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UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA ESCUELA DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROYECTO FIN DE CARRERA Ingeniería Industrial DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE Autor CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Director CARLOS HERCE FUENTE Ponente LUIS IGNACIO DÍEZ PINILLA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA FUNDACIÓN CIRCE Junio 2012 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 1 de 182 DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE Resumen Este proyecto se relaciona con la investigación de un mecanismo de reducción de emisiones de CO2 en centrales térmicas de generación de energía. Concretamente se estudia el proceso de la oxicombustión en un lecho fluido en régimen circulante. Se trata de diseñar una nueva planta piloto con las características citadas, que sustituya a la instalación existente en el CEEI, Centro Europeo de Empresas e Innovación, basada en un lecho fluido burbujeante. Concluido el diseño de un modelo de simulación del lecho, se procede a la aplicación del mismo para dimensionar los equipos de la nueva planta experimental. Con el objetivo de reducir los costes económicos, se trata de aprovechar al máximo los equipos existentes. Básicamente se trata de reutilizar los sistemas de alimentación de combustible y gases. Para la realización del modelo de simulación, se han planteado las ecuaciones de la fluidodinámica, de la combustión y de los balances energéticos característicos de un lecho fluido circulante, basadas en una amplia bibliografía. Para ello, se ha empleado el software EES. Debido a la complejidad del estudio, se han realizado varias hipótesis simplificadoras que dan un resultado aproximado. Este modelo realiza una previsión del comportamiento del lecho bajo unos determinados parámetros impuestos. El análisis de los resultados obtenidos bajo distintas condiciones de funcionamiento de la planta permite obtener conclusiones previas a la realización de ensayos en la misma. A su vez, permite evaluar la influencia de diversos parámetros en el proceso de oxicombustión y obtener información para el pre-diseño de los distintos equipos de la instalación. En la adaptación y transformación de la planta existente en un nuevo laboratorio de oxicombustión en lecho fluido circulante, se pretende aprovechar al máximo la instrumentación y los equipos existentes en el laboratorio. Por ello, en el pre-diseño de los nuevos equipos auxiliares de tiene en cuenta los límites técnicos de los existentes, para evaluar su viabilidad técnica y posibilidad de reutilización. En último lugar, la selección del tamaño del nuevo reactor es una decisión técnicoeconómica, que cumple dos objetivos. Por un lado, el tamaño es suficientemente grande para que los resultados sean representativos y se pueda aprovechar al máximo los equipos existentes. Y por otro, el tamaño no es excesivamente grande para no incurrir en elevados gastos de consumo de combustible y botellas de gases. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 2 de 182 ÍNDICE 1. ESTRUCTURA Y OBJETIVOS __________________________________________ 7 1.1. Introducción ________________________________________________________ 7 1.2. Contexto ___________________________________________________________ 8 1.3. Objetivos y alcance __________________________________________________ 9 1.4. Estructura del proyecto ______________________________________________ 10 2. MODELO DE SIMULACIÓN CFB ______________________________________ 11 2.1. Introducción _______________________________________________________ 11 2.2. Hipótesis generales _________________________________________________ 13 2.3. Criterios de diseño __________________________________________________ 15 2.4. Descripción del modelo ______________________________________________ 17 2.4.1. Fluidodinámica ________________________________________________________ 17 2.4.2. Combustión ___________________________________________________________ 23 2.4.3. Balance de Energía _____________________________________________________ 25 3. DISEÑO DE LA PLANTA EXPERIMENTAL _______________________________ 29 3.1. Diseño del reactor de lecho fluido ______________________________________ 29 3.1.1. Diseño de las dimensiones del lecho _______________________________________ 29 3.1.2. Estimación de la potencia de bombeo ______________________________________ 30 3.1.3. Diseño del distribuidor __________________________________________________ 32 3.1.4. Sistema de precalentamiento del lecho ____________________________________ 34 3.2. Diseño del sistema de alimentación de combustible _______________________ 34 3.2.1. Descripción general ____________________________________________________ 35 3.2.2. Solución óptima _______________________________________________________ 36 3.3. Diseño del sistema de alimentación de comburente _______________________ 38 3.4. Diseño del sistema de extracción de cenizas _____________________________ 40 3.5. Diseño del sistema de refrigeración ____________________________________ 43 3.6. Diseño del sistema de limpieza de gases ________________________________ 47 3.7. Selección del sistema de precalentamiento de gases _______________________ 50 3.8. Instrumentación y control ____________________________________________ 50 3.9. Selección de la bomba de agua ________________________________________ 51 4. CONCLUSIONES __________________________________________________ 52 4.1. Perspectivas y continuidad ___________________________________________ 54 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 3 de 182 ANEXO I DESCRIPCIÓN DEL MODELO _____________________________________ 56 FLUIDODINÁMICA _________________________________________________________ 56 BALANCE DE PRESIÓN ______________________________________________________ 58 COMBUSTIÓN ____________________________________________________________ 63 BALANCE DE ENERGÍA ______________________________________________________ 64 EQUIPOS AUXILIARES ______________________________________________________ 68 Modelo del ciclón ________________________________________________________________ 68 Modelo de la standpipe. __________________________________________________________ 69 Modelo de la loopseal ____________________________________________________________ 70 ANEXO II ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD _____________________________________ 73 INTRODUCCIÓN ___________________________________________________________ 73 ANÁLISIS GENERAL ________________________________________________________ 73 ANÁLISIS PARTICULAR______________________________________________________ 77 ANEXO III DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE _________ 88 DISEÑO DE LAS TOLVAS DE ALMACENAMIENTO _________________________________ 88 DISEÑO DE LOS TORNILLOS SÍNFIN DE DESCARGA _______________________________ 91 DISEÑO DEL TORNILLO SINFÍN DE ALIMENTACIÓN _______________________________ 95 ANEXO IV DISEÑO DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ________________________ 99 REFRIGERACIÓN POR BAYONETAS DE AGUA ____________________________________ 99 REFRIGERACIÓN POR CAMISAS DE AGUA _____________________________________ 104 ANEXO V DESCRIPCIÓN DE LA PLANTA DE OXICOMBUSTIÓN EXISTENTE _______ 111 INTRODUCCIÓN __________________________________________________________ 111 EMPLAZAMIENTO ________________________________________________________ 111 DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN ___________________________________________ 112 ANEXO VI DISEÑO DE CICLONES ________________________________________ 123 DESCRIPCIÓN ____________________________________________________________ 123 FUNCIONAMIENTO _______________________________________________________ 123 TIPOS __________________________________________________________________ 125 DIMENSIONADO DE CICLONES ______________________________________________ 126 CÁLCULO DE LA EFICACIA DE CICLONES _______________________________________ 128 ESTIMACIÓN DE LA PÉRDIDA DE PRESIÓN _____________________________________ 130 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 4 de 182 ANEXO VII DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN LECHO FLUIDO CIRCULANTE ________ 132 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN ________________________________ 135 ANEXO VIII ANTECEDENTES Y REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA ____________________ 139 ANEXO IX CORRELACIONES Y NÚMEROS ADIMENSIONALES _________________ 149 CORRELACIÓN DE ZABRODSKY [14] __________________________________________ 149 CORRELACIÓN DE BASKAKOV [15] ___________________________________________ 150 CORRELACIÓN DE DITTUS-BOELTER __________________________________________ 150 NÚMEROS ADIMENSIONALES _______________________________________________ 151 ANEXO X PROGRAMAS DE CÁLCULO ____________________________________ 153 VARIABLES PRINCIPALES DE SIMULACIÓN _____________________________________ 153 PROGRAMA 1. MODELO DE SIMULACIÓN _____________________________________ 158 PROGRAMA 2. DISEÑO DE EQUIPOS DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE PARTÍCULAS 165 PROGRAMA 3.DISEÑO DEL DISTRIBUIDOR ____________________________________ 167 PROGRAMA 4.CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE PRECALENTAMIENTO DE GASES ______ 167 PROGRAMA 5. