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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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CALDERAS DE LECHO FLUIDO

1. INTRODUCCIÓN

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

aplicado a la producción de vapor en las últimas tres décadas, desarrollándose dos

familias de lechos, según que la combustión tenga lugar a presión atmosférica (lecho

fluido burbujeante y lecho fluido circulante) o a presión superior a la atmosférica (lecho

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

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

a otras tecnologías. En las calderas de lecho fluido, la combustión se produce de

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

tiempo de residencia de las partículas en ignición es muy superior al de las calderas

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

850 ºC, mucho más bajas que las que se dan en el interior del hogar de las calderas

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

cenizas, no se producen fenómenos de formación de escorias en el hogar. Esto

permite la utilización de combustibles pobres de bajo poder calorífico y asegura una

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

del de diseño. Además, la temperatura de combustión se encuentra por debajo de la

de formación de óxidos de nitrógeno de origen térmico, lo que limita la producción de

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

lluvia ácida. En el proceso de combustión, 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 fenómeno de la lluvia ácida. 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, añadir una instalación de desulfuración de gases para cumplir

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

valores de emisión de agentes contaminantes atmosféricos (SO2, NOX, y polvo)

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

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

podemos afirmar que, actualmente, los combustibles sólidos (carbón, residuos, coque

de petróleo, etc) constituyen en todo el mundo una fuente de energía segura, fiable y

relativamente abundante. Actualmente se dispone de la tecnología y experiencia

necesarias para poder asegurar la utilización de estas fuentes de energía de forma

eficiente y respetuosa con el medio ambiente. A continuación se tratarán los principios

básicos de los procesos de la fluidización, combustión en lecho fluido y captura de

azufre. Se analiza lo que éstos significan en las aplicaciones de la CLF atmosférico o

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

calidades del carbón. El análisis concluye con la descripción del proceso y sus

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

brevemente los criterios propios del diseño de grandes unidades.

2. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIÓN

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

generación de energía 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 según los métodos clásicos, como la combustión en

calderas de carbón pulverizado. La Combustión en Lecho Fluido (CLF) de

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

capacidad para la reducción "in situ" de los óxidos de azufre y para quemar

combustibles pobres sin el apoyo de hidrocarburos.

La combustión en lecho fluido circulante es una tecnología de uso limpio del

carbón que ha superado con éxito las etapas de investigación, demostración y

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

comercial, hasta tamaños superiores a 250 MWe y mayores. Sin embargo, hoy día

existe una demanda creciente por parte de las empresas de generación eléctrica de

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

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

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

condicionarán, cada vez más, la producción de energía del futuro.

La combustión del carbón (u otros combustibles sólidos) en lecho fluido permite

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

ambiental:

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

de óxidos de azufre en un 90 %, o incluso más, en comparación con las

unidades convencionales de carbón pulverizado o de parrilla.

2. Baja emisión de óxidos de nitrógeno, aproximadamente la mitad (o menos)

que en el caso de unidades convencionales.

Además, 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

diseño.

3. Tienen un buen índice de utilización del sorbente, habitualmente caliza

triturada.

4. Son simples en cuanto a diseño y operación.

5. Alcanzan buenas disponibilidades, superiores al 90%.

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

energética.

7. Las necesidades de mantenimiento son bajas.

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

MWe y más allá, quemando una amplia gama de combustibles sólidos, desde

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

petróleo, exige un diseño depurado que contemple todos y cada uno de los

parámetros críticos del proceso y de la caldera en sí, aprovechando la experiencia

adquirida en las distintas unidades en funcionamiento.

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3. PROCESO DE FLUIDIZACIÓN

El término Fluidización, se emplea para describir un tipo de proceso o

fenómeno, consistente en el contacto entre sólidos (granos) y fluidos, de modo que las

partículas sólidas aparecen suspendidas en el fluido, que se mueve a través de lecho

formado por dichas partículas, en dirección vertical y sentido ascendente. En el estado

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

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 él puede circular un fluido en sentido ascendente. Cuando la velocidad

del fluido es baja, éste simplemente circula a través 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 sección transversal total de la

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

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

lecho, por efecto de la fricción con las partículas sólidas, 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 partículas 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 partículas

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

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

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

considera entonces que comienza el fenómeno de fluidización.

