Caldera de oxicombustión modular.

Sistema de caldera de oxicombustión modular destinado a producir vapor a partir de agua,

que comprende:

una primera caldera (12, 112) que comprende una pluralidad de primeros tubos (T) de caldera paratransportar el agua, formando los tubos por lo menos una pared de agua,

una línea de entrada de agua de alimentación (30, 130) en comunicación de flujo con dicha pluralidad deprimeros tubos (T) de caldera, configurándose dicha línea de entrada de agua de alimentación (30, 130) paraconectarse a una fuente de agua externa,

una línea (44, 144) en comunicación de flujo con dichos primeros tubos (T) de caldera,

configurándose la primera caldera (12, 122) para impedir sustancialmente la introducción de aire;

un suministro de oxígeno (18, 118) de la primera caldera, para aportar oxígeno con una pureza superior al 21por ciento;

un suministro de combustible basado en el carbón (20, 120) de la primera caldera, para aportar uncombustible basado en el carbón.

Caldera de oxicombustión modular.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una caldera de oxicombustión. Mas particularmente, la presente invención se refiere a una caldera de oxicombustión modular que presenta un diseño flexible.

Las ventajas de los sistemas de oxicombustión son muy conocidas. Por ejemplo, las patentes de los US n.

6.436.337 y 6.596.220 a nombre de Gross, indican que algunas de las ventajas de los sistemas de oxicombustión son una contaminación ambiental reducida (generación de NOx reducida) , un rendimiento alto, unas temperaturas de la llama altas y un diseño de la planta con unas dimensiones físicas totales más pequeñas. Las patentes de Gross, de propiedad conjunta con la presente solicitud y que se incorporan a la misma como referencia.

Para extraer la energía del combustible, las calderas proporcionan habitualmente alguna manera de aportar energía a un fluido (mediante combustión del combustible) generalmente para cambiar el estado del fluido. A continuación, la energía se extrae del fluido habitualmente en forma de movimiento mecánico (o energía cinética) . La mayoría de calderas utilizan agua como fluido de trabajo para extraer la energía del combustible. El agua se hace pasar por unos tubos que conforman una o más “paredes” o haces en el interior de la caldera.

Habitualmente, las paredes de los tubos de la caldera se diseñan para transferir energía (en forma de calor) , a través de la pared del tubo, al agua en varios lazos o bucles y pases de las paredes. Al pasar por los tubos, el agua se calienta bajo presión y se lleva a un nivel alto de energía (y cambio de fase) mediante sobrecalentamiento, recalentamiento y/o unas etapas supercríticas. Otras etapas, tales como una unidad economizadora pueden emplearse asimismo, pasando el agua por unas secciones de la pared de la caldera antes de pasar por el sobrecalentamiento. El agua se calienta adicionalmente mediante una transferencia de calor por convección procedente de los gases calentados que circulan por delante de los haces de tubos (por ejemplo, en el economizador) .

Cada una de las etapas o regiones de la caldera se diseñan para funcionar basándose en cierto tipo de fenómeno o mecanismo de transferencia de calor. Por ejemplo, las paredes inferiores de la caldera se diseñan para que la transferencia de calor sea por radiación, mientras que los haces superiores y las etapas de sobrecalentamiento, recalentamiento y economizador se diseñan para que funcionen empleando el principio de transferencia de calor por convección. Los expertos en la materia reconocerán que los mecanismos de transferencia de calor no son excluyentes entre sí cuando el agua se calienta en la caldera.

Si bien dichas configuraciones de calderas dan buen cumplimiento a sus aplicaciones y finalidades, no necesariamente sacan el provecho máximo de las temperaturas altas de la llama y de los volúmenes reducidos de los gases de escape de los sistemas de combustión por oxicombustión. Por lo tanto, una caldera que utiliza el sistema de combustión por oxicombustión precisa reducir la contaminación medioambiental. Idealmente, dicho diseño de caldera proporciona un rendimiento alto (relación alta entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor obtenible de los productos de combustión) y hace uso de unas temperaturas de la llama altas. Más idealmente, dicha configuración de caldera puede proporcionar un diseño de planta con unas dimensiones físicas totales más pequeñas. Los documentos FR 2 850 733, DE 196 22 115 y WO 89/06306 describen unos sistemas de caldera modulares conocidos.

BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Los sistemas de caldera modulares según la presente invención se describen en la reivindicación 1, utilizando dichos sistemas una pluralidad de calderas de oxicombustión independientes configuradas en serie para producir vapor a partir de agua. Las calderas se configuran para que cada una de ellas ejecute un funcionamiento de transferencia de energía diferente del de las demás. Una primera caldera o caldera principal presenta una toma de admisión o entrada de agua de alimentación en comunicación de circulación del fluido con una pluralidad de tubos para transportar agua. Las calderas se configuran de tal modo que se evite sustancialmente la entrada de aire.

Los tubos de la caldera principal conforman por lo menos una pared del agua. Cada caldera comprende un aporte de oxígeno para suministrar un oxígeno que tenga una pureza superior al 21 por ciento y preferentemente por lo menos aproximadamente del 85 por ciento, un aporte de combustible basado en el carbono para suministrar un combustible basado en el carbono y por lo menos un sistema de quemador por oxicombustión. El sistema de quemador alimenta el oxígeno y el combustible a la caldera en una proporción casi estequiométrica a fin de limitar un exceso o del oxígeno o del combustible basado en el carbono a una tolerancia predeterminada. Los tubos de cada caldera se configuran para una exposición de energía radiante directa para transferir energía de la llama a los tubos de la pared de agua. Por deferencia a la nomenclatura tradicional, se pretende que la referencia a las paredes de agua incluya a todos los tubos de la caldera en una zona radiante incluso aunque los tubos puedan transportar vapor.

En una forma de realización del sistema de caldera, la segunda caldera es una caldera de sobrecalentamiento y el vapor producido por la primera caldera se alimenta directamente a la caldera de sobrecalentamiento. El vapor abandona la caldera de sobrecalentamiento y fluye hacia una turbina de vapor principal. Alternativamente, el sistema puede comprender una caldera de recalentamiento (que toma la alimentación del escape de la turbina de vapor de alta presión) , recalienta el vapor en una caldera de oxicombustión similar a la caldera principal, y alimenta una turbina de vapor de recalentamiento. La función de calentamiento o de transferencia de energía de cada una de las calderas es diferente de la de las demás calderas. Es decir, en la caldera principal, el agua se calienta desde un valor (entalpía) de energía relativamente bajo hasta vapor saturado. En la caldera de sobrecalentamiento (si se utiliza) , el vapor se calienta adicionalmente hasta alcanzar las condiciones de sobrecalentado. A continuación, en el recalentador, el vapor de escape de la turbina de alta presión se recalienta para alimentar a una turbina de vapor de recalentamiento.

El sistema de caldera puede comprender un condensador configurado de tal modo que el vapor sale de la turbina de vapor de alta presión dirigiéndose a una o más turbinas de vapor de recalentamiento, a opcionalmente una o más turbinas de baja presión y al condensador. Un sistema de caldera preferido comprende un economizador. El economizador presenta un lado de gas que recibe los productos de combustión (“gases de escape” o “gases de humos”) procedentes de las calderas y un lado de agua de alimentación de tal modo que los productos de combustión precalientan el agua de alimentación de la caldera antes de la introducción del agua de alimentación a la caldera principal. Tras salir del economizador, los gases de escape pueden utilizarse para precalentar el elemento oxidante para el sistema de combustión por oxicombustión, generalmente relacionándose con el sistema de gases de escape antes de cualquier tratamiento de procesado de los gases de escape, dispuesto ”corriente abajo” que pueda pretenderse. Puede obtenerse un aumento de potencia realizando agrupamientos en paralelo de sistemas de caldera modulares.

