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CENTRALES TÉRMICAS. SISTEMAS DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO ISMAEL PRIETO

INDICE 1

SISTEMAS DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO

ÍNDICE DE MATERIAS

1. INTRODUCCIÓN. PLANTEAMIENTO MEDIOAMIBIENTAL . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. CALDERAS DE LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.1. PROCESO DE FLUIDIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2. CURVAS DE FLUIDIZACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5. DESULFURACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

6. FORMACIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

7. TEMPERATURA DEL LECHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

8. COMPOSICIÓN Y PROFUNDIDAD DEL LECHO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

9. EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

10. TIPOS DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1410.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓN . . . . . 1410.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

11. VENTAJAS DEL LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

12. NOMENCLATURAS UTILIZADAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

12. CALDERAS DE LECHO FLUIDO BURBUJEANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1712.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1712.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Y DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

13. CALDERAS DE LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2313.1. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . 2313.2. VENTAJAS Y DESCRIPCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2413.3. HOGAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613.4. CICLÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.5. VÁLVULA “J” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.6. SEPARADORES-ENFRIADORES DE LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . 3013.7. OTRAS CARACTERÍSTICAS DESTACABLES DE


INDICE 2

LA CALDERA DE LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . 3113.8. ZONA DE RECUPERACIÓN DE CALOR (ZRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3413.9. INTREX (SOBRECALENTADOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

14. SISTEMAS DE LECHO FLUIDO A PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3514.1. EL PROCESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4014.2. LECHO FLUIDO PRESURIZADO DE SEGUNDA GENERACIÓN . . . . 41


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1. INTRODUCCIÓN. PLANTEAMIENTO MEDIOAMIBIENTALCon el progreso, el desarrollo industrial, y el aumento del nivel de vida en todos los

países, se han ido incrementando también, de forma alarmante, los riesgos para el medioambiente.

La política ambiental, iniciada tras la Conferencia de Estocolmo de Diciembre, 1972, seha convertido hoy en día en una de las más importantes de la Comunidad Europea. En el marcode esta política, la legislación atmosférica comunitaria pretende un doble objetivo:

1. Reducir la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera.2. Utilizar de manera más eficaz la energía.Dentro de la reducción de emisión de contaminantes interesa, además de la de las cenizas

volantes, la reducción progresiva de las emisiones de SO2 y óxidos de nitrógeno.En una fase posterior se contempla la reducción de las emisiones de anhídrido carbónico

(CO2) para atenuar el efecto invernadero, y más adelante se prevén limitaciones sobre los CFC,óxido nitroso (N2O), ozono (O3), metano (CH4), hidrocarburos y otros oxidantes fotoquímicos,así como también sobre los compuestos orgánico-volátiles y el amoníaco.

Las fuentes de contaminación atmosférica son muy variadas: automoción, incendiosforestales, industria en general, usos agrícolas y domésticos, etc. Sin embargo, son las centralestérmicas, por su volumen, crecimiento y fácil identificación, sobre las que se han centrado losprincipales esfuerzos correctores en lo que a emisiones gaseosas se refiere. Dentro de estecampo, el mercado está en condiciones de ofrecer una variada serie de productos, todos ellosfruto de muchos años de investigación y avalados por una larga experiencia, que permitirán a losusuarios afrontar con éxito el reto que supone el cumplimiento de una normativa medioambiental cada vez más estricta. Entre otros, citaremos como más representativos los siguientes:

Quemadores de baja producción de NOXPrecipitadores electrostáticosSistemas de desulfuraciónCalderas de lecho fluido

A continuación citaremos brevemente cada uno de esos productos, centrándonos en lascalderas de lecho fluido que son objeto de este texto.

Los quemadores de baja formación de NOX, constituyen la evolución natural de losquemadores horizontales de llama turbulenta, que equipan las calderas de carbón pulverizadode fuegos horizontales desde hace más de cincuenta años. Este tipo de quemadores, que se instalaya de diseño en las calderas actuales, se caracterizan por conseguir una combustión estable amenor temperatura que en los quemadores convencionales y con una primera fase que mantienecondiciones reductoras, reduciéndose por tanto la formación de óxidos de nitrógeno (NOX) deorigen térmico y también el de oxidación del nitrógeno del combustible.

Esto se consigue, estratificando la combustión mediante boquillas ajustables, anulareso partidas, y doble registro de aire secundario.

Con estos quemadores es posible equipar una caldera sustituyendo fácilmente a losquemadores convencionales, durante una parada de mantenimiento. La reducción esperada enlas emisiones de NOX con estos quemadores puede superar incluso el 60 %.

Obtener una concentración de polvo (cenizas volantes) en los humos de combustión en


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chimenea, inferior a 50 mg/m3N, quemando combustibles sólidos es, hoy día, un objetivoperfectamente alcanzable gracias al desarrollo de los precipitadores electrostáticos. En ellos,se ionizan los gases productos de la combustión, merced al campo eléctrico creado entre unsistema de electrodos emisores cargados negativamente, y otro de placas colectoras, cargadaspositivamente y conectadas a tierra. Los humos de combustión circulan a baja velocidad (no másde 1 m/s) a través de un sistema de espacios entre las placas colectoras entre las cuales estánsituados los electrodos emisores. Debido al campo eléctrico, las partículas de polvo se cargannegativamente y emigran hacia las placas, donde se depositan y pierden la carga.

En la actualidad son frecuentes precipitadores electrostáticos con 5 o más camposeléctricos en serie, con placas de más de 14 m de altura, consiguiéndose rendimientos deeliminación de polvo superiores al 99,9 %,

Los primeros sistemas de desulfuración de humos en centrales térmicas empezaron afuncionar en los años 70, con un fuerte incremento en la década de los 80 (USA, Alemania),registrándose en la actualidad más de 1000 unidades en más de 40 países en todo el mundo.

En España, en una primera fase, están instaladas una unidad de este tipo en la CentralTérmica de Teruel y otra en la Central Térmica de Compostilla.

El sistema más utilizado es el sistema húmedo caliza-yeso, con torre de lavado-absorciónúnica y oxidación forzada.

Este sistema compite con éxito frente a otros procesos por vía seca o semiseca y cicloscompuestos. Debido a su gran sencillez, fiabilidad, alto rendimiento de desulfuración (porencima del 90 %) y la total ausencia de efluentes líquidos. Únicamente se produce yeso, bien decalidad comercial, para la construcción, o apropiado para mezclado con cenizas volantes yutilizarlo en trabajos de restauración de terrenos degradados.

2. CALDERAS DE LECHO FLUIDOLa combustión en lecho fluido (CLF), aunque conocida desde hace tiempo, solo se ha

aplicado a la producción de vapor en las últimas tres décadas, desarrollándose dos familias delechos, según que la combustión tenga lugar a presión atmosférica (lecho fluido burbujeante ylecho fluido circulante) o a presión superior a la atmosférica (lecho fluido presurizado, ya en lasegunda generación).

El resultado es una gama completa de calderas de lecho fluido probadas, fiables yeficientes, que compite con éxito frente a otras tecnologías.

En las calderas de lecho fluido, la combustión se produce de forma controlada en todoel hogar y sistema de recirculación (ciclones) de forma que el tiempo de residencia de laspartículas en ignición es muy superior al de las calderas convencionales de carbón pulverizado,con temperaturas que no suelen superar los 850 ºC, mucho más bajas que las que se dan en elinterior del hogar de las calderas convencionales. Al no alcanzarse las temperaturas deablandamiento y fusión de cenizas, no se producen fenómenos de formación de escorias en elhogar.

Esto permite la utilización de combustibles pobres de bajo poder calorífico y asegura unagran flexibilidad desde el punto de vista de utilización de otros combustibles distintos del dediseño.

Además, la temperatura de combustión se encuentra por debajo de la de formación deóxidos de nitrógeno de origen térmico, lo que limita la producción de este agente contaminante,conocido como NOX que es uno de los responsables de la lluvia ácida.

En el proceso de combustión, el azufre presente en el combustible se oxida para producirSO2, que en las calderas convencionales se escapa con los humos, siendo otro de los gases


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culpables del fenómeno de la lluvia ácida.En este tipo de calderas, el SO2 se combina en la propia caldera con un sorbente,

generalmente caliza, para producir yeso, que se elimina con las cenizas, no siendo necesario, portanto, añadir una instalación de desulfuración de gases para cumplir con la normativa, comoocurre con las calderas convencionales. En consecuencia, los valores de emisión de agentescontaminantes atmosféricos (SO2, NOX, y polvo) garantizados son inferiores a los exigidos. Estaes la tecnología en la que vamos a centrar, por su actualidad e interés, el contenido de este texto.

Expuesto lo anterior, podemos afirmar que, actualmente, los combustibles sólidos(carbón, residuos, coque de petróleo, etc) constituyen en todo el mundo una fuente de energíasegura, fiable y relativamente abundante.

Actualmente se dispone de la tecnología y experiencia necesarias para poder asegurar lautilización de estas fuentes de energía de forma eficiente y respetuosa con el medio ambiente.

A continuación se tratarán los principios básicos de los procesos de la fluidización,combustión en lecho fluido y captura de azufre. Se analiza lo que éstos significan en lasaplicaciones de la CLF atmosférico o de baja presión, en lecho burbujeante o circulante y paralos diferentes rangos y calidades del carbón. El análisis concluye con la descripción del procesoy sus aplicaciones en caso de generadores de vapor de gran tamaño. Se exponen brevemente loscriterios propios del diseño de grandes unidades.

3. FUNDAMENTOS DE FLUIDIZACIÓNLa normativa medio-ambiental, cada vez más estricta, en el sector de la generación de

energía va marginando importantes recursos de combustibles, debido a su alto contenido enazufre, o creando cantidades considerables de rechazos de lavadero que son inutilizables segúnlos métodos clásicos, como la combustión en calderas de carbón pulverizado. La Combustiónen Lecho Fluido (CLF) de combustibles sólidos triturados es una alternativa en auge en todo elmundo, dada su capacidad para la reducción "in situ" de los óxidos de azufre y para quemarcombustibles pobres sin el apoyo de hidrocarburos.