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

fluidización", (Umf ), y la altura del lecho, "altura de mínima fluidización" (Lmf ).

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

flujo por encima de la velocidad de mínima fluidización, se observan inestabilidades

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

del flujo de gas hace que la agitación del lecho sea más violenta y el movimiento del

sólido más vigoroso. De cualquier manera, en estos casos el lecho no se expande

mucho más allá de su volumen. Un lecho fluido con estas características se conoce

como un "lecho fluido burbujeante".

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

cada vez es mayor el número de partículas que son arrastradas, pero manteniendo

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

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

inestabilidad y después todas las partículas son arrastradas del lecho, alcanzándose

entonces el "transporte neumático".

Los lechos fluidos presentan una serie de características ventajosas con vistas

a su utilización en procesos industriales:

1. Debido a la intensa agitación existente en un lecho gas-sólido, la distribución

de temperaturas es mucho más uniforme que en un lecho fijo o móvil, llegando a

condiciones casi isotérmicas.

2. El tamaño de partículas es de un orden de magnitud menor que en un lecho

fijo o móvil, aumentando la superficie de contacto gas-sólido y disminuyendo la

resistencia a la difusión de los productos sólidos.

3. El carácter de comportamiento similar a un líquido que presenta un lecho

fluido hace que sea muy fácil la incorporación o extracción de sólidos.

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

que en los lechos fijos.

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

el gas, los lechos fluidos permiten una más fácil recuperación del calor contenido en

los sólidos residuales.

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

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

mayores que los correspondientes a lechos fijos o móviles.

7. La posibilidad de circulación de sólidos 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 FLUIDIZACIÓN

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

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

través de él.

La relación entre la velocidad superficial del fluido (U) y la caída de presión por

fricción (∆Pf), que se produce cuando aquél atraviesa un lecho poroso en sentido

ascendente, puede ser expresada mediante la ecuación:

∆Pf =f (U)

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que al ser representada en coordenadas logarítmicas se obtiene el gráfico de la misma

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

En la zona AA' el lecho permanece fijo, y log∆P aumenta linealmente con la

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

partículas aún 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 partículas se separan y comienza la fluidización.

Al ocurrir esto, la caída de presión a través del lecho es frecuente que disminuya

ligeramente al pasar el sistema desde B al punto C (las partículas ocupan una posición

de menor caída de presión). A partir de C, si se sigue aumentando la velocidad, las

partículas comienzan a moverse cada vez más intensamente, es decir que aumenta el

grado de agitación del lecho, permaneciendo la pérdida de carga sensiblemente

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

lecho. Si se continúa aumentando la velocidad del gas, se observará que a partir de

allí la ∆P cae bruscamente, debido a la disminución de la resistencia por la pérdida

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

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

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

caída de presión debida al aumento de la velocidad).

Si ahora experimentamos al revés, disminuyendo paulatinamente la velocidad del

fluido, los valores obtenidos describirán la trayectoria ED’DCf’, ocurriendo que AA’

estará por encima de FF’, debido a que cuando el lecho retorna a su condición de fijo,

las partículas se acomodan de distinta forma.

El punto F, se denomina punto de “mínima fluidización”, o de “fluidización

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

denominada “velocidad de mínima fluidización”.

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

fluido.

4. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO

Fig 1. Caída de presión del lecho en función de la velocidad del aire

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

Fluidización de sólidos, combustión propiamente dicha, transferencia de calor;

extracción de material agotado, reducción del tamaño de las partículas, emisiones de

contaminantes, calcinación, etc.

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

lecho y la ceniza producida en la combustión se extrae también continuamente, de

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

homogeneización del lecho y la alta eficacia de la combustión, la cantidad de

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

parrilla distribuidora, por el fondo del lecho, regulándose la velocidad de fluidización.