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR BAYONETAS ____________________ 168 PROGRAMA 6. SISTEMA DE REFRIGERACIÓN POR CAMISAS DE AGUA ______________ 169 PROGRAMA 7. DISEÑO DEL SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE CENIZAS _________________ 171 ANEXO XI PLANOS ___________________________________________________ 174 ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN______________________________________________ 174 CICLÓN _________________________________________________________________ 175 LOOPSEAL ______________________________________________________________ 176 BAYONETA DE REFRIGERACIÓN _____________________________________________ 177 TORNILLO SINFÍN DE ALIMENTACIÓN ________________________________________ 178 TORNILLOS SINFÍN DE DESCARGA ___________________________________________ 179 BIBLIOGRAFÍA _______________________________________________________ 180 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 5 de 182 NDICE DE FIGURAS Figura 1 Esquema de la instalación _______________________________________________________ 12 Figura 2 Modelo de diseño de un CFB. [3] __________________________________________________ 17 Figura 3 Velocidad del gas frente al diámetro de partícula. Parámetros adimensionales. [4] _________ 19 Figura 4 Diagrama de Geldart. Tipos de partículas. [5] _______________________________________ 20 Figura 5. Mapa de presiones ____________________________________________________________ 23 Figura 6. Detalle del riser [6] ____________________________________________________________ 27 Figura 7. Coeficiente global de transferencia de calor frente a densidad del lecho. [6] ______________ 28 Figura 8. Cálculo del coeficiente de descarga. [2] ____________________________________________ 32 Figura 9. Detalle de una bayoneta de refrigeración __________________________________________ 44 Figura 10. Ciclón Stairmand _____________________________________________________________ 49 Figura 11. Pérdida de carga en el lecho frente a velocidad de fluidización. [2] _____________________ 56 Figura 12. Concentración de sólidos en un CFB [2] ___________________________________________ 59 Figura 13 Comportamiento de las partículas frente a la fluidización, según su densidad y tamaño [5] _ 61 Figura 14. Coeficientes de transferencia de calor en función del diámetro de partícula. [5] __________ 66 Figura 15. Diagrama de la válvula loopseal, indicando los parámetros de diseño principales _________ 71 Figura 16. Potencia frente a diámetro de reactor ___________________________________________ 74 Figura 17. Potencia frente a composición de comburente _____________________________________ 75 Figura 18. Potencia frente a velocidad de transporte ________________________________________ 77 Figura 19. Calor a extraer frente a temperatura ____________________________________________ 79 Figura 20. Coef. de transf. de calor frente a temperatura _____________________________________ 80 Figura 21. Concentración de CO2 frente a temperatura ______________________________________ 81 Figura 22. Inventario de sólidos frente a temperatura ________________________________________ 82 Figura 23. Coef. de transf. de calor frente a diámetro de partícula ______________________________ 82 Figura 24. Detalle de tamaño de partículas [6] _____________________________________________ 83 Figura 25. Calor a extraer frente a velocidad de transporte ___________________________________ 84 Figura 26. Velocidad de transporte para anular el calor a extraer ______________________________ 85 Figura 27. Coef. de transf. de calor frente a velocidad de transporte ____________________________ 86 Figura 28. Diseño de tolvas _____________________________________________________________ 88 Figura 29. Esquema del sistema de alimentación de combustible _______________________________ 97 Figura 30. Detalle de resistencias térmicas ________________________________________________ 100 Figura 31. Plano de planta del laboratorio ________________________________________________ 111 Figura 32. Plano de la instalación BFB existente ___________________________________________ 112 Figura 33. Diseño de ciclones___________________________________________________________ 127 Figura 34. Tipos de lechos fluidos _______________________________________________________ 133 Figura 35 Esquema general de un lecho fluido circulante ____________________________________ 134 Figura 36 Representación del flujo en el interior de un ciclón _________________________________ 136 Figura 37 Diagrama de la loopseal ______________________________________________________ 137 Figura 38. Lecho CFB en Canmet, Canadá _________________________________________________ 139 Figura 39. Nueva planta de CFB de Canmet, Canadá ________________________________________ 140 Figura 40. Planta CFB del CSIC, España ___________________________________________________ 141 Figura 41. Planta CFB de Southeast University, China _______________________________________ 142 Figura 42. Planta BFB Alstom, EEUU _____________________________________________________ 143 Figura 43. CFB Universidad de Czestochowa, Polonia _______________________________________ 146 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 6 de 182 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Condiciones nominales de funcionamiento en el sistema CFB diseñado ___________________ 15 Tabla 2 Valores de potencia analizados ___________________________________________________ 17 Tabla 3 Parámetros de entrada para el modelo fluidodinámico ________________________________ 18 Tabla 4 Velocidades de funcionamiento ___________________________________________________ 18 Tabla 5. Parámetros de diseño del balance de presión _______________________________________ 20 Tabla 6. Resultados del balance de presión ________________________________________________ 21 Tabla 7. Parámetros del ciclón __________________________________________________________ 22 Tabla 8. Composición del combustible ____________________________________________________ 24 Tabla 9. Coeficientes de transferencia de calor del lecho ______________________________________ 26 Tabla 10. Parámetros para el cálculo de la potencia de bombeo _______________________________ 31 Tabla 11. Parámetros de los orificios del distribuidor ________________________________________ 33 Tabla 12. Propiedades de las tolvas ______________________________________________________ 37 Tabla 13. Dimensiones del tornillo sinfín de descarga ________________________________________ 37 Tabla 14. Dimensiones del tornillo sinfín de alimentación _____________________________________ 37 Tabla 15. Parámetros del sistema de alimentación de comburente _____________________________ 40 Tabla 16. Diseño del sistema de extracción de cenizas _______________________________________ 42 Tabla 17. Capacidad de refrigeración de una bayoneta en función e la temperatura del agua de salida 45 Tabla 18. Calor a extraer en función de la temperatura de las partículas recirculadas ______________ 46 Tabla 19. Parámetros de funcionamiento del encamisado de agua _____________________________ 47 Tabla 20. Características de ciclón diseñado _______________________________________________ 48 Tabla 21. Dimensiones del ciclón diseñado _________________________________________________ 48 Tabla 22. Características del ciclón existente _______________________________________________ 49 Tabla 23. Dimensiones del ciclón existente _________________________________________________ 49 Tabla 24. Análsis de sensibilidad. Casos analizados __________________________________________ 76 Tabla 25. Análisis paramétrico en función de la temperatura del lecho __________________________ 79 Tabla 26. Análisis de sensibilidad en función de la velocidad del gas ____________________________ 84 Tabla 27. Necesidades de almacenamiento de combustible ___________________________________ 90 Tabla 28. Características del motor de los tornillos de descarga ________________________________ 95 Tabla 29. Características del variador de frecuencia _________________________________________ 95 Tabla 30. Parámetros fijos de las bayonetas ______________________________________________ 102 Tabla 31. Características de las bayonetas ________________________________________________ 103 Tabla 32. Altura de las camisas de refrigeración ___________________________________________ 105 Tabla 33. Refrigeración en función de la temperatura de los gases ____________________________ 106 Tabla 34. Refrigeración frente a la temperatura de las partículas de recirculación ________________ 107 Tabla 35. Alturas de refrigeración _______________________________________________________ 108 Tabla 36. Características del encamisado de agua __________________________________________ 109 Tabla 37. Características del reactor existente _____________________________________________ 117 Tabla 38. Características del distribuidor existente _________________________________________ 118 Tabla 39. Medidas de ciclones __________________________________________________________ 127 Tabla 40. Características del CFB de Canmet, Canadá _______________________________________ 139 Tabla 41. Características de la nueva planta de CFB de Canmet, Canadá ________________________ 140 Tabla 42. Variables de las simulación empleadas en EES _____________________________________ 158 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 7 de 182 1. ESTRUCTURA Y OBJETIVOS 1.1. Introducción El presente proyecto se desarrolla dentro de la línea de investigación de nuevos mecanismos de reducción de las emisiones de CO2 en centrales térmicas de generación de energía. El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que más contribuye al calentamiento global del planeta. Han existido acuerdos internacionales, como el protocolo de Kyoto, que han fijado los objetivos para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero por parte de los países industrializados. En el contexto de la Unión Europea, en lo que se conoce como el 20/20/20, se plantea un triple objetivo a nueve años vista: un 20% de la energía procedente de fuentes renovables, un aumento del 20% de la eficiencia energética y una reducción del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero. La alternativa más viable para reducir las emisiones de dióxido de carbono procedente de fuentes estacionarias consiste en su captura y almacenamiento geológico permanente. Entre las tecnologías de captura que se encuentran en fase de desarrollo tecnológico se encuentra la oxicombustión, que trata de vencer la barrera técnica y económica que supone capturar CO2 en una corriente de gases de escape en concentraciones en torno al 14-15% (combustión convencional de carbones de alto rango con aire). Para que su captura se considere económicamente rentable, lo que se hace es aumentar la concentración de CO2 en la corriente de gases de combustión sustituyendo la combustión convencional por una oxicombustión (combustión realizada con una mezcla de oxígeno y dióxido de carbono como comburente en lugar de aire). Para proceder a realizar oxicombustión, el oxígeno es separado del aire y mezclado con una corriente de recirculación de los gases de combustión que se generan en el reactor (con el fin de controlar la temperatura en la caldera). El combustible alimentado es quemado en esta atmósfera oxidante, y la corriente de gases resultante parcialmente recirculada. El vapor de agua de los gases de combustión es condensado, produciendo una corriente rica en CO2, libre de nitrógeno. En el proceso, tanto las cenizas como el contenido de azufre deben ser retirados de la corriente de salida, para que el CO2 pueda ser comprimido, transportado y almacenado. En el caso del presente proyecto, se pretende investigar el proceso de oxicombustión cuando se lleva a cabo en un lecho fluido circulante. La combustión en lecho fluido permite una mayor flexibilidad en el uso del combustible (carbón, biomasa, residuos…), una mayor eficiencia, un incremento de los ratios de transferencia de calor y un control de las emisiones de SO2 y NOx. La combustión se desarrolla en el seno de una masa en suspensión de partículas de combustible, cenizas y un inerte, los cuales son fluidizados por una corriente oxidante ascensional. La combinación oxicombustión más lecho fluido conduciría a un uso limpio del carbón, eficiente y bajo en emisiones. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 8 de 182 Hasta ahora el proceso de oxicombustión se ha estado investigando principalmente para su uso en calderas de carbón pulverizado. Pero existen muy pocas experiencias de ensayos en calderas de lecho fluido. Las líneas de investigación que se abren son numerosas: desde el punto de vista de la gestión de combustibles, la fluidodinámica de la instalación, la caracterización de la combustión y el control de las emisiones. La puesta en marcha de un laboratorio a pequeña escala permitirá ensayar y caracterizar todos estos procesos. Actualmente, se dispone comercialmente de diferentes configuraciones de calderas CFB (Circulating Fluidized Bed Combustor), siendo el tamaño máximo de una planta eléctrica en operación de 450 MWe. Desde una perspectiva mundial, el futuro de los lechos fluidos circulantes atmosféricos parece realmente prometedor, puesto que se estima en 150 GWe la potencia a instalar hasta 2020 basada en esta tecnología (fundamentalmente utilizando carbón como combustible). Las perspectivas de mercado señalan a China (125 GWe), Estados Unidos de América (17 GWe) e India (6 GWe) como los países con más importantes planes de implantación. En realidad, existen diferentes factores que confluyen hacia la mejora de la competitividad industrial y económica de esta tecnología: la necesidad de mejorar la eficiencia de los ciclos, de minimizar el impacto ambiental, de reducir los costes de inversión, de flexibilizar el uso de combustibles y de escalar el tamaño de las plantas con el fin de suplir las actuales plantas de combustible pulverizado o de reaprovechar las mismas (lo que se conoce como “retrofitting”). 1.2. Contexto El proyecto se enmarca dentro de la línea de investigación de captura de CO2 dirigida por los profesores Luis M. Romero y Luis I. Díez, del área de máquinas y motores térmicos del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza. Esta línea de investigación comprende las siguientes actividades: • Oxicombustión en lecho fluido. • Ciclos de carbonatación-calcinación. • Absorción química por aminas. • Integración energética de plantas de captura en centrales térmicas y cementeras. • Análisis termoeconómico de sistemas de captura. Más concretamente, el proyecto que describe esta memoria se desarrolla dentro de la línea de investigación térmica de la Fundación CIRCE, Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos, y viene a diseñar una nueva instalación experimental de oxicombustión en lecho fluido circulante, para su posterior puesta en funcionamiento. Se pretende modificar y adaptar la planta piloto existente de oxicombustión en lecho fluido burbujeante [1], de 90 kW de potencia térmica, localizada en las instalaciones del CEEI, Centro Europeo de Empresas e Innovación. Esta instalación fue pionera en España. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 15 de 182 • Se asume que la velocidad del gas ascendente en el lecho es la misma que la velocidad de las partículas, por lo que éstas son arrastradas al mismo ritmo que el gas recorre el lecho. • Se acepta que la transferencia de calor no es uniforme a lo largo del lecho. Se diferencian dos zonas, correspondientes con las fases densa y diluida. Por lo que se han calculado de manera independiente. • No se tienen en cuenta las pérdidas por rozamiento de las partículas, ya que no se considera la existencia de fricción ni erosión de las mismas. 2.3. Criterios de diseño A continuación se muestran los principales parámetros de diseño tomados para realizar un primer modelo aproximado de la planta. Posteriormente, se pasará a analizar el funcionamiento de la misma en distintas condiciones de operación, variando parámetros de diseño como pueden ser la temperatura de funcionamiento, caída de presión, diámetro de partícula, velocidad de arrastre, etc.8 (Anexo II Análisis de sensibilidad) CONDICIONES NOMINALES Temperatura del lecho 900 ºC Temperatura del riser 900 ºC Presión del lecho ∼ 1 bar Tamaño de partícula 200 µm Densidad de las partículas del lecho (del inerte) 2700 kg/m3 Caída de presión total del lecho 8000 Pa Esfericidad de las partículas 0,86 Porosidad de mínima fluidización 0,55 Temperatura de las partículas recirculadas 500 ºC Temperatura del aire de alimentación 400 ºC Tabla 1 Condiciones nominales de funcionamiento en el sistema CFB diseñado El diseño básico se realiza en función de los parámetros fundamentales mostrados en la tabla. Adicionalmente, se fijan otros parámetros que serán objeto de variación para simular el proceso que tendrá lugar en la planta en distintos rangos de funcionamiento. De esta manera, se conocerán los valores más extremos en las diferentes pruebas. Dichos parámetros serán los siguientes: PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 16 de 182 • Velocidad de transporte: será superior a la velocidad terminal de las partículas, dentro de los rangos correspondientes para que lecho diseñado sea de tipo circulante (entre 4 y 6 m/s normalmente). • Diámetro del reactor: es un parámetro crítico e influye de una manera crucial en la potencia del reactor. Para una velocidad de arrastre fija, un mayor diámetro tiene como consecuencia un mayor caudal de comburente y partículas, lo que conlleva mayores caudales de combustible. En suma, una mayor potencia. Se analizará el funcionamiento para diámetros entre 5 y 20 cm. • Composición del comburente: se pretende diseñar una planta de oxicombustión, por tanto se introducirán distintos ratios de O2/CO2, libres de nitrógeno. Se estudiará el comportamiento de la planta para ratios de 20/80, 30/70 y 40/60. Además, como complemento al análisis, también se considerará el caso combustión convencional con aire. • Potencia de la planta: dependiendo del caso analizado (función del diámetro del reactor, proporción de O2/CO2 y velocidad de transporte) se fijará aquella potencia que anule la proporción de O2 en los gases de escape (combustión estequiométrica). Será la máxima potencia teórica del reactor para las condiciones especificadas. Para un diámetro de 10 cm, por ejemplo, se tienen potencias de entre 100 y 300 kW, dependiendo de la composición del comburente y de la velocidad de arrastre fijadas. A continuación se muestra una tabla resumen con todos los casos mencionados: POTENCIA [kW] Proporción comburente [O2/CO2] Velocidad de transporte [m/s] Diámetro reactor [m] 0,05 0,1 0,15 0,2 Aire 4 29,4 117,6 264,6 470,4 4,5 33,08 132,3 297,7 529,2 5 36,75 147 330,8 588 5,5 40,43 161,7 363,9 646,8 20/80 4 28 112 252 448 4,5 31,5 126 283,5 504 5 35 140 315 560 5,5 38,5 154 346,5 616 30/70 4 42 168 378 672 4,5 47,25 189 425,3 756 5 52,5 210 472,5 840 5,5 57,75 231 519,8 924 40/60 4 56 224 504 896 4,5 63 252 567 1008 5 70 280 630 1120 5,5 77 308 693 1232 PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 17 de 182 Tabla 2 Valores de potencia analizados 2.4. Descripción del modelo El diseño del modelo se divide en tres principales partes: la fluidodinámica, la química de la combustión y el balance de energía. Las relaciones entre estas tres partes se muestran en la figura 2, donde el grosor de las flechas se corresponde con la mayor o menor influencia del campo origen de la flecha sobre el destino. Como se puede ver, las tres partes del modelo necesitan parámetros de entrada que son de salida para los otros campos. El modelado de la química de combustión y del balance de energía depende en gran medida de valores obtenidos en el diseño de la fluidodinámica. Por otro lado, en lo que se refiere a la fluidodinámica, la mayoría de los inputs son parámetros de operación externos (parámetros de diseño conocidos), mientas que sólo unos pocos vienen de las otras partes del modelo. Figura 2 Modelo de diseño de un CFB. [3] 2.4.1. Fluidodinámica La fluidización es el fenómeno por el cual un lecho de partículas sólidas se suspende en el seno de un gas o un líquido, adquiriendo un comportamiento semejante al de un fluido. En primer lugar se alcanzará la velocidad de mínima en el momento en que la fuerza de arrastre provocada por el flujo de gases iguala al peso de las partículas. Si se continúa aumentando la velocidad del flujo de gases, parte de las partículas sólidas serán arrastradas, habiéndose alcanzado la velocidad terminal. Para el cálculo de las velocidades de mínima fluidización y terminal, que caracterizan el comportamiento hidrodinámico de las partículas del lecho, se han programado una serie de ecuaciones en EES, detalladas en el Anexo I Descripción del Modelo, utilizando los siguientes datos de partida: PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 18 de 182 En un lecho fluido circulante, la velocidad del gas que circula en sentido ascendente por el interior del combustor es superior a la terminal de las partículas, que a su vez es función de las propiedades de los sólidos inertes. Éstas se ven arrastradas hacia la parte superior del reactor en un movimiento turbulento en el cual la intensa mezcla y la recirculación interna de los sólidos da lugar a un elevado contacto entre gas y sólidos, que permite una temperatura muy homogénea en todo el reactor y una combustión muy eficiente. En la práctica, el ascenso del lecho no se lleva a cabo de forma homogénea sino que las partículas se segregan en fases dentro del reactor, formando fases más densas en la base del reactor y en una fina capa en las paredes del reactor cuyo grosor disminuye con la altura. Unido a las propias cinéticas de desvolatilización y combustión de las partículas de combustible, esto da lugar a un perfil axial de distribución de sólidos y otro de composición de gas cuya caracterización sigue siendo objeto de extensa investigación. Los resultados obtenidos son los siguientes: VELOCIDADES DE FUNCIONAMIENTO Velocidad de mínima fluidización [m/s] 0,042 Velocidad terminal [m/s] 1,82 Tabla 4 Velocidades de funcionamiento La velocidad de transporte de diseño escogida es de 4,5 m/s. Se encuentra muy por encima de la velocidad terminal, lo que asegura un régimen de fluidización rápido, característico de los lechos fluidos circulantes. Para comprobar que realmente se trata de un lecho circulante se emplean una serie de números adimensionales a partir de los cuales se puede determinar el tipo de régimen de fluidización, mediante la utilización de una serie de gráficas que a continuación se muestran. [4] [5] • Número adimensional del diámetro de partícula:  ∗=    ⁄=  ⁄ • Número adimensional de la velocidad de transporte:  ∗=  PARÁMETROS DE ENTRADA Densidad de partículas [kg/m3] 2700 Diámetro [  ] 200 Esfericidad 0,86 Porosidad de mínima fluidización 0,55 Tabla 3 Parámetros de entrada para el modelo fluidodinámico PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 19 de 182 También se puede utilizar la misma expresión empleada en el cálculo del número adimensional de la velocidad terminal aplicada a la velocidad de transporte. El resultado es similar a la correlación anterior.  ∗=  −  ⁄ Los resultados obtenidos son los siguientes: •  ∗=3,54 •  ∗=2,51 En la siguiente gráfica aparece la velocidad adimensional del gas frente al diámetro de partícula adimensional, y se muestran las diferentes regiones de funcionamiento en las que un reactor de lecho fluido puede operar. Se puede comprobar que el régimen de funcionamiento para los datos valores calculados corresponde con un régimen de fluidización rápido, característico de los lechos fluidos circulantes. Figura 3 Velocidad del gas frente al diámetro de partícula. Parámetros adimensionales. [4] PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 20 de 182 En la siguiente gráfica se muestra el tipo de partícula empleado, según la clasificación realizada por Geldart [5]. Para un lecho fluido circulante se suelen emplear partículas tipo B. Figura 4 Diagrama de Geldart. Tipos de partículas. [5] 2.1.4.1. Balance de Presión Los lechos fluidos basan su funcionamiento en el equilibrio de presiones garantizado por el sistema de retorno. El balance de caídas de presión de los elementos principales de combustor se estructura como sigue: ∆+∆ó+∆=∆ Se han empleado los siguientes datos de partida: Para calcular la altura del reactor se debe multiplicar la velocidad de transporte por el tiempo de residencia de las partículas en el reactor. Se obtiene una altura total de 5,4 m. Para conocer proceso de cálculo del resto de parámetros ver el Anexo I de Descripción del modelo Los resultados obtenidos, para 40/60 de proporción de O2/CO2 a la entrada, son los siguientes: PARÁMETROS DE DISEÑO DEL BALANCE DE PRESIÓN Densidad de partículas [kg/m3] 2700 Caída de presión en el reactor [Pa] 8000 Tiempo de residencia de las partículas en el reactor [s] 1,2 Velocidad de transporte [m/s] 4,5 Tabla 5. Parámetros de diseño del balance de presión PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 21 de 182 RESULTADOS DEL BALANCE DE PRESIÓN Concentración de partículas de la fase densa   0,26 Porosidad de la fase densa   0,74 Densidad aparente de la fase densa     /    713 Concentración de partículas a la salida del reactor   0,01009 Concentración media de partículas en la fase diluida    0,05 Densidad aparente de la fase diluida     /    119 Altura de la fase diluida   [m] 5,07 Altura de la fase densa   [m] 0,33 Altura total del reactor   [m] 5,4 Inventario de sólidos Gs [kg/m 2 s] 72,66 Caída de presión en la fase densa    [  ] 2335 Caída de presión en la fase diluida    [  ] 5665 Tabla 6. Resultados del balance de presión A la vista de los resultados, se comprueba que en la parte inferior del reactor se tiene un lecho de 33 cm de altura, más compacto, que constituye la fase densa. La concentración de partículas es considerablemente superior en la parte inferior, decreciendo con la altura. Las densidades aparentes de cada fase se calculan multiplicando la densidad de las partículas (2700 kg/m3) por la concentración de las mismas. Atendiendo a los resultados de las caídas de presión, se observa que un 30% del total de la caída de presión del cuerpo del reactor se produce en la fase densa, que constituye sólo el 5% de la altura del mismo. La razón radica en la mayor densidad aparente de la fase densa, que opone una gran resistencia al paso de la corriente del comburente, produciéndose una mayor pérdida de carga. En suma, se ha comprobado que la caída de presión en el reactor se compone de las contribuciones de la fase densa y la fase diluida [2], y en ambos casos depende de sus concentraciones de partículas y alturas respectivas. En el caso de la zona diluida, la concentración se refiere a la integral a lo largo de la altura de dicha fase. En el Anexo I se explica de manera detallada el cálculo de ambas fases, programados en EES, tanto de sus alturas como de sus concentraciones respectivas. Para cerrar el balance de presión en la planta, se deben calcular las caídas de presión en los distintos elementos que forman el sistema de recirculación de sólidos. El gas de combustión que alcanza la parte superior arrastra consigo una proporción considerable de sólidos, que comprende material inerte, combustible y cenizas de diversos tamaños. Un ciclón de alta eficiencia captura gran parte de ellos y los conduce hacia la standpipe o conducto de retorno, mientras que el gas resultante (todavía con una proporción considerable de cenizas) sale del sistema hacia los dispositivos de análisis, de purificación secundaria o de expulsión. Por su parte, las partículas recuperadas viajan hacia la loopseal o válvula de recirculación de sólidos, PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 22 de 182 donde gracias a un mecanismo de sifón, se van devolviendo al combustor a la tasa de circulación de sólidos deseada para mantener las condiciones de operación deseadas. Se ha diseñado un ciclón de tipo Sairmand de alta eficiencia [6], en el que la caída de presión introducida por el ciclón viene dada fundamentalmente por el acceso al mismo por la sección de entrada. Primeramente, para calcular la caída de presión en el ciclón, se escogen 25 m/s como velocidad de operación, siendo un dato bastante común en la bibliografía empleada. La sección de entrada del ciclón queda definida por dicha velocidad y el caudal de partículas arrastradas fuera del lecho, que son datos de partida. Para calcular el caudal de partículas se multiplica el parámetro Gs [kg/m2s] por la sección del reactor. DATOS DE PARTIDA Velocidad de operación del ciclón [m/s] 25 Caudal de partículas arrastradas [kg/s] 0,57 RESULTADOS Caída de presión en el ciclón [Pa] 980 Tabla 7. Parámetros del ciclón Las dimensiones del ciclón influyen determinantemente en el cálculo de la caída de presión. Para una descripción más detallada del cálculo de las dimensiones y parámetros más importantes de un ciclón ver el Anexo VI Diseño de Ciclones. Tras el ciclón, se tiene la standpipe con un lecho empaquetado y ligeramente aireado de partículas descendentes que transporta los sólidos recogidos hacia la válvula de retorno (loopseal). El cálculo de la caída de presión en la standpipe se realiza teniendo en cuenta la columna de sólidos empaquetada y la velocidad de deslizamiento entre las partículas provenientes del ciclón y el aire ascendente. Para un análisis detallado ver el Anexo I Descripción del Modelo. La caída de presión obtenida para las condiciones nominales de diseño (40/60 de O2/CO2 a la entrada) es de -12374 Pa. La altura alcanzada por los sólidos en la standpipe se configura espontáneamente tal que la presión del sistema global de la planta se equilibra, de acuerdo con el balance general expuesto más arriba. Por ello, el valor de la caída de presión es negativo. Finalmente, los sólidos atraviesan la loopseal, que es la válvula no mecánica encargada de adaptar la presión del conducto de retorno a la presión existente en el lecho. Debido a la diferencia de presiones entre el ciclón y el lecho en el hogar, es necesario contar con una válvula que retenga los sólidos en el conducto de alimentación hasta que haya una altura adecuada y puedan ser incorporados al lecho sin que se produzcan fugas del mismo. Las ecuaciones implementadas en el Modelo EES también se detallan en el Anexo I. La caída de presión, para las condiciones nominales, es de 3394 Pa. A continuación se muestra un mapa de presiones en el que se indican los puntos más representativos de la planta. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 23 de 182 Figura 5. Mapa de presiones 2.4.2. Combustión La descripción del proceso de combustión consiste en exponer cualitativamente y cuantitativamente la composición de los gases a la salida del lecho. Se lleva a cabo un análisis de la estequiometria de la reacción en función de la composición del combustible, en este caso carbón (hulla), y de la composición del comburente empleado (oxicombustión o aire). El modelo implementado en EES para describir el proceso de combustión que tiene lugar en el lecho fluido circulante es el siguiente. En primer lugar se fija la composición del comburente empleado, siendo un input del sistema. Se ensayan cuatro casos, que son la base de los posteriores análisis realizados en las simulaciones en EES. Los tres primeros corresponden a oxicombustión, se diferencian en la proporción O2/CO2 empleada: 20/80, 30/70 y 40/60. El último ensayo se realiza con aire. Conociendo la composición del comburente, se calculan sus propiedades características de la dinámica de fluidos, como son densidad, calor específico, conductividad y viscosidad del gas. Una vez determinado el régimen de fluidización de funcionamiento y la velocidad de los gases en el interior del lecho (expuesto en el apartado anterior), se conoce cuál es el caudal de comburente necesario para que el lecho se comporte como un circulante. Y, en consecuencia, Mapa de Presiones 0 1 2 3 4 5 6 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Caída de presión [Pa] Altura [m] A B D C E PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 24 de 182 se conoce el caudal de oxígeno que tendrá la capacidad de oxidar una determinada cantidad de combustible por segundo. = [ ] A partir de aquí, la reacción se ajustará de tal manera que se tenga una combustión estequiométrica, produciendo una concentración de oxígeno [O2] en los gases de salida nula. Lo que conlleva un caudal de combustible determinado, que será aquél necesario para oxidarse con el oxígeno fijado por el lecho circulante. Estas son las condiciones de diseño para calcular la potencia del reactor. El caudal de combustible necesario para anular la proporción de O2 en los gases de salida nos fijará la potencia nominal del sistema, lo que constituye un parámetro fundamental de la instalación. La composición del comburente es un input del sistema, y en función de la misma se obtendrá una potencia u otra. Como ya se ha comentado, se realizarán ensayos de oxicombustión, con distintas proporciones de O2/CO2 y ensayos de combustión convencional con aire. En un primer análisis, es de esperar que la potencia del sistema sea mayor para aquellos casos en los que la proporción de O2 también sea mayor. Ya que al fijarse el valor de caudal de comburente necesario para que el lecho sea circulante, el caudal de O2 aumentará. En consecuencia, será necesario un mayor caudal de combustible para ser oxidado, y así obtener una proporción de O2 nula en los gases de salida. Más adelante, en el Anexo II de Análisis de sensibilidad, se estudiará de forma más detallada la influencia de la composición del comburente. Carbón + O2  CO2 + H2O + SO2 Fijado por la fluidodinámica del lecho circulante. Necesario para obtener los 4,5 m/s de velocidad de diseño. La composición en masa del combustible empleado es la siguiente: COMBUSTIBLE Hulla Carbono 65.81% Humedad 2.05% Cenizas 26.54% Hidrógeno 2.13% Oxígeno 1.18% Nitrógeno 1.23% Azufre 1.06% PCI (kJ/kg) 24009 Tabla 8. Composición del combustible PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 31 de 182 Siendo  