WESTERNDORP GERARD (ES)
BREY SANCHEZ JOSÉ JAVIER (ES)
SARMIENTO MARRON BELÉN (ES)
GALLARDO GARCÍA-ORTA VICTORIA (ES)
MARTÍN BETANCOURT MARIANA (ES)
JIMÉNEZ DOMÍNGUEZ MARÍA ÁNGELES (ES)
WO2001000320A1 | 2001-01-04 | |||
WO2012066174A1 | 2012-05-24 |
US7442217B2 | 2008-10-28 |
R E I V I N D I C A C I O N E S 1. - Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes integrado con una pila de combustible que genera un residuo anódico y un residuo catódico, está caracterizado por que comprende esencialmente un conducto de entrada (1 ) de comburente y combustible, una manga (13), y está unido por la manga (13) a una cámara de combustión (15) y se divide en: -una primera sección en el conducto de entrada (1 ) que comprende un tubo interior (2) por el que se introduce combustible líquido (A) y un tubo exterior (3), concéntrico al tubo interior (2) y de mayor diámetro, por el que se introduce combustible gaseoso (B); -una segunda sección en el conducto de entrada (1 ), adyacente a la primera sección, que comprende una placa de distribución de combustible (7) que dispone de un atomizador (6) en el centro y que está conectado al tubo interior (2), y, alrededor del atomizador (6), hay unos primeros orificios (10) conectados con el tubo exterior (3); y en el conducto de entrada (1 ) se disponen radialmente unos orificios primarios (12), destinados al paso de comburente (D); -una tercera sección, adyacente a la segunda sección, que comprende una placa de distribución de comburente (8) de mayor diámetro que la primera placa de distribución (7) y que dispone de una pluralidad de orificios secundarios (1 1 ) destinadas al paso de comburente (D); una manga (13); está conectada a la segunda sección a través de la placa de distribución de comburente (8); y la cámara de combustión (15) a la que está conectado el quemador está rodeada de doble camisa para la recirculación de gases de postcombustión recirculados destinados a refrigeración del exterior de la cámara de combustión (15), y dicha cámara de combustión (15) comprende una entrada para gases de postcombustión recirculados. 2. - Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el tubo interior (2) comprende un primer tubo (2.1 ), situado en la parte central, a través del que circula combustible líquido (A) hasta el atomizador (6), y un segundo tubo (2.2), concéntrico al primer tubo (2.1 ) y de mayor tamaño que él, a través del que circula gas atomizador (C) hasta el atomizador (6). 3.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocrarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque el atomizador (6) comprende una boquilla (20) de rociado con unos primeros orificios del atomizador (21 ) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2), que confieren al flujo de combustible líquido (A) una rotación en sentido horario, y unos segundos orificios del atomizador (22) inclinados respecto al eje central del tubo interior (2), que confieren al gas atomizador (C) una rotación anti horaria. 4.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una entrada auxiliar conectada al tubo exterior (3) destinada al paso de combustible líquido. 5. - Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado porque adicionalmente comprende una carcasa de aislamiento del quemador que comprende una entrada de residuo anódico frío destinada al paso del residuo anódico que proviene de la pila de combustible, comprende una entrada de residuo anódico caliente destinada al paso de residuo anódico después de haberse recirculado para refrigerar algún componente del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes con el que está integrado el quemador y una entrada de comburente destinada al paso de comburente. 6. - Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende una carcasa de aislamiento del quemador que comprende una entrada para el paso de una mezcla de residuo anódico frío y residuo anódico caliente, y una entrada para el paso de comburente. 7. - Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 5 o 6 caracterizado porque la carcasa comprende adicionalmente una entrada auxiliar destinada al paso de combustible líquido. 8.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible líquido es bioetanol. 9.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el combustible gaseoso está seleccionado entre residuo anódico de la pila de combustible, y una mezcla de residuo anódico con bioetanol líquido. 10.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el comburente es uno seleccionado entre una mezcla de residuo catódico de la pila de combustible con gases de postcombustión (E) recirculados, 02 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados u 02 puro mezclado con C02. 1 1.- Quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 1 caracterizado por que comprende al menos un sensor de infrarrojos o ultravioletas dispuesto en la primera placa de distribución (7). 12.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes caracterizado por que comprende un quemador como el descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 1 1 y una unidad de reformado (27) que comprende un reformador (30) de hidrocarburos y alcoholes (28) con vapor de agua (29) para generar una corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ). 13. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 10 caracterizado por que el quemador está integrado en la unidad de reformado (27). 14. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 12 o 13 caracterizado por que adicionalmente comprende: ¡) una unidad de acondicionamiento de los reactivos hidrocarburos y alcoholes (28) y H20 (29) para llevar a cabo la evaporación y el precalentamiento de dichos reactivos (28, 29) hasta la temperatura de reacción; ¡i) una unidad de purificación que reduce la concentración de CO de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 a niveles inferiores a 20 ppm, donde dicha unidad comprende: al menos un reactor de desplazamiento con vapor de agua (26) ó Water Gas Shift, con refrigeración a la entrada del mismo, • al menos un reactor de oxidación preferencial de CO (32, 33, 34) con refrigeración a la entrada del mismo. y la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende además: • un primer intercambiador de calor (35) para la evaporación de los hidrocarburos y alcoholes (28), mediante el calor de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ) a la salida de uno de los reactores (32, 33, 34, 26) de la unidad de purificación o de la unidad de reformado (27), y para el sobrecalentamiento de los hidrocarburos y alcoholes (28). 15. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 14 caracterizado por que la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende además un segundo intercambiador de calor para la evaporación parcial del H20 (29) mediante el calor de una corriente de hidrocarburos y alcoholes (28) evaporados. 16. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según cualquiera de las reivindicaciones 14 o 15 caracterizado por que la unidad de purificación comprende un intercambiador de calor (36, 37, 38) para la refrigeración a la entrada de la corriente de gas de reformado de cada uno de los reactores de oxidación preferencial de CO (32, 33, 34), para llevar a cabo la evaporación de parte del H20 (28) requerida en el proceso, a la vez que para enfriar la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ) a la entrada de cada uno de los reactores de oxidación preferencial de CO (32, 33, 34). 17.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 16 caracterizado por que la unidad de purificación comprende un tercer (36), un cuarto (37) y un quinto (38) intercambiador de calor asociados a tres reactores de oxidación preferencial (32, 33, 34). 18. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 14 caracterizado por que la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende un generador de vapor que transforma el agua líquida en vapor de agua y que comprende un sexto (39) y un séptimo (40) intercambiadores de calor para llevar a cabo en dos etapas la evaporación del agua mediante el calor de corriente de gases de postcombustión (E) solubles en agua. 19. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 18 caracterizado por que la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende además un octavo intercambiador (42) de calor para llevar a cabo el sobrecalentamiento del vapor de agua y/o un ciclón o separador de gotas para llevar a cabo la separación de las gotas de agua presentes en la corriente de vapor de agua. 20. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 14 caracterizado por que el reformador comprende un noveno intercambiador de calor (43) dispuesto a la entrada de dicha unidad de reformado (27) para calentar la mezcla de hidrocarburos y alcoholes (28) y agua (29) mediante corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ) antes del lecho catalítico del reformador (30) y refrigerar los gases de salida de reformador. 