ES2255742T3 - Procedimiento termoquimico de recuperacion regenerativa del calor. - Google Patents

Abstract

SE PROPORCIONA UN HORNO QUE TIENE AL MENOS DOS LECHOS REGENERADORES PARA LA RECUPERACION DE CALOR. MIENTRAS QUE UN PRIMER LECHO SE CALIENTA MEDIANTE GASES DE COMBUSTION CALIENTES PRODUCIDOS MEDIANTE LA COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE Y UN OXIDANTE EN EL HORNO, UN SEGUNDO LECHO, CALENTADO DURANTE UN CICLO PREVIO, SE ENFRIA LLEVANDO A CABO UNA REACCION QUIMICA ENDOTERMICA EN EL MISMO, POR EJEMPLO LA REACCION DE CONVERSION DE UN HIDROCARBURO CON VAPOR DE AGUA Y DIOXIDO DE CARBONO Y/O LA DISOCIACION DE UN HIDROCARBURO. UNA VEZ QUE EL SEGUNDO LECHO SE HA ENFRIADO MEDIANTE LA REACCION ENDOTERMICA, LOS GASES DE COMBUSTION CALIENTES SON REDIRIGIDOS HACIA EL MISMO, MIENTRAS QUE EL PRIMER LECHO, AHORA CALIENTE, SE UTILIZA PARA LLEVAR A CABO LA REACCION QUIMICA ENDOTERMICA. A CONTINUACION, DICHO CICLO SE REPITE.

Description

Procedimiento termoquímico de recuperación regenerativa de calor.

Campo técnico

La invención se refiere generalmente a la recuperación de energía residual de gases de chimenea en hornos que emplean lechos regeneradores.

Técnica precedente

Una cantidad significativa de energía se desperdicia cuando productos calientes de combustión generados en hornos industriales se ponen en comunicación con la atmósfera como gases de chimenea o de escape. Se ha desarrollado un número de técnicas para recuperar al menos parte de esta energía residual.

Los regeneradores, por ejemplo, proporcionan un intercambio térmico cíclico, recibiendo alternativamente calor procedente de productos de combustión gaseosos calientes salientes y transfiriéndolo a, y así precalentando, el aire de combustión entrante. Típicamente, los regeneradores tienen un lecho de regeneración térmica formado por o cargado con un material de relleno que almacena y transfiere calor. Aunque se conocen desde hace décadas grandes regeneradores refractarios recuperadores de calor, un desarrollo más reciente ha sido la introducción de regeneradores de quemador integrales, también conocidos como quemadores regeneradores.

En general, los quemadores regeneradores se proporcionan por pares, funcionando una unidad en un modo de combustión y la otra en un modo de escape o chimenea. Para unidades dobles A y B, por ejemplo, la unidad B puede hacerse funcionar como un quemador mientras que los gases de chimenea calientes son enfriados al hacerlos pasar a través del lecho de la unidad A que se hace funcionar como "chimenea". Cuando el lecho de la unidad A ha alcanzado la temperatura buscada, los gases de chimenea se redirigen al lecho de la unidad B, que funciona ahora como chimenea, mientras que la unidad A se conmuta hasta un modo de quemador; el calor almacenado en el lecho de la unidad A se recupera a medida que el aire de combustión a temperatura ambiente se hace pasar a través del lecho caliente y se precalienta. Una vez que el lecho de la unidad B alcanza la temperatura buscada, la unidad B se conmuta de nuevo hasta modo de quemador mientras que los gases de escape calientes se redirigen a la unidad A.

Aunque se sabe cómo recuperar energía residual de gases de chimenea calientes al precalentar aire de combustión entrante, este enfoque de precalentamiento no se pone en práctica normalmente en procedimientos de combustión basados en oxígeno donde el oxidante se emplea típicamente a temperatura ambiente. Una razón es que los ahorros de energía esperados de precalentar el oxígeno son moderados. Por otra parte, existe un número de dificultades técnicas asociadas con manejar oxígeno de combustión caliente. Aunque el oxígeno puede precalentarse usando cambiadores o recuperadores de calor indirectos, tales unidades tienen limitaciones impuestas por los materiales empleados en su construcción; generalmente, la temperatura de precalentamiento de oxígeno que puede alcanzarse en tales cambiadores de calor no supera aproximadamente 704ºC (1300ºF).

También existen problemas con el intento de precalentar oxígeno usando los regeneradores de ciclo rápido disponibles actualmente para hornos encendidos con aire. Por ejemplo, los lechos de estos sistemas regeneradores se bloquean cuando los gases de chimenea contienen polvo y/o materiales condensables; por consiguiente su uso está limitado a procedimientos relativamente limpios.