la masa de partículas en el lecho, calculada como la suma del producto de la densidad aparente por el volumen de cada una de las fases (densa y diluida). Se obtiene una masa de partículas en el lecho de 6,432 kg. Aplicando la ecuación expuesta se obtiene una caída de presión de 8031 Pa, muy parecida a la caída de presión de diseño (8000 Pa) Datos de partida   _  _  [kg/m3] 713   _  _  [kg/m3] 114   _  [m] 5,11   _  [m] 0,33 Resultados   _  _  [kg] 1,866   _  _  [kg] 4,566   [kg] 6,432 ∆   [Pa] 8031 Tabla 10. Parámetros para el cálculo de la potencia de bombeo La caída de presión a través del distribuidor debe ser lo suficientemente grande como para proporcionar un flujo de gas uniformemente distribuido en el interior del lecho. La caída de presión teórica en la placa distribuidora suele expresarse como un porcentaje de la pérdida de carga en el propio lecho. Para la configuración seleccionada, se estima que la pérdida de carga en la placa será aproximadamente el 40% del valor estimado para el lecho de sólidos. Con ello, la pérdida de carga total entre placa y lecho ascenderá a 11200 Pa, aproximadamente. Sin embargo, según Pallarés [3] [31], en un lecho a escala de laboratorio la caída de presión en el distribuidor aumenta en mayor proporción, pudiéndose asimilar a la caída total del lecho. Sin embargo, como ya se ha comentado, se asume una pérdida de carga en el distribuidor del 40% del total del lecho. Por lo tanto, siendo la caída total de presión en la instalación de 11,2 kPa, la potencia de bombeo necesaria para impulsar el gas de fluidización a través del reactor será de 400 W. La potencia de bombeo calculada es la que se necesita aportar a la corriente de gases de fluidización para poder vencer la pérdida de carga que se da en el plato distribuidor y en el lecho fluidizado. A esta potencia se deberá añadir la necesaria para vencer las pérdidas de carga presentes en los restantes equipos auxiliares del sistema, tales como ciclones, filtros, tuberías, etc. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 32 de 182 3.1.3. Diseño del distribuidor De la mecánica de fluidos, la relación que existe entre el caudal volumétrico V y la caída de presión ∆ para un flujo incompresible que atraviesa un orificio viene dada por: = 2∆  1− ⁄  Donde  es el área de paso dejada por los orificios;  el área de flujo por encima del orificio y es el coeficiente de descarga del orificio y depende del número de Reynolds El valor de  es función del número de Reynolds basado en el diámetro del reactor. Para los 10 cm de diámetro de reactor escogidos, el número de Reynolds está en torno a 10000, por lo que, según la siguiente gráfica se puede asumir un coeficiente de descarga de 0,6. Figura 8. Cálculo del coeficiente de descarga. [2] La ecuación anterior se puede redistribuir para despejar la relación entre la superficie libre dejada por los orificios y la superficie total del flujo.  =   =   ∆  Se puede calcular el caudal volumétrico V como el cociente entre el caudal de gas que se inyecta en el lecho y la densidad del gas. Con estas expresiones se ha diseñado un modelo en el programa EES, Anexo X, que permite calcular estas variables. En este modelo, son datos de entrada la caída de presión en la instalación y el diámetro del distribuidor, que son 800 Pa y 10 cm respectivamente. Con estos datos disponibles, se ha calculado el área del distribuidor y el porcentaje de superficie libre que tiene que tener, que resulta un 3,78% de la superficie del mismo. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 33 de 182 Ahora bien, el área libre del distribuidor será la suma de las áreas de los orificios. Si se supone que N es el número de orificios de diámetro  en el distribuidor y D es el diámetro del lecho, entonces ambos diámetros se relacionan según la ecuación siguiente:  =  donde  ⁄ representa el porcentaje de superficie libre del distribuidor. El diámetro del orificio está condicionado por dos factores principales: si el tamaño del agujero es demasiado pequeño puede bloquearse por el polvo, mientras que si es demasiado grande, el menor número de orificios y, por lo tanto, la mayor distancia entre ellos, puede conducir a una distribución no uniforme del gas y, bajo algunas circunstancias, algún reflujo de partículas finas cuando el lecho no se encuentre fluidizado. En el siguiente proceso de funcionamiento estas partículas se acumulan en la parte inferior del distribuidor y pueden causar erosión mientras se está inyectando el gas de fluidización. El modelo anterior también permite calcular el número de orificios que será necesario realizar en la placa perforada en función del diámetro de los mismos, así como el número de orificios por centímetro cuadrado. Los datos más representativos se han recogido en la siguiente tabla: Diámetro de orificio (mm) Número de orificios Número de orificios por cm2 0,5 1512 19,26 1 378 4,81 1,5 168 2,14 2 95 1,20 Tabla 11. Parámetros de los orificios del distribuidor El distribuidor se debe sellar adecuadamente alrededor de su periferia para evitar las fugas de gas y debe ser de una construcción que soporte las cargas en las condiciones de funcionamiento, ya sean térmicas o de otro tipo. Finalmente, se ha escogido un diámetro de orificio de 1 milímetro, por lo que la placa perforada tendrá en total 378 agujeros y habrá un promedio de 4,8 orificios por centímetro cuadrado. Con este tamaño de agujero se considera que se conseguirá una fluidización lo suficientemente homogénea del lecho como para que no se presenten problemas. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 34 de 182 3.1.4. Sistema de precalentamiento del lecho Para el sistema de precalentamiento del lecho se reutilizará el existente en la planta del lecho burbujeante, formado por una pequeña cámara de combustión donde el gas propano es quemado para obtener gases calientes a 900ºC y precalentar el lecho fluido burbujeante. El consumo de gas propano estimado es de 0,8 m3/h, lo que es equivalente a una potencia térmica de entrada de 15 kW. La reacción de combustión que tiene lugar en la cámara de combustión es la siguiente: C3H8 + 5 O2 + 5 · 3,76 N2 => 3 CO2 + 4 H2O + 5 ·3,76 N2 El ventilador del quemador introduce un 12 m3 de aire por cada 1 m3 de combustible para la reacción de combustión. Con este exceso se consigue completar la combustión, pero resultaría en una elevada temperatura de los gases salientes. Para atemperar esta corriente de gases, un ventilador de aire secundario se encarga de introducir un caudal adicional de aire aproximadamente de 32,5 m3N/h. La cámara de combustión propiamente dicha está constituida por un tubo aislante refractario de espesor 10 cm, con el fin de reducir al máximo la pérdida de calor, de tal manera que sea aproximadamente adiabática, alojada a su vez en tubo exterior de acero de 6 mm de espesor. Su longitud es de 80 cm y un diámetro interior de 338 mm. El quemador tiene un diámetro de 80 mm, y la entrada de aire secundario que rodea la anterior de 150 mm. La longitud de la lanza del quemador es de 140 mm. La llama alcanza una longitud de 40 mm. 3.2. Diseño del sistema de alimentación de combustible El dimensionado del sistema de alimentación de combustible es un punto muy importante en el diseño global de la instalación. En primer lugar se va a realizar una descripción cualitativa de cómo es un sistema de alimentación adecuado para un lecho fluido circulante. A continuación, se mostrarán los parámetros más importantes de los equipos que se instalarán en la nueva planta. Se partirá de un modelo de sistema de alimentación ampliamente utilizado en la bibliografía revisada, en el que se tienen dos tolvas de almacenaje, con sus dos respectivos tornillos sinfín de descarga y un tornillo sin fin adicional, de transporte y alimentación del lecho. Hay que destacar que el objetivo es tratar de aprovechar al máximo el sistema de alimentación existente en el actual laboratorio de lecho fluido burbujeante. Para ello, se analizarán las características técnicas y límites teóricos de los diferentes equipos existentes, y se evaluará la posibilidad de su reutilización en la nueva planta. En el Anexo III Diseño del sistema de alimentación de combustible se describen los cálculos realizados que justifican la solución final adoptada, descrita en la presente memoria. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 35 de 182 3.2.1. Descripción general Para el diseño del sistema de alimentación de combustible se deben dimensionar los tres equipos principales que lo componen: las tolvas, los tornillos sinfín de descarga de las mismas y el tornillo sinfín de transporte, mediante el que se realiza la alimentación de combustible al lecho. A la hora de seleccionar unas dimensiones o unos parámetros de funcionamiento, hay que tener que en cuenta que se necesita un sistema lo más flexible posible para poder realizar las pruebas que se deseen. Existen dos tipos de flujos de sólidos cuando un sólido se descarga de una tolva: flujo en masa y flujo en conducto. En el primero, todo el material contenido en la tolva está en movimiento hacia la boca de salida, mientras que en el segundo, se genera un conducto formado por material contenido en la tolva que permanece en su interior hasta que el resto del material ha sido descargado por completo. Este último sistema de descarga puede ser peligroso en el caso de que el material contenido en la tolva sea carbón, ya que cuanto más tiempo permanece estático el carbón en el interior de la tolva, mayor es la probabilidad de combustión espontánea de éste. En el presente proyecto no se realizará un nuevo diseño de las tolvas, sino que se tomarán de partida las tolvas existentes. Se llevará a cabo un estudio las mismas y se comprobará que su reutilización en la nueva planta sea viable técnicamente. La descarga del material contenido en una tolva se suele hacer mediante cintas transportadoras, tornillo sinfín, válvula rotativa y equipos de transporte neumático. En este caso se ha elegido el tornillo sinfín debido a que es un elemento cerrado que va a evitar la formación de atmósferas explosivas. El caudal de material que transporta un tornillo sinfín se calcula como se indica a continuación: ( ) 4·60 ···· 223 dDnS s m Q− =       πφ Φ: coeficiente de llenado del tornillo sinfín S: paso del tornillo, distancia entre dos hélices consecutivas n: número de r.p.m. D: diámetro exterior de la hélice d: diámetro del eje del tornillo En este caso, dado que es un tornillo de descarga de una tolva, se debe de tener un coeficiente de llenado (Φ) lo más cercano a 1. La artesa del tornillo debe de tener forma de U o forma cilíndrica y debe de operar a una velocidad entre 2 y 40 r.p.m. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 36 de 182 Los tornillos se suelen diseñar de paso constante, siendo el paso igual al diámetro del tornillo. Esto implica que la capacidad de transporte del sistema permanece constante a lo largo de todo el equipo. Para equipos que vayan a descargar una tolva, como el que se está diseñando, se recomienda que se incremente la capacidad de transporte en la dirección del tornillo. De este modo se asegura que el material se descarga en toda apertura de la tolva y no se genera ningún tipo de acumulación o estancamiento. Esto se consigue incrementando el diámetro de la hélice, disminuyendo el diámetro del eje o incrementando el paso del tornillo. En un tornillo de paso variable la dimensión mínima del paso debe ser un tercio del diámetro del tornillo, si el paso fuera más pequeño podría producirse la compactación del material, y el paso máximo debe de ser igual al diámetro del tornillo para evitar el material rote con la hélice y el tornillo pierda eficacia. El sistema de alimentación de sólidos tiene la función de transportar los sólidos suministrados por los tornillos sinfín, homogeneizarlos y llevarlos hasta el reactor, particularmente descargándoles dentro del lecho. Para la realización de este proceso se emplea un tornillo sinfín de transporte, perpendicular a la dirección de los tornillos sinfín de descarga. Se contempla la posibilidad de inyectar una corriente de inerte, como por ejemplo CO2, que permita arrastrar la corriente de sólido hacia el interior del reactor y evite el ascenso de partículas de lecho hacia dentro del sistema de alimentación. Además, hay que tener en cuenta las elevadas temperaturas que va a tener que soportar el tornillo a medida que se acerca al lecho, por lo que habrá que colocar un sistema de refrigeración. También es recomendable colocar algún dispositivo de corte entre este tornillo y las tolvas para evitar que, en caso de incendio en este equipo, el fuego alcance las tolvas. 3.2.2. Solución óptima A continuación se muestran los valores más importantes de los tres elementos principales del sistema de alimentación de combustible. Su justificación técnica y así como los cálculos realizados se muestra en el Anexo III. Se reutilizan las dos tolvas de almacenamiento existentes, con las siguientes características: PROPIEDADES DE LAS TOLVAS Capacidad máxima 200 L. Cuerpo superior Dimensiones 500x500 mm. Altura 475 mm. Cuerpo inferior Altura 585 mm. Inclinación (sobre la vertical) 12º PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 37 de 182 Espesor 3 mm. Presión máxima 2 bar. Descolmatador (palas accionadas por el mismo motor que hace girar el tornillo sinfín de descarga) 4 palas 262 mm.de diámetro Entrada superior para introducir gases con el fin de presurizar la tolva. Presión máxima: 2 bar. Tabla 12. Propiedades de las tolvas Se diseñan nuevos tornillos de descarga así como de alimentación al lecho. El caudal máximo de diseño para ambos tornillos ha sido de 70 L/h, mientras que se prevé un caudal a plena potencia de 63 L/h. La dosificación del caudal se realiza mediante los dos tornillos de descarga situados en la parte inferior de las tolvas. Se accionan mediante un motor acoplado a un variador de frecuencia, que a su vez se encuentra conectado al autómata de la planta. De esta forma se realiza el control de la misma. En principio, tanto los motores como el variador de frecuencia son equipos existentes que satisfacen las necesidades de los nuevos tornillos, con lo que serán reutilizados. En el Anexo III se realiza un análisis de éstos equipos. Los valores de los parámetros principales de los tornillos son los siguientes: TORNILLO SINFÍN DE DESCARGA Diámetro de la artesa, mm 80 Diámetro del tornillo, mm 70 Diámetro del eje, mm 35 Paso (S), mm 30 Coeficiente de llenado, as 1 Longitud, mm 780 Tabla 13. Dimensiones del tornillo sinfín de descarga TORNILLO SINFÍN DE ALIMENTACIÓN Diámetro de la artesa, mm 80 Diámetro del tornillo, mm 70 Diámetro del eje, mm 35 Paso (S), mm 50 Coeficiente de llenado, as 0,3 Longitud, mm 1880 Tabla 14. Dimensiones del tornillo sinfín de alimentación PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 38 de 182 3.3. Diseño del sistema de alimentación de comburente El proceso que se va a desarrollar en el interior del reactor de lecho fluido no es una combustión convencional de carbón, sino que dicho carbón se quemará en una atmósfera de oxígeno, donde el nitrógeno del aire se habrá sustituido por dióxido de carbono. De esta forma, la corriente de escape estará compuesta en un alto porcentaje por CO2, con lo que se podrán aplicar técnicas de almacenaje de CO2 y conseguir así una combustión de carbón sin emisiones a la atmósfera. Para crear la atmósfera de oxígeno y dióxido de carbono en la que se produzca la combustión del carbón, es necesario un sistema de suministro de gases industriales, así como un sistema de mezclado que garantice una mezcla homogénea de ambos gases y un sistema que permita calentar esta corriente de gases mezclados hasta la temperatura a la que tienen que introducirse en el reactor. Gracias al modelo creado en el programa EES que simula las condiciones de combustión en el interior del reactor, Anexo X programa 1, se han podido calcular los caudales necesarios de oxígeno y dióxido de carbono que debe proporcionar el sistema de suministro de gases y, a partir de ellos, determinar las condiciones bajo las que deberá operar dicho sistema de suministro de gases. Los consumos de oxígeno y dióxido de carbono varían en función de los parámetros de operación de la instalación completa (porcentaje de recirculación, temperatura…), pero para el caso más crítico, se consumen 73 kilogramos de oxígeno y 200 kilogramos de dióxido de carbono por hora de prueba. Considerando que se van a realizar pruebas de unas dos horas de duración, el consumo medio de oxígeno y dióxido de carbono por prueba serán de unos 146 y 400 kilogramos respectivamente. Debido a los altos costes de una planta de separación de O2 del aire, para llevar a cabo las pruebas de oxicombustión se va a utilizar oxígeno procedente de botellas. El CO2 necesario para realizar la fluidización también se tomará de botellas. En primera instancia, se va a tratar de reutilizar el sistema de alimentación de comburente de la planta de oxicombustión existente, formado principalmente por las botellas y un mezclador situado a la salida de las mismas. Para ello, hay que realizar un cálculo de cuál es el caudal máximo que será necesario suministrar al lecho y compararlo con los límites técnicos de los equipos existentes. Para mantener la velocidad del de diseño de 4,5 m/s, según el modelo EES diseñado, se necesita un caudal volumétrico máximo de comburente de 127 m3/h, el cual se considera precalentado a 400 ºC. Se debe comentar que para condiciones normales, dicho caudal volumétrico será inferior, ya que a menor temperatura la densidad aumenta y consecuencia, el volumen disminuye. Además, teniendo en cuenta que el caudal máximo permitido por el mezclador existente es de 136 m3N/h, en principio, no existe limitación técnica para su reutilización, para mantener la velocidad de diseño de 4,5 m/s. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 39 de 182 Hay que destacar que, para velocidades de transporte menores, el sistema de alimentación de comburente trabajaría de manera más holgada. Por tanto, desde este punto de vista, sería beneficioso trabajar con velocidades máximas de unos 4 m/s, lo que implica un caudal de alimentación de comburente de 110 m3/h. En el sistema de alimentación existente, los gases se acumulan en dos baterías dobles de 12 botellas cada una, 48 botellas en total. Cada una de ellas tiene una capacidad de 10,6 m3N y se encuentran a una presión de 200 bar. El funcionamiento del sistema de alimentación de gases existente es el siguiente: desde los manorreductores, los gases llegan hasta el mezclador. Éste es un equipo con el que se regulan las proporciones de las mezclas de dióxido de carbono y oxígeno, desde un 0% hasta un 100%. La presión mínima de entrada de los gases es de 6 bar y la máxima es de 20 bar. A la salida del depósito, las presiones que se tienen oscilan entre 2.5 bar y 3 bar, siendo el caudal máximo permitido de 136 m3N/h. El equipo cuenta con un sistema de análisis para la medición de CO2. Cuando se produce un fallo o se sobrepasan los límites indicados, este dispositivo activa una alarma y actúa sobre las válvulas para intentar corregir los caudales de los gases. La mezcla se acumula en un tanque de 500 litros de capacidad que soporta una presión máxima de 11 bar. Para conseguir las proporciones deseadas de CO2 y O2 se tiene el comentado mezclador a la salida de las botellas de gases. Una vez juntas ambas corrientes, se van a precalentar para obtener una temperatura y velocidad de los gases adecuada para fluidizar el lecho. Debido a que dicho equipo debe tener siempre dos corrientes para mezclar, cuando se opere con CO2 de recirculación, el equipo estará apagado y el oxígeno llegará hasta la corriente de alimentación de O2/CO2 a través de un by-pass. Sin embargo, para un primer pre-diseño, no se dimensionará dicho sistema de recirculación. Por tanto, pensando en un funcionamiento de la planta definitivo, habrá pruebas en las que el CO2 de las botellas sólo se vaya a consumir durante el arranque, ya que se recircularía una parte de los gases de combustión. En todas las pruebas de oxicombustión que se van a realizar se tomará el oxígeno de las botellas. Teniendo en cuenta que la duración de cada prueba es de unas 2 horas, el consumo total de oxígeno es de 101,28 m3O2, con lo que el número de botellas que se tienen da para dos pruebas y media, de 2 horas de duración. Debido a que la proporción de CO2 en los gases de alimentación es mayor que la de oxígeno, el consumo que hay del primero es mayor, siendo de 203,55 m3CO2 por prueba, por lo que las 24 botellas que se tienen de CO2 van a dar para una prueba y cuarto. En este punto, hay que destacar que para el diseño definitivo se debe tener en cuenta la recirculación de parte de los gases de combustión. La temperatura a la que entran los gases de alimentación en el lecho (400ºC) es un parámetro de diseño, y se ha seleccionado de tal manera que la velocidad de fluidización del lecho sea de 4,5 m/s. Cuando los gases salgan de las botellas estarán a temperatura ambiente, por lo que habrá que calentarlos hasta la temperatura que se haya considerado adecuada para la PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 40 de 182 fluidización del lecho. Para calentar los gases de alimentación hasta 400ºC se instalará un sistema de precalentamiento por resistencias eléctricas. A modo de resumen, en la siguiente tabla se muestran los parámetros más importantes del diseño del sistema de alimentación de gases. Hay que tener en cuenta que los valores mostrados corresponden al caso más crítico. A la hora de analizar el suministro de oxígeno, el caso más desfavorable se da para una proporción de 40/60 de O2/CO2 mientras que para el suministro de CO2 la situación más crítica se tiene para 20/80. Se debe comentar