Sistema de procesamiento de gas de escape y de recuperación de calor.

Un método de extraer calor adicional de una corriente de gas de humo FG1 que tiene material acídico y partículasde gas de humo utilizando un precalentador de aire (250) que tiene una entrada de gas de humo (253),

una salidade gas de humo (254) y una pluralidad de superficies de intercambio de calor (542), cuyo método comprende lospasos de:

a. recibir una corriente de gas de humo FG1 en la entrada de gas de humo (253) del precalentador de aire (250);

b. calcular un caudal másico de material ácido que pasa en los gases de humo FG1;

c. calcular un caudal másico de partículas alcalinas (275) a inyectar en la corriente de gas de humo FG1 paraneutralizar el material acídico;

d. inyectar las partículas alcalinas (275) con una distribución de tamaños de partículas calculados al caudal másicocalculado en la corriente de gas de humo aguas arriba del precalentador de aire (250) en un lugar que permita unmezclado apropiado de las partículas alcalinas con el gas de humo antes de la entrada en el precalentador de aire;

e. calcular un grado de acumulación de partículas de gas de humo;

f. basándose en el grado de acumulación calculado de las partículas de gas de humo (275), ajustar al menos uno deentre:

i. un caudal másico al cual se inyectan las partículas alcalinas en los gases de humo;

ii. una distribución de tamaños de las partículas alcalinas (275) que se inyectan en los gases de humo de talmanera que:

se inyecte un mayor porcentaje relativo de partículas grandes cuando la caída de presión sea más alta queun umbral predeterminado para hacer que un mayor número de partículas alcalinas (275) contacten con loselementos de intercambio de calor (542) y se adhieran a ellos, y neutralicen el material acídico que secondensa sobre estos elementos (542), y

se inyecte un pequeño porcentaje relativo de partículas grandes cuando la caída de presión sea inferior aun umbral predeterminado

g. en donde las partículas alcalinas inyectadas actúan para reducir la acumulación de las partículas de gas de humosobre los elementos de intercambio de calor (542), reducir el ensuciamiento y la corrosión de las superficies detransferencia de calor y los componentes internos del precalentador de aire (250), y aumentar la eficiencia térmicadel precalentador de aire (250).

Sistema de procesamiento de gas de escape y de recuperación de calor.

Antecedentes

1. Campo de la invención

Esta invención se refiere en general a un sistema y un método de procesamiento de gas de escape y de recuperación de calor (EPHR) para uso con hornos que queman combustible fósil. Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema EPHR en el que se introducen partículas alcalinas en una corriente de gas de humo para permitir una extracción adicional de calor y reducir el ensuciamiento del equipo precalentador de aire.

2. Discusión de la técnica anterior relacionada

Muchos sistemas de generación de energía son accionados por vapor que se genera en hornos que queman combustibles fósiles, tales como, por ejemplo, carbón o petróleo. El documento GB2017601 define su invención como un método para proteger un equipo auxiliar aguas abajo de una unidad de combustión, tal como, entre otros, un intercambiador de calor, tratando los gases de escape procedentes de dicha unidad de combustión y los documentos JP2005029816 y JP62244424 discuten la neutralización de humos utilizando partículas alcalinas en un equipo con presencia de medios intercambiadores de calor en el sentido de la presente solicitud. En el diagrama mostrado en la figura 1A se ilustra en general un sistema típico de generación de energía. La figura 1A muestra un sistema de generación de energía 10 que incluye un sistema de generación de vapor 25 y un sistema de procesamiento de gas de escape y de recuperación de calor (EPHRS) 15 y una chimenea de escape 90. El sistema de generación de vapor 25 incluye un horno 26. El EPHRS 15 puede incluir un precalentador de aire regenerativo 50, un sistema de retirada de partículas 70 y un sistema restregador 80. Está previsto un ventilador 60 de tiro forzado (FD) para introducir aire en el lado frío del precalentador de aire 50 a través de la entrada 51. El sistema de retirada de partículas 70 puede incluir, por ejemplo, un precipitador electrostático (ESP) y un sistema de filtro de tela (cámara de bolsas o similar. El sistema restregador 80 puede incluir, por ejemplo, sistemas de desulfuración de gas de humo en húmedo o en seco (WFGD/DFGD) .

