La combustión en lecho fluido (Fluidized bed combustion, FBC en inglés) es una tecnología de combustión utilizada en centrales eléctricas que ha ganado relevancia debido a su flexibilidad en el uso de combustibles y su menor impacto ambiental. Esta tecnología permite una mayor flexibilidad en el uso de combustible, incluyendo carbón, biomasa, basura, entre otros, además de un mayor aprovechamiento del combustible y una mejor transferencia del calor producido durante la combustión.
Fundamentos del Lecho Fluido
Un lecho fluidizado se basa en el paso de un fluido (líquido o gas) a través de un sólido provocando su movimiento, pero sin llegar a arrastrarlo. Es decir, se alcanza el régimen de fluidización cuando el sólido se mueve como si fuese un fluido y se mantiene en el lecho. Esto se consigue gracias a que la fuerza de empuje que ejerce el fluido sobre cada una de las partículas, vence el peso de las mismas. Por lo tanto, las propiedades del fluido y del sólido, además de la geometría del reactor, van a determinar las condiciones de fluidización.
Para un determinado sistema fluido-sólido en un reactor, según se aumenta la velocidad del fluido, la pérdida de carga del lecho también aumenta, pero cuando se alcanza la fluidización (punto de mínima fluidización) la pérdida de carga del lecho se mantiene constante con el aumento de la velocidad del fluido, y las partículas sólidas se encuentran en régimen fluidizado, adquiriendo propiedades propias de un fluido. Esto sucede hasta que la velocidad es tan alta que el fluido arrastra al sólido, produciendo un transporte neumático. En este momento la pérdida de carga del lecho comienza a disminuir al aumentar el caudal.
Composición y Operación
Un lecho fluido está formado por el combustible en pedazos (aproximadamente es un 2-5% del peso total del lecho) y el lecho propiamente dicho (cenizas, piedra caliza, material adicional,...). No se permite la fundición del lecho, por lo que la temperatura está limitada a 850-900 °C. El lecho fluido sustenta el combustible sólido mientras se bombea aire hacia arriba durante la combustión.
En un gasificador de lecho fluido, la materia prima y el lecho se fluidizan introduciendo un agente oxidante como aire, oxígeno, vapor o una combinación de ellos, desde abajo, de manera que el lecho se expande desde arriba. La velocidad del agente empleado determina si se trata de un lecho fluido burbujeante (BFB) o de un lecho fluido circulante (CFB).
Tipos de Lechos Fluidos
- Lecho Fluido Burbujeante (BFB): Es un tipo de FBC para plantas más pequeñas, hasta 100 MW quemando biomasa al 100 %. En los BFB, se emplean altos niveles de aire bajo el fuego (tanto como el 70 %) para empujar el lecho hacia arriba y hacer que se comporte como un fluido. El tiempo de residencia se incrementa, proporcionando una minuciosa mezcla de combustible y aire. La velocidad del aire primario juega un papel importante en mantener el lecho a un nivel apropiado, asegurando de esta forma la mezcla de combustible y aire. El flujo de aire restante se asigna como aire para sobrefuego o aire secundario.
- Lecho Fluido Circulante (CFB): En los CFB, la velocidad del agente oxidante es tan elevada que las partículas de materia prima y del lecho son arrastradas por el gas pobre fuera del reactor. Estas partículas son separadas por el ciclón y vuelven al reactor.
El lecho permite una distribución uniforme de la temperatura y una mayor estabilidad en la reacción. Los lechos fluidos suelen ser bastante indiferentes al contenido en cenizas y otras especificaciones del combustible. Existe un gran número de variedades de estos gasificadores: inyección de oxígeno, de aire, a presión atmosférica o presurizada.
Los distintos tipos de lechos fluidos se clasifican en función del parámetro R que indica la cantidad de material que recircula entre el material que se introduce en el lecho. Si 0<R<1, se denomina lecho fluido estacionario.
Ventajas de la Combustión en Lecho Fluido
Las principales ventajas que ofrece el uso de un lecho fluidizado radican en el buen contacto sólido-fluido, favoreciendo la transferencia de masa y calor entre ambos. Este combustor es ideal debido a que opera a temperaturas de horno inferiores, aproximadamente de 815 ºC y 899 ºC, que está por debajo del umbral para la formación térmica de NOx, la fuente primaria de emisiones de aire de NOx. Usando adsorbentes tales como el carbonato cálcico en el lecho del combustor, el FBC puede capturar dióxido de azufre in situ cuando se queman combustibles que contienen azufre. De esta forma se evitan costosos sistemas de desulfurización.
El tiempo de residencia de combustible se incrementó significativamente, reduciendo así la temperatura e incrementando la turbulencia, y de esta forma se proporciona la mezcla apropiada de combustible, aire, y cualquier adsorbentes que pueden ser requeridos con carga de azufre. En las temperaturas del lecho a las que opera FBC, típicamente entre 1550 y 1650 F, la humedad contenida en el combustible no es generalmente un problema.