21.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 12 caracterizado por que comprende un intercambiador de calor adicional dispuesto en la entrada del reformador (30) de la unidad de reformado (27) para calentar la mezcla de hidrocarburos y alcoholes (28) y agua (29) mediante los gases de postcombustión (E). 22.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 20 caracterizado por que el reformador comprende además un décimo intercambiador de calor (44) para aportar el calor necesario al lecho del reactor de reformado (30) mediante los gases de postcombustión (E) solubles en agua. 23. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 14 caracterizado por que la unidad de purificación comprende un undécimo intercambiador de calor (45) para llevar a cabo la refrigeración a la entrada del reactor de desplazamiento con vapor de agua (26) ó Water Gas Shift, 24. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 17 caracterizado por que el tercer intercambiador de calor (36) enfría la corriente de gases con una concentración alta en H2 (31 ) mediante una corriente de agua (29), mientras que en el primer reactor de oxidación preferencial de CO (32) con lecho catalítico se lleva a cabo la purificación de la corriente de gases con una concentración alta en H2 (31 ) mediante una corriente de 02 (46), que es inyectada a la entrada del tercer intercambiador de calor (36). 25.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 24 caracterizado por que el cuarto intercambiador de calor (37) se encuentra dispuesto a la salida del primer reactor de oxidación preferencial de CO (32), para seguir enfriando parcialmente la corriente de gases con una concentración alta en H2 (31 ) mediante la corriente de agua (29), y, a continuación, se encuentra dispuesto el segundo reactor de oxidación preferencial de CO (33) con lecho catalítico para llevar a cabo una purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta en H2 (29) mediante la corriente de 02 (46), que es inyectada a la entrada del cuarto intercambiador de calor (37). 26.- Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 25 caracterizado por que el quinto intercambiador de calor (38) se encuentra dispuesto a la salida del segundo reactor de oxidación preferencial de CO (33), para seguir enfriando parcialmente la corriente de gases con una concentración alta en H2 (31 ) mediante la corriente de agua (29), y, a continuación, se encuentra dispuesto el tercer reactor de oxidación preferencial (34) con lecho catalítico para llevar a cabo una purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta en H2 (31 ) mediante la corriente de 02 (46), que es inyectada a la entrada del quinto intercambiador de calor (38). 27. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 12 o 13 caracterizado por que comprende un postcombustor catalítico dispuesto a la salida del quemador y reformador destinado a realizar la combustión de los inquemados (metano, H2 y CO) de los gases de postcombustión (E), con el exceso de oxígeno de la combustión que tiene lugar en el quemador (51 ) integrado en la unidad de reformado (27). 28. - Sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 18 caracterizado por que comprende adicionalmente un postcombustor catalítico está dispuesto a la salida del sexto intercambiador de calor (39). 29. - Procedimiento de reformado de hidrocarburos y alcoholes que comprende: i) una etapa de acondicionamiento de los reactivos hidrocarburos y alcoholes (28) y H20 (29), para llevar a cabo la evaporación y el precalentamiento de dichos reactivos hasta una temperatura de reacción, ii) una etapa de combustión que produce unos gases de postcombustión (E) para proporcionar el calor necesario para una etapa de reformado y evaporar agua, utilizando como combustible residuo anódico (47) de una pila de combustible que puede ser suplementado con el hidrocarburo y/o alcohol que se utiliza como reactivo (28), y como comburente residuo catódico (48) de la pila de combustible suplementado con una corriente de 02 (46), para producir una corriente de gases de postcombustión (E) solubles en agua, iii) una etapa de reformado de hidrocarburos y alcoholes y vapor de agua para generar una corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ), iv) una etapa de purificación para reducir la concentración de CO de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 por debajo de 20 ppm, mediante: a. una o varias subetapas donde se lleva a cabo una reacción de tipo de Water Gas Shift con refrigeración al inicio de cada una de las etapas, b. una o varias subetapas de purificación de CO con oxígeno con refrigeración al inicio de cada una de las etapas. caracterizado por que la etapa de acondicionamiento de los reactivos comprende una primera subetapa de intercambio de calor para la evaporación de los hidrocarburos y alcoholes (28) mediante el calor de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H2 (31 ) obtenida tras la etapa de reformado o tras cualquiera de las subetapas de la etapa de purificación. 30. - Procedimiento de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 29 caracterizado por que la etapa de acondicionamiento comprende una segunda subetapa de intercambio de calor para la evaporación parcial del H20 (29) mediante el calor de una corriente de hidrocarburos y alcoholes. 31. - Procedimiento de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 29 caracterizado por que la etapa de acondicionamiento de los reactivos comprende una tercera subetapa de sobrecalentamiento del vapor de agua y/o una cuarta subetapa de separación de gotas. 32. - Procedimiento de reformado de hidrocarburos y alcoholes según reivindicación 29 caracterizado por que la primera subetapa de intercambio de calor para la evaporación de los hidrocarburos y alcoholes (28) es una etapa de sobrecalentamiento de etanol a una temperatura entre 350°C y 450 °C. 33. - Procedimiento de reformado de hidrocarburos y alcoholes según la reivindicación 29 caracterizado por que comprende una etapa de combustión del metano, del H2 y del CO de los gases de postcombustión. 34. - Uso del quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes descrito en las reivindicaciones 1 a 1 1 en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes de un submarino. |
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se puede incluir en el campo técnico de los sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes, y preferentemente etanol (bioetanol) para la posterior alimentación de una pila de combustible utilizada en aplicaciones navales o marinas.
Más concretamente la presente invención se puede incluir en el campo técnico de los quemadores que se integran en dichos sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Del estado de la técnica se conocen una variedad de quemadores del tipo de los que están integrados en sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes. Generalmente, en la aplicación particular de los quemadores de premezcla el combustible y el comburente se mezclan en una sección previa a la zona de ignición y de desarrollo de la llama. Un inconveniente que presentan estos quemadores es que existe riesgo de retroceso de la llama. Este fenómeno se produce cuando la velocidad de la llama es mayor que la velocidad de flujo de la mezcla del combustible con el comburente. Esto ocasiona el deterioro anticipado de la zona de premezcla. Otra opción que se conoce del estado de la técnica son los sistemas de combustión que utilizan quemadores de difusión, sin premezcla. En ellos el combustible y el comburente se inyectan de forma independiente en la zona de ignición de forma que la mezcla se produce por difusión en el espacio previsto para la combustión. El problema más importante asociado a este tipo de quemadores es que no se puede garantizar una mezcla homogénea de los gases que se queman por lo que los gases de postcombustión obtenidos tampoco son un frente homogéneo.
Del estado de la técnica se conocen quemadores integrados con reformadores. Estos quemadores comprenden un colector para recepción y distribución de una corriente de combustible de arranque, un colector con el que se recibe y distribuye una corriente de gas de oxidación y un colector para la recepción y distribución de una corriente de combustible del quemador, y cada uno de estos colectores comprende una pluralidad de tubos de distribución. La salida de los tubos de distribución del combustible del quemador se introduce en la entrada de los tubos de distribución del oxidante. Por otra parte los tubos de distribución del combustible de arranque comprenden una o más aberturas asociadas con al menos una porción de los tubos de distribución de combustible del quemador. Generalmente estos quemadores emplean gas natural y no contemplan el uso de combustibles líquidos.