La combustión en lecho fluido circulante es una tecnología de uso limpio del carbón queha superado con éxito las etapas de investigación, demostración y desarrollo (I+D+D), y ya seencuentra plenamente disponible y operativa a nivel comercial, hasta tamaños superiores a 250MWe y mayores. Sin embargo, hoy día existe una demanda creciente por parte de las empresasde generación eléctrica de grupos con potencia unitaria de 300 MWe o incluso superiores.Debido a esta demanda se ha desarrollado el diseño adecuado para satisfacer la misma,considerando, a la vez, la evolución de los requisitos medioambientales que condicionarán, cadavez más, la producción de energía del futuro.

La combustión del carbón (u otros combustibles sólidos) en lecho fluido permite alcanzarfundamentalmente dos objetivos primordiales desde el punto de vista medio-ambiental:

1. Alto grado de retención de azufre en las cenizas, reduciendo las emisiones de óxidosde azufre en un 90 %, o incluso más, en comparación con las unidades convencionalesde carbón pulverizado o de parrilla.2. Baja emisión de óxidos de nitrógeno, aproximadamente la mitad (o menos) que en elcaso de unidades convencionales.Además, las unidades de lecho fluido presentan, entre otras, las siguientes ventajas:1. Admiten combustibles de bajo rango, con alto contenido en cenizas, sin que sea unproblema la presencia de azufre, como se muestra en la Tabla I.2. Tienen gran flexibilidad a la hora de consumir combustibles distintos del de diseño.3. Tienen un buen índice de utilización del sorbente, habitualmente caliza triturada.


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4. Son simples en cuanto a diseño y operación.5. Alcanzan buenas disponibilidades, superiores al 90 %.6. El coste de primera inversión es moderado, y tienen buena eficiencia energética.7. Las necesidades de mantenimiento son bajas.Mantener estas ventajas en todo el rango de potencias disponibles, hasta 250 MWe y más

allá, quemando una amplia gama de combustibles sólidos, desde rechazos de antracita ysemihullas de más de 60 % de cenizas hasta coque de petróleo, exige un diseño depurado quecontemple todos y cada uno de los parámetros críticos del proceso y de la caldera en sí,aprovechando la experiencia adquirida en las distintas unidades en funcionamiento.

Tabla I: Combustibles que pueden quemar las Calderas de Lecho Fluido CirculanteAnálisis Inmediato

Combustible Hulla Coque dePetróleo

80% Coque +20% TDF

Escombrerasde Antracita

Escombrerasde Hulla

TDF

Carbono Fijo 39,79-52,07 83,93 73,91 22,02 16,8 22,0Volátiles 30,0-35,27 9,83 17,66 6,84 15,4 63,1Cenizas 5,84-12,0 0,67 1,75 70,05 61,3 12,3Humedad 6,00-16,97 5,58 6,69 1,09 6,5 2,6

Análisis ElementalCombustible Hulla Coque de

Petróleo80% Coque +

20% TDFEscombrerasde Antracita

Escombrerasde Hulla

TDF

Azufre (%) 0,9 - 3,27 5.52 4.57 0.34 0,8 1,3Hidrógeno % 4,25 - 4,98 3.34 3.70 1.07 2,1 6,4Carbono (%) 59,03 - 73,72 83.10 81.02 21.95 21,1 72,2Nitrógeno % 1,00 - 1,6 1.51 1.55 0.60 0,6 0,3Oxígeno (%) 6,0 - 7,51 0.29 0.73 4.90 7,6 4,8Cenizas (%) 7,97 - 17,0 0.67 1.75 70.05 61,3 12.3Humedad % 6,0 - 16,97 5.58 6.69 1.09 6,5 2,6PCS (kcal/kg) 4500 - 6000 7,887 7,852 1,806 2,088 7,778Tamaño (mm) 12,7 x 0 9,5 x 0 25,4 x 0 4,8 x 0 4,8 x 0 25,4TDF: Combustible Derivado de Neumáticos

3.1. PROCESO DE FLUIDIZACIÓNEl término Fluidización, se emplea para describir un tipo de proceso o fenómeno,

consistente en el contacto entre sólidos (granos) y fluidos, de modo que las partículas sólidasaparecen suspendidas en el fluido, que se mueve a través de lecho formado por dichas partículas,en dirección vertical y sentido ascendente. En el estado descrito el lecho fluido se comporta demodo similar a un líquido.

Imaginemos un cilindro vertical que contiene un lecho poroso formado por un materialgranular, por ejemplo arena, que se encuentra apoyada sobre una placa perforada y por él puedecircular un fluido en sentido ascendente. Cuando la velocidad del fluido es baja, éstesimplemente circula a través de los canales tortuosos formados por la porosidad del lecho, quepermanece fijo. Sea L, la altura del lecho fijo, siendo U, la velocidad de flujo del fluido (medidaen base a la sección transversal total de la columna) de forma que con ella el lecho permanecefijo.

En este caso la pérdida de carga que experimenta el fluido al atravesar el lecho, por efectode la fricción con las partículas sólidas, es proporcional a la velocidad del mismo. ()P = f(U))

Aumentando poco a poco la velocidad del fluido, se llega a un estado en que las


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partículas del lecho comienzan a separarse, aumentando por lo tanto la porosidad del mismo, yalgunas de ellas comienzan a vibrar y a moverse dentro de regiones restringidas. Este estado sedenomina "lecho expandido".

Un nuevo aumento de la velocidad del fluido hace que todas las partículas quedensuspendidas en la corriente ascendente de fluido. Esto significa que la fuerza de arrastreascendente que el fluido ejerce sobre las partículas del lecho equilibra el peso aparente de lasmismas, que ya pueden moverse más o menos libremente. Se considera entonces que comienzael fenómeno de fluidización.

La velocidad del flujo en este momento se conoce como "velocidad de mínimafluidización", (Umf ), y la altura del lecho, "altura de mínima fluidización" (Lmf ).

Considerando un sistema gas-sólidos, con un incremento de la velocidad de flujo porencima de la velocidad de mínima fluidización, se observan inestabilidades como la formaciónde grandes burbujas y canalizaciones del gas. Un mayor aumento del flujo de gas hace que laagitación del lecho sea más violenta y el movimiento del sólido más vigoroso. De cualquiermanera, en estos casos el lecho no se expande mucho más allá de su volumen. Un lecho fluidocon estas características se conoce como un "lecho fluido burbujeante".

Si continuamos aumentando la velocidad de flujo llega un momento en que cada vez esmayor el número de partículas que son arrastradas, pero manteniendo aun propiedades similaresa las del lecho fluido burbujeante, lo que será el “lecho fluido circulante”. Si se sigueaumentando la velocidad, se pasa por una zona de inestabilidad y después todas las partículasson arrastradas del lecho, alcanzándose entonces el "transporte neumático".

Los lechos fluidos presentan una serie de características ventajosas con vistas a suutilización en procesos industriales:

1. Debido a la intensa agitación existente en un lecho gas-sólido, la distribución detemperaturas es mucho más uniforme que en un lecho fijo o móvil, llegando acondiciones casi isotérmicas.2. El tamaño de partículas es de un orden de magnitud menor que en un lecho fijo omóvil, aumentando la superficie de contacto gas-sólido y disminuyendo la resistencia ala difusión de los productos sólidos.3. El carácter de comportamiento similar a un líquido que presenta un lecho fluido haceque sea muy fácil la incorporación o extracción de sólidos.4. La velocidad de transferencia de calor entre el gas y las partículas es mayor que en loslechos fijos.5. Debido a las altas velocidades de transferencia de calor entre las partículas y el gas,los lechos fluidos permiten una más fácil recuperación del calor contenido en los sólidosresiduales.6. Debido a la fuerte agitación que caracteriza a los lechos fluidos, los coeficientes detransferencia de calor entre el lecho y superficies de calefacción son mayores que loscorrespondientes a lechos fijos o móviles.7. La posibilidad de circulación de sólidos entre dos lechos fluidos hace posibletransportar grandes cantidades de calor, que permiten compensar el calor consumido o


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Figura 1: Caída de presión del lecho en función de la velocidad del aire

producido en grandes reactores.

3.2. CURVAS DE FLUIDIZACIÓNSupongamos un lecho de sólidos granulares tal como el mostrado en la figura 1 y

hagamos la experiencia de ir aumentando la velocidad del aire que hacemos pasar a través de él.La relación entre la velocidad superficial del fluido (U) y la caída de presión por fricción

()Pf), que se produce cuando aquél atraviesa un lecho poroso en sentido ascendente, puede serexpresada mediante la ecuación:

)Pf = f(U)

que al ser representada en coordenadas logarítmicas se obtiene el gráfico de la misma figura 1que recibe el nombre de "curva de fluidización".

En la zona AA' el lecho permanece fijo, y log)P aumenta linealmente con la velocidad.En el punto B se alcanza la máxima porosidad posible, estando las partículas aún en contacto.En esta zona el estado del lecho se conoce como "lecho expandido". Si al llegar a B se aumenta

ligeramente la velocidad del gas, las partículas se separan y comienza la fluidización. Al ocurriresto, la caída de presión a través del lecho es frecuente que disminuya ligeramente al pasar elsistema desde B al punto C (las partículas ocupan una posición de menor caída de presión). Apartir de C, si se sigue aumentando la velocidad, las partículas comienzan a moverse cada vezmás intensamente, es decir que aumenta el grado de agitación del lecho, permaneciendo lapérdida de carga sensiblemente constante. En el punto D comienza el transporte por arrastre delas partículas del lecho. Si se continúa aumentando la velocidad del gas, se observará que a partirde allí la )P cae bruscamente, debido a la disminución de la resistencia por la pérdida paulatinadel peso del lecho (se produce una situación inestable variando la situación alternativamente deD a D’). En D' el arrastre del lecho ya es estable, y desde allí al aumentar la velocidad del gasla )P vuelva a aumentar nuevamente (aumento de la caída de presión debida al aumento de lavelocidad).

Si ahora realizamos el experimento al revés, disminuyendo paulatinamente la velocidad


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Figura 2: procesos físico-químicos que tienen lugar en la combustión en lecho fluido

del fluido, los valores obtenidos describirán la trayectoria ED'DCFF’, ocurriendo que AA' estarápor encima de FF', debido a que cuando el lecho retorna a su condición de fijo, las partículas seacomodan de distinta forma.

El punto F, se denomina punto de "mínima fluidización", o de "fluidización incipiente".La velocidad correspondiente a este punto se representa por Umf y es la denominada "velocidadde mínima fluidización".

