combustión en lecho fluidizado

La combustión en lecho fluidizado ( FBC , por sus siglas en inglés) es una tecnología de combustión utilizada para quemar combustibles sólidos .

En su forma más básica, las partículas de combustible se encuentran suspendidas en un lecho de fluidez caliente y burbujeante de ceniza y otros materiales particulados ( arena , caliza, etc.), a través del cual se inyectan 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 de combustión en lecho fluidizado (FBC) son capaces de quemar una variedad de combustibles sólidos de baja calidad, incluyendo la mayoría de los tipos de carbón, residuos de carbón y biomasa leñosa, con alta eficiencia y sin necesidad de una preparación costosa del combustible (por ejemplo, pulverización ). Además, para una carga térmica determinada, las plantas FBC son más pequeñas que el horno convencional equivalente, por lo que pueden ofrecer ventajas significativas sobre este último en términos de costo y flexibilidad.

La combustión en lecho fluidizado (FBC) reduce la cantidad de azufre emitido en forma de SO _x . Se utiliza caliza para precipitar el sulfato durante la combustión, lo que también permite una transferencia de calor más eficiente desde la caldera al aparato utilizado para capturar la energía térmica (generalmente tubos de agua). El precipitado calentado que entra en contacto directo con los tubos (calentamiento por conducción) aumenta la eficiencia. Esto permite que las centrales de carbón quemen a temperaturas más bajas, reduciendo las emisiones de NO _x a cambio de aumentar las emisiones de HAP . Las calderas FBC pueden quemar combustibles distintos del carbón, y las temperaturas de combustión más bajas ( 800 °C; 1470 °F ) también ofrecen otros beneficios adicionales.

Beneficios

Existen dos razones para el rápido aumento de la combustión en lecho fluidizado (FBC) en los combustores. En primer lugar, la libertad de elección en cuanto a combustibles en general, y no solo la posibilidad de utilizar combustibles difíciles de quemar con otras tecnologías, es una ventaja importante de la combustión en lecho fluidizado. La segunda razón, que ha cobrado cada vez más importancia, es la posibilidad de lograr, durante la combustión, una baja emisión de óxidos de nitrógeno y la posibilidad de eliminar el azufre de forma sencilla utilizando caliza como material de lecho.

La combustión en lecho fluidizado surgió de la búsqueda de un proceso de combustión capaz de controlar las emisiones contaminantes sin necesidad de sistemas de control externos (como desulfuración de gases de combustión mediante depuradores). Esta tecnología quema el combustible a temperaturas de entre 760 y 930 °C (1400 y 1700 °F ) , muy por debajo del umbral de formación de óxidos de nitrógeno (a unos 1370 °C (2500 °F) , los átomos de nitrógeno y oxígeno del aire de combustión se combinan para formar óxidos de nitrógeno ); además, evita los problemas de fusión de cenizas asociados a las altas temperaturas de combustión. La acción de mezcla del lecho fluidizado pone los gases de combustión en contacto con un material químico absorbente de azufre , como la caliza o la dolomita . Más del 95 % de los contaminantes de azufre del carbón pueden capturarse dentro de la caldera mediante el adsorbente . Sin embargo, las reducciones pueden ser menos significativas de lo que parecen, ya que coinciden con aumentos drásticos en las emisiones de hidrocarburos aromáticos policíclicos y, posiblemente, de otros compuestos de carbono.

Las unidades FBC comerciales operan con eficiencias competitivas, cuestan menos que las calderas convencionales actuales y sus emisiones de SO₂ _y NO₂ _se encuentran por debajo de los niveles exigidos por las normas federales. Sin embargo, presentan 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 en algunos casos pueden llegar a las 48 horas.

El sistema FBC tiene una temperatura de combustión más baja, de 750 °C, mientras que una caldera convencional funciona a 850 °C.
El proceso FBC es de baja sinterización (fusión de cenizas).
Menor producción de NO _x debido a la menor temperatura.
Menor producción de SO _x debido a su captura por la piedra caliza.
Mayor eficiencia de combustión debido a una transferencia de calor 10 veces mayor que en otros procesos de combustión, gracias a la combustión de partículas.
Se requiere menos superficie para los FBC debido a su alto coeficiente de transferencia de calor por convección.
Combustión en lecho isotérmico, ya que la temperatura en la cinta libre y en la cinta activa permanece constante.

Tipos

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

Combustión atmosférica en lecho fluidizado (AFBC)

Los lechos fluidizados atmosféricos utilizan caliza o dolomita para capturar el azufre liberado por la combustión del carbón. Chorros de aire mantienen en suspensión la mezcla de adsorbente y carbón en combustión, convirtiéndola en una suspensión de partículas incandescentes que fluyen como un fluido. Estas calderas operan a presión atmosférica.

Combustión en lecho fluidizado presurizado

El sistema PFBC de primera generación también utiliza un adsorbente y chorros de aire para mantener en suspensión la mezcla de adsorbente y carbón en combustión. Sin embargo, estos sistemas operan a presiones elevadas y generan una corriente de gas a alta presión y temperaturas que pueden accionar una turbina de gas . El vapor generado por el calor en el lecho fluidizado se envía a una turbina de vapor , creando un sistema de ciclo combinado de alta eficiencia .

PFBC avanzado

Un sistema PFBC de generación y media aumenta la temperatura de combustión de la turbina de gas mediante el uso de gas natural, además del aire viciado proveniente del combustor PFB. Esta mezcla se quema en un combustor superior para proporcionar temperaturas de entrada más altas y, por consiguiente, una mayor eficiencia del ciclo combinado. Sin embargo, esto implica el uso de gas natural , un combustible generalmente 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 vegetal. El PFBC quema el carbón vegetal 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 hasta la temperatura de combustión nominal de la turbina. El calor se recupera de los gases de escape de la turbina de gas para producir vapor, que se utiliza para accionar una turbina de vapor convencional , lo que resulta en una mayor eficiencia general para la potencia de salida 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 exclusivamente con carbón.
GFBCC. Los sistemas de ciclo combinado de gasificación y combustión en lecho fluidizado (GFBCC) cuentan con un gasificador parcial de lecho fluidizado circulante presurizado (PCFB) que alimenta gas de síntesis combustible a la cámara de combustión superior de la turbina de gas. Los gases de escape de la turbina de gas suministran aire de combustión a la cámara de combustión de lecho fluidizado circulante atmosférico, donde se quema el carbón residual del gasificador parcial PCFB.
CHIPPS. Un sistema CHIPPS es similar, pero utiliza un horno en lugar de una cámara de combustión de lecho fluidizado atmosférico. También cuenta con tubos precalentadores de aire para turbinas de gas, lo que aumenta la eficiencia del ciclo de la turbina. CHIPPS significa sistema de energía de alto rendimiento basado en la combustión.

Véase también

Referencias (Se requiere actualizar los enlaces)

Laboratorio Nacional de Tecnología Energética. Archivado el 4 de noviembre de 2006 en Wayback Machine.
Reglamento de la UE: Contaminación procedente de grandes centrales de combustión.
Simulación de un combustor de carbón CFB comercial