También se han descrito procedimientos para preparar una mezcla de gases que comprenden hidrógeno y monóxido de carbono mediante una oxidación parcial de una alimentación de hidrocarbonos empleando un quemador. Para ello el quemador comprende una pluralidad de orificios y está provisto de unos tubos coaxiales en las que el hidrocarbono fluye hacia el quemador. Dicho quemador comprende un conducto que separa los tubos por los que circula el hidrocarbono de unos tubos por los que fluye un gas de oxidación y a través del que circula un gas moderador.
Sin embargo, ninguno de los documentos conocidos hasta la fecha describe quemadores capaces de proporcionar un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto es especialmente importante cuando el quemador se va a integrar con otros elementos de un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, como por ejemplo un reformador. Del estado de la técnica se conocen también diferentes tipos de sistemas de reformado de hidrocarburos y alcoholes para la posterior alimentación de una pila de combustible en los que se integran quemadores como los anteriormente descritos. Un ejemplo de este tipo de sistemas está descrito en la solicitud internacional WO0100320 (A1 ) relativa a un método para reformado de etanol y un dispositivo para producir H 2 utilizando dicho método, que consiste en reformar el etanol con vapor de agua en un rango de temperaturas de 300 a 800 °C, que requiere la presencia de oxígeno en una proporción de las dos terceras partes respecto a la concentración molar del etanol. Divulga además un sistema que comprende una unidad de acondicionamiento del etanol y el agua, un reformador y una unidad de purificación con reactores Water Gas Shift (WGS) y de oxidación preferencial de CO (PrOX), donde la potencia extraída de la pila de combustible es muy pequeña, del orden de 37 kW.
Por otra parte, la patente US7442217 (B2) se refiere a un reformador de combustible integrado para inicio rápido y con control operacional, que comprende una unidad de acondicionamiento del etanol y el agua, un reformador y una unidad de purificación con reactores WGS y PrOX, donde el residuo anódico es redirigido al combustor como suplemento del combustible, mientras que el residuo catódico es redirigido al combustor como suplemento del 0 2 , todo ello con el objetivo de reducir la concentración de CO por debajo de 20 ppm. En esta patente no se especifica el acondicionamiento que se lleva a cabo con los reactivos para obtener una concentración por debajo de 20 ppm.
Asimismo, la solicitud internacional WO2012066174 (A1 ) divulga un sistema de reformado de etanol con una unidad de acondicionamiento del etanol y el agua, un reformador y una unidad de purificación de la corriente con una concentración alta en H 2 obtenida, mediante reactores WGS y PrOX. El etanol se vaporiza mediante el calor de gas de reformado que entra en el primero de tres reactores PrOX y mediante el calor de los gases de combustión procedentes de los residuos del sistema de la pila de combustible. El agua se precalienta mediante sucesivas etapas en los reactores PrOX a través del calor del gas de reformado y se evapora mediante el calor del gas de reformado a la salida del reformador y de los gases de postcombustión procedentes de la combustión de residuos del sistema de la pila de combustible. Además, el residuo anódico es redirigido al combustor como suplemento del combustible, mientras que el residuo catódico es redirigido al combustor como suplemento del 0 2 , todo ello con el objetivo de reducir la concentración de CO por debajo de 20 ppm, no especificándose en dicha solicitud internacional la potencia extraída de la pila de combustible.
El sistema de reformado de etanol descrito en dicho documento WO2012066174 (A1 ) requiere además de una etapa de purificación de la corriente con una concentración alta en H 2 mediante un reactor de metanación altamente selectivo hacia la metanación de CO, evitando al máximo pérdidas de H 2 debido a reacciones secundarias tales como la metanación de C0 2 o la reacción inversa de WGS denominada Reverse WGS.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un quemador para ser integrado en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que alimenta a una pila de combustible. El quemador propuesto utiliza como combustible bioetanol líquido en la etapa de arranque, y residuo anódico de la pila de combustible (que es una corriente de gas formada básicamente por H 2 , CH 4 , C0 2 y H 2 0) durante la etapa de funcionamiento normal. En caso de que el empleo de residuo anódico no sea suficiente para obtener la energía necesaria en el quemador, se emplea durante la etapa de funcionamiento normal un aporte extra de bioetanol líquido, que al mezclarse con el residuo anódico se evapora (debido a que el residuo anódico se introduce a una elevada temperatura) para ser empleado como combustible gaseoso.
Como comburente se emplea residuo catódico de la pila de combustible (que es una corriente de gases formada esencialmente por 0 2 y H 2 0), que preferiblemente se mezcla con gases de postcombustión recirculados para diluir la concentración en 0 2 antes de introducir el residuo catódico al quemador. Esto permite disminuir la temperatura de llama adiabática (la llama que se produce al mezclar el comburente con el combustible) hasta niveles necesarios para poder ser soportados por los materiales de construcción del quemador. Durante el arranque del quemador, cuando todavía no se dispone de residuo anódico de la pila de combustible, se utiliza como combustible 0 2 puro mezclado con gases de postcombustión recirculados. En la etapa inicial del arranque no se dispone todavía de gases de postcombustión recirculados y el 0 2 puro se mezcla con C0 2 . Dicho C0 2 está presente en las líneas del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes porque queda remanente tras haber realizado una purga antes de llevar a cabo este prearranque.
Una ventaja muy importante del quemador de la presente invención es que los productos que se obtienen al quemar el combustible con el comburente son sustancias solubles en agua. Esta ventaja es importante para aquellas aplicaciones que requieran de un método alternativo de evacuación de gases que no sea la expulsión a la atmósfera. El quemador propuesto permite procesar al mismo tiempo el residuo anódico y el residuo catódico de la pila de combustible integrada con el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado.
La presente invención describe un quemador que produce una mezcla homogénea de combustible y comburente para producir una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo. Esto permite obtener una distribución de temperaturas uniforme en cualquier punto del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. En un ejemplo de realización el sistema comprende una unidad de reformado, con un reformador, en la que está integrado el quemador. La diferencia entre la mayor temperatura y la menor temperatura en el reformador es menor que un 10% de la temperatura media de funcionamiento del reformador. Preferiblemente la diferencia de temperaturas es menor que un 5% de dicha temperatura media. El quemador comprende un conducto de entrada de combustible y comburente que se divide en una primera sección y en una segunda sección. En la primera sección, el conducto de entrada de combustible y comburente comprende un tubo interior para el paso de un combustible líquido y un tubo exterior para entrada de un combustible gaseoso. En la segunda sección se dispone una placa de distribución de combustible en la que hay un atomizador situado en el centro de la placa y unas entradas de combustible gaseoso, y a lo largo del conducto de entrada en esta segunda sección se disponen unos orificios primarios (entrada primaria) a través de las que se introduce comburente en el conducto de entrada.
Asimismo el quemador comprende una tercera sección, con una placa de distribución de comburente con unos orificios secundarios que conforman una entrada secundaria para entrada de comburente. La placa de distribución de comburente está unida al conducto de entrada al final de la segunda sección y a una manga por la que circula la mezcla de combustible y comburente.
En un ejemplo de realización en el extremo de la manga se disponen unos orificios terciarios (entrada terciaria) destinados al paso de gases de postcombustión recirculados. En otro ejemplo de realización dichos gases se introducen directamente en la cámara de combustión.
El extremo de la manga encaja en un tubo concéntrico que es parte de una cámara de combustión del quemador. En el extremo de la manga se dispone una entrada para los gases de postcombustión recirculados. Dicha cámara de combustión dispone de una camisa envolvente por la que circulan gases de postcombustión para reducir la temperatura superficial de dicha cámara de combustión.