Puesto que el tiempo de ciclo típico de un regenerador de ciclo rápido es menos de 2 minutos, el tamaño de los lechos en estas unidades es pequeño. En el caso de precalentamiento de oxígeno, para una temperatura del gas de chimenea de aproximadamente 1316ºC (2400ºF), los gases de chimenea que salen del regenerador siguen estando a una temperatura excesivamente alta, aproximadamente 816ºC (1500ºF), en comparación con solo aproximadamente 149ºC (300ºF) para precalentamiento de aire. Por otra parte, el volumen de oxígeno residual que queda en el regenerador al final del ciclo de precalentamiento puede ser tan alto como 5% a 10% del volumen de flujo de oxígeno por ciclo de precalentamiento. Cuando el flujo se invierte, este oxígeno residual se pierde en el escape. Sin embargo, generar cantidades incrementadas de No_{x} al someter a combustión oxígeno a alta temperatura es otro problema técnico que puede surgir del precalentamiento de oxígeno.

Claramente, las características especiales de la combustión de combustible oxigenado imponen limitaciones a los posibles enfoques para recuperar calor, limitaciones que no se encuentran en procedimientos convencionales donde precalentar el aire de combustión es económico, bien conocidos y ampliamente puestos en práctica.

El documento US 4.240.805 se refiere a un procedimiento y un dispositivo para formar hidrógeno a partir de un material de alimentación hidrocarbúrico y vapor de agua, que comprende dos reactores idénticos, cada uno de los cuales está comprendido por tres zonas que tienen la siguiente función en un modo de elaboración: la primera zona es para precalentar la mezcla de vapor de agua y material de alimentación hidrocarbúrico mediante calor almacenado en un modo de regeneración; la segunda zona es para craquear y reformar el material de alimentación; y la tercera zona recoge calor procedente de los productos de reacción efluentes de la segunda zona, sirviendo de ese modo como una zona de enfriamiento. En el modo de regeneración la primera zona sirve como una zona de enfriamiento para productos de combustión producidos en la segunda zona a partir de oxidación con aire calentado mediante el paso a través de la tercera zona. La descripción de investigación "Recuperator" GB, Industrial Opportunities Ltd., Havant Nº 327, 1 de Julio de 1991, Página 563, y el documento GB 740 634 A se refieren a procedimientos similares. Además, se menciona en el documento GB 740 634 A que se han ideado métodos cíclicos para el reformado catalítico de hidrocarburos en presencia de vapor de agua, en los que el material catalítico se calienta alternativamente al hacer pasar gases calientes a su través. Entre estos períodos de calentamiento, el hidrocarburo y el vapor de agua se hacen pasar a través del lecho de catalizador en el que tiene lugar la reacción endotérmica.

Un objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento para mejorar la recuperación de energía residual procedente de gases de chimenea calientes producidos en hornos empleando lechos regeneradores.

Otro objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento para mejorar la recuperación de energía residual procedente de gases de chimenea calientes producidos durante la combustión de un combustible con un oxidante que tiene una concentración de oxígeno superior que la del aire.

Sumario de la invención

Los objetivos anteriores y otros, que serán evidentes para un experto en la técnica al leer esta descripción, son alcanzados mediante la presente invención que es un procedimiento para recuperar calor de gases de chimenea calientes producidos al someter a combustión un combustible con un oxidante en un horno de acuerdo con las reivindicaciones 1-8.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un diagrama esquemático de un sistema útil para llevar a cabo la invención.

La Figura 2 es una representación gráfica del funcionamiento de un sistema que tiene cuatro lechos que muestran reformado secuencial de oxígeno y precalentamiento de oxígeno.

La Figura 3 ilustra gráficamente la recuperación de energía obtenida al precalentar un regenerador termoquímico con 93% de gases de chimenea y reformar 10% del combustible de gas natural.

La Figura 4 es un diagrama esquemático de un sistema útil para llevar a cabo la invención en el que un regenerador termoquímico se integra con un horno que genera productos de oxidación parcial.

Descripción detallada de la invención

En muchos hornos el combustible se somete a combustión en presencia de un oxidante tal como aire, oxígeno o aire enriquecido en oxígeno, para calentar el material que se está procesando; gases de chimenea residuales calientes que contienen productos de combustión calientes se generan durante el funcionamiento de estos hornos. La invención es particularmente ventajosa para usar con hornos calentados al someter a combustión un combustible con oxígeno pero también puede ser ventajoso cuando se usa con hornos encendidos con aire convencionales o en hornos encendidos con aire enriquecido en oxígeno.

