Combustión en lecho fluidizadoDe Prochemwiki

Saltar a navegación, buscar

DEFINICIÓN-INTRODUCCIÓN

Imaginemos un lecho fluido dispuesto sobre una superficie porosa. Si un flujo de aire desde abajo tiene la suficiente presión, mantendrá las partículas del lecho en suspensión. Este es un lecho fluido, donde las partículas del mismo están en suspensión, pero no en circulación. El residuo se inyecta dentro del lecho en torno del sólido de manera uniforme. El aire que fluidiza al lecho se calienta hasta la temperatura de ignición del residuo y este se empieza a quemar (oxidar) dentro del lecho. La mayor parte de las cenizas permanece en el lecho, pero luego sale de la incineradora a través del equipo de control de la contaminación del aire. El calor que sube con los gases de combustión puede capturarse en una caldera o utilizarse para precalentar el aire de combustión. Una buena combustión requiere aire en exceso. Una buena combustión representa una buena oxidación de los componentes orgánicos: carbono e hidrógeno. Para conseguirlo, el aire, que contiene solo el 21% de Oxígeno en volumen, debe mezclarse perfectamente con el carbono y el hidrógeno del combustible. En un proceso homogéneo como este se requiere Tiempo, Turbulencia y Temperatura. Si se disminuye uno de estos tres factores debe de aumentarse los otros dos para conseguir igual grado de combustión. Por eso, muy pocas reacciones de combustión son completas a la temperatura mínima teórica, o con la cantidad teórica de aire exactamente necesaria para proporcionar cantidades estequiométricas de oxígeno para el carbono e hidrógeno del combustible. Cuando mejora la turbulencia (agitación) del reactor (quemador/incinerador) y aumenta el tiempo dado para que la reacción tenga lugar, disminuye la cantidad de aire en exceso (oxígeno) necesario en la reacción. Si la combustión se compara con un triángulo isósceles, donde los tres lados son el tiempo, la temperatura y la turbulencia; la disminución de la longitud de uno de los lados requiere una compensación a través del aumento de los otros dos.

HISTORIA

El concepto de combustión en lecho fluido surgió a principios de los años 50 en Estados Unidos y el Reino Unido, pero no atrajo el interés de las empresas eléctricas, principalmente por el alto coste y la poca importancia de las emisiones contaminantes en aquel tiempo. En 1968 se construyó una planta experimental en Reino Unido donde se mejoró la tecnología y se probaron las posibilidades que ofrecía este tipo de centrales, sin embargo el gobierno británico no tuvo mucho interés en la planta, por lo que la mayor parte de los estudios eran financiados por empresas suecas. A principios de los años 70 se construyó la primera planta que suministró electricidad a la red, era una pequeña planta de carbón en Rivesville, Virginia Occidental. Tras muchos problemas económicos y técnicos, debidos al alto coste de mantenimiento de la planta, la central se cerró a finales de esa misma década. Otras plantas pioneras también experimentaron muchos problemas con la erosión, la entrada de aire y la alimentación por carbón. A mediados de los años 70 se inició la construcción de plantas en Estados Unidos y Reino Unido que finalmente lograron probar su eficacia y beneficios, incluso

algunas de estas plantas se hallan en funcionamiento. Paralelamente se efectuó a principios de los años 80 un gran desarrollo y construcción de plantas en España y los países escandinavos, que sirvió para mejorar la tecnología existente así como la creación de nuevos conceptos. Actualmente la combustión en lecho fluido está experimentando un gran auge, debido al mejor aprovechamiento del carbón y la menor emisión de gases contaminantes.