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

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

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

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

tamaños de carbón de distintas características así como de posibles residuos

combustibles disponibles.

La combustión en lecho fluido (CLF) puede tener lugar a presión atmosférica o

a sobrepresión (L.F. presurizado). Seguidamente se va a considerar la combustión a

presión atmosférica; y posteriormente, el lecho fluido presurizado. Cuando se alimenta

combustible al lecho, las partículas adquieren alta temperatura rápidamente, debido a

su rápido proceso de mezclado y a la buena transmisión de calor que se da en el

mismo. El tiempo de residencia de las partículas de carbón en el lecho varía de

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

tamaño de las partículas. En el proceso de calentamiento se desprenderá primero la

humedad y luego las materias volátiles (hidrógeno, metano, monóxido de carbono,

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

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

usuales, de acuerdo con las siguientes reacciones típicas de combustión:

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

fluidización, pero también del oxígeno que aporta el combustible. En condiciones

normales de operación, las materias volátiles producidas se queman completamente

por encima del lecho. La reacción en el lecho fluido, entre el oxígeno y las partículas

de carbono existentes después de desprenderse las materias volátiles, tiene lugar

siguiendo los tres mecanismos siguientes:

1. Transferencia del oxígeno de las burbujas de aire a la partícula.

2. Difusión del oxígeno a través de la superficie de la partícula y difusión del dióxido de

carbono procedente de la superficie de las partículas.

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3. Reacción química en la superficie de la partícula.

En general, no toda la combustión de las partículas sólidas tiene lugar en el lecho, si

no que las burbujas del aire de fluidización arrastran y proyectan partículas

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

ocurre con las materias volátiles, se queman en la región situada por encima del lecho.

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

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

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

más 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

fisicoquímicos que tienen lugar.

4.1 DESULFURACIÓN

Una de las más destacadas características de la CLF es su alta capacidad para la retención en la misma caldera del azufre, lo que supone una considerable ventaja frente a los procedimientos convencionales de carbón pulverizado o de parrilla, en los cuales es necesario disponer de instalaciones de depuración de los gases de combustión si se quiere eliminar el SO2 producido. En la CLF puede retenerse el SO2 producido, mediante la adición de un sorvente (caliza o dolomía). Las reacciones que tienen lugar dependen de las condiciones de operación y de la presión. A la presión atmosférica, la caliza se calcina de acuerdo con la reacción:

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

Fig. 2: Procesos físico-químico que tienen lugar en la combustión en lecho fluido

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

La caliza también reacciona directamente con el dióxido de azufre:

Fig 3: Procesos físico-químicos de la desulfuración

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

En la figuras 3 se hace referencia a los procesos físico-químicos que tienen lugar en el proceso de desulfuración. A presión atmosférica es preferible la caliza a la dolomía, ya que se requiere menor cantidad para retener una cantidad de azufre dado. La retención de azufre depende fundamentalmente de los siguientes factores:

1. Relación molar Ca/S: Como se puede ver en la figura 4, cuanto mayor en esta relación tanto mayor será la retención del azufre. 2. Temperatura del lecho: Como se puede ver en la figura 4, es óptima alrededor de los 850 °C. 3. Tipo y tamaño de la caliza. Como se puede ver en la figura 4, la eficiencia de la utilización de la caliza será 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 partículas sólidas en el lecho, tanto mayor será la probabilidad de que tengan lugar las reacciones de desulfuración. El tiempo de residencia es función de la velocidad de fluidización.

4.2 FORMACIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO

Los óxidos de nitrógeno en los gases de combustión (NOx) pueden proceder, bien de la oxidación del N2 del aire o bien del nitrógeno orgánico del combustible. El NOX suele estar compuesto, en general, por más del 95 % de NO y el resto por NO2 y trazas de N2O.

La contaminación por NOX es considerada de igual categoría que la del SO2 pudiendo dañar la vegetación (alto riesgo cuando la concentración es superior a 0,5

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

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

Fig 4: Influencia de la relación Ca/S y del tipo de caliza en la retención de azufre

5. TEMPERATURA DEL LECHO

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

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

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

Esta reacción se favorece en presencia de determinadas concentraciones de ion férrico.