El precalentador de aire regenerativo 50 ayuda a aumentar la eficiencia térmica del horno 26, reduciendo así sus costes operativos y las emisiones de gases con efecto invernadero. Un precalentador de aire 50 es un dispositivo diseñado para calentar aire antes de que sea introducido en otro proceso, tal como, por ejemplo, la cámara de combustión de un horno 26. Hay diferentes tipos de precalentadores de aire regenerativos, incluyendo los que comprenden elementos de intercambio de calor móviles o rotativos, tal como, por ejemplo, el precalentador de aire Ljungstrom®. Otros precalentadores de aire regenerativos utilizan elementos de intercambio de calor fijos y/o campanas o conductos internamente rotativos que se fijan a conductos de aire y/o gas rígidos.

La figura 1B y la figura 1C son diagramas que ilustran en general un precalentador regenerativo rotativo convencional 50. El precalentador de aire típico 50 tiene un rotor 512 montado de forma rotativa en un alojamiento 524. El rotor 512 está formado por diafragmas o tabiques 516 que se extienden radialmente desde un poste de rotor 518 hasta la periferia exterior del rotor 512.

Los tabiques 516 definen compartimientos 520 entre ellos. Estos tabiques 516 contienen conjuntos de cesto 522 de elementos de intercambio de calor. Cada conjunto de cesto 522 incluye una o más láminas especialmente conformadas de superficies de transferencia de calor que se denominan también elementos de intercambio de calor

542. El área específica de los elementos de intercambio de calor 542 es significativa, típicamente del orden de varios millares de pies cuadrados.

En un precalentador de aire regenerativo rotativo típico 50 la corriente de gas de humo FG1 y la corriente de aire de combustión A1 entran en el rotor 512 desde extremos/lados opuestos del precalentador de aire 50 y pasan en direcciones opuestas sobre los elementos de intercambio de calor 542 que están alojados dentro de los conjuntos de cesto 522. En consecuencia, la entrada de aire frío 51 y la salida de gas de humo enfriado 54 están en un extremo del precalentador de aire 50 (denominado generalmente extremo frío 544) y la entrada de gas de humo caliente 53 y la salida de aire calentado 52 están en el extremo opuesto del precalentador de aire 50 (denominado generalmente extremo caliente 546) . Unas placas de sector 536 se extienden a través del alojamiento 524 junto a las caras superior e inferior del rotor 512. Las placas de sector 536 dividen el precalentador de aire 50 en un sector de aire 538 y un sector de gas de humo 540.

Las flechas mostradas en la figura 1B y la figura 1C indican la dirección de la corriente de gas de humo FG1/FG2 y la corriente de aire A1/A2 a través del rotor 512. La corriente de gas de humo FG1 que entra por la entrada de gas de humo 53 transfiere calor a los elementos de intercambio de calor 542 de los conjuntos de cesto 522 montados en los compartimientos 520 posicionados en el sector de gas de humo 540. Los conjuntos de cesto calentados 522 son hechos girar después hasta el sector de aire 538 del precalentador de aire 50. El calor almacenado del conjunto de cesto 522 es transferido luego a la corriente de aire A1 que entra por la entrada de aire 51. La corriente de gas de humo frío FG2 sale del precalentador 50 por la salida de gas de humo 54 y la corriente de aire calentado A2 sale del

precalentador 50 por la salida de aire 52.

Haciendo referencia nuevamente a la figura 1A, el precalentador de aire 50 calienta el aire introducido a través del ventilador FD 60. El gas de humo (FG1) emitido desde la cámara de combustión del horno 26 es recibido por el precalentador de aire a través de la entrada 53. Se recupera calor del gas de humo (FG1) y se le trasfiere al aire de entrada (A1) . El aire calentador (A2) es alimentado a la cámara de combustión del horno 26 para aumentar la eficiencia térmica de dicho horno 26.

Durante el proceso de combustión en el horno 26 se oxida el azufre del combustible utilizado para alimentar el horno 26 dando dióxido de azufre (SO2) . Después del proceso de combustión se oxida adicionalmente cierta cantidad de SO2 para proporcionar trióxido de azufre (SO3) , convirtiéndose cantidades típicas del orden de 1% a 2% en SO3. El SO2 y el SO3 serán descargados de la cámara de combustión del horno 26 e ingresados en el humo de escape como parte del gas de humo FG1, el cual es emitido luego desde el sistema de regeneración de vapor 25 y recibido por la entrada 53 del precalentador de aire 50. La presencia de óxido de hierro, vanadio y otros metales en el rango de temperatura apropiado permite que tenga lugar esta oxidación. Es también ampliamente conocida una reducción catalítica selectiva (SCR) para oxidar una porción del SO2 del gas de humo FG1 dando SO3.