Las curvas de fluidización son de utilidad para definir y clasificar los tipos lecho fluido.

4. EL PROCESO DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDOLa combustión en lecho fluido comprende entre otros los siguientes procesos:

Fluidización de sólidos, combustión propiamente dicha, transferencia de calor; extracción dematerial agotado, reducción del tamaño de las partículas, emisiones de contaminantes,

calcinación, etc.En un combustor de lecho fluido el combustible se alimenta continuamente al lecho y la

ceniza producida en la combustión se extrae también continuamente, de modo que el volumense mantiene constante. Debido a la rápida mezcla y homogeneización del lecho y la alta eficaciade la combustión, la cantidad de inquemados en el lecho es normalmente baja. El aire esinyectado a través de una parrilla distribuidora, por el fondo del lecho, regulándose la velocidadde fluidización. Los gases de la combustión salen por la parte superior.

Para el control de la temperatura, entre 800 y 900 ºC, se pueden introducir tubosvaporizadores en el lecho, que extraen una gran parte del calor producido en la combustión, loque permite un menor tamaño de las calderas. Este tipo de combustores admite un amplio rangode tamaños de carbón de distintas características así como de posibles residuos combustibles


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disponibles.La combustión en lecho fluido (CLF) puede tener lugar a presión atmosférica o a

sobrepresión (L.F. presurizado). Seguidamente se va a considerar la combustión a presiónatmosférica; y posteriormente, el lecho fluido presurizado.

Cuando se alimenta combustible al lecho, las partículas adquieren alta temperaturarápidamente, debido a su rápido proceso de mezclado y a la buena transmisión de calor que seda en el mismo. El tiempo de residencia de las partículas de carbón en el lecho varía defracciones de minuto a pocos minutos, dependiendo del tipo de combustible y del tamaño de laspartículas. En el proceso de calentamiento se desprenderá primero la humedad y luego lasmaterias volátiles (hidrógeno, metano, monóxido de carbono, etc ... ), quedando finalmente elcarbono.

Tanto las materias volátiles como el carbono queman con el aire suministrado al lechofluido dando los productos de combustión usuales, de acuerdo con las siguientes reaccionestípicas de combustión:

C + 1/2 O2 6 CO + 110.60 kJ/molC + O2 6 CO2 + 393.69 kJ/molH2 + 1/2 O2 6 H2O + 241.95 kJ/molS + O2 6 SO2 + 296.87 kJ/molCH4 + 2O2 6 CO2 + 2H2O + 74.89 kJ/molN + 1/2O2 6 NO - 90.42 kJ/molN + O2 6 NO2 - 33.66 kJ/mol

El oxígeno que toma parte en las reacciones procede fundamentalmente del aire defluidización, pero también del oxígeno que aporta el combustible. En condiciones normales deoperación, las materias volátiles producidas se queman completamente por encima del lecho. Lareacción en el lecho fluido, entre el oxígeno y las partículas de carbono existentes después dedesprenderse las materias volátiles, tiene lugar siguiendo los tres mecanismos siguientes:

1. Transferencia del oxígeno de las burbujas de aire a la partícula.2. Difusión del oxígeno a través de la superficie de la partícula y difusión del dióxido decarbono procedente de la superficie de las partículas.3. Reacción química en la superficie de la partícula.En general, no toda la combustión de las partículas sólidas tiene lugar en el lecho, si no

que las burbujas del aire de fluidización arrastran y proyectan partículas inquemadas hacia lacorriente de gases por encima del lecho, las cuales, al igual que ocurre con las materias volátiles,se queman en la región situada por encima del lecho. Una parte de este calor vuelve al lecho enforma de calor sensible de las partículas que retoman (caen) continuamente al mismo. Esta post-combustión hace que, en muchos casos, la temperatura de los gases en la zona superior seasensiblemente más alta que la del lecho, lo que puede ser aprovechado para el calentamiento delvapor producido, en esta zona. En la figura 2 se muestra un esquema de los procesos físico-químicos que tienen lugar.

5. DESULFURACIÓNUna de las más destacadas características de la CLF es su alta capacidad para la retención

en la misma caldera del azufre, lo que supone una considerable ventaja frente a losprocedimientos convencionales de carbón pulverizado o de parrilla, en los cuales es necesariodisponer de instalaciones de depuración de los gases de combustión si se quiere eliminar el SO2producido.

En la CLF puede retenerse el SO2 producido, mediante la adición de un sorvente (caliza


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Figura 3: Procesos físico-químicos de la desulfuración

o dolomía). Las reacciones que tienen lugar dependen de las condiciones de operación y de lapresión. A la presión atmosférica, la caliza se calcina de acuerdo con la reacción:

CaCO3 + 178 kJ/mol 6 CaO + CO2

Los óxidos de calcio reaccionan con el dióxido de azufre producido en la combustión, formandosulfatos que se eliminan con las cenizas:

CaO + SO2 + 1/2O2 6 SO4Ca + 386.79 kJ/mol

La caliza también reacciona directamente con el dióxido de azufre

CaCO3 + SO2 + 1/2O2 6 CaSO4 + CO2 + 207.21 kJ/mol

En la figuras 3 se hace referencia a los procesos físico-químicos que tienen lugar en elproceso de desulfuración.

A presión atmosférica es preferible la caliza a la dolomía, ya que se requiere menorcantidad para retener una cantidad de azufre dado. La retención de azufre dependefundamentalmente de los siguientes factores:

1. Relación molar Ca/S: Como se puede ver en la figura 4, cuanto mayor en esta relacióntanto mayor será la retención del azufre.2. Temperatura del lecho: Como se puede ver en la figura 4, es óptima alrededor de los850 °C.


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Figura 4: Influencia de la relación Ca/S y del tipo de caliza en la retención de azufre

3. Tipo y tamaño de la caliza. Como se puede ver en la figura 4, la eficiencia de lautilización de la caliza será mayor cuanto mayor contacto tenga con el SO2 , mayorsuperficie, mayor porosidad y mayor reactividad.4. Tiempo de residencia. Como se puede ver en la figura 5, cuanto mayor es el tiempode residencia de los gases y de las partículas sólidas en el lecho, tanto mayor será laprobabilidad de que tengan lugar las reacciones de desulfuración. El tiempo de residenciaes función de la velocidad de fluidización.

6. FORMACIÓN DE ÓXIDOS DE NITRÓGENOLos óxidos de nitrógeno en los gases de combustión (NOx) pueden proceder, bien de la

oxidación del N2 del aire o bien del nitrógeno orgánico del combustible. El NOX suele estarcompuesto, en general, por más del 95 % de NO y el resto por NO2 y trazas de N2O.

La contaminación por NOX es considerada de igual categoría que la del SO2 pudiendodañar la vegetación (alto riesgo cuando la concentración es superior a 0,5 ppm) y siendo nocivo

para la salud humana. En este sentido es considerado más peligroso que el SO2La formación de NOX depende, fundamentalmente, de la temperatura del lecho, del

tiempo de residencia y del exceso de oxígeno (exceso de aire). En la figura 5 se muestran lasemisiones de NOX en función de la temperatura, para diferentes contenidos de N2 delcombustible.

7. TEMPERATURA DEL LECHOLa temperatura del lecho suele mantenerse entre 750 ºC y 950 ºC o más estrictamente

entre 800 ºC y 900 ºC, por todas las razones antedichas.


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Figura 5: Influencia del tiempo de residencia en la retención de SO2. Influencia del nitrógeno del combustible y dela temperatura del lecho en la formación de NOX

La temperatura superior viene limitada por la necesidad de que las cenizas no fundan yno se aglomeren, perjudicándose las condiciones de fluidización, y por la conveniencia de quelas emisiones de NOX no sean demasiado altas, pues como se ha visto aumentan con latemperatura. Otra razón por la que la temperatura no debe ser muy alta, es porque a unos 1.000ºC se descompone el sulfato de calcio, produciéndose de nuevo SO2.

CaSO4 + 386.79 kJ/mol = Ca O + SO2 + 1/2O2

Esta reacción se favorece en presencia de determinadas concentraciones de ion férrico.El límite inferior viene determinado por la necesidad de efectuar la combustión en

condiciones eficientes, evitando los inquemados y favoreciendo la postcombustión por encimadel lecho. Por otra parte, a baja temperatura la retención de azufre se inhibe, debido a la bajacalcinación de la caliza. Como resultado de ambos extremos, se encuentra como temperaturaóptima la de 850 ºC, con máxima retención de SO2 , buena combustión y emisiones de NOXrelativamente bajas.

La regulación de la temperatura se consigue mediante tubos inmersos en el lecho,alimentación de combustible, dosificación del aire de fluidización (cámaras), recirculación decenizas y, eventualmente, recirculación de gases de la combustión.

8. COMPOSICIÓN Y PROFUNDIDAD DEL LECHOLa materia constitutiva del lecho está formada, como consecuencia del efecto de la


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Figura 6: Efecto del exceso de aire sobre las pérdidas y el rendimiento

combustión y la retención del azufre, por los siguientes componentes:1. Combustible, principalmente en forma de partículas casi sin volátiles, del 1 al 5 %,dependiendo del tipo del mismo y de las condiciones de operación.2. Sorbente: caliza o dolomía, presente fundamentalmente en forma calcinada y sulfatada.3. Cenizas procedentes de la materia mineral del combustible, una vez eliminada el aguade composición y descompuestos los carbonatos.4. Aditivo inerte, que es necesario en algunos casos, como pueden ser la arena y laalúmina.La profundidad del lecho puede variar desde 15-20 cm (delgado o superficial) hasta 0,8-

1,0 m o más (profundo), dependiendo del grado de desulfuración requerido. Un combustible con

poco azufre, no requiere caliza para alcanzar las exigencias medioambientales y puede utilizarsematerial inerte (arena por ejemplo) sólo para conseguir las condiciones de fluidización, con loque el lecho será poco profundo o "superficial". Cuando los combustibles utilizados son de altocontenido en azufre, se requiere una cierta cantidad de caliza para capturar el SO2 a la vez queconviene aumentar el tiempo de residencia de los gases en el lecho, por lo que éste ha de ser másprofundo. Si además el carbón es de alto contenido en cenizas, ellas mismas incrementarán laprofundidad del lecho.

9. EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓNLa eficiencia de la combustión depende de diversos factores:

1.Temperatura del lecho.


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Figura 7: Tipos de lechos fluido según la velocidad de fluidificación

2. Exceso de aire.3. Reactividad del combustible.4. Tamaño de las partículas del material.5. Velocidad de fluidización.6. Tiempo de residencia.7. Grado de reciclado del material.8. Etc.

En la figura 6 se relaciona el exceso de aire con los inquemados y las pérdidas de calor.El coeficiente de transmisión convectiva de calor, es tanto mayor cuanto menor es el tamañomedio de las partículas del lecho. El rendimiento aumenta con la temperatura en el lecho y conla reactividad del combustible. El rendimiento de la combustión aumenta igualmente con el

tiempo de residencia, el índice de recirculación y la densidad de puntos de alimentación delcombustible.

10. TIPOS DE COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO


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Las distintas variantes de combustión en lecho fluido, pueden clasificarse atendiendo ala velocidad de fluidización y a la presión a que tiene lugar el proceso.

10.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA VELOCIDAD DE FLUIDIZACIÓNPara el caso de un lecho fluido a presión atmosférica, puede hacerse la clasificación que

se muestra en la figura 7, en la que se representa en ordenadas la velocidad de fluidización y enabscisas la expansión del lecho. El tipo de lecho fluido depende de la diferencia de velocidadesdel gas y los sólidos. En el segundo gráfico en la figura 7 se indica en ordenadas el logaritmo dela diferencia de presión entre el aire de alimentación y los gases por encima del lecho (log )P),y en abscisas el logaritmo de la velocidad de fluidización (log U), llegándose a una clasificaciónsimilar: cuando la velocidad de trabajo se sitúa por debajo de la mínima de fluidización, el lechoes fijo, cuando la velocidad del flujo supera a la mínima de fluidización, de 1 a 3 m/s, se tienela fluidización heterogénea clásica. Siempre hay un arrastre de partículas y puede haberrecirculación de cenizas, no muy elevada.

Cuando se trabaja en la zona media-alta de las curvas de fluidización, con velocidadesde 2 a 6 m/s., se tiene la fluidización turbulenta. En este caso el arrastre de partículas seincrementa y se precisa de una fuerte recirculación de cenizas al lecho, que puede llegar a 10 o15 veces la carga de alimentación.

Si se sigue aumentando la velocidad de trabajo hasta llegar a valores de 5 a 10 m/s., setiene un gran arrastre del material, del orden de 30 a 100 veces la carga de alimentación. En estecaso, se necesita un ciclón especial y un sistema de control de alimentación de recirculación allecho, también singular. Se trata del lecho fluido circulante.

Finalmente, si se continúa incrementando la velocidad, se llega al grado de transporteneumático, desapareciendo la fluidización.

10.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓNLa combustión en lecho fluido puede tener lugar a presión atmosférica o a una

determinada sobrepresión; en este caso se denomina combustión en lecho fluido a presión opresurizado. Las presiones suelen situarse en el rango de 5 a 20 bar, siendo normal 10- 12 bar.Las instalaciones de combustión en lecho fluido a presión son más compactas, ocupando muchomenos volumen para igual capacidad. La combustión en lecho fluido a presión puede ser, a suvez, burbujeante o circulante.

11. VENTAJAS DEL LECHO FLUIDOLa combustión en lecho fluido ofrece ventajas en comparación con las técnicas de

combustión convencionales, como son el contacto íntimo entre sólidos y gases, la uniformidadde la mezcla y el tiempo de residencia del combustible. Se pueden afirmar las siguientesventajas:

1. Flexibilidad en la utilización de combustibles diversos; todo tipo de carbones, coquede petróleo, madera, residuos industriales combustibles, etc.2. Permite la eliminación de desechos combustibles, evitando los gastos y riesgos devertidos o almacenamiento de los mismos.3. Permite la utilización de combustibles de baja calidad, de alto contenido en cenizas yazufre y combustibles pobres.4. No necesita de un combustible muy selectivo, aceptando todo tipo de tamaños, hasta50 mm.5. Baja temperatura de combustión, reduciéndose sus efectos sobre los materiales y la


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Figura 8: Esquema de una caldera de lecho fluido burbujeante

operación de la caldera (aproximadamente 850 ºC, 900 ºC).6. Debido a la baja temperatura de combustión, no se funden las cenizas, facilitándosesu evacuación y manejo.7. Reducción de los problemas de escoriación "fouling" y "slagging".8. Las cenizas pueden extraerse por la base del lecho (cenizas de fondo), en los ciclonesy en los filtros de limpieza de los gases (cenizas volantes).9. Mejora de la transferencia de calor, al poder disponer de tubos vaporizadores en ellecho y/o en las paredes de la cámara de combustión.10. Se logra una buena homogeneización de temperatura del lecho, por la rapidez de lamezcla. Es casi isotérmico, lo que optimiza la eficiencia térmica.11. Alta eficiencia de combustión y alto rendimiento de la caldera.12. Reducción de la incidencia sobre el medio ambiente. Reducción de la contaminación,en general. Especialmente, eliminación del SO2 con la adición de sorbentes: caliza,dolomía, etc. y reducción de la producción de NOX , debido a la baja producción del deorigen térmico.

13. Elimina o reduce los problemas de corrosión en el sistema.14. Operación sencilla, flexible y estable, fácilmente controlable.15. Rápida respuesta a la demanda de carga.16. Reducción de los choques térmicos, debido a la baja temperatura.17. Reducción del mantenimiento, por haber menos partes en movimiento y menostemperatura en el hogar.


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Figura 9: Perspectiva de una caldera de lecho fluido burbujeante

18. Fácil preparación del combustible, pues acepta tamaños heterogéneos y combustiblesheterogéneos.19. Bajo coste de operación, debido a la utilización de combustibles pobres y a lafacilidad de automatización.

20. Alta disponibilidad de utilización.21. Posibilidad de reconversión a lecho fluido de las calderas existentes de carbónpulverizado y de parrilla, optimizando su funcionamiento.

12. NOMENCLATURAS UTILIZADAS1. Combustión en Lecho Fluido (Fluidized Bed Combustion): CLF = FBC2. Combustión en Lecho Fluido Atmosférico (Atmosferic fluidized Bed Combustión):CLFA = AFBC


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Figura 10: Alimentador rotativo de dispersión

3. Combustión en Lecho Fluido Burbujeante (Bubbling): CLFB = BFBC. Tambiéndenominado estacionario.4. Combustión en Lecho Fluido Circulante a presión atmosférica (Circulating): CLFC= CFBC.5. Combustión en Lecho Fluido a Presión (Pressurized): CLFP = PFBC.

12. CALDERAS DE LECHO FLUIDO BURBUJEANTEEn este tipo de calderas, como hemos visto anteriormente, el lecho se mantiene fluido,

en suspensión en una corriente de aire inyectado en el fondo del hogar a través de una rejillaprovista de boquillas orientadas. Las burbujas de aire ascienden a través del lecho, provocandoen el mismo un movimiento turbulento similar al de un líquido en ebullición, de aquí ladenominación "lecho fluido burbujeante".

12.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESOCuando se alimenta poco a poco el combustible sólido en un lecho fluido y caliente de

partículas sólidas de material inerte, el combustible se seca y entra casi instantáneamente enignición porque se alcanza rápidamente la temperatura suficiente (alrededor de 550 ºC).

Como el lecho está fluido, el combustible se distribuye en el mismo uniformemente, yse quema eficientemente y por completo al combinarse con el oxígeno del aire a lo largo deltiempo de residencia relativamente largo de que dispone. Es decir, en este tipo de calderaspueden utilizarse incluso combustibles de baja calidad, cuya utilización no sería posible


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Figura 11: Alimentación de caliza al lecho

mediante métodos clásicos.

12.2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Y DISEÑOLa superficie de intercambio de calor está constituida por las paredes que constituyen la

caldera y confinan el lecho, y por serpentinas inmersos en el mismo, que se benefician del altocoeficiente de transferencia de calor propio de los lechos fluidos.

En las figuras 8 se representa esquemáticamente una sección de una caldera de lechofluido burbujeante y en la figuras 9 una perspectiva.

Dado que el tiempo de residencia del combustible en el lecho, es relativamente grandecomparado con los tiempos propios de otros sistemas convencionales, es posible operar contemperaturas de combustión relativamente bajas (en torno a 850 ºC), evitándose, como hemosvisto, la aparición de escorias y aglomerados, y la formación de NOX de origen térmico.

La figura 9 representa una caldera de lecho fluido burbujeante en tres dimensiones, dondese aprecian sus componentes principales, a saber:

1. Hogar.2. Sistema de alimentación de combustible.3. Rejilla distribuidora de aire y plenum.4. Zona de recuperación de calor (ZRC).


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Figura 12: Disposición de las boquillas de fluidización

Además, forman parte importante de una instalación de este tipo los siguientes sistemas:1. Sistema de encendido.2. Sistema de extracción de material agotado del lecho a veces,.3. Sistema de limpieza de gases.4. Sistema de control de temperatura.

Seguidamente se describe cada uno de estos componentes:El hogar es de sección rectangular, constituido por paredes de tubos soldados entre si

mediante pletinas longitudinales. Se obtiene así un recinto estanco, totalmente cerrado porparedes vaporizadoras.

A la hora de dimensionar el hogar de una caldera de lecho fluido burbujeante hay quetener en cuenta diversos parámetros, entre los que podemos citar la velocidad de fluidificación,el exceso de aire, la temperatura del lecho, el espesor del mismo, el tamaño más adecuado de laspartículas, la relación Ca/S etc. A su vez, estos parámetros determinarán, entre otros, laeficiencia de la combustión, la retención de azufre, la pérdida de carga en el lecho y lasdimensiones físicas del hogar.


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Figura 13: Esquema de la salida del lecho hacia el enfriador de lecho fluido

El sistema de alimentación de sólidos que se utiliza normalmente en este tipo deunidades es de alimentadores de dispersión, bien mecánicos o asistidos neumáticamente. Estetipo de alimentadores, que inyectan por encima del lecho, presenta ventajas sobre la alimentaciónpor inyección debajo del lecho, reduciendo considerablemente el número de puntos dealimentación. Otra ventaja de estos alimentadores es su fiabilidad. En la figura 10 se representaesquemáticamente este tipo de alimentadores.

