Calderas de Lecho Fluido

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1 INDICE 1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................ 2 2. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIÓN ............................................................................ 2 3. PROCESO DE FLUIDIZACIÓN ....................................................................................... 4 3.1 CURVAS DE FLUIDIZACIÓN ........................................................................................ 5 4. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO ............................................ 6 4.1 DESULFURACIÓN .................................................................................................... 8 4.2 FORMACIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO ....................................................... 9 6.1 SEGÚN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓN .......................................................... 11 6.2 SEGÚN LA PRESIÓN ................................................................................................... 12 7. CARACTERIZACIÓN Y MEDIDA DE PARTÍCULAS ................................................ 12 8. CAIDAS DE PRESIÓN .................................................................................................... 13 8.1 EN EL LECHO BURBUJEANTE ................................................................................. 13 8.2 EN EL LECHO CIRCULANTE ..................................................................................... 14 9. TRANSFERENCIA DE CALOR..................................................................................... 15 9.1 LECHO BURBUJEANTE......................................................................................... 16 9.2 LECHO CIRCULANTE.................................................................................................. 18 10. CONDICIONES DE DISEÑO Y DATOS PARA SISTEMAS KCIL Y SIU ........... 19 11. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 21

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Teoria calderos de lecho fluido

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    INDICE

    1. INTRODUCCIN ................................................................................................................ 2

    2. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIN ............................................................................ 2

    3. PROCESO DE FLUIDIZACIN ....................................................................................... 4

    3.1 CURVAS DE FLUIDIZACIN ........................................................................................ 5

    4. EL PROCESO DE COMBUSTIN EN LECHO FLUIDO ............................................ 6

    4.1 DESULFURACIN .................................................................................................... 8

    4.2 FORMACIN DE XIDOS DE NITRGENO ....................................................... 9

    6.1 SEGN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIN .......................................................... 11

    6.2 SEGN LA PRESIN ................................................................................................... 12

    7. CARACTERIZACIN Y MEDIDA DE PARTCULAS ................................................ 12

    8. CAIDAS DE PRESIN .................................................................................................... 13

    8.1 EN EL LECHO BURBUJEANTE ................................................................................. 13

    8.2 EN EL LECHO CIRCULANTE ..................................................................................... 14

    9. TRANSFERENCIA DE CALOR ..................................................................................... 15

    9.1 LECHO BURBUJEANTE ......................................................................................... 16

    9.2 LECHO CIRCULANTE .................................................................................................. 18

    10. CONDICIONES DE DISEO Y DATOS PARA SISTEMAS KCIL Y SIU ........... 19

    11. REFERENCIA BIBLIOGRFICAS ........................................................................... 21

  • 2

    CALDERAS DE LECHO FLUIDO

    1. INTRODUCCIN

    La combustin en lecho fluido (CLF), aunque conocida desde hace tiempo, solo se ha

    aplicado a la produccin de vapor en las ltimas tres dcadas, desarrollndose dos

    familias de lechos, segn que la combustin tenga lugar a presin atmosfrica (lecho

    fluido burbujeante y lecho fluido circulante) o a presin superior a la atmosfrica (lecho

    fluido presurizado, ya en la segunda generacin). El resultado es una gama completa

    de calderas de lecho fluido probadas, fiables y eficientes, que compite con xito frente

    a otras tecnologas. En las calderas de lecho fluido, la combustin se produce de

    forma controlada en todo el hogar y sistema de recirculacin (ciclones) de forma que el

    tiempo de residencia de las partculas en ignicin es muy superior al de las calderas

    convencionales de carbn pulverizado, con temperaturas que no suelen superar los

    850 C, mucho ms bajas que las que se dan en el interior del hogar de las calderas

    convencionales. Al no alcanzarse las temperaturas de ablandamiento y fusin de

    cenizas, no se producen fenmenos de formacin de escorias en el hogar. Esto

    permite la utilizacin de combustibles pobres de bajo poder calorfico y asegura una

    gran flexibilidad desde el punto de vista de utilizacin de otros combustibles distintos

    del de diseo. Adems, la temperatura de combustin se encuentra por debajo de la

    de formacin de xidos de nitrgeno de origen trmico, lo que limita la produccin de

    este agente contaminante, conocido como NOX que es uno de los responsables de la

    lluvia cida. En el proceso de combustin, el azufre presente en el combustible se

    oxida para producir SO2, que en las calderas convencionales se escapa con los

    humos, siendo otro de los gases culpables del fenmeno de la lluvia cida. En este

    tipo de calderas, el SO2 se combina en la propia caldera con un sorbente,

    generalmente caliza, para producir yeso, que se elimina con las cenizas, no siendo

    necesario, por tanto, aadir una instalacin de desulfuracin de gases para cumplir

    con la normativa, como ocurre con las calderas convencionales. En consecuencia, los

    valores de emisin de agentes contaminantes atmosfricos (SO2, NOX, y polvo)

    garantizados son inferiores a los exigidos. Esta es la tecnologa en la que vamos a