La invención se usa con hornos que emplean al menos un sistema regenerador, teniendo típicamente cada sistema dos lechos regeneradores aunque pueden usarse más de dos lechos. Los lechos comprenden típicamente un recipiente forrado con material refractario relleno con un material que es eficaz para almacenar y transferir calor, puede proporcionar una resistencia al choque térmico adecuada y puede resistir las temperaturas y las caídas de presión encontradas al poner en práctica la invención. Bolas formadas por diversos materiales, alúmina, magnesia, mullita, AZS o materiales cerámicos basados en circonia son ejemplos del material que puede usarse en los lechos
regeneradores.

En la práctica de esta invención, se emplean lechos regeneradores, no meramente como intercambiadores de calor, sino también para llevar a cabo una o más reacciones químicas endotérmicas generando de ese modo productos de reacción útiles. El calor sensible procedente de los gases de chimenea calientes producidos en el procedimiento de combustión es capturado y almacenado en un material del lecho regenerador durante un ciclo y, durante el ciclo subsiguiente, el lecho actúa como un regenerador termoquímico con lo que una porción del calor almacenado en el lecho regenerador se recupera como calor endotérmico para la reacción.

Para un sistema regenerador con lechos primero y segundo numerados Nº 1 y Nº 2, gases de chimenea calientes formados durante el procedimiento de combustión se hacen pasar a través del lecho Nº 1 calentando el material del lecho y enfriando los gases de chimenea, mientras que los reaccionantes deseados se hacen pasar a través del lecho Nº 2 ya calentado durante el ciclo previo. A medida que tiene lugar la reacción endotérmica, se forman productos de reacción y el lecho Nº 2, que actúa durante este ciclo como un regenerador termoquímico, se enfría. Los flujos hacia los lechos se conmutan a continuación, proporcionando el lecho Nº 2, ahora frío, un disipador térmico para los gases de chimenea calientes y suministrando el lecho Nº 1 caliente a los reaccionantes el calor de reacción necesario para formar productos de reacción mediante la reacción química endotérmica.

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Puesto que los gases de chimenea contienen productos de combustión tales como dióxido de carbono y vapor de agua y puesto que típicamente el combustible usado en el procedimiento de combustión contiene metano y/u otros hidrocarburos, es particularmente beneficioso aprovechar la presencia de estas especies para llevar a cabo la reacción de reformado analizada posteriormente.

De acuerdo con esta realización de la invención, calor sensible procedente de los gases de chimenea calientes es capturado y almacenado en el lecho Nº 1. Al menos una porción de los gases de chimenea enfriados que escapan del lecho Nº 1 y que contienen productos de combustión, CO_{2} y H_{2}O, se recicla y se inyecta, junto con hidrocarburos, tales como los encontrados típicamente en el combustible de combustión, en el lecho Nº 2, que se ha calentado durante el ciclo previo. También puede proporcionarse vapor de agua en el lecho Nº 2. Los reaccionantes son calentados por el lecho y reaccionan endotérmicamente recuperando así calor almacenado en el lecho Nº 2. Una vez que el lecho Nº 1 es calentado por los gases de chimenea calientes y el lecho Nº 2 es enfriado por la reacción de reformado endotérmica, los flujos hacia los lechos se invierten y la recuperación térmica continúa de modo cíclico.

Además de las etapas descritas anteriormente, puede ser deseable purgar el lecho del gas residual que queda en el lecho al final del ciclo de reacción endotérmica. Puede usarse gas de chimenea reciclado o vapor de agua enfriado como el medio de purga.

Al usar un oxidante de combustión que tiene una concentración de oxígeno superior que la del aire y, preferiblemente, al usar oxígeno puro o casi puro, la concentración de H_{2}O y CO_{2} en los gases de chimenea es considerablemente superior de lo que sería el caso si se usara aire ya que estas especies serían diluidas por grandes cantidades de nitrógeno. Además, los procedimientos de combustión basados en oxígeno generan temperaturas superiores. Ambos factores promueven la reacción o reacciones de reformado.

De acuerdo con esto, una realización preferida de la invención es llevar a cabo el procedimiento de combustión usando un oxidante que tiene una concentración de oxígeno superior que la del aire. Por ejemplo, el oxidante puede ser aire enriquecido en oxígeno y tener un contenido de oxígeno mayor que 21% en volumen, preferiblemente mayor que aproximadamente 35% en volumen; lo que más se prefiere es llevar a cabo el procedimiento de combustión usando un oxidante que tiene una concentración de oxígeno de al menos 80% en volumen. El oxidante puede ser oxígeno obtenido a través de la separación criogénica o no criogénica de aire o a través de un procedimiento químico de producción de oxígeno.