El límite inferior viene determinado por la necesidad de efectuar la combustión en condiciones eficientes, evitando los inquemados y favoreciendo la postcombustión por encima del lecho. Por otra parte, a baja temperatura la retención de azufre se inhibe, debido a la baja calcinación de la caliza. Como resultado de ambos extremos, se encuentra como temperatura óptima la de 850ºC, con máxima retención de SO2, buena combustión y emisiones de NOX relativamente bajas.

La regulación de la temperatura se consigue mediante tubos inmersos en el lecho, alimentación de combustible, dosificación del aire de fluidización (cámaras), recirculación de cenizas y, eventualmente, recirculación de gases de la combustión.

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Fig5: Influencia del tiempo de residencia en la retención de SO2. Influencia del nitrógeno del combustible y de la temperatura del lecho en la formación de NOX

6. TIPOS

6.1 SEGÚN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓN

Para el caso de un lecho fluido a presión atmosférica, puede hacerse la

clasificación que se muestra en la figura 7, en la que se representa en ordenadas la velocidad de fluidización y en abscisas la expansión del lecho. El tipo de lecho fluido depende de la diferencia de velocidades del gas y los sólidos. En el segundo gráfico en la figura 7 se indica en ordenadas el logaritmo de la diferencia de presión entre el aire de alimentación y los gases por encima del lecho (log ∆P), y en abscisas el logaritmo de la velocidad de fluidización (log U), llegándose a una clasificación similar: cuando la velocidad de trabajo se sitúa por debajo de la mínima de fluidización, el lecho es fijo, cuando la velocidad del flujo supera a la mínima de fluidización, de 1 a 3 m/s, se tiene la fluidización heterogénea clásica. Siempre hay un arrastre de partículas y puede haber recirculación de cenizas, no muy elevada.

Cuando se trabaja en la zona media-alta de las curvas de fluidización, con velocidades de 2 a 6 m/s., se tiene la fluidización turbulenta. En este caso el arrastre de partículas se incrementa y se precisa de una fuerte recirculación de cenizas al lecho, que puede llegar a 10 o 15 veces la carga de alimentación. 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 alimentación. En este caso, se necesita un ciclón especial y un sistema de control de alimentación de recirculación al lecho, también singular. Se trata del lecho fluido circulante.

Finalmente, si se continúa incrementando la velocidad, se llega al grado de transporte neumático, desapareciendo la fluidización.

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Fig. 6: Tipos de lechos fluido según la velocidad de fluidificación

6.2 SEGÚN LA PRESIÓN

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

7. CARACTERIZACIÓN Y MEDIDA DE PARTÍCULAS

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

Las características más importantes de una partícula son: su tamaño, densidad y geometría.

La forma de la partícula puede ser desde esférica hasta plana, y determina cómo reacciona frente a las fuerzas presentes en el hogar. La partícula ideal sería una esfera homogénea, y la mezcla ideal estaría constituida por un conjunto de esferas

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homogéneas de igual diámetro. En la práctica, las mezclas que se presentan son conjuntos de partículas con diferentes tamaños, densidades y formas.

En los lechos fluidificados los cálculos de transferencia de calor y pérdidas de presión, presuponen que las mezclas de partículas se caracterizan por:

Un diámetro y densidad promedio de partícula

Una densidad aparente de la mezcla

Para calcular el diámetro medio de las partículas éstas se suponen esféricas; para tener en cuenta que las partículas reales no son esféricas, se introduce un factor de corrección del diámetro medio calculado.

Las mezclas contienen cantidades importantes de otras configuraciones de partículas, como las escamas o perfiles cilíndricos, que son siempre difíciles de caracterizar.