    centrar, por su actualidad e inters, el contenido de este texto. Expuesto lo anterior,

    podemos afirmar que, actualmente, los combustibles slidos (carbn, residuos, coque

    de petrleo, etc) constituyen en todo el mundo una fuente de energa segura, fiable y

    relativamente abundante. Actualmente se dispone de la tecnologa y experiencia

    necesarias para poder asegurar la utilizacin de estas fuentes de energa de forma

    eficiente y respetuosa con el medio ambiente. A continuacin se tratarn los principios

    bsicos de los procesos de la fluidizacin, combustin en lecho fluido y captura de

    azufre. Se analiza lo que stos significan en las aplicaciones de la CLF atmosfrico o

    de baja presin, en lecho burbujeante o circulante y para los diferentes rangos y

    calidades del carbn. El anlisis concluye con la descripcin del proceso y sus

    aplicaciones en caso de generadores de vapor de gran tamao. Se exponen

    brevemente los criterios propios del diseo de grandes unidades.

    2. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIN

    La normativa medio-ambiental, cada vez ms estricta, en el sector de la

    generacin de energa va marginando importantes recursos de combustibles, debido a

    su alto contenido en azufre, o creando cantidades considerables de rechazos de

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    lavadero que son inutilizables segn los mtodos clsicos, como la combustin en

    calderas de carbn pulverizado. La Combustin en Lecho Fluido (CLF) de

    combustibles slidos triturados es una alternativa en auge en todo el mundo, dada su

    capacidad para la reduccin "in situ" de los xidos de azufre y para quemar

    combustibles pobres sin el apoyo de hidrocarburos.

    La combustin en lecho fluido circulante es una tecnologa de uso limpio del

    carbn que ha superado con xito las etapas de investigacin, demostracin y

    desarrollo (I+D+D), y ya se encuentra plenamente disponible y operativa a nivel

    comercial, hasta tamaos superiores a 250 MWe y mayores. Sin embargo, hoy da

    existe una demanda creciente por parte de las empresas de generacin elctrica de

    grupos con potencia unitaria de 300 MWe o incluso superiores. Debido a esta

    demanda se ha desarrollado el diseo adecuado para satisfacer la misma,

    considerando, a la vez, la evolucin de los requisitos medioambientales que

    condicionarn, cada vez ms, la produccin de energa del futuro.

    La combustin del carbn (u otros combustibles slidos) en lecho fluido permite

    alcanzar fundamentalmente dos objetivos primordiales desde el punto de vista medio-

    ambiental:

    1. Alto grado de retencin de azufre en las cenizas, reduciendo las emisiones

    de xidos de azufre en un 90 %, o incluso ms, en comparacin con las

    unidades convencionales de carbn pulverizado o de parrilla.

    2. Baja emisin de xidos de nitrgeno, aproximadamente la mitad (o menos)

    que en el caso de unidades convencionales.

    Adems, las unidades de lecho fluido presentan, entre otras, las siguientes

    ventajas:

    1. Admiten combustibles de bajo rango, con alto contenido en cenizas, sin que

    sea un problema la presencia de azufre, como se muestra en la Tabla I.

    2. Tienen gran flexibilidad a la hora de consumir combustibles distintos del de

    diseo.

    3. Tienen un buen ndice de utilizacin del sorbente, habitualmente caliza

    triturada.

    4. Son simples en cuanto a diseo y operacin.

    5. Alcanzan buenas disponibilidades, superiores al 90%.

    6. El coste de primera inversin es moderado, y tienen buena eficiencia

    energtica.

    7. Las necesidades de mantenimiento son bajas.

    Mantener estas ventajas en todo el rango de potencias disponibles, hasta 250

    MWe y ms all, quemando una amplia gama de combustibles slidos, desde

    rechazos de antracita y semihullas de ms de 60% de cenizas hasta coque de

    petrleo, exige un diseo depurado que contemple todos y cada uno de los

    parmetros crticos del proceso y de la caldera en s, aprovechando la experiencia

    adquirida en las distintas unidades en funcionamiento.

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    3. PROCESO DE FLUIDIZACIN

    El trmino Fluidizacin, se emplea para describir un tipo de proceso o

    fenmeno, consistente en el contacto entre slidos (granos) y fluidos, de modo que las

    partculas slidas aparecen suspendidas en el fluido, que se mueve a travs de lecho

    formado por dichas partculas, en direccin vertical y sentido ascendente. En el estado

    descrito el lecho fluido se comporta de modo similar a un lquido.

    Imaginemos un cilindro vertical que contiene un lecho poroso formado por un

    material granular, por ejemplo arena, que se encuentra apoyada sobre una placa

    perforada y por l puede circular un fluido en sentido ascendente. Cuando la velocidad

    del fluido es baja, ste simplemente circula a travs de los canales tortuosos formados

    por la porosidad del lecho, que permanece fijo. Sea L, la altura del lecho fijo, siendo U,

    la velocidad de flujo del fluido (medida en base a la seccin transversal total de la

    columna) de forma que con ella el lecho permanece fijo.

