ES2153802T3 - Perfeccionamientos introducidos en los quemadores de llama plana. - Google Patents
Perfeccionamientos introducidos en los quemadores de llama plana.Info
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Abstract
Quemador de llama plana destinado particularmente para el equipamiento de hornos de calentamiento, de mantenimiento o de tratamiento térmico de productos siderúrgicos, que comprende al menos un tubo de inyección de combustible situado según el eje del cuerpo del quemador y una alimentación de aire de combustión distribuido dentro y por el indicado cuerpo, realizándose la introducción del combustible (21) por mediación del o de los tubos de inyección (18, 19), por uno o varios orificios axiales situados en un plano próximo al plano externo (P) del túnel de combustión (9), caracterizado porque la introducción del combustible se realiza únicamente por el o los orificios axiales del (o de los) tubo(s) de inyección de combustible alrededor de los cuales el aire de combustión gira, porque los orificios axiales tienen un diámetro importante de forma que el impulso del combustible (21) sea suficientemente bajo para no perturbar el torbellino de recirculación de los productos de combustión inducidosen el pico del quemador por el aire de combustión, con el fin de realizar una primera dilución del combustible (21) en los productos de combustión (22), y porque la mezcla (23) combustible más productos de combustión así obtenida es arrastrada por el torbellino luego se diluye en el aire de combustión (24) puesto en rotación alrededor del tubo de inyección de combustible, utilizando el quemador la dilución de la llama con productos de combustión con el fin de reducir la temperatura de llama en su zona de reacción.
Description
Perfeccionamientos introducidos en los quemadores
de llama plana.
La presente invención se refiere a
perfeccionamientos introducidos en un quemador de llama plana
destinado particularmente para el equipamiento de hornos de
calentamiento, de mantenimiento o de tratamiento térmico de
productos siderúrgicos, quemador del tipo de los que comprenden al
menos un tubo de inyección de combustible situado según el eje del
cuerpo del quemador y una alimentación de aire de combustión
distribuida dentro y por el indicado cuerpo, realizándose la
introducción del combustible por mediación del o de los tubos de
inyección por uno o varios orificios axiales situados en un plano
próximo al plano externo del túnel de combustión.
El documento
FR-A-2.093 258 muestra un quemador
de este tipo en el cual la inyección de gas se realiza paralelamente
a la dirección axial a la periferia de las inyecciones de aire de
combustión y en la proximidad inmediata de éstas. Este documento no
considera ninguna disposición que trate de reducir de forma notable
la producción de NOx en la llama.
El documento
US-A-5 813 846 se refiere a un
quemador de llama plana de un tipo diferente del descrito
anteriormente, ya que la introducción del combustible se realiza por
unos orificios orientados radialmente y no por orificios
axiales.
La presente invención se refiere a
perfeccionamientos introducidos en un quemador de llama plana con el
fin de reducir de forma notable su producción de NOx.
Con el fin de que se comprenda el ámbito técnico
al cual se aplican los perfeccionamientos objeto de la presente
invención, así como el estado de la técnica correspondiente, se hace
referencia en primer lugar a las figuras 1 a 4 de los dibujos
adjuntos que ilustran respectivamente:
- la figura 1: una vista esquemática en sección
axial longitudinal de un horno de calentamiento de productos
siderúrgicos de tipo conocido;
- la figura 2: una vista esquemática en sección
axial vertical de un ejemplo de realización de un quemador de
bóveda, según el estado anterior de la técnica que puede montarse en
un horno según la figura 1,
- la figura 3: una vista esquemática en sección
axial vertical de una variante de quemador de bóveda, según el
estado de la técnica que puede ser utilizado en el horno objeto de
la figura 1 y,
- la figura 4: igualmente una vista esquemática
en sección axial vertical de un quemador de llama plana según la
técnica anterior, concebido para obtener una reducción de la
cantidad de NOx producida por este quemador.