también que los consumos de gases mostrados corresponden a una temperatura de 400ºC, para obtener una velocidad de arrastre de 4,5 m/s, que siendo ambos los valores de diseño. SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE Capacidad máxima por botella (a 200 bar) 10,6 m3N/botella Capacidad máxima del mezclador (condiciones normales de P y Tª) 136 m3N/h Número de botellas de O2 24 botellas Número de botellas de CO2 24 botellas Consumo total máximo de comburente (precalentado a 400ºC) 127 m3/h Consumo máximo de O2 se tiene para 40/60 de O2/CO2 50,9 m3/h Consumo máximo de CO2 se tiene para 20/80 de O2/CO2 101,6 m3/h Duración aproximada de las pruebas 2 horas Consumo total de O2 por prueba 101,8 m3/h Consumo total de CO2 por prueba 203,2 m3/h Consumo total de botellas de O2 por prueba 9,6 botellas/prueba Consumo total de botellas de CO2 por prueba 19,2 botellas/prueba Número de pruebas que se pueden realizar con 24 botellas de O2 2,5 pruebas Número de pruebas que se pueden realizar con 24 botellas de CO2 1,25 pruebas Tabla 15. Parámetros del sistema de alimentación de comburente 3.4. Diseño del sistema de extracción de cenizas Uno de los aspectos de los lechos fluidos es que la producción de cenizas es mayor que en una caldera convencional, ya que además de la parte de cenizas que se produce por la combustión del carbón, hay una parte de cenizas producidas por la reacción del dióxido de azufre con el carbonato cálcico, que producen sulfato cálcico (CaSO4, yeso) y otra parte compuesta por todo el caudal de carbonato cálcico en exceso que se introduce en el reactor con el fin de asegurar la reducción del SO2. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 47 de 182 Calor a extraer [kW] Temperatura de salida del agua [ºC] Caudal de agua [kg/s] 10 81,42 0,1037 15 75,05 0,1776 20 70,36 0,2645 25 66,56 0,365 30 63,32 0,4808 35 60,46 0,6136 40 57,88 0,7662 45 55,52 0,9418 50 53,34 1,145 55 51,3 1,38 60 49,38 1,655 65 47,56 1,978 70 45,84 2,362 75 44,21 2,822 Tabla 19. Parámetros de funcionamiento del encamisado de agua Como se puede observar, a medida que aumenta el calor a evacuar del lecho la temperatura de salida del agua disminuye progresivamente. Éste comportamiento puede parecer paradójico, pero la razón radica en que un aumento del calor a extraer también va acompañado de un incremento del caudal de refrigeración, por lo que elevar su temperatura de salida es más complicado. A modo de complemento del sistema de refrigeración por camisas de agua se propone la inclusión de un par de bayonetas como las diseñadas en la base del riser, mediante las que se puede refrigerar el lecho para potencias de funcionamiento mucho menores, en las que las necesidades de refrigeración son muy bajas. 3.6. Diseño del sistema de limpieza de gases La corriente de gases de escape que sale del reactor de lecho fluido arrastra consigo una parte de las cenizas producidas en la combustión del carbón, así como partículas más pequeñas del material del lecho (caliza, yeso producido por la reducción de los óxidos de azufre, etc.) e incluso partículas pequeñas de carbón que deben ser recirculadas para aumentar la eficiencia del ciclo. Para proceder a la limpieza de los gases y separar las partículas de recirculación se coloca un ciclón a la salida del reactor de lecho fluido, ya que puede operar con temperaturas elevadas. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 48 de 182 Los gases de escape obtenidos (básicamente CO2, agua, y pequeñas proporciones de O2, sin nitrógeno, en caso de oxicombustión) serán analizados y expulsados a la atmósfera. He aquí uno de los principales aspectos innovadores del proyecto. Siempre que se produzca la combustión con distintas proporciones de O2 puro y CO2 como comburentes, los gases de escape estarán formados en su mayor parte por CO2 y agua, libes de N2, lo que permite una fácil captura del dióxido de carbono por condensación. En el apartado del análisis de sensibilidad de la planta se estudia, entre otros muchos aspectos, la composición de los gases a la salida en función de las proporciones de O2, N2 y CO2 empleados como comburentes. El ciclón es un equipo muy conocido, sencillo y de bajo coste de mantenimiento. Los ciclones se clasifican, según su eficacia, en ciclones de alta, media y baja eficacia. Para las condiciones de operación que se van a tener en la instalación se ha decidido elegir un ciclón de alta eficacia. El modelo de ciclón de alta eficacia más común y que se ha diseñado en este proyecto es el de Stairmand. [6] Para su dimensionado se ha realizado un modelo de cálculo en EES, Anexo X programa 2. Como parámetros de entrada se tiene la velocidad de entrada del gas al ciclón (fijada en 25 m/s), el caudal de gases que se desea limpiar y una distribución de partículas dada (distribución normal, con tamaño medio de partícula de 20 um). Se han calculado el diámetro de corte, las dimensiones del ciclón, la caída de presión y la eficacia de colección para un tamaño de partículas de 5 um. Los resultados obtenidos por el modelo de cálculo se muestran en la siguiente tabla: Modelo Velocidad del gas [m/s] Diámetro del cuerpo [m] Altura total [m] Caída de presión [Pa] Diámetro de corte [µm] Eficacia [%] Stairmand 25 0,456 1,82 980,3 3,6 75 Tabla 20. Características de ciclón diseñado Las dimensiones del ciclón, para la velocidad del gas a la entrada fijada en 25 m/s se recogen en la siguiente tabla. Vg [m/s] Dc [m] a b De hc Ht Bd Dsp 25 0,456 0,228 0,10 0,228 0,683 1,82 0,228 0,085 Tabla 21. Dimensiones del ciclón diseñado PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 49 de 182 Figura 10. Ciclón Stairmand Posteriormente, y a modo de pre-diseño, se sugiere la posibilidad de reutilización del ciclón existente en la planta de oxicombustión en lecho fluido burbujeante, como ciclón secundario. Se trata de un ciclón de menores dimensiones al diseñado, con un diámetro de corte menor y una eficiencia más elevada. Por ello, las partículas más pequeñas que no se consigan separar con el ciclón de diseño, podrán ser retenidas con este equipo secundario y así evitar su expulsión a la atmósfera. Las características y dimensiones de ciclón existente se muestran a continuación. Modelo Velocidad del gas [m/s] Diámetro del cuerpo [m] Altura total [m] Caída de presión [Pa] Diámetro de corte [µm] Eficacia [%] Stairmand 25 0,137 0,55 935,8 1,89 87 Tabla 22. Características del ciclón existente Vg [m/s] Dc [m] a b De hc Ht Bd Stairmand 0,137 0,069 0,02 7 0,06 9 0,206 0,55 0,05 2 Tabla 23. Dimensiones del ciclón existente PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 50 de 182 Además, el ciclón existente consta de un colector de polvos para almacenar las partículas retenidas. Otro hecho a tener en cuenta es que el ciclón principal debe ir refrigerado por un encamisado de agua, ya que las partículas recirculadas entrarán al ciclón a una temperatura de 900 ºC. 3.7. Selección del sistema de precalentamiento de gases El sistema de precalentamiento del comburente de entrada consiste en una resistencia eléctrica situada aguas abajo del mezclador de gases. En la planta existente dicha resistencia tiene una potencia de 5 kW. Para el diseño de la nueva resistencia a instalar se ha realizado un pequeño modelo en EES. Los parámetros principales de diseño son el caudal total de gases a precalentar y la temperatura de precalentamiento requerida. La temperatura de diseño es un parámetro fijo a lo largo de todo el proyecto, y toma un valor de 400 ºC. En cambio, el caudal de gases es aquel que proporciona la velocidad de fluidización de diseño dentro del reactor, 4,5 m/s. El cálculo del caudal de gases, se obtiene del modelo principal diseñado, descrito anteriormente y tiene un valor de 127 m3/h. Con ambos parámetros, se calcula la entalpía de la mezcla de gases a temperatura del mezclador y a temperatura de precalentamiento (400 ºC). En el Anexo X programa 4 se describen las ecuaciones utilizadas. El valor de la resistencia obtenida, necesaria para precalentar el caudal de gases máximo a 400 ºC es de 5,1 kW. Teniendo en cuenta que se trata de un caudal teórico máximo, que corresponde con un funcionamiento concreto del reactor a potencia nominal máxima de 252 kW y que en la mayor parte de los ensayos los requerimientos de caudal serán menores, se decide reutilizar la resistencia existente en el actual laboratorio. Su valor es de 5 kW, con la que dicho caudal máximo puede ser precalentado hasta 390 ºC. 3.8. Instrumentación y control Una parte muy importante de la instalación es el control de la misma. Para comprobar y controlar el correcto funcionamiento de la planta es necesario tomar diversas medidas en diferentes puntos de la misma. En este apartado se enumera la instrumentación necesaria para desarrollar esta tarea. Principalmente se van a emplear medidores de presión, de temperatura, de caudal y analizadores de gases. En este proyecto no se va a determinar la configuración de los distintos puntos de medida ni el sistema de control empleado, pues quedan fuera del alcance del mismo. Por tanto, en este planteamiento no se pretende determinar el instrumento en cuestión que se debería emplear, sino definir qué variables es interesante conocer. Es importante destacar que todas las medidas de los sensores deberán ir a un sistema de adquisición de datos. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 51 de 182 Para controlar el nivel del lecho, es necesario tener la medida de presión en varios puntos del reactor. Asimismo, es muy interesante controlar la temperatura que se alcanza en el interior del reactor, por lo que se realizarán medidas de temperatura a diferentes alturas del lecho. Para controlar la eficiencia del ciclón, se realizarán medidas de presión y temperatura a la salida del mismo, que permitirán, a su vez, realizar el balance de energía en el intercambiador de calor. En los encamisados del reactor de lecho fluido, del ciclón y del tornillo sinfín, se realizarán varias medidas: de presión, temperatura y caudal del agua en la entrada y de temperatura del agua en la salida. Asimismo, se realizará una medida de presión antes del mezclador que proporciona los gases al distribuidor, y medida de temperatura y caudal de la corriente de gases que va al distribuidor. 