    En este caso la prdida de carga que experimenta el fluido al atravesar el

    lecho, por efecto de la friccin con las partculas slidas, es proporcional a la velocidad

    del mismo. (P = f(U)).

    Aumentando poco a poco la velocidad del fluido, se llega a un estado en que

    las partculas del lecho comienzan a separarse, aumentando por lo tanto la porosidad

    del mismo, y algunas de ellas comienzan a vibrar y a moverse dentro de regiones

    restringidas. Este estado se denomina "lecho expandido".

    Un nuevo aumento de la velocidad del fluido hace que todas las partculas

    queden suspendidas en la corriente ascendente de fluido. Esto significa que la fuerza

    de arrastre ascendente que el fluido ejerce sobre las partculas del lecho equilibra el

    peso aparente de las mismas, que ya pueden moverse ms o menos libremente. Se

    considera entonces que comienza el fenmeno de fluidizacin.

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    La velocidad del flujo en este momento se conoce como "velocidad de mnima

    fluidizacin", (Umf ), y la altura del lecho, "altura de mnima fluidizacin" (Lmf ).

    Considerando un sistema gas-slidos, con un incremento de la velocidad de

    flujo por encima de la velocidad de mnima fluidizacin, se observan inestabilidades

    como la formacin de grandes burbujas y canalizaciones del gas. Un mayor aumento

    del flujo de gas hace que la agitacin del lecho sea ms violenta y el movimiento del

    slido ms vigoroso. De cualquier manera, en estos casos el lecho no se expande

    mucho ms all de su volumen. Un lecho fluido con estas caractersticas se conoce

    como un "lecho fluido burbujeante".

    Si continuamos aumentando la velocidad de flujo llega un momento en que

    cada vez es mayor el nmero de partculas que son arrastradas, pero manteniendo

    aun propiedades similares a las del lecho fluido burbujeante, lo que ser el lecho

    fluido circulante. Si se sigue aumentando la velocidad, se pasa por una zona de

    inestabilidad y despus todas las partculas son arrastradas del lecho, alcanzndose

    entonces el "transporte neumtico".

    Los lechos fluidos presentan una serie de caractersticas ventajosas con vistas

    a su utilizacin en procesos industriales:

    1. Debido a la intensa agitacin existente en un lecho gas-slido, la distribucin

    de temperaturas es mucho ms uniforme que en un lecho fijo o mvil, llegando a

    condiciones casi isotrmicas.

    2. El tamao de partculas es de un orden de magnitud menor que en un lecho

    fijo o mvil, aumentando la superficie de contacto gas-slido y disminuyendo la

    resistencia a la difusin de los productos slidos.

    3. El carcter de comportamiento similar a un lquido que presenta un lecho

    fluido hace que sea muy fcil la incorporacin o extraccin de slidos.

    4. La velocidad de transferencia de calor entre el gas y las partculas es mayor

    que en los lechos fijos.

    5. Debido a las altas velocidades de transferencia de calor entre las partculas y

    el gas, los lechos fluidos permiten una ms fcil recuperacin del calor contenido en

    los slidos residuales.

    6. Debido a la fuerte agitacin que caracteriza a los lechos fluidos, los

    coeficientes de transferencia de calor entre el lecho y superficies de calefaccin son

    mayores que los correspondientes a lechos fijos o mviles.

    7. La posibilidad de circulacin de slidos entre dos lechos fluidos hace posible

    transportar grandes cantidades de calor, que permiten compensar el calor consumido

    o producido en grandes reactores.

    3.1 CURVAS DE FLUIDIZACIN

    Supongamos un lecho de slidos granulares tal como el mostrado en la figura 1

    y hagamos la experiencia de ir aumentando la velocidad del aire que hacemos pasar a

    travs de l.

    La relacin entre la velocidad superficial del fluido (U) y la cada de presin por

    friccin (Pf), que se produce cuando aqul atraviesa un lecho poroso en sentido

    ascendente, puede ser expresada mediante la ecuacin:

    Pf =f (U)

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    que al ser representada en coordenadas logartmicas se obtiene el grfico de la misma

    figura 1 que recibe el nombre de "curva de fluidizacin".

    En la zona AA' el lecho permanece fijo, y logP aumenta linealmente con la

    velocidad. En el punto B se alcanza la mxima porosidad posible, estando las

    partculas an en contacto. En esta zona el estado del lecho se conoce como "lecho

    expandido". Si al llegar a B se aumenta

    Ligeramente la velocidad del gas, las partculas se separan y comienza la fluidizacin.

    Al ocurrir esto, la cada de presin a travs del lecho es frecuente que disminuya

    ligeramente al pasar el sistema desde B al punto C (las partculas ocupan una posicin

    de menor cada de presin). A partir de C, si se sigue aumentando la velocidad, las

    partculas comienzan a moverse cada vez ms intensamente, es decir que aumenta el

    grado de agitacin del lecho, permaneciendo la prdida de carga sensiblemente

    constante. En el punto D comienza el transporte por arrastre de las partculas del

    lecho. Si se contina aumentando la velocidad del gas, se observar que a partir de

    all la P cae bruscamente, debido a la disminucin de la resistencia por la prdida

    paulatina del peso del lecho (se produce una situacin inestable variando la situacin

    alternativamente de D a D). En D' el arrastre del lecho ya es estable, y desde all al

    aumentar la velocidad del gas la P vuelva a aumentar nuevamente (aumento de la

    cada de presin debida al aumento de la velocidad).