La determinación del diámetro 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 más finas; también hay que comprobar el peso de las cantidades de mezcla cribada que han quedado retenidas en cada uno de los tamices de la columna

En lechos fluidificados se usan dos diámetros característicos:

El gravimétrico

El Sauter

El diámetro Sauter para una mezcla de partículas, se calcula a partir de la relación Volumen medio/Superficie media del lote de partículas y se utiliza para predecir el comportamiento hidrodinámico de mezclas, calculándose a partir de las fracciones gravimétricas de las mezclas de partículas, por la ecuación:

El diámetro gravimétrico medio se calcula a partir de la fracción en peso de cada tamaño de la mezcla de partículas, mediante la expresión:

Cuando todas las partículas tienen igual diámetro, los diámetros gravimétricos y

Sauter, coinciden. Para mezclas de partículas con un margen de diámetros estrecho, ambos

diámetros son similares al diámetro Sauter correspondiente a las partículas de menor tamaño.

Para mezclas de partículas con un margen de diámetros amplio, el diámetro medio Sauter es mucho menor que el diámetro medio gravimétrico.

8. CAIDAS DE PRESIÓN

8.1 EN EL LECHO BURBUJEANTE

Para un lecho denso, la caída de presión es de especial interés; para el resto

de la caldera, las caídas de presión se calculan mediante las ecuaciones que se aplican en el diseño de calderas convencionales.

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La Fig. 7 muestra el perfil de distribución de densidades en el hogar e identifica las zonas utilizadas para establecer la caída de presión y la transferencia de calor.

Fig. 7 Perfil de distribución de densidades en el hogar

La caída de presión ∆p en el lecho denso se calcula por la ecuación:

El parámetro e depende:

Del tamaño y densidad de las partículas

De la velocidad y viscosidad del gas en el lecho

8.2 EN EL LECHO CIRCULANTE

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

circulante es más complejo que el de un lecho burbujeante. Es norma establecer un lecho denso, burbujeante o turbulento, en la parte baja del hogar, lo que se consigue graduando la admisión de aire hacia el hogar, suministrándole entre el 50÷ 70% del flujo de aire total a través 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 recirculación de sólidos.

El flujo ascensional de sólidos se reduce al aumentar la altura del hogar, lo que conduce a una disminución de la densidad local en el hogar, Fig.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 sólidos inertes por cada 100 kg de humos. La transferencia de calor desde los humos hacia las paredes del hogar se realiza por radiación. En un hogar de lecho fluidificado circulante, la cantidad de sólidos en los humos puede superar los 5 kg por cada 100 kg de gas, por lo que debido a este alto contenido, en el diseño se deben considerar otros mecanismos adicionales de transferencia de calor. La transferencia de calor desde el lecho:

A los tubos de un haz inmerso en un lecho burbujeante

A las paredes de un lecho circulante Comprende la convección desde los sólidos y el gas, y la radiación desde el gas. En un hogar de caldera convencional, la radiación del gas es la más importante por su nivel de temperatura, mientras que la convección desde sólidos es poco relevante. La influencia de una alta concentración de sólidos en el gas es muy significativa; para temperaturas iguales, los coeficientes de transferencia de calor en las calderas de lecho fluidificado, son considerablemente superiores a los de las calderas convencionales. No obstante, como las temperaturas del lecho están comprendidas entre 1500 a 1600ºF (816 a 871ºC), el flujo de calor total resulta similar en ambos sistemas; el coeficiente medio de transferencia de calor para caldera de lecho fluidificado circulante es de:

- 1500 a 1600ºF - 816 a 871ºC

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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 régimen libre

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

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

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

En las que:

Ftub es un factor adimensional de la disposición tubular (sólo al tresbolillo)

hc(tubo simple) es el coeficiente de transferencia térmica del tubo simple, Btu/ft2hºF, (W/m2ºK)

e es el porcentaje de huecos del lecho

kgases es la conductividad térmica de los gases, Btu/fthºF (W/mºK)

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

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

ρ part es la densidad de las partículas, lb/ft3 (kg/m3)

ηg es la viscosidad de los gases, lb/fts (kg/ms)

ρ g es la densidad de los gases, lb/ft3 (kg/m3)

Dp es el diámetro medio de las partículas, ft (m)

C1 y C2 son constantes experimentales, adimensional

cp es el calor específico de los gases, Btu/lbºF (J/gºK)

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

La emisividad global media en hogares burbujeantes es ≈ 0,8 y depende de la emisividad y tamaño de las partículas.