Preferiblemente, el regenerador termoquímico se calienta hasta una temperatura de al menos 816ºC (1500ºF). Cuando se generan gases de chimenea relativamente limpios, puede usarse en los lechos un catalizador adecuado disminuyendo así la temperatura de reformado. Tal catalizador incluye alúmina, níquel o componentes de metales nobles. Compuestos catalíticamente activos pueden estar soportados sobre un portador cerámico de catalizador, tal como, por ejemplo, alúmina.

En forma idealizada, la reacción que tiene lugar en el lecho de reformado puede describirse como:

(1)CH_{4} + 2/3H_{2}O + 1/3CO_{2} \rightarrow 4/3CO + 8/3H_{2}

La reacción es endotérmica y a 16ºC (60ºF) requiere 3315 kj/m^{3} (250 Btu por 1 pié^{3} estándar (SCF)) de CH_{4}, medido a 16ºC (60ºF). El producto de esta reacción, es decir monóxido de carbono e hidrógeno, conocido como gas de síntesis o "syngas", puede usarse adicionalmente. Es una realización preferida de la invención hacer pasar la mezcla de productos reaccionantes de CO y H_{2} al horno y someterla a combustión con oxígeno para producir CO_{2} y H_{2}O. Esta disposición se muestra en la Figura 1.

En la Tabla 1 se listan algunos calores de reacción. La Tabla 2 muestra el calor sensible de diversos gases o mezclas de gases por SCF de CH_{4} a diferentes temperaturas: 704, 1093 y 1316ºC (1300, 2000 y 2400ºF).

TABLA 1 Calor de combustión y reacciones de reformado

Calor de reacción	(BTU/SCF a 60ºF)
CH_{4} + 2O_{2} \rightarrow CO_{2} + 2H_{2}O (g)	913
H_{2} + 1/2O_{2} \rightarrow H_{2}O (g)	275
CO + 1/2O_{2} \rightarrow CO_{2}	322
C + O_{2} \rightarrow CO_{2}	446
Reacciones de pox/reformado	(BTU/SCF a 60ºF)
CH_{4} + 1/2O_{2} \rightarrow CO + 2H_{2}	41
CH_{4} + H_{2}O \rightarrow CO + 3H_{2}	-234

TABLA 1 (continuación)

Reacciones de pox/reformado	(BTU/SCF a 60ºF)
CH_{4} + CO_{2} \rightarrow 2CO + 2H_{2}	-281
CH_{4} + 1/3CO_{2} + 2/3H_{2}O \rightarrow 4/3CO + 8/3H_{2}	-250
Reacción de craqueo
CH_{4} \rightarrow C + 2H_{2}	-83

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TABLA 2 Calor sensible de los gases (BTU/SCF de CH_{4})

Temperatura del gas (ºC)	704	1093	1316
	(1300ºF)	(2000ºF)	(2400ºF)
Calor sensible por 1 SCF de CH_{4}
Gas de chimenea (O_{2}-CH_{4}): CO_{2}+H_{2}O (g)	93	155	193
Calor de combustión (aire-CH_{4}): CO_{2}+2H_{2}O (g)+8N_{2}	278	459	569
Oxígeno	49	81	99
Aire	223	367	453
CH_{4}	41	76	97
Gas reformado (O_{2}): 7/3CO+8/3H_{2}	91	147	181
Gas reformado (aire):	156	249	307
4/3CO+8/3H_{2}=8/3N_{2}	68	110	136
Productos de pox: (CO+2H_{2})
1 BTU/SCF \cong 37,26 kj/m^{3}
60ºF \cong 16ºC

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TABLA 3 Relación de recuperación de calor teórica

Temperatura del gas de chimenea (ºC)	1093	1316	1538
	(2000ºF)	(2400ºF)	(2800ºF)
Temperatura de precalentamiento de gas (ºC)	704	1093	1316
	(1300ºF)	(2000ºF)	(2400ºF)
Combustión con combustible oxigenado
\hskip0.5cm (1) Precalentamiento de oxígeno	0,32	0,42	0,43
\hskip0.5cm (2) Precalentamiento de CH_{4}	0,27	0,42	0,42
\hskip0.5cm (3) Precalentamiento de O_{2}/CH_{4}	0,59	0,81	0,85
\hskip0.5cm (4) Reformado de CH_{4} al 100%	1,64	1,54	1,39
\hskip0.5cm (5) Reformado de CH_{4} al 50%	0,94	0,88	0,8 \;
Combustión en combustible de aire
\hskip0.5cm (1) Precalentamiento de aire	0,61	0,81	0,84
\hskip0.5cm (2) Precalentamiento de CH_{4}	0,09	0,13	0,14
\hskip0.5cm (3) Precalentamiento de aire/CH_{4}	0,7 \;	0,94	0,98
\hskip0.5cm (4) Reformado de CH_{4} al 100%	0,66	0,66	0,61