    Si ahora experimentamos al revs, disminuyendo paulatinamente la velocidad del

    fluido, los valores obtenidos describirn la trayectoria EDDCf, ocurriendo que AA

    estar por encima de FF, debido a que cuando el lecho retorna a su condicin de fijo,

    las partculas se acomodan de distinta forma.

    El punto F, se denomina punto de mnima fluidizacin, o de fluidizacin

    incipiente. La velocidad correspondiente a este punto se representa por un Umf y es la

    denominada velocidad de mnima fluidizacin.

    Las curvas de fluidizacin son de utilidad para definir y clasificar los tipos lecho

    fluido.

    4. EL PROCESO DE COMBUSTIN EN LECHO FLUIDO

    Fig 1. Cada de presin del lecho en funcin de la velocidad del aire

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    La combustin en lecho fluido comprende entre otros los siguientes procesos:

    Fluidizacin de slidos, combustin propiamente dicha, transferencia de calor;

    extraccin de material agotado, reduccin del tamao de las partculas, emisiones de

    contaminantes, calcinacin, etc.

    En un combustor de lecho fluido el combustible se alimenta continuamente al

    lecho y la ceniza producida en la combustin se extrae tambin continuamente, de

    modo que el volumen se mantiene constante. Debido a la rpida mezcla y

    homogeneizacin del lecho y la alta eficacia de la combustin, la cantidad de

    inquemados en el lecho es normalmente baja. El aire es inyectado a travs de una

    parrilla distribuidora, por el fondo del lecho, regulndose la velocidad de fluidizacin.

    Los gases de la combustin salen por la parte superior. Para el control de la

    temperatura, entre 800 y 900 C, se pueden introducir tubos vaporizadores en el lecho,

    que extraen una gran parte del calor producido en la combustin, lo que permite un

    menor tamao de las calderas. Este tipo de combustores admite un amplio rango de

    tamaos de carbn de distintas caractersticas as como de posibles residuos

    combustibles disponibles.

    La combustin en lecho fluido (CLF) puede tener lugar a presin atmosfrica o

    a sobrepresin (L.F. presurizado). Seguidamente se va a considerar la combustin a

    presin atmosfrica; y posteriormente, el lecho fluido presurizado. Cuando se alimenta

    combustible al lecho, las partculas adquieren alta temperatura rpidamente, debido a

    su rpido proceso de mezclado y a la buena transmisin de calor que se da en el

    mismo. El tiempo de residencia de las partculas de carbn en el lecho vara de

    fracciones de minuto a pocos minutos, dependiendo del tipo de combustible y del

    tamao de las partculas. En el proceso de calentamiento se desprender primero la

    humedad y luego las materias voltiles (hidrgeno, metano, monxido de carbono,

    etc....), quedando finalmente el carbono. Tanto las materias voltiles como el carbono

    queman con el aire suministrado al lecho fluido dando los productos de combustin

    usuales, de acuerdo con las siguientes reacciones tpicas de combustin:

    El oxgeno que toma parte en las reacciones procede fundamentalmente del aire de

    fluidizacin, pero tambin del oxgeno que aporta el combustible. En condiciones

    normales de operacin, las materias voltiles producidas se queman completamente

    por encima del lecho. La reaccin en el lecho fluido, entre el oxgeno y las partculas

    de carbono existentes despus de desprenderse las materias voltiles, tiene lugar

    siguiendo los tres mecanismos siguientes:

    1. Transferencia del oxgeno de las burbujas de aire a la partcula.

    2. Difusin del oxgeno a travs de la superficie de la partcula y difusin del dixido de

    carbono procedente de la superficie de las partculas.

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    3. Reaccin qumica en la superficie de la partcula.

    En general, no toda la combustin de las partculas slidas tiene lugar en el lecho, si

    no que las burbujas del aire de fluidizacin arrastran y proyectan partculas

    inquemadas hacia la corriente de gases por encima del lecho, las cuales, al igual que

    ocurre con las materias voltiles, se queman en la regin situada por encima del lecho.

    Una parte de este calor vuelve al lecho en forma de calor sensible de las partculas

    que retoman (caen) continuamente al mismo. Esta postcombustin hace que, en

    muchos casos, la temperatura de los gases en la zona superior sea sensiblemente

    ms alta que la del lecho, lo que puede ser aprovechado para el calentamiento del

    vapor producido, en esta zona. En la figura 2 se muestra un esquema de los procesos

    fisicoqumicos que tienen lugar.