La alimentación del sorbente se realiza por gravedad, o neumáticamente, desde el silo

de almacenamiento, mediante una válvula rotativa (figura 11).Los tamaños de alimentación del combustible suelen ser menores de 5 mm., mientras que

la caliza no suele exceder 2 ó 3 mm.La rejilla distribuidora de aire está dotada de boquillas direccionales para dirigir las

partículas de cenizas, material gastado, piedras alimentadas con el combustible, etc. hacia eloportuno drenaje del lecho. Es necesario ir eliminando estos materiales para evitar suacumulación en el fondo del lecho, lo que conduciría a la defluidización del mismo o formaciónde aglomeraciones en el fondo del hogar.


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Figura 14: Enfriador de lecho fluido para el material extraído del lecho

El tipo de boquilla utilizado depende del fabricante. FW desarrolló una boquilla conforma de L invertida (figura 12), con pérdida de carga calibrada, que permite una ciertaacumulación de material gastado directamente sobre los tubos de la rejilla, protegiéndola de laerosión sin necesidad de refractario. Este tipo de boquillas se usa también en las unidades delecho fluido circulante.

El plenum o caja de aire, situado bajo el hogar, es una cámara formada por paredes detubos de agua conformados, presurizada con el aire de fluidificación. Esta cámara se comunicacon el hogar a través de las boquillas de fluidizaci6n, y recibe el aire del calentador de aire através de un conducto donde se sitúa el quemador de arranque.

El agua que circula por los tubos del hogar no es, por supuesto, el único fluido capaz deabsorber el calor que se produce en el lecho durante el proceso de combustión. Los gasescalientes que ascienden hacia la parte superior del hogar, hacia la zona de convección,transportan aproximadamente la mitad del calor generado. Para mantener la temperatura delhogar en el punto de consigna (entre 850 ºC y 900 ºC), es necesario absorber el exceso de calor

producido. Esto se puede lograr aumentando la cantidad de aire de fluidificación (y la seccióndel hogar, para mantener la velocidad y evitar el arrastre del lecho), y situando serpentines delsobrecalentador en el seno del lecho. Estos tubos se benefician del excelente coeficiente de


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trasmisión de calor propio de los lechos fluidos, pero son, sin embargo, susceptibles de erosión.No obstante, con un selección adecuada de materiales y con ciertos sistemas de protección puedeconseguirse un alto número de horas de funcionamiento sin problemas aparentes.

En la zona de convección entre e hogar y la salida de caldera se sitúan los serpentinas deleconomizador y el banco de tubos de convección, que funcionan de la misma manera que en lascalderas convencionales.

En necesario un sistema de arranque para elevar la temperatura del lecho hasta los 550ºC ó 600 ºC, que garantizan la ignición inicial del combustible, cuando comience su inyección.

Esto se consigue mediante un quemador en vena de aire situado en el conducto de airede fluidificación que va desde el calentador de aire hasta el plenum. La velocidad se mantienepor debajo de la velocidad de fluidificación, hasta que la temperatura del lecho alcanza los 400ºC ó 500 ºC. Algunas veces, también se utilizan, quemadores sobre el lecho que trabajan encombinación con el quemador en conducto, calentando la superficie del lecho.

Una vez alcanzada la temperatura de ignición del combustible, se inicia su alimentación,poco a poco, monitorizando cuidadosamente la temperatura del lecho y el exceso de oxígeno.

Se van aumentando los caudales de combustible y aire, y, simultáneamente bajandopotencia en el quemador hasta apagarlo, se sigue subiendo carga en caldera hasta alcanzar lascondiciones de régimen. El control de carga se consigue actuando simultáneamente sobre laalimentación de combustible y sobre la velocidad de fluidificación pudiendo conseguirse, encalderas de lechos múltiples, una amplia gama de regulación.

El sistema de extracción del material agotado del lecho se realiza por medio de unovarios conductos de drenaje situados lateralmente a nivel de la parrilla de fluidificación.

A veces, dependiendo del combustible usado, la aglomeración o acumulación departículas gruesas constituye un problema potencial. Estas partículas pueden ser cenizasaglomeradas, inquemados, inertes introducidos con el combustible, etc. Es deseable laeliminación selectiva de las partículas más grandes, ya que la fracción menuda puede contenercantidades considerables de sorbente sin reaccionar, así como combustible inquemado.

Para optimizar la eliminación de partículas gruesas, se ha desarrollado un clasificador delecho fluido, con el mismo tipo de boquillas que el hogar, y contiguo al mismo, cuyo principiode operación es sencillo:

El aire de fluidización y transporte se inyecta en el clasificador por el fondo, a través delas boquillas fluidizadoras y su velocidad se ajusta de forma que las partículas más gruesaspermanezcan en el clasificador, reinyectándose los finos arrastrados de nuevo al lecho principal.Los gruesos se eliminan en la proporción necesaria para mantener el inventario de sólidos en ellecho mediante tornillos transportadores refrigerados por agua.

En las calderas de lecho fluido circulante, estos clasificadores han dado lugar a lascámaras enfriadoras-separadoras fluidificadas que se describirán más adelante.

En las figuras 13 y 14 se representa esquemáticamente este sistema.Los humos, portadores de cantidades limitadas de SO2 y NOX como hemos visto, han de

ser por último limpiados de polvo antes de ser emitidos a al atmósfera. Este desempolvado serealiza normalmente en dos etapas, la primera mediante el uso de ciclones y, posteriormente,mediante un filtro de mangas o un precipitador electrostático.

El polvo recogido en la segunda etapa se elimina. Las partículas recogidas en la primeraetapa, ciclón y calentadores de aire, pueden reinyectarse al lecho mediante el sistema detransporte de cenizas.


INDICE 1


ÍNDICE DE MATERIAS

13. CALDERAS DE LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2313.1. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . 2313.2. VENTAJAS Y DESCRIPCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2413.3. HOGAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613.4. CICLÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.5. VÁLVULA “J” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2913.6. SEPARADORES-ENFRIADORES DE LECHO FLUIDO . . . . . . . . . . . . . 3013.7. OTRAS CARACTERÍSTICAS DESTACABLES DE

LA CALDERA DE LECHO FLUIDO CIRCULANTE . . . . . . . . . . . . . . . . 3113.8. ZONA DE RECUPERACIÓN DE CALOR (ZRC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3413.9. INTREX (SOBRECALENTADOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

14. SISTEMAS DE LECHO FLUIDO A PRESIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3514.1. EL PROCESO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4014.2. LECHO FLUIDO PRESURIZADO DE SEGUNDA GENERACIÓN . . . . 41


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Figura 14: Enfriador de lecho fluido para el material extraído del lecho

la velocidad y evitar el arrastre del lecho), y situando serpentinas del sobrecalentador en el senodel lecho. Estos tubos se benefician del excelente coeficiente de trasmisión de calor propio delos lechos fluidos, pero son, sin embargo, susceptibles de erosión. No obstante, con un selecciónadecuada de materiales y con ciertos sistemas de protección puede conseguirse un alto númerode horas de funcionamiento sin problemas aparentes.

En la zona de convección entre e hogar y la salida de caldera se sitúan los serpentinas deleconomizador y el banco de tubos de convección, que funcionan de la misma manera que en lascalderas convencionales.

En necesario un sistema de arranque para elevar la temperatura del lecho hasta los 550ºC ó 600 ºC, que garantizan la ignición inicial del combustible, antes de inyectar el combustiblesólido.

Esto se consigue mediante un quemador en vena de aire situado en el conducto de airede fluidificación que va desde el calentador de aire hasta el plenum. La velocidad se mantienepor debajo de la velocidad de fluidificación, hasta que la temperatura del lecho alcanza los 400ºC ó 500 ºC. Algunas veces, también se utilizan, quemadores sobre el lecho que trabajan encombinación con el quemador en conducto, calentando la superficie del lecho.

Una vez alcanzada la temperatura de ignición del combustible, se inicia su alimentación,


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poco a poco, monitorizando cuidadosamente la temperatura del lecho y el exceso de oxígeno.Se van aumentando los caudales de combustible y aire, y, simultáneamente bajando

potencia en el quemador hasta apagarlo, se sube carga en caldera hasta alcanzar las condicionesde régimen. El control de carga se consigue actuando simultáneamente sobre la alimentación decombustible y sobre la velocidad de fluidificación pudiendo conseguirse, en calderas de lechosmúltiples, una amplia gama de regulación.

El sistema de extracción del material agotado del lecho se realiza por medio de unovarios conductos de drenaje situados lateralmente a nivel de la parrilla de fluidificación.

A veces, dependiendo del combustible usado, la aglomeración o acumulación departículas gruesas constituye un problema potencial. Estas partículas pueden ser cenizasaglomeradas, inquemados, inertes introducidos con el combustible, etc. Es deseable laeliminación selectiva de las partículas más grandes, ya que la fracción menuda puede contenercantidades considerables de sorbente sin reaccionar, así como combustible inquemado.

Para optimizar la eliminación de partículas gruesas, se ha desarrollado un clasificador delecho fluido, con el mismo tipo de boquillas que el hogar, y contiguo al mismo, cuyo principiode operación es sencillo:

El aire de fluidificación y transporte se inyecta en el clasificador a través de las boquillasy su velocidad se ajusta de forma que las partículas más gruesas permanezcan en el clasificador,reinyectándose los finos arrastrados de nuevo al lecho. Los gruesos se eliminan en la proporciónnecesaria para mantener el inventario de sólidos en el lecho mediante tornillos transportadoresrefrigerados por agua.

En las calderas de lecho fluido circulante de, estos clasificadores han dado lugar a lascámaras enfriadoras-separadoras fluidificadas que se describirán más adelante.

En las figuras 13 y 14 se representa esquemáticamente este sistema.Los humos, portadores de cantidades limitadas de SO2 y NOX como hemos visto, han de

ser por último limpiados de polvo antes de ser emitidos a al atmósfera. Este desempolvado serealiza normalmente en dos etapas, la primera mediante el uso de ciclones y, posteriormente,mediante un filtro de mangas o un precipitados electrostático.

El polvo recogido en la segunda etapa se elimina. Las partículas recogidas en la primeraetapa, ciclón y calentadores de aire, pueden reinyectarse al lecho mediante el sistema detransporte de cenizas.