Como se observa en la Tabla 1, el calor de combustión produce 34017 kg/m^{3} (913 Btu por 1 SCF) de CH_{4} a 16ºC (60ºF). La reacción de reformado es endotérmica y requiere aproximadamente 1/4 del calor de combustión a 16ºC (60ºF), presentando así el potencial para recuperar una cantidad significativa de calor residual.

Como se muestra en la Tabla 2, el calor sensible de gases de chimenea a una temperatura de 1316ºC (2400ºF), producido por combustión con combustible oxigenando, es 7191 kj/m^{3} (193 Btu/SCF) o aproximadamente 22% del calor de combustión; para combustión basada en aire, el calor sensible de los gases de chimenea a 1316ºC (2400ºF) es 21200 kg/m^{3} (569 Btu/SCF) o aproximadamente 60% del calor de combustión.

Relaciones de recuperación térmica teóricas se muestran en la Tabla 3 a tres temperaturas y con diversas opciones de recuperación térmica: (1) precalentamiento de oxidante; (2) precalentamiento de combustible; (3) precalentamiento de oxidante y combustible; reformado para (4) 100% de CH_{4} y (5) 50% de CH_{4}. La tabla destaca las diferencias entre combustión con combustible oxigenado y basada en aire con respecto al calor residual recuperable al precalentar el oxidante. Aunque en la combustión basada en aire convencional tanto como 61 a 84% del calor sensible de gases de chimenea puede recuperarse al precalentar el aire de combustión, solo aproximadamente 32 a 43% puede recuperarse al precalentar oxígeno en el caso del combustible oxigenado. Esto se debe al pequeño volumen y la baja capacidad térmica del oxígeno en comparación con los gases de chimenea.

Aunque precalentar es menos atractivo para la combustión con combustible oxigenado en comparación con el procedimiento basado en aire, la Tabla 3 ilustra que el reformado puede incrementar mucho la recuperación de energía para el caso del oxígeno. Como se observa en la Tabla 1, el calor endotérmico de reacción para la reacción (1) es 9315 kj/m^{3} (250 Btu/SCF) de CH_{4} a 16ºC (60ºF). Además, como se observa en la Tabla 2, el gas reformado ("syngas") a 1093ºC (2000ºF), por ejemplo, también tiene 5477 kj/m^{3} (147 Btu/SCF) de CH_{4} de calor sensible. Así, reformar completamente una mezcla fría de CH_{4} y gas de chimenea (CO_{2} y H_{2}O) requiere un total de 14792 kj/m^{3} (397 Btu/SCF) de CH_{4} para la temperatura del gas de 1093ºC (2000ºF). Para una relación inicial de gas de chimenea a CH_{4} de 1:1 y un reciclado de 33% del gas de chimenea, 133% del gas de chimenea original está disponible para los regeneradores. Para gases de chimenea a una temperatura de 1316ºC (2400ºF), el calor sensible de los gases de chimenea es 7191 kj/m^{3} (193 Btu/SCF) de CH_{4} (a partir de la Tabla 2) multiplicado por 133% o 9576 kj/m^{3} (257 Btu/SCF) de CH_{4}. La Tabla 3 muestra que para este caso la relación de recuperación térmica teórica es 397/257 o 1,54. Relaciones de recuperación térmica mayores que 1 indican que la capacidad energética potencial del regenerador termoquímico es mayor que la cantidad de calor sensible disponible en los gases de chimenea. Por consiguiente, no es necesario usar 100% del combustible disponible para el reformado y la Tabla 3 muestra una relación de recuperación térmica teórica muy favorable, que varía entre 0,8 y 0,94, con solo 50% de utilización de combustible.

Según se analiza anteriormente, el reformado está favorecido por altas temperaturas. Generalmente, en ausencia de catalizadores, no tiene lugar reacción de reformado una vez que la temperatura del lecho cae por debajo de aproximadamente 704ºC (1300ºF). Para recuperar adicionalmente la energía residual todavía almacenada en el lecho, una vez que la temperatura del lecho se hace demasiado baja para mantener la reacción de reformado, los gases de chimenea pueden precalentarse haciéndolos pasar a través del lecho parcialmente enfriado. De acuerdo con una realización de la invención, puede recuperarse energía adicional mediante el precalentamiento secuencial de combustible (CH_{4}) y a continuación de oxígeno al hacerlos pasar a través del lecho después de que la temperatura del lecho sea demasiado baja para que se produzca la reacción de reformado.

