluidizacin, se observan grandes inestabilidades con aparicin de burbujas y canales. A mayores velocidades, la agitacin pasa a ser ms violenta y el movimiento de las partculas ms vigoroso; adems, el lecho no se expande mucho ms de su volumen de mnima fluidizacin. Un lecho con este comportamiento se denomina de fluidizacin agregativa, burbujeante o heterognea (Figura 1 (d)). En ocasiones concretas, los sistemas fluidizados por lquido tambin se comportan como lechos burbujeantes; tal es el caso de slidos muy densos fluidizados por lquidos de baja densidad. Los lechos fluidizados tanto por lquido como por gas se consideran lechos fluidizados de fase densa, puesto que existe un lmite superior que define con claridad la superficie del lecho de partculas.Figura 1. (a) Lecho fijo. (b) Lecho en comienzo de fluidizacin. (c) Lecho con fluidizacin no burbujeante. (d) Lecho con fluidizacin burbujeante.

En sistemas fluidizados por gas, a velocidades por encima de la de mnima fluidizacin, se produce la coalescencia de burbujas de gas y crecimiento de stas a medida que ascienden por el lecho. En ocasiones, en lechos de elevada longitud y pequeo dimetro, las burbujas pueden llegar a ser lo suficientemente grandes como para extenderse a lo ancho del depsito. Se produce entonces lo que se conoce como fenmeno de slugging, caracterizado por la aparicin de burbujas de dimetro prximo al del depsito, denominadas slugs. El slugging puede ser de dos tipos, dependiendo del tamao de las partculas del lecho. En el caso de partculas ms finas, stas caen suavemente hacia abajo por la pared que rodea las burbujas, dando lugar a burbujas de tamao elevado; el fenmeno se conoce con el nombre de slugging con slugs axiales (Figura 1 (e)). Para partculas de mayor grosor, la fraccin de lecho por encima de las burbujas es empujada aguas arriba, como si lo hiciera un pistn. Las partculas caen desde el slug, que finalmente se desintegra. A partir de dicho instante aparece un nuevo slug, repitindose continuamente este movimiento inestable. El comportamiento se llama slugging con slugs de pared (Figura 1 (f)). El fenmeno de slugging se debe tener especialmente en cuenta en el diseo de lechos fluidizados largos y estrechos.En la fluidizacin de partculas finas a una velocidad del gas suficientemente alta, se supera el valor de la velocidad terminal de los slidos. En este momento, el arrastre de partculas llega a ser apreciable con lo que desaparece la superficie superior del lecho y, en lugar de burbujas, se observa un movimiento turbulento de grupos de slidos y espacios de gas de varios tamaos y formas. Este estado se denomina de lecho fluidizado turbulento (Figura 1 (g)). Con un aumento en la velocidad del gas an mayor, las partculas abandonan el lecho con el gas; en este caso se tiene un lecho fluidizado de fase dispersa con transporte neumtico de partculas (Figura 1 (h)).

Figura 1. (e) Slugging con slugs axiales. (f) Slugging con slugs de pared. (g) Fluidizacin turbulenta. (h) Fluidizacin en la fase dispersa con transporte neumtico de partculas.

Un lecho de partculas de fase densa fluidizado con gas se asemeja mucho a un lquido en ebullicin y, en muchos aspectos, muestra un comportamiento similar al de un fluido. De esta manera, un objeto de tamao grande y poca densidad que se sumerge en el lecho fluidizado aparece inmediatamente en la superficie al dejarlo libre y flota. Por otra parte, si se inclina el depsito la superficie superior del lecho permanece horizontal y al conectar dos lechos fluidizados independientes sus niveles se igualan. Adems, la diferencia de presin entre dos puntos del lecho es proporcional a la diferencia de altura entre ellos. El lecho tambin tiene propiedades semejantes a las del flujo de lquidos; as, las partculas se desplazan formando un chorro a travs de un orificio en la pared del depsito y pueden formar un flujo desde un depsito a otro, como si de un lquido se tratara. El comportamiento fluido que presentan los lechos fluidizados permite idear diferentes diseos de contacto entre las partculas del lecho y el gas o el lquido, para su aplicacin en diversos procesos industriales.