En una realización preferente de la invención, el combustible líquido es bioetanol líquido y el combustible gaseoso es residuo anódico de la pila de combustible a la que se une el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador. Como se ha descrito anteriormente, el combustible líquido se emplea en las etapas de arranque del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, ya que en ese momento no se ha generado todavía residuo anódico en la pila de combustible para poder emplearlo como combustible.
En caso de que durante el funcionamiento del quemador no se consiga suficiente energía utilizando el residuo anódico como combustible líquido, se puede realizar un aporte de bioetanol líquido, que se alimenta conjuntamente con el residuo anódico, evaporándose al mezclarse con el residuo anódico en el conducto de entrada, de forma que la mezcla se introduce como combustible gaseoso.
El tubo interior, por el que circula el combustible líquido, está conectado a un atomizador situado en el centro de la placa de distribución de combustible. Para realizar la pulverización del combustible líquido se hace necesario un gas atomizador, que en una realización preferente es 0 2 o bien una mezcla de 0 2 con gases de postcombustión recirculados. El atomizador comprende unos primeros orificios del atomizador que están inclinados respecto al eje del tubo interior de forma que el combustible líquido que los atraviesa adquiere un flujo turbulento y gira en sentido horario.
Asimismo, el tubo interior comprende un segundo conducto, que es concéntrico con el primer conducto y de diámetro mayor. Este segundo conducto desemboca en la boquilla del atomizador y más concretamente en unos segundos orificios del atomizador, que están inclinados respecto al eje del tubo interior tal que cuando el gas atomizador los atraviesa le confieren un flujo turbulento y lo hacen girar en sentido anti horario.
Preferentemente los primeros orificios del atomizador están distribuidos radialmente y equidistantes entre sí. Los segundos orificios del atomizador también están distribuidos radialmente y equidistantes entre sí. El tubo exterior está conectado con una placa de distribución de combustible que comprende unos orificios de paso de combustible que son rectos. Es decir, su eje es paralelo al eje del tubo exterior. Asimismo, en el conducto de entrada en la segunda sección se disponen unos orificios primarios (entrada primaria) que son unos orificios tangenciales, paralelos a la dirección del combustible que circula por el conducto de entrada. Es decir, tienen cierta inclinación respecto al eje del tubo exterior de forma que cuando el comburente atraviesa los orificios que forman la entrada primaria éste adquiere un movimiento rotatorio. En la tercera sección, se dispone una placa de distribución de comburente que comprende unos orificios secundarios para la distribución de gases comburentes (entrada secundaria). Los orificios secundarios tienen un cierto ángulo que dota al comburente y con ello a la llama (la llama que se produce cuando se mezclan el combustible y el comburente) de un movimiento rotatorio, lo que favorece al mezclado de combustible y comburente. En concreto están inclinados en dirección tangencial y también con respecto al eje axial. La llama que se produce en el quemador es una llama que gira alrededor del eje axial de la manga del quemador. Es decir, el quemador confiere a la mezcla de combustible y comburente un efecto remolino, gracias a una componente rotacional que se impone cuando se introduce el comburente por la entrada secundaria, que favorece el mezclado rápido y homogéneo del combustible con el comburente. Este flujo de combustible y comburente con efecto remolino origina una recirculación en la boca del quemador que garantiza la estabilidad de la llama.
La manga del quemador, en la tercera sección, está encajada en un tubo concéntrico que es parte de la cámara de combustión. En la cámara de combustión hay un entrada de comburente para comburente diluido con gases recirculados de postcombustión que han sido empleados anteriormente para reducir la temperatura superficial de la carcasa de la cámara de combustión.
En una realización preferente, el quemador comprende adicionalmente una carcasa de aislamiento para evitar que se creen puntos calientes (en los que la temperatura sea mayor de 200 °C) en la superficie exterior. Esta característica es especialmente importante cuando se emplea el quemador en un emplazamiento clasificado como zona de atmósfera explosiva, ya que la creación de puntos calientes en la superficie implicaría la aparición de fuentes de ignición. Adicionalmente, la existencia de esta carcasa de aislamiento contribuye a minimizar las pérdidas de calor hacia el exterior. n la carcasa del quemador se disponen las entradas de combustible y comburente I quemador. El residuo anódico que se emplea como combustible puede provenir e refrigerar algún componente del sistema de procesado del bioetanol, como por ejemplo la etapa de purificación del gas de reformado, con lo cual llega caliente (generalmente a más de 300 °C) (combustible gaseoso caliente), o bien puede proceder directamente desde la pila de combustible, en cuyo caso llega frío (aproximadamente a 60 °C) (combustible gaseoso frío).
En un ejemplo de realización la carcasa comprende dos entradas para el combustible gaseoso (combustible gaseoso caliente y combustible gaseoso frío), una entrada de comburente y una entrada auxiliar de combustible líquido (bioetanol). En otro ejemplo de realización, más preferente, se dispone de una única entrada de combustible gaseoso. La unión de las corrientes fría y caliente de residuo anódico se realiza fuera de la carcasa del quemador, por lo que solo es necesaria una entrada de combustible gaseoso. Así pues el quemador tiene una o dos entradas en función del resto de elementos que haya en el sistema en el que se instale.
A lo largo de la memoria se emplea el término bioetanol por su origen no fósil, pero cualquier experto de la materia entenderá a partir de la presente descripción que el quemador propuesto puede trabajar con etanol de cualquier origen. El quemador de la presente invención está unido a una cámara de combustión, que tiene una doble camisa que la rodea para aislarla y evitar que se creen puntos calientes.
En una realización preferente de la invención, el quemador está integrado con un reactor de reformado. Asimismo, en una realización todavía más preferente, la integración del conjunto del quemador y del reformador constituye un módulo compacto. En caso de que la presente invención se incorpore, por ejemplo, en un submarino, el conjunto del quemador con el reformador puede ser extraído de forma sencilla por la escotilla del submarino durante las labores de mantenimiento y reparación. En la realización en la que el quemador y el reformador están integrados, la función del quemador es proporcionar el suficiente calor para mantener la condición isotérmica del reformador. Es decir, el quemador debe generar el suficiente calor para mantener el perfil de temperatura deseado en el reformador. El quemador genera tal energía que permite que en el reformador la temperatura esté entre 500 °C y 800 °C. Preferentemente, en un ejemplo de realización, la temperatura debe estar entre 700 °C y 750 °C. De esta forma, se garantizan los requisitos energéticos de la reacción endotérmica que tiene lugar en su interior.
El conjunto de quemador y reformador es un módulo compacto ya que el reformador está totalmente integrado en la cámara de combustión, en el interior de la doble camisa. De esta forma, la energía que se genera en la combustión se emplea para mantener la temperatura necesaria en el reformador.
En una realización de la invención, el reformador que se integra en el quemador es multitubular. La integración de quemador y reformador que se realiza con el quemador de la presente invención permite asegurar una distribución uniforme de temperatura en los tubos del reformador en los que se produce la reacción de reformado.
Otra ventaja importante del quemador de la presente invención es que permite procesar los residuos anódico y catódico de la pila de combustible del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que se integra, en todos los estados de funcionamiento y en las operaciones de arranque, parada normal y de emergencia. En un ejemplo de realización, el quemador propuesto permite procesar todos los venteos del propio sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, para lo que los escapes de las válvulas de seguridad de los componentes del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes se conectan a las distintas entradas del quemador. Del mismo modo, el quemador permite procesar los gases de purga de la pila de combustible durante las fases de arranque y parada.