Los quemadores de oxicombustión pueden configurarse para muchos tipos de combustible diferentes, tales como el gas natural, el petróleo, el carbón y otros combustibles sólidos. Cuando se utiliza un combustible sólido, una parte de los gases de escape (opcionalmente mezclados con oxígeno) puede utilizarse para transportar el combustible sólido a las calderas. Los gases alimentadores del combustible pueden ser gases de escape procedentes del lado de “corriente abajo” del economizador.

Estas y otras características y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción detallada siguiente, juntamente con las reivindicaciones adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS DIFERENTES VISTAS DE LOS DIBUJOS

Los beneficios y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto más claramente para los expertos en la materia tras revisar la descripción detallada siguiente y los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de un sistema de caldera de recalentamiento/subcrítica simple que... [Seguir leyendo]

1. Sistema de caldera de oxicombustión modular destinado a producir vapor a partir de agua, que comprende:

una primera caldera (12, 112) que comprende una pluralidad de primeros tubos (T) de caldera para transportar el agua, formando los tubos por lo menos una pared de agua,

una línea de entrada de agua de alimentación (30, 130) en comunicación de flujo con dicha pluralidad de primeros tubos (T) de caldera, configurándose dicha línea de entrada de agua de alimentación (30, 130) para 10 conectarse a una fuente de agua externa,

una línea (44, 144) en comunicación de flujo con dichos primeros tubos (T) de caldera,

configurándose la primera caldera (12, 122) para impedir sustancialmente la introducción de aire;

un suministro de oxígeno (18, 118) de la primera caldera, para aportar oxígeno con una pureza superior al 21 por ciento;

un suministro de combustible basado en el carbón (20, 120) de la primera caldera, para aportar un 20 combustible basado en el carbón;

por lo menos un sistema de quemador de oxicombustión (22, 122) de la primera caldera, acoplado a dicho primer suministro de oxígeno (18, 118, 218, 318) y dicho primer suministro de combustible basado en el carbón (20, 120) , configurándose el sistema de quemador de oxicombustión (22, 122) de la primera caldera para alimentar el oxígeno y el combustible basado en el carbón a la primera caldera (12, 112) en una proporción casi estequiométrica entre sí a fin de limitar un exceso, tanto de oxígeno como de combustible basado en el carbón, a una tolerancia predeterminada,

una línea de salida de gases de humos (13, 113) de la primera caldera para descargar los gases de escape 30 generados como resultado de la combustión en dicha primera caldera (12, 112) ,

en la que los tubos (T) de la primera caldera se configuran para la exposición de energía radiante, directa, para la transferencia de energía al agua para producir vapor;

una segunda caldera (14, 114) que comprende una pluralidad de tubos de la segunda caldera que conforman una pared de tubos para recibir vapor de dicha línea,

encontrándose dicha línea (44, 144) en comunicación de flujo con dicha pluralidad de tubos de la segunda caldera, de tal modo que el vapor sale de la primera caldera por dicha línea y entra en la segunda caldera,

encontrándose una línea de salida de vapor de la segunda caldera (46, 146) en comunicación de flujo con dichos tubos de la segunda caldera; configurándose dicha línea de salida de vapor (46, 146) para conectarse a una turbina (38, 138) ,

una línea de salida de los gases de humos de la segunda caldera (15, 115) para descargar los gases de escape generados como resultado de la combustión en dicha segunda caldera (14, 114) ,

configurándose la segunda caldera (14, 114) para que realice una función de transferencia de energía diferente de la que realiza la primera caldera (12, 112) , y la segunda caldera (14, 114) se configura para 50 impedir sustancialmente la introducción de aire;

un suministro de oxígeno (18, 118) de la segunda caldera para suministrar oxígeno que presente una pureza superior al 21 por ciento;

un suministro de combustible basado en el carbón (20, 120) de la segunda caldera para suministrar un combustible basado en el carbón;

por lo menos un quemador de oxicombustión (24, 124) de la segunda caldera, alimentando dicho quemador

(24) de oxicombustión de la segunda caldera el oxígeno y el combustible basado en el carbón a la segunda 60 caldera (14, 114) en una proporción casi estequiométrica entre sí, a fin de limitar un exceso del oxígeno o del combustible basado en el carbón a una tolerancia predeterminada,

configurándose los tubos de la segunda caldera para una exposición de energía radiante, directa, para transferir energía para producir vapor, y 65

siendo la primera caldera (12, 112) y la segunda caldera (14, 114) independientes entre sí y dispuestas en serie.

2. Caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 1, en la que la primera caldera (12) es una caldera principal y la segunda caldera (14) es una caldera de sobrecalentamiento, y en la que el vapor producido por la primera caldera (12) se alimenta directamente a la caldera de sobrecalentamiento (14) , configurándose el sistema de caldera de oxicombustión modular para accionar una turbina de vapor (38) , y alimentándose el vapor que sale de la caldera de sobrecalentamiento (14) a la turbina de vapor (38) .

3. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 2, que comprende además una caldera de recalentamiento (16) , presentando la caldera de recalentamiento (16) una pluralidad de tubos, encontrándose la caldera de recalentamiento (16) conectada en serie con la caldera principal (12) y con la caldera de sobrecalentamiento (14) y configurada para realizar una función de transferencia de energía diferente de la función de transferencia de energía de la caldera principal (12) y de la caldera de sobrecalentamiento (14) , conformado los tubos de la caldera de recalentamiento (16) por lo menos una pared de tubo, y estando configurada la caldera de recalentamiento (16) para impedir sustancialmente la introducción de aire, comprendiendo la caldera de recalentamiento (16) un suministro de oxígeno (18) para suministrar oxígeno con una pureza superior al 21 por ciento, un suministro de combustible basado en el carbón (20) para suministrar un combustible basado en el carbón y por lo menos un quemador de oxicombustión (26) de la caldera de recalentamiento, alimentando el quemador de oxicombustión (26) el oxígeno y el combustible basado en el carbón a la caldera de recalentamiento (16) en una proporción casi estequiométrica entre sí para limitar un exceso de oxígeno o de combustible basado en el carbón a una tolerancia predeterminada, estando configurados los tubos de la caldera de recalentamiento para una exposición de energía radiante, directa, para la transferencia de energía para sobrecalentar el vapor y siendo la caldera de recalentamiento (16) independiente de la caldera principal (12) y de la caldera de sobrecalentamiento (14) , alimentándose la caldera de recalentamiento (16) de un escape de la turbina de vapor (38) y estando configurada para producir vapor.

4. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 3, en el que el suministro de oxígeno de la caldera de recalentamiento (18) suministra oxígeno con una pureza aproximadamente del 85 por ciento.

5. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 3, que comprende una turbina de presión intermedia (40) , alimentándose el vapor producido por la caldera de recalentamiento (16) a la turbina de presión intermedia (40) .

6. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 5, que comprende una turbina de baja presión (41) , en el que el vapor del escape de la turbina de presión intermedia (40) se alimenta a la turbina de baja presión (41) y en el que el vapor del escape de la turbina de baja presión (41) se alimenta a un condensador (42) .

7. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 1, que comprende un economizador (28, 128) que presenta un lado del gas y un lado del agua de alimentación, en el que los gases de escape de la primera caldera (12, 112) y de la segunda caldera (14, 114) circulan hacia el lado del gas del economizador y en el que el agua de alimentación circula pasando por el economizador (28, 128) hacia la entrada de agua de alimentación (30, 130) .

8. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 1, en el que la primera caldera (12, 112) y la segunda caldera (14, 114) son unas calderas de combustible sólido y en el que una parte de los gases de escape se utiliza para transportar un combustible sólido por lo menos hasta una de las calderas.

9. Sistema de caldera de oxicombustión modular según la reivindicación 7, en el que los gases de escape que salen del lado del gas del economizador precalientan el suministro de oxígeno para los suministros de oxígenos de la primera y segunda calderas (18, 118) .