2.2. CALIDAD DE FLUIDIZACINEl trmino fluidizacin hace referencia tanto a sistemas de fase densa como a sistemas de fase dispersa, pero es en los primeros donde se concentran en mayor medida las tareas de investigacin. La capacidad para fluidizar de las partculas, y las condiciones de operacin que lo permiten, varan mucho de unos sistemas a otros y estn influidas por mltiples factores. El primero es el tamao de los slidos y su distribucin. En general, las partculas pequeas tienden a aglomerarse si estn hmedas, con lo que el lecho se debe agitar para mantener las condiciones de fluidizacin. Esto se puede llevar a cabo con agitadores mecnicos o mediante la operacin a velocidades del gas relativamente altas, utilizando la energa cintica del chorro de gas entrante para agitar los slidos. Las partculas finas con una gran distribucin de tamaos se pueden fluidizar en un amplio rango de velocidades de gas, permitiendo operaciones flexibles con lechos profundos y grandes. Por el contrario, los lechos de partculas grandes con distribucin de tamaos uniforme suelen fluidizar peor con aparicin de sacudidas, chorros y fenmeno de slugging, lo que puede causar daos estructurales de importancia en lechos de gran tamao. La calidad de fluidizacin de estos lechos se puede mejorar aadiendo pequeas cantidades de finas partculas que haran de lubricantes. Adems, las partculas grandes fluidizan en un rango de velocidades de gas mucho ms estrecho. Por todo ello, se deben utilizar lechos poco profundos para fluidizar partculas de tamaos grandes. Un segundo factor, de importancia en la calidad de fluidizacin, es la relacin de densidades entre el fluido y las partculas. Normalmente, los sistemas de lquido-slido fluidizan de manera homognea, mientras que los sistemas de gas-slido suelen mostrar heterogeneidades. A pesar de ello, es posible observar comportamientos atpicos con partculas de baja densidad en gases de densidad elevada, o partculas de alta densidad en lquidos poco densos. Existen otros factores que pueden afectar a la calidad de fluidizacin, como son la geometra del lecho, los dispositivos de alimentacin de gas, el tipo de partcula utilizada, o el hecho de que los slidos puedan fluir libremente o tiendan a aglomerarse.

2.3. COMBUSTIN CON LECHO FLUIDIZADO

Con la esperanza de encontrar un sistema de combustin alternativo vlido par carbn de baja calidad y, en general, de combustibles que no se pueden quemar en calderas convencionales de forma eficiente, comenz a desarrollarse la combustin en lecho fluidizado (FBC, del ingls fluidized bed combustion) que acapar el esfuerzo de varias potencias tecnolgicas con la crisis del petrleo, a comienzos de los aos 1970s.Un diseo tpico es el basado en un lecho fluidizado burbujeante a presin atmosfrica. En ste, se fluidiza en primer lugar un lecho de partculas de caliza o dolomita mediante aire y, posteriormente, se inyectan partculas pequeas de carbn (3 6 mm). Debido a las elevadas velocidades del gas con que operan estas unidades, se produce una prdida considerable de partculas. Estas partculas, que suelen contener carbono sin quemar, bien se atrapan y queman en celdas diseadas para ello o se devuelven al lecho fluidizado con la ayuda de ciclones. Debido a que las partculas de caliza y dolomita capturan mejor los componentes de azufre si el lecho se mantiene a 850 C aproximadamente, los intercambiadores de calor suelen ir en el propio lecho. Adems existen intercambiadores en las paredes del mismo y en la seccin de salida de gases, para lograr un mejor rendimiento del proceso. En combustin de carbn mediante lechos fluidizados existen numerosos diseos diferentes al mencionado que se han desarrollado comercialmente, en unidades de pequea y gran escala, y operando a presin atmosfrica o a alta presin. Los lechos fluidizados presentan la ventaja de reducir las emisiones de NOx y SOx con respecto a otras tecnologas de combustin de carbn pulverizado, debido a que trabajan a menor temperatura.

Figura 2. Ejemplo de caldera de carbn con lecho fluidizado.

2.4. CARACTERISTICAS DE LOS LECHOS FLUIDIZADOS

2.4.1. RELACION DE ESPACIO LIBRELa relacin de espacio libre entre partculas representa la porosidad del lecho fluidizado que est ocupada por el espacio entre molculas. Se representa con en condiciones de fluidizacin mnima. La forma ms comn de calcular este valor es por medio de la siguiente ecuacin:

2.4.2. ESFERICIDADGeneralmente, las partculas de un lecho fluidizado no son totalmente esfricas, sino ms bien, son irregulares en su geometra. El parmetro que nos permite definir dicha geometra es la esfericidad (), la cual se puede definir: = (rea superficial de la esfera / rea superficial de la partcula) volumenPor medio de la formula anterior, podemos saber, que tan esfrica es una partcula. Para partculas como carbn, arena y catalizador de hierro se tiene un rango de esfericidad de 0.5 <