Combustión en lecho fluidizado

La combustión en lecho fluidizado ( FBC ) es una tecnología de combustión utilizada para quemar combustibles sólidos .

En su forma más básica, las partículas de combustible se suspenden en un lecho fluido caliente y burbujeante de ceniza y otros materiales particulados ( arena , piedra caliza , etc.) a través del cual se soplan chorros de aire para proporcionar el oxígeno necesario para la combustión o gasificación. La mezcla rápida e íntima resultante de gas y sólidos promueve una rápida transferencia de calor y reacciones químicas dentro del lecho. Las plantas FBC son capaces de quemar una variedad de combustibles sólidos de baja calidad, incluidos la mayoría de los tipos de carbón, desechos de carbón y biomasa leñosa, con alta eficiencia y sin la necesidad de una costosa preparación de combustible (por ejemplo, pulverización ). Además, para cualquier trabajo térmico dado, los FBC son más pequeños que el horno convencional equivalente, por lo que pueden ofrecer ventajas significativas sobre este último en términos de costo y flexibilidad.

El sistema FBC reduce la cantidad de azufre emitido en forma de emisiones de SO _x . La piedra caliza se utiliza para precipitar el sulfato durante la combustión, lo que también permite una transferencia de calor más eficiente desde la caldera hasta el aparato utilizado para capturar la energía térmica (normalmente tubos de agua). El precipitado calentado que entra en contacto directo con los tubos (calentamiento por conducción) aumenta la eficiencia. Dado que esto permite que las plantas de carbón quemen a temperaturas más frías, también se emiten menos NO _x . Sin embargo, la combustión a bajas temperaturas también provoca un aumento de las emisiones de hidrocarburos aromáticos policíclicos . Las calderas FBC pueden quemar combustibles distintos del carbón, y las temperaturas de combustión más bajas (800 °C / 1500 °F) también tienen otros beneficios adicionales.

Existen dos razones que explican el rápido aumento de la FBC en los quemadores. En primer lugar, la libertad de elección de los combustibles en general, no sólo la posibilidad de utilizar combustibles que son difíciles de quemar con otras tecnologías, es una ventaja importante de la combustión en lecho fluidizado. La segunda razón, que ha adquirido cada vez mayor importancia, es la posibilidad de lograr, durante la combustión, una baja emisión de óxidos nítricos y la posibilidad de eliminar el azufre de una manera sencilla utilizando caliza como material de lecho.

La combustión en lecho fluidizado surgió a partir de los esfuerzos por encontrar un proceso de combustión capaz de controlar las emisiones contaminantes sin controles de emisiones externos (como depuradores o desulfurización de gases de combustión). La tecnología quema combustible a temperaturas de 1400 a 1700 °F (750-900 °C), muy por debajo del umbral en el que se forman los óxidos de nitrógeno (a aproximadamente 2500 °F / 1400 °C, los átomos de nitrógeno y oxígeno en el aire de combustión se combinan para formar contaminantes de óxido de nitrógeno ); también evita los problemas de fusión de cenizas relacionados con la alta temperatura de combustión. La acción de mezcla del lecho fluidizado pone los gases de combustión en contacto con un químico que absorbe azufre , como la piedra caliza o la dolomita . Más del 95% de los contaminantes de azufre en el carbón pueden ser capturados dentro de la caldera por el sorbente . Sin embargo, las reducciones pueden ser menos sustanciales de lo que parecen, ya que coinciden con aumentos dramáticos en las emisiones de hidrocarburos aromáticos policíclicos y posiblemente otros compuestos de carbono. ^{[ cita requerida ]}

Las unidades comerciales FBC funcionan con eficiencias competitivas, cuestan menos que las unidades de calderas convencionales actuales y tienen emisiones de SO2 _y NO2 _por debajo de los niveles exigidos por las normas federales. Sin embargo, tienen algunas desventajas, como la erosión de los tubos dentro de la caldera, la distribución desigual de la temperatura causada por obstrucciones en la entrada de aire del lecho y tiempos de arranque prolongados que llegan hasta las 48 horas en algunos casos.