13. CALDERAS DE LECHO FLUIDO CIRCULANTEEl concepto original de lecho fluido presuponía la existencia de un lecho físicamente

estable, es decir, con un límite superior definida. Para un material determinado, esto implica,como hemos visto, un límite superior en la velocidad de fluidificación. Más allá de este limite,la corriente ascendente de aire comienza a arrastrar gran parte del material del lecho, provocandoel fenómeno conocido como arrastre.

Al principio, este fenómeno trataba de evitarse por no deseado: si los gases arrastrabandemasiados sólidos, su posterior limpieza resultaba difícil.

Además, los sólidos arrastrados contenían combustible inquemado que se perdía, de nopreverse un dispositivo para recuperarlo y devolverlo al hogar, con el consiguiente perjuicio parael rendimiento de la combustión. Incluso en las primeras instalaciones de lecho fluidoburbujeante se hacía necesario incorporar una sección especial (normalmente un ciclón) pararecuperar el combustible arrastrado del lecho principal. Esto suponía costes adicionales ycomplejidad .

A mediados de los años 70, varios equipos de ingenieros en Finlandia, Alemania y


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EE.UU intentaron el camino contrario: en vez de evitar el arrastre de sólidos, lo incorporaron asu diseño, como una característica esencial del mismo. El nuevo diseño no contemplaba ya unlecho estable, con una superficie definida y un espacio libre sobre él. En lugar de limitar lavelocidad del aire a 1-2 m/s, la incrementaron hasta valores del orden de 8 m/s. Con estosvalores, el lecho se convierte en un "lecho rápido", una nube turbulenta de sólidos en suspensiónque "llena" la cámara de combustión. La corriente de gases arrastra gran cantidad de sólidosfuera de la cámara. Solo faltaba recuperar los mismos y reinyectarlos de nuevo en la parteinferior del hogar, esto es, reciclarlos, o recircularlos. Este concepto pasó a llamarse por eso"lecho fluido circulante".

Pronto se demostró que un lecho fluido circulante podía usarse casi exactamente igualque uno burbujeante para sostener la combustión: los sólidos se llevan a incandescencia, elcombustible se alimenta a la cámara de combustión u hogar, donde se quema con el aire defluidificación. El calor liberado en este proceso mantiene los sólidos incandescentes, el contactoturbulento entre el combustible y los sólidos del lecho estabiliza la temperatura media. Lavelocidad del aire de fluidificación-combustión, intermedia entre la de los lechos fluidosburbujeantes y la propia de los sistemas de combustible pulverizado (donde se alcanzan 25 m/so más) crean un modo intermedio de combustión: la combustión en lecho fluido circulante.

13.1. COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDO CIRCULANTEDesde el punto de vista de rendimiento de combustión, así como del control de

emisiones, la combustión en lecho fluido circulante presenta ventajas singulares.Así, el combustible, el material del lecho y el sorbente viajan juntos en la corriente de

gases, y se reciclan juntos.Esto no solo asegura la mejor utilización del combustible, gracias al gran tiempo de

residencia, sino que permite a las reacciones calcio-azufre-oxígeno tener lugar de forma máscompleta, reteniendo una mayor proporción del azufre contenido en el combustible.

Además, al tener lugar el proceso de combustión en todo el hogar, el aire necesario puedesuministrase no sólo en la parte inferior de dicha cámara, sino también a niveles superiores, loque permite reducir el exceso de oxígeno disponible en la parte baja del hogar y disminuir laformación óxidos de nitrógeno.

Cabe plantearse si la alta velocidad de fluidización y el gran contenido de sólidos ensuspensión no causarán erosiones inaceptables en el hogar o el sistema de recirculación.

La preocupación por esta posibilidad es el motivo por el que los fabricantes evitan situarserpentinas o superficies adicionales de intercambio de calor en el seno del lecho, es decir, enla corriente de sólidos circulantes. Superficies que, por otra parte, no son necesarias, ya que elintercambio de calor es suficiente sin ellas, al aprovecharse mejor toda superficie expuesta delhogar y el sistema de recirculación.

El estudio dinámico de un lecho fluido rápido es complejo y su desarrollo supusoconsiderable trabajo de investigación en plantas piloto. Se trata de sistemas que difierenconsiderablemente de los lechos fluidos burbujeantes. En éstos, el aire forma bolsas o burbujasque se expanden a medida que ascienden en el lecho, hasta "explosionar" en superficie.

En un lecho rápido, el aire forma corrientes sensiblemente paralelas, llevando los sólidoslamiendo las paredes del hogar, desde la rejilla hasta el techo.

La densidad media resultante es inferior, si se la compara con la de los lechosburbujeantes, y decrece más o menos uniformemente de abajo a arriba.


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Figura 15: Caldera de lecho fluido circulante

El combustible suele alimentarse en la parte inferior del hogar, para aprovechar mejor

la parte más densa del lecho para su ignición y la máxima altura de la cámara para completar lacombustión.


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Figura 16: Zonas recubiertas de refractario en una caldera de lecho fluido circulante

A pesar de las altas velocidades de fluidización, una parte importante de las cenizasproducidas suele acumularse en el fondo del hogar, que debe incorporar un sistema de extracción

adecuado, como el mencionado en las calderas de lecho fluido burbujeante.El interés en el proceso del lecho fluido circulante surgió inicialmente por su previsible

capacidad para obtener altas eficiencias de combustión con combustibles "difíciles", dado el gran


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Figura 17: Sistema de alimentación de combustible

tiempo de residencia, que, por otra parte, permitiría obtener buenos rendimientos dedesulfuración con caliza o dolomía. Estas atractivas características se han visto confirmadas enlos diversos diseños desarrollados por los fabricantes, lo que ha llevado a esta tecnología a sumadurez actual.

En pocos años se ha pasado de las plantas piloto a grandes grupos para generación deenergía eléctrica, pasando por diversas aplicaciones intermedias, como pequeñas plantas paracalefacción, plantas para autogeneración y pequeños gropos para centrales térmicas.

13.2. VENTAJAS Y DESCRIPCIÓNEn resumen, estos sistemas de lecho fluido circulante presentan entre otras, las siguientes

ventajas frente a los lechos fluidos burbujeantes:

1. Mayor rendimiento de la combustión.2. Menor consumo de caliza.


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3. Menor superficie requerida para el lecho.4. Menores emisiones de SO2 y NOX.En la figura 15 se representa esquemáticamente una caldera de lecho fluido circulante,

en la que se pueden distinguir las siguientes partes fundamentales:1. Hogar o cámara de combustión.2. Ciclón de alta temperatura y gran rendimiento, refrigerado por vapor.3. Zona de recuperación de calor por convección.

13.3. HOGARLa cámara de combustión u hogar está constituida por paneles de tubos soldados entre

si, formando paredes vaporizadoras que constituyen una envolvente estanca.En él se integran los sistemas de alimentación de combustible y sorbente, la parrilla de

aire de fluidización o aire primario bajo el lecho y los distintos niveles de aire sobre el lecho oaire secundario.

Entre otras características del diseño para el hogar, pueden citarse las siguientes:Protección mediante refractario: Tal como se puede ver en la figura 16, en las partes de

la caldera, sometida a altas concentraciones de sólidos y atmósfera subestequiométrica, se utilizauna protección mediante refractario de alta conductividad y bajo espesor, resistente al desgaste,desarrollado a partir de la usada en las calderas de lecho fluido burbujeante en las zonas másexpuestas. En este caso se recubre la parte inferior de las paredes, el techo, la entrada del ciclóny todo el ciclón. Este recubrimiento consta de una capa delgada (25 mm) de refractario alto enalúmina fosfatada, reforzado con fibras de acero inoxidable, montada sobre una disposición depitones de alta densidad soldados a los tubos.

Así se consigue máxima resistencia a la erosión con alta conductividad térmica que nodificulta de forma importante la transferencia de calor.

Distribuidor de aire: Se trata de otra característica desarrollada a partir de la experienciaadquirida en las calderas de lecho burbujeante. La rejilla está constituida por tubos de agua, conboquillas unidireccionales incrustadas en las aletas entre los tubos. La mitad de los tubos de lapared frontal se curvan a 90º para conformar la rejilla, y la otra mitad se dispone formando elfondo el plenum o cajón de aire primario.

Alimentación de combustible: Cada fabricante ha desarrollado un sistema especifico parala alimentación de combustible al hogar. FW, en colaboración con Detroit Stoker, hadesarrollado un sistema de inyección por dispersión mediante boquillas de sección rectangular,asistidas neumáticamente. Este sistema se representa esquemáticamente en la figura 17.

13.4. CICLÓNEstá formado por tubos membrana refrigerados por vapor, supuso un avance definitivo

frente a los ciclones de chapa utilizados anteriormente, en cuanto a fiabilidad y característicasde funcionamiento de este tipo de calderas. Como puede observarse en la figura 18, toda laenvolvente del ciclón, tanto la entrada como el cono están refrigerados por vapor, formando


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Figura 18: Ciclón de una caldera de lecho fluido circulante

parte integral de las partes a presión de la caldera, y constituyendo la primera etapa del


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sobrecalentador, permitiendo además un acoplamiento directo entre el hogar y la zona derecuperación de calor. La resistencia a la erosión se consigue mediante una delgada capa derefractario similar al usado en el hogar. Este diseño ofrece, entre otras, las siguientes ventajas:

1. Como un componente más de las partes a presión de la caldera, el ciclón constituyeuna extensión del hogar, soportado desde arriba, lo que minimiza las expansionestérmicas diferenciales entre hogar y ciclón, y simplifica extraordinariamente lasinterfases hogar-ciclón y ciclón-ZRC.2. Formando parte del sobrecalentador, permite recuperar el calor generado en su interiordebido a la combustión que se produce cuando se trata de combustibles difíciles dequemar, como antracitas o coque de petróleo.3. El calorifugado es convencional, como en el resto de la caldera.4. Se utiliza refractario de bajo espesor y alta conductividad (50 mm es suficiente, frentea los 0,5 m ó más utilizados en los ciclones de chapa). No hay riesgo dedesprendimientos o cuarteamiento del mismo.5. La baja inercia térmica de este ciclón posibilita una puesta en servicio relativamenterápida, de 4 a 6 horas para un arranque en frío. Con ciclones de chapa debemos pensaren tiempos de arranque de 12 horas o más.6. La fabricación en cuadrantes, con el refractario instalado en fábrica, simplifica elmontaje y mejora la calidad, con lo que ello significa en cuanto a mantenimiento yfiabilidad.