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

- 49 a 60 Btu/ft2hº F - 227 a 341 W/m2 º K

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

térmica por convección, se puede utilizar la ecuación propuesta por Mickley, que incluye una constante experimental C3, en la forma:

Si las paredes en la zona del lecho burbujeante están cubiertas con refractario, en la ecuación que facilita el valor del coeficiente global U0 habrá que añadir la resistencia debida al refractario, que también afecta al cálculo del coeficiente de radiación hr.

El refractario apenas influye en el valor del parámetro hc pared. Desde la zona de desprendimiento a tubos.- En períodos 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 porción tubular se encuentra al descubierto en la parte baja de la zona de barboteo, el cálculo de la transferencia de calor se realiza en una parte especial del lecho.

El contenido de partículas en el flujo de humos es mucho menor que en el lecho y decrece exponencialmente con la altura, por lo que la transferencia de calor a la fracción de tubos no sumergidos decrece muy rápidamente. Una ecuación empírica desarrollada, es:

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

En la que:

kgas la conductividad térmica de los gases, Btu/ftº Fh

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

cp(gas) es el calor específico de los gases, Btu/lbºF

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

G es el gasto másico 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 sólidos +gases, ya que el contenido de sólidos en los gases es mucho más elevado que en el caso de las calderas convencionales, quemando carbón 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 absorción de calor se realiza por las paredes del cerramiento y los tabiques divisores internos del hogar, pudiéndose citar las paredes divisoras y las paredes aletas. La transferencia de calor en estos hogares se determina fraccionándole 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 aquí el régimen es turbulento, en lugar del característico barboteo propio del burbujeante.

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

- transición - régimen libre

Fig. 8, en las que la transferencia de calor de lecho a paredes se estima considerando tres procesos en paralelo: - Conducción de partículas - Convección de gases - Radiación

a) En la conducción de partículas, el calor se transfiere de éstas a las paredes por conducción. La pérdida de energía correspondiente se repone mediante intercambios de materia y energía con el núcleo central del flujo ascendente de sólidos y gases de combustión.

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

en las zonas de superficies termo intercambiadoras que no están en contacto con las partículas, y tiene poca influencia cuando el contenido de sólidos es muy elevado. En las partes superiores del hogar, donde la concentración de sólidos es relativamente baja, la convección de los gases es pequeña si se compara con la radiación. Para evaluar los coeficientes de transferencia térmica de las partículas por convección, se han propuesto ecuaciones que incluyen parámetros que tienen influencia redominante sobre el tamaño de las partículas y sobre la densidad aparente de la mezcla.

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

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emisividad global es función de las propiedades radiativas de los gases, de los sólidos y del tipo de superficie de absorción de calor; un valor aproximado es ε = 0,5.

Un hogar de lecho fluidificado circulante, cuando existe una elevada recirculación de sólidos, 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 distribución de densidades y de un tamaño medio de partículas.

Cuando la recirculación de sólidos se reduce y se opera a bajas cargas, el hogar es cada vez menos isotermo, por lo que se necesitan procedimientos complicados para el cálculo de la absorción de calor por el hogar. Uno de ellos consiste en dividir el hogar, verticalmente, en un gran número de zonas pequeñas, de forma que en cada una de ellas se puedan considerar constantes las variaciones de temperatura y densidad; la ecuación utilizada para la transferencia de calor es:

Fig. 9 Coeficiente de transmisión de calor en función de la densidad en lecho

fluidificado circulante de diversos granos de arena y temperatura 1562ºF (850ºC)

Siendo:

Los coeficientes de transmisión de calor en función 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 tamaños de partículas.

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

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TABLA 2: Condiciones de diseño 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 BIBLIOGRÁFICAS

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

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

- Víctor Manuel B., Estudio Hidrodinámico De Un Lecho Fluidizado,

MADRID 2007.