Aunque se reconocerá que el uso de un catalizador, el tipo de catalizador y el diseño del lecho afectarán todos a la temperatura de la reacción de reformado, el ejemplo posterior supone que la temperatura del lecho al final de la reacción de reformado es aproximadamente 704ºC (1300ºF). Para el precalentamiento de combustible, el calor sensible de gases de chimenea (con reciclado de 33%) a esta temperatura del lecho es 4583 kj/m^{3} (123 Btu por SCF) de gas natural (principalmente CH_{4}) y es aproximadamente igual a la energía almacenada en el lecho a 704ºC (1300ºF). Para una relación inicial de CH_{4} a gas de chimenea de 1:1 con 33% de reciclado de gases de chimenea, el calor sensible posible para la mezcla de CH_{4}-gas de chimenea es 41 + (93x33%) o un total de 2683 kj/m^{3} (72 Btu/SCF) de CH_{4}. Así, 1900 kj/m^{3} (51 Btu) de energía no pueden recuperarse y el lecho se queda a una temperatura de aproximadamente 399ºC (750ºF).

El calor residual en el lecho (a aproximadamente 399ºC (750ºF)) puede recuperarse al precalentar el oxígeno de combustión. La Figura 2 ilustra una disposición de regenerador con reciclado del gas de chimenea y una etapa de precalentamiento de oxígeno secuencial en el mismo lecho.

Una ventaja adicional de hacer pasar un gas oxidante tal como oxígeno a través del lecho secuencialmente es su papel para limpiar depósitos de carbono formados en el lecho a través de craqueo de combustible. No es necesario usar oxígeno de alta pureza para quemar depósitos de carbono. De hecho, puede preferirse un gas oxidante tal como una mezcla de oxígeno y gas de chimenea reciclado ya que puede evitar temperaturas locales altas excesivas que podrían estar provocadas por las reacciones del depósito de carbono y el oxígeno de alta pureza. Debido a este ciclo de limpieza por quemado con oxígeno, incluso es posible precalentar y craquear parcialmente el combustible de gas natural en el lecho regenerador sin mezclar en gases de chimenea reciclados.

Puesto que un horno típico tiene múltiples quemadores regeneradores, puede ser ventajoso tener quemadores regeneradores convencionales así como termoquímicos en el mismo horno. De acuerdo con otra realización de la invención, el oxígeno puede precalentarse en regeneradores convencionales mientras que la mezcla de combustible y gas de chimenea reciclado se precalienta en los regeneradores termoquímicos. En esta disposición de regeneradores de oxígeno/termoquímicos paralelos, los gases de chimenea se dividen y se expulsan a través de los lechos regeneradores a fin de recuperar algo del calor mediante precalentamiento de oxígeno y el resto mediante una reacción química endotérmica tal como reformado.

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La cantidad óptima que ha de dirigirse al regenerador de precalentamiento de oxígeno convencional puede ilustrarse a través del siguiente ejemplo en el que se supone que los gases de chimenea están a una temperatura de 1316ºC (2400ºF). El calor sensible contenido en 100% y 40% de gas de chimenea caliente obtenido al someter a combustión estequimoétricamente CH_{4} y oxígeno técnicamente puro es, respectivamente, 7191 y 2869 kj/m^{3} (193 y 77 Btu por 1 SCF) de CH_{4}. El calor sensible de oxígeno técnicamente puro a 1038ºC (1900ºF) también es 2869 kj/m^{3} (77 Btu por 1 SCF) de CH_{4}. Así, para precalentar el oxígeno hasta 1038ºC (1900ºF), solo aproximadamente 40% del volumen de gas de chimenea original necesita dirigirse al lecho regenerador convencional usado para precalentar el oxígeno.

El 93% restante (suponiendo que un 33% de reciclado da como resultado 133% del volumen de gas de chimenea original) está disponible para precalentar otros lechos del horno, por ejemplo el lecho que ha de usarse para llevar a cabo la reacción de reformado. Si el lecho regenerador termoquímico calentado recibe a continuación 100% del gas natural (CH_{4}) y 33% de los gases de chimenea enfriados, solo necesita reformarse 10% del gas natural para alcanzar una relación de recuperación térmica de 1. La recuperación energética obtenida en esta realización de la invención se ilustra en la Figura 3. Temperatura [ºC] = 5/9 (temperatura [ºF] -32) y 1 BTU/pie^{3} = 37,3 kj/m^{3}.