Las emisiones de CO son bajas en las calderas de FBC debido a la buena mezcla de aire-combustible, que permite la operación con aire excedente mínimo y por lo tanto una eficiencia de combustión relativa más alta. El diseño de una caldera FBC proporciona un alto nivel de energía almacenado, permitiendo de esta forma cambios de carga relativamente rápidos.
Aplicaciones y Desafíos
La tecnología FBC está llegando a ser la tecnología preferida para quemar la mayoría de los combustibles derivados de la biomasa. FBC es perfecta para ser utilizada en combustibles difíciles de quemar en cualquier combinación, pero lo más importante es que es una tecnología probada tanto para calderas pequeñas como grandes.
10 kW Biomass gasification plant - Fluidized bed / Planta de gasificación de biomasa - Lecho fluido
Combustibles y Biomasa
La biomasa, por su naturaleza, tiene un amplio rango de constituyentes y atributos químicos que determinan el equipo necesario para quemar eficientemente cada tipo de combustible. Los biocombustibles, por su naturaleza, no son homogéneos. Su densidad, contenido de humedad, composición química y valor del calor varían en gran medida. Además, sus características de combustible pueden variar cada día o incluso con cada entrega de combustible. La mezcla de biomasa con carbón también es una opción interesante.
Las calderas de lecho fluidizado están diseñadas específicamente para manejar combustibles difíciles de quemar, incluyendo residuos de carbón, antracita, madera, turba, cortezas, restos de neumáticos, lodos de molinos de papel, y otros similares.
Reactores de Lecho Fluido
Un gas frío o precalentado o una mezcla de gas y líquido fluye en la cámara inferior del reactor de lecho fluidizado. Los parámetros de presión y corriente establecidos en el laboratorio se transfieren a la placas difusoras de gas y fluido intercambiables. El reactor de lecho fluidizado puede subdividirse en varias zonas de calentamiento y calentarse por medio de electricidad o mediante una cámara de combustión externa. Sobre el lecho fluidizado se encuentra el llamado freeboard, el cual hace de zona de sedimentación para partículas pesadas. Con filtros tipo vela de gas caliente se limpia el gas reactivo de las partículas más finas.
En caso de que se requiriera el purgado de partículas en suspensión, la unidad de filtración podrá colocarse fuera del reactor. Como alternativa es posible la separación por ciclón. SCHWING ofrece también reactores multietapa de lecho fluidizado para la ejecución continua de reacciones químicas. Estos reactores multietapa son concebibles para la calcinación y el secado de polvos o granulados con hasta 150 etapas teóricas de mezclado.
Reactores Tipo "Twin Bed"
En gasificadores tipo «twin bed», la combustión tiene lugar en un primer reactor y el calor se transfiere al gasificador mediante la circulación de un lecho de material caliente. La biomasa entra en el gasificador por arriba, donde entra en contacto con el lecho caliente procedente del combustor produciéndose su descomposición termoquímica. Una de sus ventajas es que permite obtener un gas libre de nitrógeno con un poder calorífico relativamente alto. La temperatura en el gasificador siempre es inferior a la alcanzada en el combustor.
Desarrollo Histórico y Moderno
A principios de los años 70 se construyó la primera planta que suministró electricidad a la red, era una pequeña planta de carbón en Rivesville, Virginia Occidental. Tras muchos problemas económicos y técnicos, debidos al alto coste de mantenimiento de la planta, la central se cerró a finales de esa misma década. Otras plantas pioneras también experimentaron muchos problemas con la erosión, la entrada de aire y la alimentación por carbón.
Paralelamente se efectuó a principios de los años 80 un gran desarrollo y construcción de plantas en España y los países escandinavos, que sirvió para mejorar la tecnología existente así como la creación de nuevos conceptos. Actualmente la combustión en lecho fluido está experimentando un gran auge, debido al mejor aprovechamiento del carbón y la menor emisión de gases contaminantes.
Investigación y Futuro
Considerando sus ventajas y múltiples aplicaciones en las que se encuentran desarrollados, no está de más pensar en que podrían emplearse en aplicaciones con energía solar concentrada. En esta línea, el Instituto IMDEA Energía está trabajando en el estudio y desarrollo de un lecho fluidizado indirectamente irradiado dentro del marco del proyecto nacional ARROPAR-CEX siglas de Análisis multidisciplinar en torno a conceptos de Receptores/ReactOres de PARtículas de calentamiento indirecto para aplicaciones solares en Condiciones Extremas. Los ensayos preliminares se han realizado en un reactor prestado por el CIEMAT que trabaja en condiciones de irradiación directa.
A partir de los resultados obtenidos y los estudios de fluidización en frío en un tubo de PVC, se va a diseñar un reactor/receptor de partículas de 10 kW térmicos que sea capaz de trabajar en régimen de lecho fijo, fluidizado o arrastrado, a temperaturas superiores a 1300 ºC, utilizando la radiación concentrada del simulador solar de alto flujo Kiran-42 instalado en IMDEA Energía como única fuente energética.
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