3.9. Selección de la bomba de agua A continuación se describe la bomba de agua de impulsión existente en el laboratorio de oxicombustión en lecho fluido circulante y se verifica su viabilidad técnica para la reutilización en la nueva planta La bomba instalada para impulsar el agua a través del circuito de refrigeración es una bomba centrífuga monocelular, modelo CDXM 120/07 0.75 C.V. con un cierre mecánico que permite hacer funcionar la bomba con fluidos entre -20ºC y 120ºC. La carcasa de bomba es de aluminio, el eje de AISI 303 y el cuerpo de la bomba, el impulsor, difusor y la base portacierre son de AISI 304. La bomba está diseñada para que trabaje en un rango de temperaturas entre - 20ºC y 120ºC. El caudal mínimo al que puede funcionar la bomba es de 80 L/min, venciendo una pérdida de carga de 20 m, mientras que el caudal máximo que da es de 180 L/min venciendo una caída de presión de 12.5 m. Éste es el parámetro crítico mediante el que se decide si es posible su reutilización para el nuevo laboratorio, el caudal de agua de refrigeración máximo. Del Anexo IV de Diseño del sistema de refrigeración se obtiene el valor del comentado parámetro, siendo de aproximadamente 3 kg/s. Haciendo el correspondiente cambio de unidades vemos que se trata justamente del caudal máximo que proporciona la bomba existente, 180 L/min. Por lo tanto, se puede asegurar su correcto funcionamiento en la nueva planta. La bomba es movida por un motor asíncrono de dos polos con ventilación forzada conectado a una tensión de 240 V. El motor tiene un aislamiento de clase F lo que le permite funcionar a una temperatura máxima de 155ºC y una protección IP 55 que lo protege de la entrada de polvo y contra los chorros de agua. La bomba carece de variador de frecuencia, por lo que el caudal que va a impulsar va a venir determinado por las pérdidas que se generen en el circuito. El accionamiento de la bomba se conecta al autómata, el cual permite el paso de la electricidad hasta el motor. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 52 de 182 4. CONCLUSIONES Respecto a los dos objetivos generales marcados al inicio del proyecto, realizar un modelo semiempírico de un lecho fluido circulante y diseñar los principales equipos que componen la nueva planta de oxicombustión, se puede concluir que se han alcanzado de manera satisfactoria; habiendo, además, facilitado la transformación de la planta existente de oxicombustión en lecho fluido burbujeante en una nueva planta en lecho fluido circulante. En primer lugar se ha realizado un modelo de simulación genérico de un lecho con características de fluidización rápida. Para particularizar el modelo a las características de la nueva planta a diseñar se han fijado distintos parámetros de entrada, como son la temperatura del lecho, caída de presión, diámetro de partículas, densidad de partículas, composición del combustible, velocidad de arrastre… Se han asumido varias hipótesis simplificadoras del modelo, cuyo carácter es semiempírico y está basado en una amplia bibliografía. El modelo de simulación, realizado en EES, integra las principales ecuaciones de la fluidodinámica, combustión y balance de energía que rigen el funcionamiento de un lecho fluido circulante [2] [3] [6]. Se han utilizado varias reglas de experto, como son la caída de presión o el tiempo de residencia de las partículas a lo largo del reactor, que junto con las hipótesis realizadas constituyen un modelo aproximado. A continuación se ha realizado un análisis de sensibilidad de la planta, utilizando el modelo diseñado anteriormente. En primer lugar, se han analizado reactores de distintas dimensiones, operando en régimen de oxicombustión (mediante distintos ratios de O2/CO2 de entrada) y en régimen de combustión convencional con aire, con el objetivo de determinar el diámetro óptimo del reactor. Se ha concluido que el nuevo reactor será de 10 cm de diámetro con una potencia nominal de aproximadamente 252 kW, que corresponde con una velocidad de régimen de 4,5 m/s y una proporción de comburente de O2/CO2 de 40/60. Posteriormente, se ha procedido a realizar un análisis paramétrico, particularizado al reactor escogido, llevando a cabo una variación de distintos parámetros como son la temperatura o el diámetro de partícula. Mediante la aplicación del modelo EES se ha observado su influencia en el comportamiento de la planta. Se ha prestado especial énfasis en el efecto en parámetros como son el coeficiente de transferencia de calor del lecho, o el calor a extraer del reactor para mantener los 900 ºC constantes, que constituye la base del diseño del sistema de refrigeración del lecho. Una vez estudiado el comportamiento a priori del lecho, el siguiente paso ha consistido en diseñar los principales equipos que forman parte de la planta. El reactor es el equipo esencial, que como ya se ha comentado, es un cilindro de 10 cm de diámetro interior y 5,4 m de altura total, incluyendo el riser. Será un equipo totalmente nuevo, pues mantener el existente para un régimen circulante resulta totalmente inviable. La potencia nominal aumentaría considerablemente y se incurriría en grandes gastos de inversión tanto de combustible como de gases presurizados (O2 y CO2). El nuevo reactor estará construido con acero de 5 mm más un refractario de 10 cm de espesor. El distribuidor, situado en la base, consiste en un plato perforado de 8 cm de diámetro con 378 orificios de 1 mm de diámetro cada uno, resultando unos 4,8 orificios por centímetro cuadrado. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 53 de 182 El sistema de extracción de cenizas también es nuevo y está compuesto por un tubo refrigerado situado en la parte inferior del lecho, una válvula rotativa y un depósito inferior. El tubo por el que se extraen las cenizas cuenta con un encamisado de agua de refrigeración que permite que las cenizas lleguen a la válvula rotativa a unos 350 ºC. El depósito inferior posee unas dimensiones de 15 cm de diámetro y 20 cm de altura. Ya que el cuerpo principal del reactor es totalmente nuevo, el sistema de refrigeración que le acompaña también lo es. Se han analizado dos opciones, un sistema de refrigeración por bayonetas de agua y un encamisado de agua. Se ha decidido la utilización de un sistema de refrigeración principal por camisas de agua de 15 mm de espesor y 1,20 m de altura, por el que circulará un caudal de agua entre 0,1 y 3 kg/s. Este encamisado permitirá evacuar del reactor de lecho fluido hasta aproximadamente 100 kW, así como mantener la temperatura en el interior del mismo en torno a los 900 ºC. De forma complementaria, también se sugiere la posibilidad de introducir dos bayonetas de un centímetro de diámetro exterior y 20 cm de longitud efectiva en la parte inferior del lecho, así como una adicional de mayores dimensiones desde la parte superior. Cada una de las bayonetas diseñadas tiene una capacidad de refrigerar de tan solo 2 kW como máximo, por las que circula un caudal de 36 kg/h. Por ello, es un sistema apto para aquellas situaciones en las que el calor sea muy pequeño. Para la separación de las partículas arrastradas de los gases de combustión se diseña un nuevo ciclón de alta eficiencia Stairmand, con diámetro de cuerpo de 45,6 cm y altura total de 1,82 m. Este ciclón tiene una eficiencia de colección de partículas de 5  del 75%. La pérdida de carga que sufren los gases al atravesar el ciclón son 980 Pa. Así mismo, el ciclón cuenta con un encamisado de agua, para reducir la temperatura de los gases de combustión de forma gradual. Además, se empleará como ciclón secundario el existente en la planta. Con el objetivo de aumentar la efectividad de colección de partículas y evitar así su emisión a la atmósfera. El conjunto de suministro de gases industriales será básicamente el existente en la planta, formado por dos baterías dobles de 12 botellas cada una. Cada una de ellas con una capacidad de 10,6 m3N, a una presión de 200 bar. Así mismo, se mantiene el mezclador existente con un caudal máximo permitido de 136 m3N/h. Reutilizar el sistema de suministro de gases industriales conlleva un gran ahorro económico. Pero también limita el funcionamiento de la planta a pruebas de unas 2 horas de duración máxima con una velocidad de transporte dentro del reactor de casi 5 m/s como máximo. Para la alimentación de combustible del reactor se ha podido reutilizar parte de los equipos existentes. La nueva planta posee una potencia nominal de 252 kW, mientras que el reactor de lecho burbujeante existente es de 90 kW. Por ello los requerimientos de almacenaje y transporte de combustible son mayores. PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO DE UN LABORATORIO DE OXICOMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE CARLOS MANUEL JIMÉNEZ CAVERO Junio 2012 Página 54 de 182 En este punto, se ha concluido que las dos tolvas de almacenamiento poseen una capacidad de 200 L cada una, suficientes para llevar a cabo pruebas de varias horas (el límite de duración lo marca el sistema de almacenamiento de gases industriales). En cuanto a los dos tornillos de descarga de las tolvas como al tornillo de alimentación del reactor han tenido que ser rediseños, puesto que era inviable técnicamente reutilizarlos con las nuevas necesidades de caudal de combustible. En cuanto a la instrumentación necesaria para el control de la instalación, básicamente se requiere realizar medidas de presión, de temperatura, de cauda y un análisis de gases. 4.1. Perspectivas y continuidad El proyecto diseñado hasta este punto es un pre-diseño de una nueva instalación de oxicombustión, en este caso en lecho fluido circulante, para captura de CO2. Sin embargo, antes de que la instalación se lleve a cabo, es necesario desarrollar un estudio con mayor profundidad, con el objetivo de determinar diversos aspectos que no se recogen en este proyecto. El modelo de comportamiento del lecho se ha diseñado asumiendo una gran cantidad de hipótesis que introducen errores y dan un resultado aproximado. La simplificación del diseño se basa en que se ha considerado un sistema formado por una sola fase, mientas que para un análisis más exacto se debería haber realizado el estudio de un sistema gas-sólido, formado por dos fases (burbujas y emulsión) [4]. Además, el modelo de combustión se ha considerado instantáneo y no se tiene en cuenta la combustión del residuo sólido ni de los volátiles. En suma, es un modelo muy simplificado. Asimismo, se puede profundizar en el estudio de la cinemática y del comportamiento de las partículas en el interior del reactor de lecho fluido; desarrollar una simulación de la instalación completa empleando algún programa de dinámica de fluidos computacional; realizar un análisis de la posible extrapolación o escalado de los resultados obtenidos con este proyecto a instalaciones de tamaño industrial; efectuar un estudio de viabilidad económica para la instalación de esta tecnología y comparar con los costes de otros sistemas de captura de CO2. En cuanto a los equipos de la instalación diseñada, están todos prácticamente definidos, aunque se pueden realizar mejoras en los diseños planteados, como realizar un cálculo del encamisado del ciclón principal, calcular las resistencias calefactoras del riser del reactor, llevar a cabo un estudio de tuberías de la instalación y de los ventiladores emplear. También hay que destacar que el control de la planta es un aspecto muy importante para el correcto funcionamiento de la misma, que debido a su complejidad y extensión, no se ha incluido en el presente proyecto.