    4.1 DESULFURACIN

    Una de las ms destacadas caractersticas de la CLF es su alta capacidad para la retencin en la misma caldera del azufre, lo que supone una considerable ventaja frente a los procedimientos convencionales de carbn pulverizado o de parrilla, en los cuales es necesario disponer de instalaciones de depuracin de los gases de combustin si se quiere eliminar el SO2 producido. En la CLF puede retenerse el SO2 producido, mediante la adicin de un sorvente (caliza o doloma). Las reacciones que tienen lugar dependen de las condiciones de operacin y de la presin. A la presin atmosfrica, la caliza se calcina de acuerdo con la reaccin:

    CaCO3 + 178 kJ/mol 6 CaO + CO2 Los xidos de calcio reaccionan con el dixido de azufre producido en la combustin, formando sulfatos que se eliminan con las cenizas:

    Fig. 2: Procesos fsico-qumico que tienen lugar en la combustin en lecho fluido

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    CaO + SO2 + 1/2O2 6 SO4Ca + 386.79 kJ/mol

    La caliza tambin reacciona directamente con el dixido de azufre:

    Fig 3: Procesos fsico-qumicos de la desulfuracin

    CaCO3 + SO2 + 1/2O2 6 CaSO4 + CO2 + 207.21 kJ/mol

    En la figuras 3 se hace referencia a los procesos fsico-qumicos que tienen lugar en el proceso de desulfuracin. A presin atmosfrica es preferible la caliza a la doloma, ya que se requiere menor cantidad para retener una cantidad de azufre dado. La retencin de azufre depende fundamentalmente de los siguientes factores:

    1. Relacin molar Ca/S: Como se puede ver en la figura 4, cuanto mayor en esta relacin tanto mayor ser la retencin del azufre. 2. Temperatura del lecho: Como se puede ver en la figura 4, es ptima alrededor de los 850 C. 3. Tipo y tamao de la caliza. Como se puede ver en la figura 4, la eficiencia de la utilizacin de la caliza ser mayor cuanto mayor contacto tenga con el SO2, mayor superficie, mayor porosidad y mayor reactividad. 4. Tiempo de residencia. Como se puede ver en la figura 5, cuanto mayor es el tiempo de residencia de los gases y de las partculas slidas en el lecho, tanto mayor ser la probabilidad de que tengan lugar las reacciones de desulfuracin. El tiempo de residencia es funcin de la velocidad de fluidizacin.

    4.2 FORMACIN DE XIDOS DE NITRGENO

    Los xidos de nitrgeno en los gases de combustin (NOx) pueden proceder, bien de la oxidacin del N2 del aire o bien del nitrgeno orgnico del combustible. El NOX suele estar compuesto, en general, por ms del 95 % de NO y el resto por NO2 y trazas de N2O.

    La contaminacin por NOX es considerada de igual categora que la del SO2 pudiendo daar la vegetacin (alto riesgo cuando la concentracin es superior a 0,5

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    ppm) y siendo nocivo para la salud humana. En este sentido es considerado ms peligroso que el SO2

    La formacin de NOX depende, fundamentalmente, de la temperatura del lecho, del tiempo de residencia y del exceso de oxgeno (exceso de aire). En la figura 5 se muestran las emisiones de NOX en funcin de la temperatura, para diferentes contenidos de N2 del combustible.

    Fig 4: Influencia de la relacin Ca/S y del tipo de caliza en la retencin de azufre

    5. TEMPERATURA DEL LECHO

    La temperatura del lecho suele mantenerse entre 750C y 950C o ms estrictamente entre 800C y 900C, por todas las razones antedichas.

    La temperatura superior viene limitada por la necesidad de que las cenizas no fundan y no se aglomeren, perjudicndose las condiciones de fluidizacin, y por la conveniencia de que las emisiones de NOX no sean demasiado altas, pues como se ha visto aumentan con la temperatura. Otra razn por la que la temperatura no debe ser muy alta, es porque a unos 1.000C se descompone el sulfato de calcio, producindose de nuevo SO2.

    CaSO4 + 386.79 kJ/mol = Ca O + SO2 + 1/2O2

    Esta reaccin se favorece en presencia de determinadas concentraciones de ion frrico.

    El lmite inferior viene determinado por la necesidad de efectuar la combustin en condiciones eficientes, evitando los inquemados y favoreciendo la postcombustin por encima del lecho. Por otra parte, a baja temperatura la retencin de azufre se inhibe, debido a la baja calcinacin de la caliza. Como resultado de ambos extremos, se encuentra como temperatura ptima la de 850C, con mxima retencin de SO2, buena combustin y emisiones de NOX relativamente bajas.

    La regulacin de la temperatura se consigue mediante tubos inmersos en el lecho, alimentacin de combustible, dosificacin del aire de fluidizacin (cmaras), recirculacin de cenizas y, eventualmente, recirculacin de gases de la combustin.