Asimismo forma parte de la presente invención un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que comprende el quemador descrito como elemento esencial. Este sistema permite reducir los niveles de CO hasta niveles inferiores a 20 ppm, preferiblemente inferiores a 10 ppm y más preferiblemente inferiores a 5 ppm, extrayendo una potencia de la pila de combustible de al menos 300 kW, sin necesidad de etapas de purificación de la corriente con una concentración alta en H 2 basadas en reactores de metanación.
Con el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes (preferentemente etanol) que comprende el quemador descrito, se puede producir una corriente con una concentración alta en H 2 y con una concentración de monóxido de carbono (CO) hasta niveles inferiores a 20 ppm, preferiblemente inferiores a 10 ppm y más preferiblemente inferiores a 5 ppm, para la alimentación de una pila de combustible, donde el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, preferentemente etanol, proporciona H 2 para una pila de combustible de un sistema de producción de energía que se puede integrar en un sistema de propulsión de vehículos marítimos, preferiblemente en un sistema de propulsión anaerobio (en inglés AIP "Air Independent Propulsión") de submarinos, además del procedimiento asociado a dicho sistema. Se puede emplear para la alimentación de una pila de combustible por ejemplo del tipo PEM (siglas en inglés de "Protón Exchange Membrane" (membrana de intercambio de protones), con unos requerimientos de potencia de dicha pila de combustible incluso superiores a 600 kW con una corriente de gas de reformado de hasta 945 kg/h con un alto contenido en hidrógeno de hasta 50 kg/h, y preferentemente 300 kW con una corriente de gas de reformado de hasta 465 kg/h con un alto contenido en hidrógeno de hasta 25 kg/h. El sistema puede integrarse en un sistema de propulsión anaerobio, en un vehículo marítimo o incluso en una hidrogenera. Otra aplicación sería integrarlo en un sistema de propulsión de vehículos marítimos, preferiblemente sistema de propulsión anaeróbico para submarinos y que permite reducir la concentración de CO por debajo de 20 ppm, preferiblemente por debajo de 10 ppm y más preferiblemente por debajo de 5 ppm, siendo las dimensiones del sistema inferiores a 14 m 3 , preferentemente inferiores a 10 m 3 y más preferentemente inferiores a 8 m 3 , no teniendo por qué ser directamente proporcionales los caudales tanto de CO como de H 2 , con las dimensiones, lo que le hace ser especialmente apropiado para sistemas de propulsión en los que los requerimientos de espacio son especialmente reducidos.
Además del quemador anteriormente descrito, el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, y preferentemente de etanol, comprende:
i) una unidad de acondicionamiento de los reactivos hidrocarburos y/o alcoholes, preferentemente etanol, y H 2 0 para llevar a cabo la evaporación y el precalentamiento de dichos reactivos hasta la temperatura de reacción; ii) un reformador que comprende un reactor de reformado de hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente de etanol, con vapor de agua para generar una corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 preferentemente siendo incluso superior al 75%v (base seca);
iii) una unidad de purificación que reduce la concentración de CO de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 a niveles inferiores a 20 ppm, preferiblemente inferiores a 10 ppm y más preferiblemente inferiores a 5 ppm, donde dicha unidad comprende:
a. al menos un reactor de desplazamiento con vapor de agua (en inglés Water Gas Shift) con refrigeración a la entrada del mismo, b. al menos un reactor de oxidación preferencial de CO con refrigeración a la entrada del mismo.
A su vez, la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende: a. un primer intercambiador de calor para la evaporación y sobrecalentamiento de los hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente etanol, mediante el calor del gas de reformado a la salida de uno de los reactores de la unidad de purificación o de la unidad de reformado, y
b. opcionalmente un segundo intercambiador de calor para la evaporación parcial del H 2 0 mediante el calor de una corriente de hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente etanol, evaporados. Opcionalmente, la unidad de purificación comprende un intercambiador de calor para la refrigeración de la corriente de gas de reformado de entrada de cada uno de los reactores de oxidación preferencial de CO de la unidad de purificación, intercambiadores de calor en los que se lleva a cabo la evaporación de parte del H 2 0 requerida en el proceso, a la vez que se enfría la corriente de gas de reformado a la salida de cada uno de los reactores de oxidación preferencial de CO. Preferentemente, la unidad de purificación comprende un tercer, un cuarto y un quinto intercambiador de calor asociados a tres reactores de oxidación preferencial. Opcionalmente, la unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende un generador de vapor que transforma el agua líquida en vapor de agua y que comprende un sexto y un séptimo intercambiador de calor para llevar a cabo en dos etapas la evaporación del agua mediante el calor de los gases de postcombustión, más opcionalmente comprende un octavo intercambiador de calor para llevar a cabo el sobrecalentamiento del vapor de agua asegurando un flujo de vapor seco, y/o un ciclón o separador de gotas para llevar a cabo la separación de las gotas de agua presentes en la corriente de vapor de agua.
Igualmente de manera opcional, el reformador comprende un noveno intercambiador de calor dispuesto a la entrada de dicho reformador para calentar la mezcla de reactivos, hidrocarburos y/o alcoholes y agua mediante corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 antes del reactor de reformado.
En un ejemplo de realización, el sistema comprende un intercambiador de calor adicional destinado a calentar la mezcla de reactivos con los gases de postcombustión antes de que dicha mezcla entre en la zona de reacción del reactor de reformado.
Opcionalmente, el reformador comprende además un décimo intercambiador de calor que aporta el calor necesario al lecho de reacción para soportar la reacción endotérmica que tiene lugar, donde el fluido caliente para suministrar el calor de reacción necesario se corresponde con los gases de postcombustión generados en la unidad de combustión. De manera también opcional, la refrigeración intermedia en los reactores Water Gas Shift se lleva a cabo mediante un undécimo intercambiador de calor que permite reducir la temperatura de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 mediante el calentamiento de la corriente de residuo anódico proveniente de la pila de combustible.
En un ejemplo de realización del sistema de reformado, éste se instala en un submarino para lo cual es necesario que los gases que se liberan sean solubles en agua hasta un grado tal que no perjudique a la firma acústica del submarino. Además al tratarse de un submarino, la cantidad de oxígeno de la que se dispone está limitada por lo que es preferible no emplear todo el oxígeno que sería necesario para conseguir que los gases de postcombustión obtenidos no contengan inquemados que afecten negativamente a la solubilidad de los gases en agua de mar.
Para conseguir que los gases obtenidos en la combustión sean completamente solubles en agua de mar, el sistema puede comprender adicionalmente un postcombustor catalítico, dispuesto a la salida de estos gases de la unidad de reformado. Se trata de un postcombustor catalítico para realizar la combustión de inquemados como H 2 , CO y metano, para quemar metano es necesario que los gases de postcombustión tengan un nivel térmico alto (>450 °C).
En un ejemplo de realización en el que en el sistema no hay presencia de metano en los gases de postcombustión, no es necesario alcanzar un nivel térmico alto (>450 °C), por lo que dicho sistema puede comprender un postcombustor catalítico a la salida del sexto intercambiador de calor para la evaporación de agua. En este punto, el nivel térmico de los gases de postcombustión es menor a 200 °C.