13.5. VÁLVULA “J”Se trata de un cierre tipo sifón (sin partes móviles) entre hogar (presión positiva) y ciclón

(presión negativa). Está dotada de boquillas fluidizadoras, y recubierta de refractario vibradoresistente a la abrasión (figura 19). En la parte plana inferior está colocadas boquillasfluidizadoras como las del fondo del hogar. La fluidización de esta zona posibilita la reinyeccióndel material en el lecho, facilitada por la diferencia entre la altura de columna que hay entre elpunto de fluidificación y el fondo del ciclón, por una parte y el mismo fondo y el rebose haciael hogar, por otra parte. Esto hace que silo se fluidice la columna más pequeña y el materialpueda ir fluyendo hacia el hogar.

En el pasado se utilizaban tornillos transportadores refrigerados por agua para extraer yenfriar el material agotado del lecho. Sin embargo, estos elementos eran una fuente de problemasde operación y mantenimiento, en vista de lo cual, se diseñaron las cámaras separadoras-enfriadoras de lecho fluido, a las que se ha hecho referencia anteriormente, cuyo desarrollo hatenido lugar principalmente en las calderas de LFC. Estos separadores-enfriadores de lechofluido realizan las siguientes funciones:

1. Reciben las cenizas gruesas del fondo del hogar de manera selectiva, para controlarel inventario de sólidos en el lecho.2. Extraen el material en exceso del lecho, el cual podría provocar la defluidizaciónlocalizada, restringiendo el flujo de aire.3. Separan los finos contenidos en el material extrado, y los reinyectan en el hogar (enellos se suele contener carbón inquemado y partículas finas de cal).4. Enfrían el material extraído hasta temperaturas aceptables para el sistema deextracción y manejo de cenizas, recuperando el calor cedido en forma de aire caliente quese inyecta sobre el lecho en el hogar, como parte del aire total de combustión (airesecundario).

13.6. SEPARADORES-ENFRIADORES DE LECHO FLUIDO


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Figura 19: Esquema de una válvula en “J”

Como ya hemos visto, en el fondo del hogar se utilizan boquillas unidireccionales (figura12) para dirigir el material agotado hacia las aberturas de drenaje situadas una en cada una delas paredes laterales, en su parte inferior. Desde allí, la corriente de sólidos se dirige directamentea los separadores enfriadores (figuras 13 y 14).

Estos elementos son, sencillamente, unas cajas recubiertas de refractario en su interiorcon tres o más compartimentos, el primero es la cámara separadora, y las restantes son

enfriadoras. Todas ellas son lechos fluidos burbujeantes, en la sección separadora se fluidiza conaire primario caliente, y las secciones enfriadoras, con aire frío, que no pasa por el calentadorde aire primario.


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Figura 20: Perspectiva de una caldera de lecho fluido circulante

La sección separadora y las enfriadoras disponen de conductos independientes de retornode aire al hogar, por encima del lecho, desde la parte superior del separador-enfriador. Elmovimiento laberíntico de la corriente de sólidos dentro del separador-enfriador se consigue con

boquillas de inyección de aire direccionadas, idénticas a las usadas en el fondo del hogar, quedirigen los sólidos hacia las “salidas” situadas en las esquinas inferiores de las paredes de


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Figura 21: Alzado de una caldera de lecho fluido circulante con recalentador INTREX

división, de ladrillos refractarios.En el caso de combustibles residuales de bajo poder calorífico y alto contenido en

cenizas, suelen situarse bancos de serpentines del economizador en las celdas enfriadoras, conlo que se consigue limitar la cantidad de aire de refrigeración necesaria.

13.7. OTRAS CARACTERÍSTICAS DESTACABLES DE LA CALDERA DE LECHOFLUIDO CIRCULANTE

El proceso se caracteriza por poder utilizar un lecho relativamente denso en el fondo delhogar, y más ligero por encima de él, o bien una fluidización rápida o lecho expandido, con unlecho de baja densidad a todo lo largo del hogar.

Con lechos relativamente densos en el fondo del hogar, las partículas de combustible ysorbente pueden ser relativamente grandes, con velocidades de fluidización en la zona primariarelativamente bajas. Esto supone:

1. Mayor tiempo de residencia de los sólidos, debido a la presencia de un lecho denso enel hogar.


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2. Menor carga de sólidos arrastrados a la zona de recuperación de calor y equipos aguasabajo (calentador de aire, Filtro de mangas o precipitador electrostático), por el uso desólidos más gruesos.3. Menor erosión potencial en hogar y ciclones, como consecuencia de la menor cargade sólidos sobre el lecho.4. Alto rendimiento térmico, alta utilización de la caliza con bajas emisiones de SO2 ybajo mantenimiento.5. Se utiliza tiro equilibrado, con el punto de equilibrio a la entrada del ciclón.6. Se suele utilizar circulación natural, sin bombas de circulación de caldera.7. Se reduce al mínimo el número de componentes móviles, especialmente aquéllos encontacto con la corriente de sólidos en ignición.8. El refractario, se ha reduciéndolo al máximo en extensión y en espesor9. El uso de caliza en lugar de arena u otro material inerte en el lecho reduce la erosión.10. El sistema de partes a presión es integral: Hogar, ciclones, cámara muerta inferior yárea de convección constituidos por paredes de tubos membranados entre sí, conrefractario de bajo espesor en zonas críticas.En la figura 20 se representa esquemáticamente la perspectiva de una caldera de lecho

fluido circulante de 125 MWe, de diseño FW con sobrecalentamiento y recalentamiento, y enla figura 21 se muestra una sección en alzado de la misma.

13.8. ZONA DE RECUPERACIÓN DE CALOR (ZRC)Es de diseño convencional, de paso simple en el caso de unidades sin recalentamiento,

y de paso paralelo, característico de las calderas de FW en los últimos 30 años, en el caso deunidades con recalentamiento. Su envolvente está constituida por paredes de tubosmembranados, y alberga los serpentines del sobrecalentador, recalentador, en su caso, yeconomizador. La temperatura del vapor se controla regulando el caudal de gases por uno u otropaso mediante compuertas situadas aguas abajo del paso paralelo, directamente sobre eleconomizador.

13.9. INTREX (SOBRECALENTADOR)En las unidades con recalentamiento, es necesario disponer de cierta superficie de

intercambio en el lado primario (hogar, ciclón, sistema de recirculación) para controlar latemperatura entre 850 ºC - 900 ºC. Sin embargo, es mejor tener todo el recalentador en la ZRC,para evitar problemas de erosión. EL INTREX, exclusivo de FW, es un intercambiador en elsistema de reinyección, adyacente al hogar, constituido por una cámara de lecho fluidoburbujeante de paneles membranados y paredes de partición, integral con la caldera, que formauna extensión del hogar en la zona donde retorna al mismo la corriente de sólidos procedentesdel ciclón. Esta cámara aprovecha el excelente coeficiente de transferencia de calor propio delos lechos fluidos burbujeantes, con baja erosión potencial debido a las bajas velocidades defluidización y pequeño tamaño de las partículas, y constituye la última etapa del sobrecalentador.En la figura 22 se representan esquemáticamente este intercambiador. En la figura 23 serepresenta, en planta, la operación del INTREX durante los arranques, y en operación normal.El paso de sólidos se controla fluidizando selectivamente las distintas celdas del intercambiador.Durante el arranque se suministra aire solamente por las toberas largas lo que hace que solo hayafluidización y paso de sólidos por los compartimentos que no llevan serpentines. En marchanormal se suministra aire solamente por las toberas cortas, lo que hace que haya fluidificaciónen todos los compartimentos.


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Figura 22: Esquema de intercambiador INTREX

14. SISTEMAS DE LECHO FLUIDO A PRESIÓNEn 1968, dos ingenieros ingleses expertos en combustión en lecho fluido, Douglas Elliott

y Raymond Hoy, discutían sobre la posibilidad de hacer funcionar un combustor de lecho fluidobajo presión. Aprovechando una vasija a presión procedente de un proyecto de investigaciónabandonado años antes, construyeron un año más tarde, lo que durante una década constituyó

la mayor unidad de lecho fluido presurizado del mundo.Un lecho fluido presurizado es, en esencia, un lecho fluido burbujeante confinado en una

vasija presurizada, de modo que la combustión tiene lugar a una presión superior a laatmosférica. Utilizando aire a presión como aire de fluidización o aire primario, se suministramás oxígeno por unidad de volumen. Por tanto, a igualdad de velocidades de fluidización, ellecho fluido presurizado (LFP) es capaz de sostener una combustión más intensa por unidad desuperficie del lecho. En consecuencia, una unidad de LFP resulta físicamente más pequeña queuna unidad atmosférica similar, ahorrando espacio y coste de primera inversión.


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Figura 23: Esquema de flujos en el INTREX

En contrapartida, la alimentación de combustible y sorbente, y la extracción de cenizasha de hacerse a través de dispositivos provistos de cierres presurizados, lo que resulta bastantemás complejo (y caro) que los sencillos sistemas de alimentación y manejo de cenizas en lasunidades atmosféricas.


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Sin embargo, la principal ventaja de la combustión en LFP radica en el hecho de que losgases de combustión, a alta temperatura, salen a presión de la cámara de combustión. Si lapresión es lo suficientemente alta, y los gases están suficientemente limpios, pueden llevarsedirectamente a una turbina de gas. Las turbinas de gas son relativamente baratas, compactas, se

construyen en plazos relativamente cortos y, además, se arrancan y se paran en tiempos muycortos.

Por tanto, las turbinas de gas son muy atractivas como elemento generador de energía eléctrica.Sin embargo, no funcionan más que con gas natural o combustibles líquidos de alta calidad. El


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coste de la energía eléctrica obtenida a partir de una turbina de gas depende pues, directamente,del precio del combustible.

¿Habría algna manera de alimentar una turbina de gas con un combustible barato, comoel carbón?

