QUEMADOR INTEGRADO EN UN SISTEMA DE REFORMADO DE HIDROCARBUROS Y ALCOHOLES.

Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes.

Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes integrado con una pila de combustible que puede trabajar con combustible líquido y con combustible gaseoso y con el que se obtienen productos solubles en agua. El quemador comprende un conducto de entrada (1) de combustible y comburente dividido en un tubo interior (2) por el que se introduce combustible líquido y en un tubo exterior (3) por el que se introduce combustible gaseoso (residuo anódico de la pila de combustible). Asimismo comprende entradas de comburente (residuo catódico de la pila de combustible mezclado con gases de postcombustión recirculados). Algunos de los orificios de entrada de combustible y comburente están inclinados para conferir a los gases que los atraviesan un flujo turbulento que garantiza una mezcla homogénea del combustible con el comburente y por tanto una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo.

Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los quemadores y más concretamente de los quemadores que se integran en sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes para la producción de corrientes ricas en hidrógeno aptas para alimentar pilas de combustible.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Del estado de la técnica se conocen sistemas de combustión que utilizan quemadores de premezcla en los que el combustible y el comburente se mezclan en una sección previa a la zona de ignición y de desarrollo de la llama.

Un inconveniente que presentan estos quemadores es que existe riesgo de retroceso de la llama. Este fenómeno se produce cuando la velocidad de la llama es mayor que la velocidad de flujo de la mezcla del combustible con el comburente. Esto ocasiona el deterioro anticipado de la zona de premezcla.

Otra opción que se conoce del estado de la técnica son los sistemas de combustión que utilizan quemadores de difusión, sin premezcla. En ellos el combustible y el comburente se inyectan de forma independiente en la zona de ignición de forma que la mezcla se produce por difusión en el espacio previsto para la combustión. El problema más importante asociado a este tipo de quemadores es que no se puede garantizar una mezcla homogénea de los gases que se queman por lo que los gases de postcombustión obtenidos tampoco son un frente homogéneo.

Del estado de la técnica se conocen quemadores integrados con reformadores. Estos quemadores comprenden un colector para recepción y distribución de una corriente de combustible de arranque, un colector con el que se recibe y distribuye una corriente de gas de oxidación y un colector para la recepción y distribución de una corriente de combustible del quemador, y cada uno de estos colectores comprende una pluralidad de tubos de distribución. La salida de los tubos de distribución del combustible del quemador se introduce en la entrada de los tubos de distribución del oxidante. Por otra parte los tubos de distribución del combustible de arranque comprenden una o más aberturas asociadas con al menos una porción de los tubos de distribución de combustible del quemador. Generalmente estos quemadores emplean gas natural y no contemplan el uso de combustibles líquidos.

También se han descrito procedimientos para preparar una mezcla de gases que comprenden hidrógeno y monóxido de carbono mediante una oxidación parcial de una alimentación de hidrocarbonos empleando un quemador. Para ello el quemador comprende una pluralidad de orificios y está provisto de unos tubos coaxiales en las que el hidrocarbono fluye hacia el quemador. Dicho quemador comprende un conducto que separa los tubos por los que circula el hidrocarbono de unos tubos por los que fluye un gas de oxidación y a través del que circula un gas moderador.

Sin embargo, ninguno de los documentos conocidos hasta la fecha describe quemadores capaces de proporcionar un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto es especialmente importante cuando el quemador se va a integrar con otros elementos de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, como por ejemplo un reformador.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un quemador para ser integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que alimenta a una pila de combustible. El quemador propuesto utiliza como combustible bioetanol líquido en la etapa de arranque, y residuo anódico de la pila de combustible (que es una corriente de gas formada básicamente por H2, CH4, CO2 y H2O) durante la etapa de funcionamiento normal.

En caso de que el empleo de residuo anódico no sea suficiente para obtener la energía necesaria en el quemador, se emplea durante la etapa de funcionamiento normal un aporte extra de bioetanol líquido, que al mezclarse con el residuo anódico se evapora (debido a que el residuo anódico se introduce a una elevada temperatura) para ser empleado como combustible gaseoso.

Como comburente se emplea residuo catódico de la pila de combustible (que es una corriente de gases formada esencialmente por O2 y H2O) que preferiblemente se mezcla con gases de postcombustión recirculados para diluir la concentración en O2 antes de introducir el residuo catódico al quemador. Esto permite disminuir la temperatura de la llama adiabática (la llama que se produce al mezclar el comburente con el combustible) hasta niveles necesarios para poder ser soportados por los materiales de construcción del quemador.

Durante el arranque del quemador, cuando todavía no se dispone de residuo anódico de la pila de combustible, se utiliza como combustible O2 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados. En la etapa inicial del arranque no se dispone todavía de gases de postcombustión recirculados y el O2 puro se mezcla con CO2. Dicho CO2 está presente en las líneas del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes porque queda remanente tras haber realizado una purga antes de llevar a cabo este prearranque.

Una ventaja muy importante del quemador de la presente invención es que los productos que se obtienen al quemar el combustible con el comburente son sustancias solubles en agua. Esta ventaja es importante para aquellas aplicaciones que requieran de un método alternativo de evacuación de gases que no sea la expulsión a la atmósfera.

El quemador propuesto permite procesar al mismo tiempo el residuo anódico y el residuo catódico de la pila de combustible integrada con el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado.

La presente invención describe un quemador que produce una mezcla homogénea de combustible y comburente para producir una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto permite obtener una distribución de temperaturas uniforme en cualquier punto del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. En un ejemplo de realización en el que se dispone de una unidad de reformado con el quemador descrito y un reformador integrado con él, la diferencia entre la mayor temperatura y la menor temperatura en el reformador es menor que un 10% de la temperatura media de funcionamiento del reformador. Preferiblemente la diferencia de temperaturas es menor que un 5% de dicha temperatura media.