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    Fig5: Influencia del tiempo de residencia en la retencin de SO2. Influencia del nitrgeno del combustible y de la temperatura del lecho en la formacin de NOX

    6. TIPOS

    6.1 SEGN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIN

    Para el caso de un lecho fluido a presin atmosfrica, puede hacerse la

    clasificacin que se muestra en la figura 7, en la que se representa en ordenadas la velocidad de fluidizacin y en abscisas la expansin del lecho. El tipo de lecho fluido depende de la diferencia de velocidades del gas y los slidos. En el segundo grfico en la figura 7 se indica en ordenadas el logaritmo de la diferencia de presin entre el aire de alimentacin y los gases por encima del lecho (log P), y en abscisas el logaritmo de la velocidad de fluidizacin (log U), llegndose a una clasificacin similar: cuando la velocidad de trabajo se sita por debajo de la mnima de fluidizacin, el lecho es fijo, cuando la velocidad del flujo supera a la mnima de fluidizacin, de 1 a 3 m/s, se tiene la fluidizacin heterognea clsica. Siempre hay un arrastre de partculas y puede haber recirculacin de cenizas, no muy elevada.

    Cuando se trabaja en la zona media-alta de las curvas de fluidizacin, con velocidades de 2 a 6 m/s., se tiene la fluidizacin turbulenta. En este caso el arrastre de partculas se incrementa y se precisa de una fuerte recirculacin de cenizas al lecho, que puede llegar a 10 o 15 veces la carga de alimentacin. Si se sigue aumentando la velocidad de trabajo hasta llegar a valores de 5 a 10 m/s., se tiene un gran arrastre del material, del orden de 30 a 100 veces la carga de alimentacin. En este caso, se necesita un cicln especial y un sistema de control de alimentacin de recirculacin al lecho, tambin singular. Se trata del lecho fluido circulante.

    Finalmente, si se contina incrementando la velocidad, se llega al grado de transporte neumtico, desapareciendo la fluidizacin.

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    Fig. 6: Tipos de lechos fluido segn la velocidad de fluidificacin

    6.2 SEGN LA PRESIN

    La combustin en lecho fluido puede tener lugar a presin atmosfrica o a una determinada sobrepresin; en este caso se denomina combustin en lecho fluido a presin o presurizado. Las presiones suelen situarse en el rango de 5 a 20 bar, siendo normal 10- 12 bar. Las instalaciones de combustin en lecho fluido a presin son ms compactas, ocupando mucho menos volumen para igual capacidad. La combustin en lecho fluido a presin puede ser, a su vez, burbujeante o circulante.

    7. CARACTERIZACIN Y MEDIDA DE PARTCULAS

    En los hogares de calderas de lecho fluidificado, el movimiento de las partculas viene afectado por: - Las fuerzas gravitatorias - Los impactos de las partculas entre s - Los impactos de las partculas con las paredes de la caldera

    Las caractersticas ms importantes de una partcula son: su tamao, densidad y geometra.

    La forma de la partcula puede ser desde esfrica hasta plana, y determina cmo reacciona frente a las fuerzas presentes en el hogar. La partcula ideal sera una esfera homognea, y la mezcla ideal estara constituida por un conjunto de esferas

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    homogneas de igual dimetro. En la prctica, las mezclas que se presentan son conjuntos de partculas con diferentes tamaos, densidades y formas.

    En los lechos fluidificados los clculos de transferencia de calor y prdidas de presin, presuponen que las mezclas de partculas se caracterizan por:

    Un dimetro y densidad promedio de partcula

    Una densidad aparente de la mezcla

    Para calcular el dimetro medio de las partculas stas se suponen esfricas; para tener en cuenta que las partculas reales no son esfricas, se introduce un factor de correccin del dimetro medio calculado.

    Las mezclas contienen cantidades importantes de otras configuraciones de partculas, como las escamas o perfiles cilndricos, que son siempre difciles de caracterizar.

    La determinacin del dimetro medio de una mezcla, la proporciona el cribado de la muestra representativa de la misma, mediante una serie de tamices en columna con mallas cada vez ms finas; tambin 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 dimetros caractersticos:

    El gravimtrico

    El Sauter

    El dimetro Sauter para una mezcla de partculas, se calcula a partir de la relacin Volumen medio/Superficie media del lote de partculas y se utiliza para predecir el comportamiento hidrodinmico de mezclas, calculndose a partir de las fracciones gravimtricas de las mezclas de partculas, por la ecuacin:

    El dimetro gravimtrico medio se calcula a partir de la fraccin en peso de cada tamao de la mezcla de partculas, mediante la expresin:

    Cuando todas las partculas tienen igual dimetro, los dimetros gravimtricos y

    Sauter, coinciden. Para mezclas de partculas con un margen de dimetros estrecho, ambos

    dimetros son similares al dimetro Sauter correspondiente a las partculas de menor tamao.

    Para mezclas de partculas con un margen de dimetros amplio, el dimetro medio Sauter es mucho menor que el dimetro medio gravimtrico.

    8. CAIDAS DE PRESIN

    8.1 EN EL LECHO BURBUJEANTE

    Para un lecho denso, la cada de presin es de especial inters; para el resto

    de la caldera, las cadas de presin se calculan mediante las ecuaciones que se aplican en el diseo de calderas convencionales.