A medida que se va recuperando/extrayendo calor del gas de humo FG1 por el precalentador de aire, se reduce la temperatura del gas de humo FG1. Es deseable retirar la máxima cantidad de calor del gas de humo y trasferirla al aire calentado que va al horno o a los molinos pulverizadores de combustible para optimizar la eficiencia térmica de la planta energética. La estación de calor adicional permite el diseño/uso de equipos de recogida de partículas, equipos de limpieza gaseosa, conductos y chimeneas aguas abajo de la salida de gas de humo, los cuales se calibran para rangos de temperatura más bajos y caudales volumétricos reducidos. La calibración para temperaturas más bajas y el caudal más reducido significan que se pueden materializar tremendos ahorros de costes al no tener que proporcionar equipos capaces de aguantar temperaturas más altas y caudales más grandes. Sin embargo, el menor rango de temperatura del gas de humo puede dar como resultado una condensación excesiva de vapor de trióxido de azufre (SO3) o de ácido sulfúrico (H2SO4) que pueda estar presente en el gas de humo. Como resultado, se puede acumular ácido sulfúrico sobre superficies de los elementos de intercambio de calor 522 del precalentador de aire 50. La ceniza volante contenida en la corriente de gas de humo puede ser recogida por el ácido condensado que esté presente en las superficies de transferencia de calor. Este ácido hace que la ceniza volante se pegue más fuertemente a las superficies. Este proceso de “ensuciamiento” dificulta el flujo de aire y de gas de humo a través del precalentador de calor, dando como resultado una caída de presión incrementada a través del precalentador de aire más una menor efectividad de transferencia de calor.

Después... [Seguir leyendo]

1. Un método de extraer calor adicional de una corriente de gas de humo FG1 que tiene material acídico y partículas de gas de humo utilizando un precalentador de aire (250) que tiene una entrada de gas de humo (253) , una salida de gas de humo (254) y una pluralidad de superficies de intercambio de calor (542) , cuyo método comprende los pasos de:

a. recibir una corriente de gas de humo FG1 en la entrada de gas de humo (253) del precalentador de aire (250) ;

b. calcular un caudal másico de material ácido que pasa en los gases de humo FG1;

c. calcular un caudal másico de partículas alcalinas (275) a inyectar en la corriente de gas de humo FG1 para neutralizar el material acídico;

d. inyectar las partículas alcalinas (275) con una distribución de tamaños de partículas calculados al caudal másico calculado en la corriente de gas de humo aguas arriba del precalentador de aire (250) en un lugar que permita un mezclado apropiado de las partículas alcalinas con el gas de humo antes de la entrada en el precalentador de aire;

e. calcular un grado de acumulación de partículas de gas de humo;

f. basándose en el grado de acumulación calculado de las partículas de gas de humo (275) , ajustar al menos uno de entre:

i. un caudal másico al cual se inyectan las partículas alcalinas en los gases de humo;

ii. una distribución de tamaños de las partículas alcalinas (275) que se inyectan en los gases de humo de tal manera que:

se inyecte un mayor porcentaje relativo de partículas grandes cuando la caída de presión sea más alta que un umbral predeterminado para hacer que un mayor número de partículas alcalinas (275) contacten con los elementos de intercambio de calor (542) y se adhieran a ellos, y neutralicen el material acídico que se condensa sobre estos elementos (542) , y

se inyecte un pequeño porcentaje relativo de partículas grandes cuando la caída de presión sea inferior a un umbral predeterminado g. en donde las partículas alcalinas inyectadas actúan para reducir la acumulación de las partículas de gas de humo sobre los elementos de intercambio de calor (542) , reducir el ensuciamiento y la corrosión de las superficies de transferencia de calor y los componentes internos del precalentador de aire (250) , y aumentar la eficiencia térmica del precalentador de aire (250) .

2. El método de la reivindicación 1, en el que las partículas alcalinas pequeñas tienen un diámetro de 1 a 150 micrómetros.

3. El método de la reivindicación 1, en el que las partículas alcalinas grandes tienen un diámetro de 150 a 250 micrómetros.

4. El método de la reivindicación 1, en el que el paso de ajustar una distribución de tamaños de las partículas alcalinas (275) comprende el paso de:

ajustar una distribución de tamaños de las partículas alcalinas (275) controlando el funcionamiento de un pulverización (277) para producir la cantidad requerida en masa de material alcalino, y dimensionar el material alcalino con la distribución deseada.

5. El método de la reivindicación 1, en el que paso de calcular un grado de acumulación de partículas de gas de humo comprende los pasos de:

a. medir una caída de presión a través del precalentador de aire (250) desde la entrada de gas de humo (253) hasta la salida de gas de humo (254) ;

b. comparar la caída de presión medida con al menos un umbral predeterminado para dar como resultado un grado de acumulación de partículas de gas de humo.