1. La FBC tiene una temperatura de combustión más baja de 750 °C, mientras que una caldera normal funciona a 850 °C.
2. FBC tiene un proceso de sinterización bajo (fusión de cenizas).
3. Menor producción de NO _x debido a la menor temperatura.
4. Menor producción de SO _x debido a su captura por la caliza.
5. Mayor eficiencia de combustión debido a una transferencia de calor 10 veces mayor que otros procesos de combustión debido a la quema de partículas.
6. Se requiere menos área para FBC debido al alto coeficiente de transferencia de calor por convección.
7. Combustión en lecho isotérmico ya que la temperatura en la cinta libre y en la cinta activa permanece constante.

Los sistemas FBC se dividen esencialmente en dos grupos principales: sistemas atmosféricos (FBC) y sistemas presurizados (PFBC), y dos subgrupos menores: burbujeo (BFB) y lecho fluidizado circulante ( CFB ).

Los lechos fluidizados atmosféricos utilizan piedra caliza o dolomita para capturar el azufre liberado por la combustión del carbón. Los chorros de aire suspenden la mezcla de sorbente y carbón en llamas durante la combustión, convirtiendo la mezcla en una suspensión de partículas al rojo vivo que fluyen como un fluido. Estas calderas funcionan a presión atmosférica.

El sistema PFBC de primera generación también utiliza un absorbente y chorros de aire para suspender la mezcla de absorbente y carbón en llamas durante la combustión. Sin embargo, estos sistemas funcionan a presiones elevadas y producen una corriente de gas a alta presión a temperaturas que pueden impulsar una turbina de gas . El vapor generado a partir del calor en el lecho fluidizado se envía a una turbina de vapor , lo que crea un sistema de ciclo combinado de alta eficiencia .

• Un sistema PFBC de 1½ generación aumenta la temperatura de encendido de la turbina de gas mediante el uso de gas natural además del aire viciado de la cámara de combustión PFB. Esta mezcla se quema en una cámara de combustión superior para proporcionar temperaturas de entrada más altas para una mayor eficiencia del ciclo combinado. Sin embargo, esto utiliza gas natural , generalmente un combustible más caro que el carbón.
• APFBC. En los sistemas PFBC de segunda generación más avanzados, se incorpora un carbonizador presurizado para procesar el carbón de alimentación y convertirlo en gas combustible y carbón. El PFBC quema el carbón para producir vapor y calentar el aire de combustión para la turbina de gas. El gas combustible del carbonizador se quema en una cámara de combustión superior conectada a una turbina de gas, calentando los gases a la temperatura de encendido nominal de la turbina de combustión. El calor se recupera del escape de la turbina de gas para producir vapor, que se utiliza para impulsar una turbina de vapor convencional , lo que da como resultado una mayor eficiencia general para la producción de energía del ciclo combinado . Estos sistemas también se denominan APFBC o sistemas avanzados de ciclo combinado de combustión en lecho fluidizado presurizado circulante. Un sistema APFBC funciona completamente con carbón.
• GFBCC. Los sistemas de ciclo combinado de combustión en lecho fluidizado con gasificación, GFBCC, tienen un gasificador parcial de lecho fluidizado circulante presurizado (PCFB) que alimenta gas de síntesis de combustible a la cámara de combustión superior de la turbina de gas. El escape de la turbina de gas suministra aire de combustión para la cámara de combustión de lecho fluidizado circulante atmosférico que quema el carbón del gasificador parcial de PCFB.
• CHIPPS. Un sistema CHIPPS es similar, pero utiliza un horno en lugar de una cámara de combustión de lecho fluidizado atmosférico. También tiene tubos de precalentamiento de aire de turbina de gas para aumentar la eficiencia del ciclo de la turbina de gas. CHIPPS significa sistema de energía de alto rendimiento basado en combustión.

• Combustión química en bucle
• Lecho fluidizado circulante
• Reactor de lecho fluidizado
• Central eléctrica de carbón de cero emisiones FutureGen
• Cocción en parrilla
• Central generadora JEA Northside (Jacksonville)
• Combustión de combustible pulverizado

• Laboratorio Nacional de Tecnología Energética
• Reglamento de la UE: Contaminación procedente de grandes instalaciones de combustión
• Simulación de un quemador de carbón CFB comercial