La invención puede ponerse en práctica junto a una generación de productos de oxidación parcial (POX) y esta disposición se muestra en la Figura 4. En tal horno de POX, el combustible se oxida parcialmente para producir CO y H_{2} junto con algo de CO_{2} y H_{2}O. Se usan oxígeno y vapor de agua para oxidar el combustible y controlar la formación de hollín. De acuerdo con esta disposición, productos calientes de la oxidación parcial en el horno se hacen pasar al lecho Nº 1 calentando de ese modo el lecho. Mientras tanto, una mezcla de vapor de agua y CH_{4} se alimenta al lecho Nº 2, calentado durante el ciclo previo, para recuperar calor y producir parcialmente H_{2} y CO gaseosos que se introducen en el horno junto con oxígeno. El consumo de oxígeno se reduce debido a la mejor eficacia térmica global que permite que reaccione más H_{2}O con CH_{4}. Como en otras realizaciones analizadas anteriormente, los flujos a los lechos se conmutan cíclicamente una y otra vez.

Además de las disposiciones y las evaluaciones de recuperación energética teóricas analizadas anteriormente, existen varias consideraciones prácticas así como un número de ventajas que están asociadas con la invención. Se espera que la recuperación térmica óptima dependa de la temperatura y las relaciones de reciclado de los gases de chimenea, del material de relleno del lecho y del posible uso de un catalizador de reformado adecuado.

La cantidad de incrustaciones con depósitos de carbono sobre el material de relleno del lecho puede minimizarse al incrementar la relación de gas de chimenea a combustible (gas natural) o al añadir vapor de agua. El intervalo deseable de reciclado de gas de chimenea (relación en volumen de gas de chimenea/gas natural) es de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 3, preferiblemente de aproximadamente 1 a aproximadamente 2. Otro enfoque es la mezcladura de vapor de agua o el uso de un precalentamiento de oxígeno secuencial en el regenerador termoquímico. Como se apunta anteriormente, una ventaja del precalentamiento de oxígeno es su efecto de limpieza ya que la mezcla de oxígeno y gases de chimenea quema depósitos de carbono formados en el lecho durante el ciclo de reciclado.

Cuando se compara con hornos regeneradores basados en aire convencionales, el sistema regenerador termoquímico con combustible oxigenado descrito aquí es más adecuado para tolerar infiltración de aire frío.

Con la invención, la infiltración de aire incrementa el volumen de gas de chimenea y reduce la cantidad de oxígeno requerida en el sistema regenerador termoquímico con combustible oxigenado de la invención. La pérdida de calor adicional a través del incremento en el calor sensible de gas de chimenea puede recuperarse como energía termoquímica. Poner así en práctica la invención da como resultado desventajas menos graves con la infiltración de aire con respecto a la eficacia energética que el horno regenerador convencional basado en aire. Así, es posible hacer funcionar el horno de forma técnicamente eficaz a una presión ligeramente menor que la atmosférica y permitir que se produzca algo de infiltración de aire.

Para alcanzar bajas emisiones de NO_{x} al llevar a cabo la invención, se prefiere que la invención se ponga en práctica usando el método de combustión descrito en la Patente de EE.UU. Nº 5.076.779.

Para mantener pequeño el tamaño del lecho, se prefiere usar regeneradores de ciclo rápido. Sin embargo, para recuperar calor de gases de chimenea que contienen materiales en partículas y/o vapores condensables, los pasajes para el gas en los lechos regeneradores deben ser suficientemente grandes para evitar problemas de obturación. Por ejemplo, los regeneradores comerciales usados para hornos de fusión de vidrio típicamente se invierten cada 20 a 30 minutos y el diámetro medio de los pasajes para el gas es de varios centímetros. La invención es ventajosa ya que puede emplearse con unidades regeneradoras tanto grandes como pequeñas.

Para una instalación de varios quemadores, los quemadores individuales pueden conectarse y desconectarse en una secuencia temporal escalonada para el encendido más continuo del horno. A medida que el requerimiento de velocidad de encendido se disminuye, el ciclo del regenerador puede alargarse, de forma aproximadamente inversamente proporcional a la velocidad de encendido media del horno.

El siguiente ejemplo se presenta con propósitos ilustrativos y no pretende ser limitativo.