El quemador comprende un conducto de entrada de combustible y comburente que se divide en una primera sección y en una segunda sección. En la primera sección el conducto de entrada de combustible y comburente comprende un tubo interior para el paso de un combustible líquido y un tubo exterior, para entrada de un combustible gaseoso.

En la segunda sección se dispone una placa de distribución de combustible en la que hay un atomizador situado en el centro de la placa y unas entradas de combustible gaseoso, y a lo largo del conducto de entrada en esta segunda sección se disponen unos orificios primarios (entrada primaria) a través de las que se introduce comburente en el conducto de entrada.

Asimismo el quemador comprende una tercera sección, con una placa de distribución de comburente con unos orificios secundarios que conforman una entrada secundaria para entrada de comburente. La placa de distribución de comburente está unida al conducto de entrada al final de la segunda sección y a una manga por la que circula la mezcla de combustible y comburente. En el extremo de la manga se disponen unos orificios terciarios (entrada terciaria) destinada al paso de gases de postcombustión recirculados para refrigeración en el extremo de la manga.

El extremo de la manga encaja en un tubo concéntrico que es parte de una cámara de combustión del quemador. Dicha cámara de combustión que dispone de una camisa envolvente por la que circulan gases de postcombustión para reducir la temperatura superficial de dicha cámara de combustión.

En una realización preferente de la invención el combustible líquido es bioetanol líquido y el combustible gaseoso es residuo anódico de la pila de combustible a la que se une el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. Como se ha descrito anteriormente, el combustible líquido se emplea en las etapas de arranque del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes ya que en ese momento no se ha generado todavía residuo anódico en la pila de combustible para poder emplearlo como combustible.

En caso de que durante el funcionamiento del quemador no se consiga suficiente energía utilizando el residuo anódico como combustible líquido se puede realizar un aporte de bioetanol líquido, que...

1. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, integrado con una pila de combustible que genera un residuo anódico y un residuo catódico, está caracterizado por que los gases de postcombustión que se producen son solubles en agua y comprende esencialmente un conducto de entrada (1) de comburente y combustible, una manga (13) , y está unido por la manga (13) a una cámara de combustión (15) y se divide en:

-una primera sección en el conducto de entrada (1) que comprende un tubo interior (2) por el que se introduce combustible líquido (A) y un tubo exterior (3) , concéntrico al tubo interior (2) y de mayor diámetro, por el que se introduce combustible gaseoso (B) ;

-una segunda sección en el conducto de entrada (1) adyacente a la primera sección, que comprende una placa de distribución de combustible (7) que dispone de un atomizador (6) en el centro y que está conectado al tubo interior (2) , y alrededor del atomizador (6) hay unos primeros orificios (10) conectados con el tubo exterior (3) ; y en el conducto de entrada (1) se disponen radialmente unos orificios primarios (12) , destinadas al paso de comburente (D) ;

-una tercera sección, adyacente a la segunda sección, que comprende una placa de distribución de comburente (8) de mayor diámetro que la primera placa de distribución (7) y que dispone de una pluralidad de orificios secundarios (11) destinadas al paso de comburente (D) ; una manga (13) que comprende unos orificios terciarios (14) destinados al paso de gases de postcombustión (E) ; está conectado a la segunda sección a través de la segunda placa de distribución de comburente (8) y de la cámara intermedia (9) ;

y la cámara de combustión (15) a la que está conectado el quemador está rodeada de doble camisa para la recirculación de gases de postcombustión recirculados destinados a refrigeración del exterior de la cámara de combustión (15) .

2. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el tubo interior (2) comprende un primer tubo (2.1) , situado en la parte central, a través del que circula combustible líquido (A) hasta el atomizador (6) , y un segundo tubo (2.2) , concéntrico al primer tubo (2.1) y de mayor tamaño que él, a través de la circula gas atomizador (C) hasta el atomizador (6) .

3. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el atomizador (6) comprende una boquilla (20) de rociado con unos primeros orificios del atomizador (21) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2) que confieren al flujo de combustible líquido (A) una rotación en sentido horario y unos segundos orificios del atomizador (22) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2) que confieren al gas atomizador (C) una rotación anti horaria.

4. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una entrada auxiliar conectada al tubo exterior (3) destinada al paso de combustible líquido.

5. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una carcasa de aislamiento del quemador que comprende una entrada de residuo anódico frío destinada al paso del residuo anódico que proviene de la pila de combustible, comprende una entrada de residuo anódico caliente destinada al paso de residuo anódico después de haberse recirculado para refrigerar algún componente del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes con el que está integrado el quemador y una entrada de comburente destinada al paso de comburente.

6. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 5 caracterizado porque la carcasa comprende adicionalmente una entrada auxiliar destinada al paso de combustible líquido.

7. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque está integrado con un reactor de reformado de hidrocarburos y alcoholes constituyendo un módulo compacto.

8. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 7 caracterizado porque el reformador es multitubular.

9. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 8 caracterizado porque los gases de postcombustión del quemador se recirculan alrededor de los tubos del reformador.

10. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las 5 reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible líquido es bioetanol.

11. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible gaseoso está seleccionado entre residuo anódico de la pila de combustible, y una mezcla de residuo anódico con bioetanol líquido.

12. Quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el comburente es uno seleccionado entre una mezcla de residuo catódico de la pila de combustible con gases de postcombustión recirculados, O2 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados u O2 puro mezclado con CO2.

13. Uso del quemador integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes descrito en las reivindicaciones 1 a 12 en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes de un submarino.