La función del postcombustor catalítico es reducir la concentración de inquemados (H 2 , CO, CH 4 ) y de oxígeno en la corriente de humos hasta niveles aceptables por el Sistema de eliminación de C02 del Sistema AIP, que no afecten la firma acústica del submarino. Se garantiza la solubilidad completa de los humos en el agua de mar, minimizando el número y tamaño de las burbujas que se formarían. Este sistema de reformado de hidrocarburos que comprende el quemador previamente descrito es válido para entornos ATEX (acrónimo para atmósferas explosivas).
La invención también se refiere a un procedimiento de reformado de hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente de etanol que comprende:
i) una etapa de acondicionamiento de los reactivos hidrocarburos y/o alcoholes, preferentemente etanol, y H 2 0 para llevar a cabo la evaporación y el precalentamiento de dichos reactivos hasta la temperatura de reacción, ii) una etapa de combustión que produce unos gases de postcombustión que proporcionan el calor necesario para una etapa de reformado y evaporar agua, utilizando como combustible residuo anódico de una pila de combustible que puede ser suplementado con el hidrocarburo y/o alcohol que se utiliza como reactivo y como comburente residuo catódico de la pila de combustible suplementado con una corriente de 0 2 , que produce una corriente de gases de postcombustión solubles en agua,
iii) una etapa de reformado de hidrocarburos y/o alcoholes, preferentemente etanol, y vapor de agua para generar una corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 , preferentemente incluso superior al 75%v (base seca),
iv) una etapa de purificación para reducir la concentración de CO de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 por debajo de 20 ppm, preferentemente por debajo de 10 ppm y más preferentemente por debajo de 5 ppm, mediante:
a. una o varias subetapas donde se lleva a cabo una reacción de tipo de Water Gas Shift con refrigeración al inicio de cada una de las etapas,
b. una o varias subetapas de purificación de CO con oxígeno con refrigeración al inicio de cada una de las etapas.
La etapa de acondicionamiento de los reactivos comprende una primera subetapa de intercambio de calor para la evaporación de los hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente el etanol, mediante el calor de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 obtenida tras la etapa de reformado o tras cualquiera de las subetapas de la etapa de purificación.
Opcionalmente la primera etapa de intercambio de calor tiene lugar tras la subetapa de oxidación preferencial de CO con oxígeno.
La etapa de acondicionamiento de los reactivos comprende opcionalmente una segunda subetapa de intercambio de calor para la evaporación parcial del H 2 0 mediante el calor de una corriente de hidrocarburos y/o alcoholes, y preferentemente etanol evaporado, y opcionalmente, una tercera subetapa de sobrecalentamiento del vapor de agua y/o una cuarta subetapa de separación de gotas.
Asimismo el procedimiento puede incluir una etapa de combustión de los posibles inquemados (CH 4 , H 2 , CO) de los gases de postcombustión.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista seccionada del quemador en la que se muestran las direcciones de entrada del combustible y el comburente por las diferentes entradas del quemador.
Figura 2.- Muestra una vista de una unidad de reformado en la que se aprecia el quemador y el reformador con el que está integrado.
Figura 3.- Muestra una vista del tubo interior.
Figura 4.- Muestra una vista de la boquilla del atomizador. Figura 5.- Muestra una vista del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está integrado el quemador.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que produce una corriente rica en H 2 para alimentar una pila de combustible que genera un residuo catódico y un residuo anódico. El quemador desarrollado permite procesar todos los residuos de la pila de combustible y, en general, procesar los residuos de todo el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en el que está instalado.
Una ventaja muy importante de la presente invención es que los productos que se obtienen con el quemador son sustancias solubles en agua. Esto permite que el quemador para un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes propuesto pueda ser empleado por ejemplo en aplicaciones marinas en las que se quiere pasar inadvertido, como un submarino. Gracias a la solubilidad de los productos en agua dichos productos pueden liberarse en el mar, a distintas profundidades, sin ser detectados.
Durante la etapa de arranque del quemador, el combustible que se emplea es bioetanol líquido, que se obtiene de un sistema de almacenamiento de bioetanol. Este bioetanol líquido se pulveriza en el atomizador del quemador empleando un gas atomizador que puede ser una mezcla de 0 2 puro proveniente de un sistema de almacenamiento de oxígeno mezclado con gases de combustión recirculados.
Durante la etapa de funcionamiento normal del quemador, el combustible que se utiliza es el residuo anódico de la pila de combustible. En el caso de que el empleo del residuo anódico como combustible no sea suficiente, se añade bioetanol líquido que se mezcla con el residuo anódico antes de ser introducido en el quemador.
Parte del residuo anódico de la pila de combustible se emplea en otros elementos del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, como, por ejemplo, en la etapa de purificación del gas de reformado donde aumenta su temperatura. En un ejemplo de realización en el que el quemador comprende dos entradas para el combustible gaseoso (una para el que llega caliente y una para el que llega frío). La parte de residuo cuando entra en el quemador tiene una temperatura aproximada de 300 °C. Esto es lo que se denomina combustible gaseoso caliente. El resto del residuo anódico de la pila de combustible se dirige directamente al quemador y llega a una temperatura aproximada de 60 °C. Esto es lo que se denomina combustible gaseoso frío.
En otro ejemplo de realización, el combustible gaseoso caliente y el combustible gaseoso frío se mezclan fuera del quemador y entran en éste por una única entrada de combustible.
Cuando se utiliza bioetanol líquido como combustible para aporte extra de energía, mezclado con el residuo anódico, éste se evapora (al entrar en contacto con el residuo anódico caliente). Así pues el combustible entra al quemador en estado gaseoso.
El comburente que se emplea en el quemador de la presente invención es una mezcla del residuo catódico de la pila de combustible mezclado con gases de combustión recirculados.
El quemador de la presente invención se observa en la figura 1 . Dicho quemador comprende un conducto de entrada (1 ) de combustible y comburente. Dicho conducto de entrada está dividido en una primera sección y una segunda sección. En la primera sección el conducto de entrada (1 ) comprende un tubo interior (2) y un tubo exterior (3), concéntrico al tubo interior (2) y de mayor diámetro. A través del tubo interior (2) se introduce en el interior del quemador el combustible líquido (A) que se emplea durante la etapa de arranque. En una realización preferente de la invención, el tubo interior (2) está conectado por uno de sus extremos a un sistema de almacenamiento de bioetanol y por el otro extremo a un atomizador (6) que está destinado a pulverizar el bioetanol líquido como se muestra en la figura 3. En la figura 4 se observa como el tubo interior (2) se divide a su vez en un primer tubo (2.1 ), situado en la parte central del tubo interior (2), a través del que circula el combustible líquido (A) hasta la boquilla (20) del atomizador, y en un segundo tubo (2.2), concéntrico al primer tubo y situado a su alrededor formando una sección anular a través de la que circula el gas atomizador (C) hasta la boquilla (20) del atomizador. El gas atomizador (C) es necesario para permitir una correcta pulverización del combustible líquido. En una realización preferente el combustible líquido es bioetanol líquido. En una realización preferente para el arranque del quemador, el gas atomizador es C0 2 que está presente en las líneas del sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. Posteriormente, el gas atomizador que se emplea es gas de postcombustión. Dicho gas de postcombustión puede estar también mezclado con 0 2 puro. El gas de postcombustión es el gas que se obtiene cuando se quema la mezcla de combustible y comburente.