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    La Fig. 7 muestra el perfil de distribucin de densidades en el hogar e identifica las zonas utilizadas para establecer la cada de presin y la transferencia de calor.

    Fig. 7 Perfil de distribucin de densidades en el hogar

    La cada de presin p en el lecho denso se calcula por la ecuacin:

    El parmetro e depende:

    Del tamao y densidad de las partculas

    De la velocidad y viscosidad del gas en el lecho

    8.2 EN EL LECHO CIRCULANTE

    El perfil de la distribucin de densidades del hogar de una caldera de lecho

    circulante es ms 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 admisin de aire hacia el hogar, suministrndole entre el 50 70% del flujo de aire total a travs de la placa distribuidora, reduciendo la velocidad del gas en la zona primaria y facilitando el mantenimiento de un lecho que tenga tasas relativamente bajas de recirculacin de slidos.

    El flujo ascensional de slidos se reduce al aumentar la altura del hogar, lo que conduce a una disminucin de la densidad local en el hogar, Fig.8.

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    Fig. 8 Esquema de caldera con lecho fluidificado circulante

    9. 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 slidos inertes por cada 100 kg de humos. La transferencia de calor desde los humos hacia las paredes del hogar se realiza por radiacin. En un hogar de lecho fluidificado circulante, la cantidad de slidos en los humos puede superar los 5 kg por cada 100 kg de gas, por lo que debido a este alto contenido, en el diseo 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 conveccin desde los slidos y el gas, y la radiacin desde el gas. En un hogar de caldera convencional, la radiacin del gas es la ms importante por su nivel de temperatura, mientras que la conveccin desde slidos es poco relevante. La influencia de una alta concentracin de slidos 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 estn comprendidas entre 1500 a 1600F (816 a 871C), 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 1600F - 816 a 871C

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    9.1 LECHO BURBUJEANTE

    A efectos de transferencia de calor, una caldera de lecho burbujeante se divide en tres zonas, Fig.7:

    Lecho burbujeante o lecho denso

    Zona de desprendimiento

    Zona superior o de rgimen libre

    Desde lecho denso a bancos de tubos.- La ecuacin del coeficiente global de transferencia de calor, para un tubo cualquiera, viene dada por la expresin:

    El coeficiente de conveccin hc para tubos sueltos, se determina como sigue: - Para lechos con partculas inferiores a 800 micras, Dp < 800 micras:

    - Para lechos con partculas superiores a 800 micras, Dp > 800 micras:

    En las que:

    Ftub es un factor adimensional de la disposicin tubular (slo al tresbolillo)

    hc(tubo simple) es el coeficiente de transferencia trmica del tubo simple, Btu/ft2hF, (W/m2K)

    e es el porcentaje de huecos del lecho

    kgases es la conductividad trmica de los gases, Btu/fthF (W/mK)

    dtubo es el dimetro exterior del tubo, ft (m)

    G es el flujo msico del gas, lb/ft2s (kg/m2s)

    part es la densidad de las partculas, lb/ft3 (kg/m3) g es la viscosidad de los gases, lb/fts (kg/ms) g es la densidad de los gases, lb/ft3 (kg/m3)

    Dp es el dimetro medio de las partculas, ft (m)

    C1 y C2 son constantes experimentales, adimensional

    cp es el calor especfico de los gases, Btu/lbF (J/gK)

    v es la velocidad nominal de los gases del lecho, ft/s (m/s) El coeficiente de transferencia de calor por radiacin es:

    La emisividad global media en hogares burbujeantes es 0,8 y depende de la emisividad y tamao de las partculas.

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    El coeficiente global de transmisin de calor para un haz tubular sumergido es de

    - 49 a 60 Btu/ft2h F - 227 a 341 W/m2 K

    Desde lecho denso a paredes.- Para evaluar el coeficiente de transferencia

    trmica por conveccin, se puede utilizar la ecuacin propuesta por Mickley, que incluye una constante experimental C3, en la forma:

    Si las paredes en la zona del lecho burbujeante estn cubiertas con refractario, en la ecuacin que facilita el valor del coeficiente global U0 habr que aadir la resistencia debida al refractario, que tambin afecta al clculo del coeficiente de radiacin hr.

    El refractario apenas influye en el valor del parmetro hc pared. Desde la zona de desprendimiento a tubos.- En perodos de funcionamiento

    con un bajo nivel de lecho, es posible que una parte de los tubos superiores del banco tubular no queden sumergidos, quedando al descubierto. Cuando esa porcin tubular se encuentra al descubierto en la parte baja de la zona de barboteo, el clculo de la transferencia de calor se realiza en una parte especial del lecho.

    El contenido de partculas 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 fraccin de tubos no sumergidos decrece muy rpidamente. Una ecuacin emprica desarrollada, es:

    Desde la zona de desprendimiento a paredes.- Para paredes verticales en la zona de desprendimiento, el coeficiente de conveccin se evala en la forma:

    En la que:

    kgas la conductividad trmica de los gases, Btu/ft Fh

    Dequiv.caldera es el dimetro equivalente de la caldera, ft

    cp(gas) es el calor especfico de los gases, Btu/lbF

    ng es la viscosidad de los gases, lb/ft.s

    G es el gasto msico de gases, lb/ft2 s

    La porosidad e se refiere al lecho denso y no a la zona de desprendimiento (zona de barboteo). La altura de esta zona se dimensiona para conseguir un aumento del tiempo de residencia de por lo menos 1 segundo.