6. El método de la reivindicación 1, en el que el precalentador de aire (250) es un precalentador de aire rotativo que tiene un rotor que es hecho girar por un motor accionado por una corriente eléctrica I de voltaje variable V, y el paso de calcular un grado de acumulación de partículas de gas de humo comprende los pasos de:

a. medir el voltaje V y la corriente eléctrica I;

b. comparar la corriente medida al voltaje medido con una corriente predeterminada para el mismo voltaje a fin de determinar una diferencia de corriente;

c. comparar la diferencia de corriente con información de conversión prealmacenada para determinar un grado de 5 acumulación de partículas de gas de humo.

7. Un sistema de procesamiento de gas de escape y de recuperación de calor (EPHR) (215) para recuperar más eficientemente calor de un horno (26) que produce gases de humo calentados FG1 que tienen vapores de ácido y partículas de gas de humo arrastradas, cuyo sistema comprende:

a. un precalentador de aire (250) acoplado a dicho horno (26) , teniendo el precalentador de aire (250) :

una entrada de gas de humo (253) adaptada para recibir dichos gases de humo FG1, una pluralidad de placas de intercambio de calor (542) para extraer calor de humo; y una salida de gas de humo (254) para descargar los gases de humo FG2 después de que hayan pasado sobre las placas de intercambio de calor (542) ;

b. unos sensores de gas de humo (310) para vigilar las condiciones físicas y químicas dentro de los gases de humo;

c. unos sensores de caída de presión (301, 303) adaptados para medir la caída de presión desde la entrada (253) del precalentador de aire hasta la salida (254) de dicho precalentador de aire;

d. un sistema de inyección alcalina (276) , que responde a señales de control procedentes de otro dispositivo, para introducir, al ser activado, partículas alcalinas (275) en los gases de humo FG1 aguas arriba de un precalentador de aire (250) ; y

e. un controlador PLC 305 adaptado para:

calcular un caudal másico de partículas alcalinas (275) en base a las condiciones detectadas del gas de humo; y

controlar el sistema de inyección alcalina (276) para ajustar una razón relativa de partículas pequeñas a partículas grandes de las partículas alcalinas (275) en base a la caída de presión medida desde la entrada 25 de gas de humo (253) hasta la salida de gas de humo (254) ; e inyectar el caudal másico calculado de partículas alcalinas (275) que tiene la razón relativa ajustada de partículas pequeñas a partículas grandes para neutralizar los materiales acídicos presentes en los gases de humo.

8. El sistema EPHR de la reivindicación 7, en el que los sensores de gas de humo (310) incluyen al menos uno de 30 entre:

a. un sensor de caudal adaptado para medir el caudal másico de los gases de humo;

b. un sensor de partículas adaptado para medir la concentración de partículas de gas de humo en los gases de humo; y

c. un sensor de muestreo adaptado para medir al menos un parámetro químico de las partículas de gas de humo 35 presentes en los gases de humo.

9. El sistema EPHR (215) de la reivindicación 7, en el que el controlador PLC (305) está adaptado, además, para calcular un caudal másico de partículas alcalina en base a:

el caudal másico de los gases de humo, el contenido de humedad del gas de humo, la concentración de material acídico, la concentración de partículas de gas de humo y la composición química detectada de las partículas de gas 40 de humo.

10. El sistema EPHR (215) de la reivindicación 7, en el que el sistema de inyección alcalina (276) está configurado para introducir partículas alcalinas (275) que tienen un rango de tamaños.

11. El sistema EPHR (215) de la reivindicación 7, en el que el precalentador de aire (250) comprende una salida auxiliar para entregar una segunda corriente de aire calentado.

12. El sistema EPHR (215) de la reivindicación 7, en el que el precalentador de aire (250) comprende además: una segunda entrada (256) para recibir una entrada de aire auxiliar.

13. Un sistema de horno eficiente de bajo coste que tiene:

a. un horno de combustible fósil (26) que produce gases de humo calentados;

b. un precalentador de aire (250) acoplado al horno (26) y adaptado para:

recibir los gases de humo calentados,

neutralizar ácidos en los gases de humo calentados,

extraer aire de combustión calentado para el horno (26) ,

extraer aire calentado adicional para utilizarlo en otro sitio del sistema,

reducir la temperatura del gas de humo por debajo de un punto de rocío de ácido de gas de humo,

reducir el volumen de gases de humo que salen del precalentador (250) ; y

c. un equipo de procesamiento de gas de humo acoplado al precalentador de aire (250) y aguas abajo del mismo, que es más compacto y menos costoso que los equipos utilizados en sistemas que no tienen precalentadores de aire (250) que neutralicen los ácidos del gas de humo.