En una realización preferente, en la primera sección del quemador se introduce en tubo exterior (3) combustible gaseoso (B) como se observa en la figura 4. Está conectado a la pila de combustible y está destinado al paso del residuo anódico de dicha pila de combustible. El tubo exterior (3) también está conectado a una entrada auxiliar de bioetanol destinada a permitir el paso de bioetanol al tubo exterior (3), cuando es necesario un aporte extra de energía durante la etapa de operación normal del quemador si no se obtiene suficiente energía quemando el residuo anódico de la pila de combustible.
La segunda sección del quemador, dispuesta en el conducto de entrada (1 ), comprende una placa de distribución de combustible (7) en el centro de la cual está el atomizador (6) al que se conecta el tubo interior (2) de la primera sección. Dicha placa de distribución de gases (7) comprende una pluralidad de orificios de paso de combustible (10) para el paso del combustible gaseoso que circula por el tubo exterior (3) del conducto de entrada (1 ) de la primera sección a la segunda sección. A lo largo de la segunda sección en el conducto de entrada (1 ) se disponen unos orificios primarios (12) que conforman una entrada primaria de comburente. Dichos orificios primarios (12) están inclinados respecto al eje del tubo exterior (3) en dirección axial y en dirección tangencial.
Los orificios primarios (12) están destinados al paso del comburente (D) como se observa en la figura 1. El gas comburente (D) que se introduce en el quemador por los orificios primarios (12) y por los orificios secundarios (1 1 ) es la misma mezcla. La mayoría del comburente (D) entra por los orificios secundarios (1 1 ). Por los orificios primarios (12) se introduce solo una pequeña porción de comburente (D) para hacer un primer mezclado con el combustible (A, B).
A continuación de la segunda sección del quemador se dispone una tercera sección que comprende a su vez una placa de distribución de comburente (8) en la que hay unos orificios secundarios (1 1 ) destinados al paso de comburente a la tercera sección del quemador. Los orificios secundarios (1 1 ) están inclinados en dirección axial y en dirección tangencial. Dichos ángulos de inclinación están comprendidos en una realización preferente entre 20 grados y 40 grados.
Dicha tercera sección comprende también una manga donde se produce la mezcla del combustible con el comburente y cuyo extremo se encaja con una sección cónica de una cámara de combustión (15) a la que está unida el quemador de la invención. En un ejemplo de realización, en el extremo de la manga (13) que queda más cercano a la cámara de combustión (15), se disponen unos orificios terciarios que conforman una entrada terciaria de comburente. En una realización más preferente, ese comburente se introduce directamente en la cámara de combustión a través de la sección anular existente entre la manga del quemador y el extremo de la sección cónica de la cámara de combustión. La placa de distribución de comburente (8) se puede denominar también como placa de distribución de comburente. En la figura 2 se observa un detalle del quemador en el que se muestran la placa de distribución de combustible (7) con el atomizador (6) y los orificios de paso de combustible (10), y la placa de distribución del comburente (8) con los orificios secundarios (1 1 ). En el centro de la placa de distribución de combustible (7) está el atomizador (6) y alrededor de dicho atomizador (6) se distribuyen los orificios de paso de combustible (10), que permiten el paso del combustible gaseoso (B) que atraviesa el tubo exterior (3) en la primera sección del conducto de entrada (1 ) hasta la segunda sección. En la primera placa de distribución (7) se disponen también el ignitor (encendedor de llama) y al menos un sensor de infrarrojos o ultravioletas para detectar si hay llama o no. En un ejemplo de realización comprende al menos dos sensores para asegurar el correcto funcionamiento del quemador y que éste no pare por una falsa señal de extinción de la llama.
El atomizador (6) comprende una boquilla (20) de rociado con unos primeros orificios del atomizador (21 ), que tienen un ángulo determinado respecto al eje central del tubo interior (2), tal que confiere al flujo de combustible líquido (A) una rotación en sentido horario. El gas atomizador se proporciona a través de unos segundos orificios del atomizador (22), que también están inclinados respecto al eje central del tubo exterior (3), pero con un ángulo diferente al de los primeros orificios del atomizador (21 ), que confieren al gas atomizador (B) una rotación anti horaria.
En un ejemplo de realización de la presente invención, los primeros orificios del atomizador (21 ) son de menor tamaño que los segundos orificios del atomizador (22) y tienen una inclinación mayor en dirección tangencial. En este ejemplo de realización, la inclinación de los primeros orificios del atomizador (21 ) está entre los 10 grados y los 30 grados y la inclinación de los segundos agujeros está entre 30 grados y 60 grados.
La placa de distribución (8) dispone de unos orificios secundarios (1 1 ), que están inclinados respecto al eje de la placa de distribución de gases (8) y están destinados al paso de comburente (D), es decir, de residuo catódico mezclado con gases de postcombustión recirculados. Gracias a la inclinación de la que disponen los orificios secundarios (1 1 ), el flujo de entrada del comburente (D) que los atraviesa es turbulento.
El quemador comprende una tercera sección formada por una manga (13), que está conectada por un extremo a la segunda sección, mediante la placa de distribución de comburente (8), y conectada por el otro extremo a un tubo que es parte de la cámara de combustión (15). En la tercera sección se introduce comburente (D) a través de los orificios secundarios (1 1 ) en la placa de distribución de comburente (8) y recibe la mezcla de comburente y combustible que se produce en la segunda sección del conducto de entrada (1 ). En un ejemplo de realización comprende unos orificios terciarios en la manga (13) destinados al paso de gases de postcombustión recirculados para refrigeración (E) como se observa en las figuras 1 y 2. Preferentemente, dichos gases se introducen directamente en una cámara de combustión (15) a la que está conectada el quemador.
Dicha cámara de combustión (15) está rodeada de una doble camisa por cuyo interior circulan los gases de postcombustión, permitiendo el enfriamiento de la parte exterior de ésta. Asimismo, el calor de los gases de postcombustión se emplea en otras etapas del sistema de producción de bioetanol, como, por ejemplo, para evaporar agua y para dar calor a la reacción de reformado. La cámara de combustión (15) soporta una temperatura de hasta 1 100 °C y, gracias a la recirculación de los gases de combustión a través de la doble camisa, el exterior está a una temperatura inferior a 200 °C, haciéndola válida para atmósferas con requisitos ATEX2.
En una realización preferente, el quemador comprende adicionalmente una carcasa de aislamiento para evitar puntos calientes superficiales que puedan suponer una fuente de ignición. Esto también contribuye en que el quemador pueda ser empleado en atmósferas con requisitos ATEX2.
Preferentemente, el quemador de la presente invención puede trabajar solo con combustible gaseoso, solo con combustible líquido o con ambos. Los caudales de combustible gaseoso que puede procesar la presente invención son de hasta 300 Kg/h. Los caudales de combustible líquido que puede procesar son de hasta 100 Kg/h (estos caudales de combustible líquido son los que atraviesan el tubo interior (2) y llegan hasta el atomizador (6) donde se pulverizan). Los gases de postcombustión están compuestos por sustancias solubles en agua, como C0 2 , y contienen una cantidad mínima de inquemados y de oxígeno. Es decir, se obtiene un frente de gases de postcombustión homogéneo. El atomizador (6) trabaja preferentemente con gas de baja presión, es decir, con una presión a 100 mbar. Preferentemente, esta presión será de entre 60 y 70 mbar, y más preferentemente será de 65 mbar.