Un horno de recalentamiento de acero de tipo discontinuo se enciende con cuatro quemadores de gas natural y combustible oxigenado a una velocidad de encendido total de 5861 kw (20 MMBtu/h). Se usan 566 m^{3} (20.000 SCFH) de gas natural y 1169 m^{3} (41.300 SCFH) de oxígeno de calidad comercial, que tiene una concentración de oxígeno de aproximadamente 99,5%, para la combustión sin ningún sistema de recuperación de calor de gases de chimenea. La temperatura media de los gases de chimenea es 1316ºC (2400ºF). Cada uno de los cuatro quemadores con combustible oxigenado se reemplaza por un sistema quemador con combustible oxigenado de bajo contenido de NO_{x} del tipo descrito en la Patente de EE.UU. Nº 5.076.779 equipado con una disposición de regeneradores termoquímicos de dos lechos de esta invención (es decir, un total de ocho lechos). El material del lecho está formado por bolas de alúmina de 1,27 cm (1/2 pulgadas) de diámetro y se calienta hasta una temperatura máxima de aproximadamente 1204ºC (2200ºF) al final del ciclo de calentamiento. Aproximadamente 10% del gas de chimenea procedente del horno se expulsa continuamente a través de una compuerta de combustión separada o escapa a través de aberturas del horno. Cada lecho está dimensionado para almacenar 5.000 Btu (5270 kj) de calor por ciclo de regeneración de 40 segundos. Cada lecho tiene un período de calentamiento/reformado de combustible de 19,5 segundos, un período de purga de 0,5 segundos, un período de expulsión de gases de chimenea de 19,5 segundos y un período de purga de 0,5 segundos. Una porción de gas de chimenea enfriado procedente de los regeneradores se recicla y se mezcla con combustible gaseoso en una relación de flujo de volumen de gas de chimenea a combustible gaseoso de 1:1. La mezcla de gases combustible y de chimenea se calienta hasta una temperatura media de aproximadamente 1093ºC (2000ºF) mediante el regenerador y una porción del combustible se reforma endotérmicamente en el lecho. La temperatura del gas de chimenea aguas abajo del lecho se controla para ser menor que 149ºC (300ºF). El caudal de gas natural medio se reduce hasta 467 m^{3} (16.500 SCFH) y el flujo de oxígeno se reduce hasta 934 m^{3} (33.000 SCFH) como resultado de la recuperación de calor. Se reciclan continuamente 467 m^{3} (16.500 SCFH) del gas de chimenea desde aguas abajo de los regeneradores en el ciclo de expulsión y se alimentan a los regeneradores en los ciclos de precalentamiento de oxígeno y purga. Se alcanzan ahorros de combustible y oxígeno de 17,5% cada uno en este ejemplo de la invención.

Claims (8)

1. Un procedimiento para recuperar calor de gases de chimenea calientes producidos al someter a combustión a un combustible con un oxidante en un horno, que comprende:

(A)

hacer pasar gases de chimenea calientes procedentes del horno a través de un primer lecho regenerador que se ha enfriado en la etapa (B), calentando de ese modo el primer lecho regenerador y produciendo gases de chimenea enfriados, mientras se hacen pasar reaccionantes a través de un segundo lecho regenerador que se ha calentado en la etapa (B) y se hacen reaccionar los reaccionantes en el segundo lecho regenerador en una reacción química endotérmica, generando de ese modo productos de reacción y enfriando el segundo lecho regenerador; seguido por

(B)

hacer pasar gases de chimenea calientes procedentes del horno a través del segundo lecho regenerador que se ha enfriado en la etapa (A), calentando de ese modo el segundo lecho regenerador y produciendo gases de chimenea enfriados, mientras se hacen pasar reaccionantes a través del primer lecho regenerador que se ha calentando en la etapa (A) y se hacen reaccionar los reaccionantes en el primer lecho regenerador en una reacción química endotérmica, generando de ese modo productos de reacción y enfriando el primer lecho regenerador,

en el que las etapas (A) y (B) se repiten de una manera cíclica, y en el que los reaccionantes comprenden al menos una porción de los gases de chimenea enfriados.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el oxidante tiene una concentración de oxígeno superior que la del aire.

3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los reaccionantes comprenden un hidrocarburo y vapor de agua.

4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la reacción química endotérmica es una reacción de reformado.

5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los lechos contienen además un catalizador útil para promover la reacción química endotérmica.

6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los productos de reacción comprenden gas de síntesis.

7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que al menos alguno de los productos de reacción se hacen pasar al horno.

8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además hacer pasar un gas oxidante respectivamente a través de los lechos regeneradores primero y segundo después de efectuar en los lechos regeneradores primero y segundo la reacción química endotérmica y antes de hacer pasar a través de los lechos regeneradores primero y segundo gases de chimenea calientes procedentes del horno.