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    En la parte superior del hogar.- Esta parte de la unidad se estudia de igual

    forma que en las calderas convencionales. La diferencia radica en la emisividad de la mezcla slidos +gases, ya que el contenido de slidos en los gases es mucho ms elevado que en el caso de las calderas convencionales, quemando carbn de altas cenizas, por lo que se pueden alterar las propiedades radiativas.

    9.2 LECHO CIRCULANTE

    Las calderas de lecho fluidificado circulante no incorporan superficies de bancos tubulares sumergidos, por lo que la absorcin de calor se realiza por las paredes del cerramiento y los tabiques divisores internos del hogar, pudindose citar las paredes divisoras y las paredes aletas. La transferencia de calor en estos hogares se determina fraccionndole en dos regiones: - La que comprende el hogar denso - El resto del hogar

    Desde el lecho denso.- La transferencia de calor es similar a la del lecho denso a paredes de caldera de lecho burbujeante, aunque hay diferencias, ya que aqu el rgimen es turbulento, en lugar del caracterstico barboteo propio del burbujeante.

    Desde la zona de desprendimiento y la parte superior del hogar.- La zona que est encima del lecho denso, (por debajo del nivel de inyeccin del aire secundario para producir el lecho circulante), se denomina zona de desprendimiento. La parte superior del hogar incluye las zonas de:

    - transicin - rgimen libre

    Fig. 8, en las que la transferencia de calor de lecho a paredes se estima considerando tres procesos en paralelo: - Conduccin de partculas - Conveccin de gases - Radiacin

    a) En la conduccin de partculas, el calor se transfiere de stas a las paredes por conduccin. La prdida de energa correspondiente se repone mediante intercambios de materia y energa con el ncleo central del flujo ascendente de slidos y gases de combustin.

    b) La conveccin de los gases es la forma de transferencia de calor predominante

    en las zonas de superficies termo intercambiadoras que no estn en contacto con las partculas, y tiene poca influencia cuando el contenido de slidos es muy elevado. En las partes superiores del hogar, donde la concentracin de slidos es relativamente baja, la conveccin de los gases es pequea si se compara con la radiacin. Para evaluar los coeficientes de transferencia trmica de las partculas por conveccin, se han propuesto ecuaciones que incluyen parmetros que tienen influencia redominante sobre el tamao de las partculas y sobre la densidad aparente de la mezcla.

    b) La radiacin tiene lugar de forma similar a la que se presenta en los hogares convencionales. En la parte del hogar que est por encima del lecho denso, la

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    emisividad global es funcin de las propiedades radiativas de los gases, de los slidos y del tipo de superficie de absorcin de calor; un valor aproximado es = 0,5.

    Un hogar de lecho fluidificado circulante, cuando existe una elevada recirculacin de slidos, opera en condiciones isotermas a plena carga desde la parte inferior a la superior; la transferencia global de calor se determina mediante la curva de distribucin de densidades y de un tamao medio de partculas.

    Cuando la recirculacin de slidos se reduce y se opera a bajas cargas, el hogar es cada vez menos isotermo, por lo que se necesitan procedimientos complicados para el clculo de la absorcin de calor por el hogar. Uno de ellos consiste en dividir el hogar, verticalmente, en un gran nmero de zonas pequeas, de forma que en cada una de ellas se puedan considerar constantes las variaciones de temperatura y densidad; la ecuacin utilizada para la transferencia de calor es:

    Fig. 9 Coeficiente de transmisin de calor en funcin de la densidad en lecho

    fluidificado circulante de diversos granos de arena y temperatura 1562F (850C)

    Siendo:

    Los coeficientes de transmisin de calor en funcin de la densidad en lecho fluidificante circulante representados en la Fig. 9 se han obtenido a partir de datos experimentales y de laboratorio para un amplio rango de densidades y dos tamaos de partculas.

    10. CONDICIONES DE DISEO Y DATOS PARA SISTEMAS KCIL Y SIU La descripcin de los componentes de diseo de las calderas KCIL y SIU IR-CFB que se presentan en las Fig. 10, y condiciones de diseo y datos del combustible, Tabla 2, son:

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    TABLA 2: Condiciones de diseo y datos del combustible para los sistemas KCIL y SIU

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    FIG. 10 Vista de la caldera Kanoria IR-CFB

    11. REFERENCIA BIBLIOGRFICAS

    - http://files.pfernandezdiez.es/CentralesTermicas/PDFs/16CT.pdf

    - https://es.wikipedia.org/wiki/Combusti%C3%B3n_en_lecho_fluido

    - Vctor Manuel B., Estudio Hidrodinmico De Un Lecho Fluidizado,

    MADRID 2007.