En una realización preferente, el quemador se integra con un reformador catalítico que opera a condiciones de temperatura próximas a isotermas. Esta realización está representada en la figura 2. En esta realización, el reformador se utiliza para producir un corriente rica en H 2 a partir de bioetanol en el sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes. El H 2 obtenido se utiliza para alimentar la pila de combustible de dicho sistema para proporcionar la energía para un sistema marítimo móvil, como, por ejemplo, un submarino.
El quemador descrito permite, cuando está integrado con un reformador, conseguir una distribución homogénea de temperaturas en los tubos de reformado del reformador (23).
En la realización preferente en la que el quemador y el reformador están integrados, el reformador es multitubular y la integración con el quemador permite obtener una distribución de temperaturas homogéneas en todos los tubos. En un ejemplo de realización en la que el quemador está integrado con un reformador, se consigue una unidad de reformado de dimensiones reducidas, con un diámetro menor de 790 mm y una longitud menor de 2100 mm.
También es objeto de la presente invención un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes que comprende el quemador descrito.
De acuerdo con un ejemplo de realización preferente, este sistema comprende una unidad de acondicionamiento de los reactivos: etanol (28), que es el combustible para esta realización preferente, y H 2 0 (29), para llevar a cabo la evaporación y el precalentamiento de dichos reactivos (28, 29) hasta la temperatura de reacción.
La unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende: i) un primer intercambiador de calor (35) para la evaporación y sobrecalentamiento del etanol (28) que se sobrecalienta a una temperatura de entre 350 °C y 450°C mediante el calor del gas de reformado rico en H 2 (31 ) preferentemente a la salida de un reactor de reformado.
El sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, y preferentemente de etanol, comprende a su vez una unidad de purificación que reduce la concentración de CO de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 hasta niveles por debajo de 5 ppm, donde dicha unidad comprende:
i) tres reactores de oxidación preferencial de CO, un primer (32), un segundo (33) y un tercer reactor de oxidación preferencial de CO (34) con refrigeración a la entrada de la corriente de gas de reformado por medio un tercer (36), un cuarto (37) y un quinto (38) intercambiador de calor, en los que se lleva a cabo la evaporación de parte del H 2 0 requerida en el sistema, a la vez que se enfría la corriente de gas de reformado a la salida de cada uno de los reactores de oxidación preferencial de CO.
El tercer intercambiador de calor (36) enfría la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante una corriente de agua (29), mientras que en el primer reactor de oxidación preferencial de CO (32) con lecho catalítico se lleva a cabo la purificación de la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante una corriente de 0 2 (46), que es inyectada a la entrada del tercer intercambiador de calor (36).
El cuarto intercambiador de calor (37) se encuentra dispuesto a la salida del primer reactor de oxidación preferencial de CO (32), para seguir enfriando parcialmente la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante la corriente de agua (29), y, a continuación, se encuentra dispuesto el segundo reactor de oxidación preferencial de CO (33) con lecho catalítico, para llevar a cabo una purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante la corriente de 0 2 (46), que es inyectada a la entrada del cuarto intercambiador de calor (37).
El quinto intercambiador de calor (38) se encuentra dispuesto a la salida del segundo reactor de oxidación preferencial de CO (33), para seguir enfriando parcialmente la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante la corriente de agua (29), y a continuación, se encuentra dispuesto el tercer reactor de oxidación preferencial (34) con lecho catalítico, para llevar a cabo una purificación parcial de la corriente de gases con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante la corriente de 0 2 (46), que es inyectada a la entrada del quinto intercambiador de calor (38).
La unidad de acondicionamiento de los reactivos comprende además:
ii) un generador de vapor que transforma el agua líquida en vapor de agua y que comprende un sexto intercambiador de calor (39) para llevar a cabo el calentamiento del agua (29) hasta temperaturas del orden de 80 0 C, un séptimo intercambiador de calor (40) para llevar a cabo la evaporación del agua (29) a una temperatura entre 100 y 150 °C, preferiblemente entre 1 15 y 125 °C, y opcionalmente un octavo intercambiador de calor (42) que lleva a cabo el sobrecalentamiento del agua (29) hasta una temperatura aproximada de entre 350 °C y 450 °C, mediante el calor de los gases de postcombustión (E) generados en un sistema de combustión que se describirá más adelante.
El generador de vapor comprende además un ciclón o separador de gotas (no mostrado) dispuesto a continuación del séptimo intercambiador de calor (40), que permite llevar a cabo la separación de las gotas de agua presentes en la corriente de vapor de agua, y un decantador (49) donde se drena el agua condensada en los gases de postcombustión (E), debido al alto contenido en agua de esta corriente de gases.
La unidad de reformado (27) puede comprender el quemador (51 ) anteriormente descrito integrado formando un solo conjunto. Asimismo, dicha unidad de reformado (27) puede comprender un noveno intercambiador de calor (43), que calienta la mezcla del etanol (28) y agua (29) a la entrada de la unidad de reformado (27) mediante corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 (31 ), para introducir dicha mezcla de etanol (28) y agua (29) en el lecho catalítico del reformador (30) y refrigerar los gases de salida de la unidad de reformado, y un décimo intercambiador de calor (44) que lleva a cabo el calentamiento del gas de reformado mediante una corriente de gases de postcombustión (E) obtenidos en el quemador, con el objetivo de suministrar la energía necesaria para llevar a cabo en condiciones isotérmicas la reacción de reformado que es altamente endotérmica.
En un ejemplo de realización, el sistema de reformado comprende un intercambiador de calor adicional para calentar la mezcla de hidrocarburos y alcoholes (28) y agua (29) con los gases de postcombustión antes de que la mezcla llegue a la zona de reacción del reformador (30) de la unidad de reformado (27). Está dispuesto a la entrada del reformador (30). El sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes, y preferentemente de etanol, comprende además una unidad de purificación, que comprende preferentemente dos reactores Water Gas Shift (26) y unos reactores de oxidación preferencial. Los reactores Water Gas Shift tienen refrigeración intermedia mediante un undécimo intercambiador de calor (45), que permite reducir la temperatura de la corriente de gas de reformado con una concentración alta en H 2 (31 ) mediante el residuo anódico (47) proveniente de la pila de combustible (50).
Asimismo el sistema de reformado puede comprender un postcombustor catalítico dispuesto a la salida del reformador y quemador integrados que está destinado a recibir los gases de postcombustión (E) que contienen metano. En otro ejemplo de realización el sistema comprende un postcombustor catalítico que está dispuesto a la salida del sexto intercambiador de calor (39) para evaporar la corriente de agua (29). Es objeto también de la presente invención el uso del quemador anteriormente descrito en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes para la producción de una corriente de hidrógeno de un submarino. Como se ha descrito anteriormente, el quemador de la invención permite obtener una llama uniforme que origina un frente de gases de postcombustión homogéneo, de los que todos los productos obtenidos son solubles en agua. En los casos en los que se emplea en un sistema de reformado de hidrocarburos y alcoholes en un submarino, puede ocurrir que se emplee menos oxígeno del necesario para su funcionamiento a pleno rendimiento, por lo que los gases de postcombustión podrían contener algún inquemado. En esos casos, la presente invención comprende la adición de un postcombustor catalítico en el sistema para asegurar la solubilidad de todos los gases de postcombustión.