Durante muchos años, se había buscado la forma de alimentar con carbón una turbina degas. Incluso en los años 40, cuando la turbina de gas era casi una novedad, como propulsora deaeronaves, se había intentado hacerlo. Sin embargo, la temperatura de los gases procedentes dela combustión del carbón era demasiado alta, y las partículas de cenizas se fundían y al enfriarseligeramente se solidificaban de nuevo en forma de fragmentos duros, de aspecto vítreo. Losgases calientes arrastraban inevitablemente dichas partículas altamente abrasivas a la turbina degas, sometiendo los árabes a un "chorro de arena" que provocaba su rápida destrucción.

Se ensayaron ciclones y otros dispositivos, que se revelaron ineficaces a la hora delimpiar suficientemente los gases. De todos modos el reto de utilizar carbón como combustibleen una turbina de gas se mantuvo.

Dos décadas después, la aparición de la combustión en LF reavivó los esfuerzos. Así, altener lugar la combustión en LF a temperaturas considerablemente más bajas que en el caso delas tecnologías convencionales, se evitaba el fenómeno de fusión de cenizas, con lo que laspartículas arrastradas por los gases serían más blandas y pulverulentas, mucho menos abrasivasque en el caso de un combustor convencional. Hasta 1970, la investigación en el campo de lacombustión en LFP estuvo auspiciada sobre todo por el National Coal Board, de Inglaterra. Launidad de LFP de 8 MWt instalada en los laboratorios de Leatherhead permitió demostrar quela CLFP permitía alcanzar altos rendimientos de combustión, como en el caso de lecho fluidoatmosférico, y que permitía también controlar las emisiones de SO2. La química de las reaccionesde sulfatación era, sin embargo, ligeramente distinta, la reacción era sensible a la presión y latemperatura óptima y la relación Ca/S variaban con la misma, pero podía encontrarse, noobstante, un régimen de operación satisfactorio. Los problemas importantes seguían siendo, noobstante, la alimentación del combustor, la extracción de cenizas, y la limpieza de los humos.

A finales de la década de los 70, se construyó una unidad más pequeña que la deLeatherhead, capaz de trabajar a una presión de 20 bar, para llevar a cabo trabajos deinvestigación para ASEA (Suecia) y American Electric Power. La vieja instalación deLeatherhead fue finalmente desmontada en 1984 y traslada al laboratorio de Stoke Orchard, enGloucestershire, para formar parte de una nueva instalación, en un edificio nuevo dotado de lasmás modernas técnicas de control y toma de datos. Los viejos tiempos habían terminado.

En 1975, los gobiernos del Reino Unido, Alemania y Estados Unidos firmaron unacuerdo para llevar a cabo el proyecto de Grimethorpe (Yorkshire). Esta unidad, diseñada aescala industrial, tiene una cámara de combustión de 2 m2 y 8 m de altura, con paredesrefrigeradas por agua y tubos sumergidos en el lecho y va situada dentro de una vasijapresurizada. La cámara puede acomodar un lecho de hasta 6 m de profundidad. Los humos decombustión se limpian mediante un sistema de ciclones en cascada, protegidos mediante placascerámicas, y son conducidos a una turbina de gas, para estudiar los efectos de erosión ycorrosión. El vapor producido en el sistema se utiliza solamente para accionar el compresor quesuministra aire al circuito.

La puesta en marcha de esta unidad comenzó en 1980, con múltiples problemas. Elcombustible se alimentaba a presión, mezclado con el sorbente, de forma discontinua, a travésde un sistema "lock hopper". Tras un año de ensayo, el 40 % de las paradas forzosas de la plantafueron debidas a problemas con este sistema, que fue sustituido por válvulas rotativas de diseñoavanzado. Los tubos en el lecho experimentaban rápido desgaste, y fueron sustituidos. La


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instalación suministró, no obstante, valiosos datos sobre balances de masa y energía, a diversascargas y condiciones de operación. En general, la transferencia de calor, captura de azufre yNOX, niveles de álcalis y de cloruros etc, se correspondían con los esperados. El rendimiento decombustión alcanzó el 99 %. El arrastre de partículas fue mayor que el previsto, y no se resolvióel problema de desgaste en los tubos del lecho ni el de limpieza de humos. En 1984, se completóel programa tripartito, la unidad fue transferida al National Coal Board, y se iniciaron nuevosprogramas de ensayos para acometer los diversos problemas presentados, dentro y fuera delcombustor, limpieza de gases, etc. Estos programas tuvieron su continuidad en otras unidadesque constituyen las comerciales de primera generación:

14.1. EL PROCESOCon relación a su aplicación industrial, el LFP es en realidad un sistema de generación

de energía eléctrica de ciclo combinado: los gases producto de la combustión se expansionan enuna turbina de gas que acciona un compresor, para suministrar el aire de combustión y ungenerador de energía eléctrica.

Los gases de escape de la turbina de gas, todavía a una temperatura próxima a los 450ºC, se llevan a una caldera de recuperación de calor, y el vapor producido alimenta unturboalternador. En la figura 24 se muestra un esquema del proceso.

Hay distintos tipos de ciclos combinados para esta aplicación, que pueden resumiesecomo sigue:

En el Sistema Supercarga los gases de combustión, a una temperatura superior a los 800ºC, se expanden en la turbina de gas y, posteriormente, ceden su calor remanente en una calderade recuperación de calor que se integra en el ciclo agua-vapor. La turbina de gas trabaja a altatemperatura y está expuesta a erosión y corrosión a consecuencia de las partículas que arrastranlos gases, por eso es preciso limpiarlos, mediante ciclones en cascada, y últimamente, se intentahacerlo mediante filtros cerámicas.

La turbina de gas mueve el compresor y un alternador, en el que se generaaproximadamente un 25 % de la energía generada en el sistema. El resto se obtiene en elturboalternador accionado por el vapor generado en la caldera. El rendimiento bruto del ciclopuede alcanzar el 40 %.

En el Sistema Turbocarga los gases de combustión abandonan la caldera a unos 450 °C.La turbina de gas trabaja, pues, en condiciones menos severas, y es más sencilla la operación delimpieza de los gases. Sin embargo, la turbina sólo genera energía suficiente para mover elcompresor. El rendimiento global del ciclo puede alcanzar el 37 %.

En el Sistema de Ciclo de Aire el aire suministrado por el compresor se divide en doscorrientes, 1/3 del total constituye el aire de fluidización y combustión (aire primario) y el restoes aire que se caliente en serpentines contenidos en el lecho y luego se mezcla con los gases yadepurados, pasando la mezcla a la turbina de gas a unos 800 ºC. Los gases de escape de laturbina ceden el calor remanente en una caldera de recuperación de calor. El vapor generado enla misma alimenta un turboalternador. Aproximadamente el 60 % de toda la energía del sistemase genera en la turbina de gas, que mueve el compresor y un alternador. El rendimiento globaldel ciclo alcanza el 35%.


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Como ya se ha visto, la tecnología de lecho fluido presurizado supone bastantecomplejidad y una problemática aún no totalmente resuelta, que puede resumiese como sigue:

1. Alimentación de combustible y sorbente al reactor.2. Desgaste en los tubos inmersos en el lecho.3. Erosión y corrosión en la turbina de gas: limpieza de los gases.4. Extracción de las cenizas producidas.No obstante, sus altos rendimientos y buen control de emisiones la hacen sumamente

atractiva, encontrándose actualmente en pleno desarrollo.

14.2. LECHO FLUIDO PRESURIZADO DE SEGUNDA GENERACIÓNSe busca el desarrollo de un sistema avanzado de producción de energía eléctrica a partir

del carbón, con un 45 % de rendimiento y unos costes de generación un 20 % por debajo de los


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de las centrales térmicas convencionales.La planta prototipo, se denominó de segunda generación porque funciona con

temperaturas de entrada de gases a la turbina muy por encima de los 850 ºC típicos de los lechosde primera generación. El aumento de temperatura mejora el rendimiento del ciclo.

La figura 25 representa, esquemáticamente, un diagrama simplificado de dicha planta.Básicamente la planta opera como sigue: La mezcla de carbón y sorbente se alimenta a

un gasógeno presurizado que produce gas pobre y char. Tras pasar a través de un sistema deciclones y filtros cerámicas, el combustible gaseoso se quema en un combustor final desde dondeva a una turbina de gas, la cual mueve, a su vez, un compresor y un alternador. El compresorsuministra aire a presión para el gasógeno, el combustor de LFP, y en un intercambiador de calorde lecho fluido (FBHE). El char residual del gasógeno se quema en la caldera de LFP con granexceso de aire. El vapor se genera en una caldera de recuperación de calor, de los gases deescape de la turbina de gas, y en un intercambiador de calor de lecho fluido que recupera el calorde las cenizas. El vapor generado mueve un turbogenerador que suministra el resto de la energíaproducida en la planta. El gas pobre se obtiene en el gasógeno por pirólisis y volatilización delcarbón. Se trata de un reactor de lecho fluido, que al operar a temperaturas relativamente bajaspara este tipo de equipos, produce también un residuo de char inquemado. El combustible gascontiene compuestos de azufre, por tanto, inyectando un sorbente a base de cal con elcombustible, se favorece la captura de azufre (en forma de sulfito). El gas bruto se consume enel combustor, fuera del gasógeno, lo que evita el costoso complejo de intercambiadores de calory captura química del azufre propio de otros diseños.

El alto exceso de aire oxida el sulfito a sulfato (yeso) en el combustor, permitiendo sueliminación junto con el producido en el combustor de LFP. En éste, la combustión del charcalienta la mezcla de gas y aire hasta 850 ºC, el exceso de calor se transmite al intercambiadorde lecho fluido recirculando el sorbente entre éste y el combustor de LFP.

Los gases del gasógeno y el combustor de LFP arrastran partículas de coque, sorbentey cenizas que podrían erosionar o producir depósitos en la turbina de gas. Es necesario limpiarlosen caliente mediante un sistema a base de ciclones y filtros cerámicas, consiguiéndose menosde 20 ppm de sólidos en suspensión a la entrada del combustor final y la turbina de gas.

En la tabla siguiente se muestra una comparación entreos rendimientos de distintos tiposde sistemas de generación de energía eléctrica.

Rendimiento neto de planta (sobre PCS)LFP

2ª GeneraciónC. Pulverizado con

desulfuraciónLFP

1ª GeneraciónIGCC

43,7 36,6 40,8 42,3

centrales tÉrmicas. sistemas de...

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