TIPOS DE COMBUSTIÓN

LECHO FLUIDO ESTACIONARIO

Velocidad del lecho 1-3m/s Altura de la capa: 1-1,5 m Ventajas: Temperatura de combustión más baja, buena transferencia de calor (superficie de metal para favorecer la transmisión de calor dentro del lecho), desulfuración interna por medio de piedra caliza, se evita la formación de otros gases contaminantes como halógenos, permite el quemado de carbones ricos en ceniza y combustibles de difícil ignición. Desventajas: Alto consumo propio, mala respuesta a trabajo a carga parcial, el arranque en frío es complicado, técnica y económicamente costoso, la superficie de intercambio es susceptible a la erosión, se supera frecuentemente el límite de emisión de NOx.

LECHO FLUIDO CIRCULANTE

Velocidad del lecho 7-15m/s Comparación con lecho fluido estacionario: Más complejidad técnica, es decir más componentes: ciclón de recirculación, no existe intercambiador de calor dentro del lecho, velocidad del gas mayor que la velocidad de caída de las partículas, mejor mezcla de los sólidos, mejor desulfuración y menos

consumo de caliza, temperatura constante en todo el ciclo, menores emisiones de NOx (la combustión es escalonada).

LECHO FLUIDO A PRESIÓN

La caldera se sitúa en una vasija que se encuentra a una presión superior a la atmosférica.

EJEMPLOS DE USO

• Residuos de la industria petroquímica (Cr, Ni, Zn, Co)

• Aceites usados (S, Zn, Pb, Ba)

• Residuos de piel procedentes de calzado (S, N, Cr)

• Neumáticos usados (S)

• Residuos urbanos

Ahora abordaremos el punto de vista de un ingeniero, el diseño de los equipos. La variable más importante a tener en cuanta en el diseño de un combustor en lecho fluidizado es la velocidad mínima de fluidización.

Fundamentos hidrodinámicos de la fluidización.-

Un fluido que se mueve en sentido ascendente a través de un lecho fijo de partículas va a sufrir una pérdida de carga como consecuencia de la fricción, esta fricción aumenta con el incremento de la velocidad. Se alcanza un punto en el que el empuje que el fluido ejerce sobre las partículas se iguala con el peso aparente de éstas en el lecho, en este punto las partículas se encuentran sustentadas por el fluido, la separación entre ellas aumenta y el lecho empieza a fluidizar. El comienzo de la fluidización está asociado a una pérdida de carga del fluido a través del lecho que es igual al peso aparente de sus partículas por unidad de área de lecho perpendicular a la dirección del peso.

Se puede escribir como:

Suponiendo un lecho de partículas con una densidad ρp, con una altura L en un depósito de sección transversal A, siendo ε la fracción de vacío y ρ la densidad del fluido fluidizante, se puede definir la pérdida de carga en el lecho como:

Si simplificamos:(Ecuación 2)

La pérdida de carga a través del lecho evoluciona con la velocidad de forma similar a como se muestra en la gráfica:

La curva tiene diferente forma según se varíe la velocidad del fluido, en dirección ascendente (O’ABC) o en dirección descendente (ODC). En el tramo O’AB existe una mayor pérdida de carga, en sentido ascendente, debido a la necesidad de vencer las fuerzas de atracción entre las partículas, ya que partimos de cero. Esto no ocurre en la curva en sentido descendente debido a que se parte del estado fluidizado, habiéndose vencido esas fuerzas de atracción. En cualquier caso la gráfica muestra dos tramos bien

diferenciados: • Un tramo definido por los segmentos O’A/OD, que se corresponde al estado de lecho fijo, donde la pérdida de carga aumenta con la velocidad del fluido. • Un tramo determinado por los segmentos BC/DC, que se corresponde con el estado de lecho fluidizado, donde la pérdida de carga permanece constante frente al aumento de velocidad del fluido. En los tramos en los que el estado del lecho es fluidizado, es aplicable la ecuación 2. En tramos que corresponden al lecho fijo, donde el movimiento relativo de las partículas es cero y su separación permanece constante, la relación entre la pérdida de carga y la velocidad del fluido viene determinada por la ecuación propuesta por Ergun (ecuación 3):

Siendo U la velocidad del fluido, µ su viscosidad y dp el diámetro de la partícula en un lecho con una fracción de vacío en estado fijo de ε. La ecuación de Ergun se obtuvo de manera experimental en un amplio rango de tamaños y de formas de partículas, reflejando las componentes laminar y turbulentas del gradiente de presión. En flujo laminar domina el primer factor y la pérdida de presión es independiente de la densidad. En condiciones turbulentas predomina el segundo término.

Se considera régimen laminar cuando Re<10 y régimen turbulento cuando Re>2000. Para régimen laminar se propone la utilización de la ecuación propuesta por Kozeny:

En la práctica se utiliza de manera generalizada la ecuación de Ergun, sin atender al régimen de flujo.

Cálculo teórico de la velocidad de mínima fluidización.-

La velocidad de mínima fluidización es la velocidad del fluido a la que el lecho empieza a fluidizar. Se ha comprobado que esta velocidad depende del tamaño y de la densidad de las partículas del lecho, de las propiedades del fluido fluidizante, y de las condiciones de presión y temperatura en las que se desarrolla el proceso.

Es posible obtener una expresión para el cálculo de la velocidad mínima de fluidización igualando la expresión de carga en el lecho fijo (ecuación 3) y la expresión para la pérdida de presión en el lecho fluidizado (ecuación 2). Se obtiene:

Esta ecuación permite determinar la velocidad de mínima fluidización conociendo las propiedades de las partículas y del fluido, además de la fracción de vacío del lecho.

Así según la ecuación de Ergun, la velocidad de mínima fluidización queda.

Según la ecuación de Kozeny:

Existen otras correlaciones para conocer la velocidad mínima de fluidización, como la de Chitester y la de Wen y Yu, esta última se utiliza cuando Ф’ y ε son desconocidos.

Chitester et al.:

Wen y Yu:

Ar es el número de Arquímides:

El cálculo de la velocidad de mínima fluidización pasa por conocer las características de las partículas y del fluido durante la operación. Además también tendríamos que conocer la porosidad al comienzo de la fluidización, este parámetro resulta muy difícil de medir con exactitu, y enla práctica se aproxima al valor de la porosidad en el lecho fijo.

Detreminación experimental de la velocidad de mínima fluidización, según la pérdida de carga en el lecho.-

Además del método de cálculo propuesto por Ergun, se plantea un método que consiste en el análisis de los estados de lecho fijo y de lecho fluidizado Consiste en realizar una serie de medidas experimentales de la pérdida de carga en el lecho a celocidades variables del fluido, en un rango que va desde el lecho fijo hasta el lecho fluidizado. La velocidad de mínima fluidización es la que corresponde a la intersección entre las rectas de pérdida de carga en lecho fijo y fluidizado. Es común determinar la velocidad de mínima fluidización a partir de la intersección entre la recta de pérdidad de carga en lecho fijo y la ordenada correspondiente al peso de las partículas entre la sección transversal del lecho:

A partir de la recta de pérdida de carga frente a la velocidad en el lecho fijo, se obtiene que:

Los parámetros a y b se pueden determinar por regresión lineal.

Teniendo en cuenta la ordenada correspondiente a la relación de peso de las partículas del lecho y la sección transversal:

De la intersección de las dos rectas se obtiene la velocidad de mínima fluidización:

Este método permite el cálculo de la velocidad mínima de una manera sencilla, basta con realizar medidas de pérdidas de carga en función de las velocidades del fluido, no siendo necesario conocer la densidad o la geometría de las partículas ni las propiedades del fluido. El empleo de este método puede resultar poco útil por la necesidad de tomar medidas en el estado de lecho fijo y de lecho fluidizado, ya que puede obligar a detener la fluidización. Por este inconveniente se plantean métodos alternativos, como por ejemplo la determinación experimental de velocidad de mínima fluidización a partir de las fluctuaciones de presión en el lecho