La figura 1 ilustra por consiguiente un ejemplo
de realización de un horno de calentamiento de productos
siderúrgicos de calentamiento inferior y superior. Los productos a
calentar designados por la referencia 1 están soportados y
transportados en el interior del horno por un sistema de largueros
fijos y móviles 2 y 3. Los largueros móviles se desplazan según un
movimiento de ciclo rectangular gracias a las acciones conjugadas de
un bastidor de translación 4 y de un bastidor de elevación 5, según
una disposición bien conocida del experto de la técnica. El horno se
realiza en forma de un recinto 6 calorifugueado en el cual están
dispuestos quemadores de llama larga 7 así como quemadores de llama
plana 8 implantados en la bóveda del horno. La presente invención se
refiere a perfeccionamientos que son introducidos en los quemadores
de llama plana 8.
Las figuras 2 y 3 ilustran dos ejemplos de
realización de quemadores de bóveda según la técnica anterior.
En la figura 2, se ha esquematizado en 9, el
túnel de combustión de un quemador que presenta una abertura
ensanchada cuya forma es sustancialmente en cuarto de círculo con el
fin de propagar el flujo de aire y la llama del quemador según el
perfil del túnel de combustión, por efecto Coanda y a lo largo del
plano P de la bóveda. El quemador es alimentado con aire de
combustión, precalentado o no, por un conducto de alimentación 10 y
este aire es distribuido por el cuerpo del quemador a través de
orificios 11 perforados en el distribuidor de aire, que provocan la
puesta en rotación del aire de combustión con el fin de obtener una
circulación helicoidal de este aire alrededor del tubo de inyección
de combustible 12. Este último está situado en el eje del quemador
con el fin de llevar el o los combustibles a una zona propicia para
la obtención de una buena mezcla con el aire de combustión. La
introducción del o de los combustibles se realiza a través de uno o
más orificios 14 con el fin de obtener la circulación esquematizada
por la flecha 15 en esta figura 2.
Un plato 13 está previsto en el extremo de
inyección del tubo 12, teniendo este plato 13 por función forzar el
aire de combustión a aplicar sobre la pared interna del túnel de
combustión 9 con el fin de favorecer la formación de una llama plana
y crear un torbellino de aspiración de los humos en la punta del
quemador. En la figura 2, la flecha 16 esquematiza este torbellino.
Los gases de combustión situados en el recinto del horno son por
consiguiente recirculados en el pico del quemador por inducción del
torbellino 16 creado por la circulación a velocidad elevada de la
mezcla de aire/gas procedente del quemador. La llama procedente de
este aire-gas se desarrolla según 17, siguiendo el
perfil del túnel de combustión 9 y el plano P de la bóveda del
horno.
Según el estado anterior de la técnica (figura 3)
los quemadores de bóveda pueden igualmente estar provistos de tubos
dobles de inyección de combustible 18 y 19, que presentan orificios
de inyección respectivamente 20 y 14. Este tipo conocido de quemador
es similar por otro lado al quemador objeto de la figura 2,
permitiendo el doble tubo de inyección utilizar dos tipos diferentes
de combustible. La inyección única del combustible por mediación de
los orificios 20 puede realizarse por ejemplo durante la fase de
encendido del quemador permitiendo un mejor agarre de la llama con
caudales bajos de combustible, en particular cuando la temperatura
del recinto del horno es inferior a los 750ºC (sin auto inflamación
de la
mezcla).
mezcla).
Hasta hace poco, el estado anterior de la técnica
del quemador de llama plana ilustrado por las figuras 2 y 3
presentaba soluciones técnicas satisfactorias en materia de control
de la geometría de la llama y de la distribución de los flujos
térmicos. La optimización de la técnica según el estado anterior de
la técnica se realizaba completamente siguiendo criterios de
combustión, con miras a obtener una llama intensiva de forma
apropiada. En esta aproximación, la emisión de contaminantes, en
particular de NOx era considerada como secundaria.
La evolución de las normativas locales, europeas
o mundiales ha impuesto a los explotadores reducir las emisiones de
NOx de sus instalaciones. Las investigaciones en materia de
concepción de quemadores han integrado esta obligación, en
particular para los quemadores de llama plana, generadores de
cantidades mucho más importantes de NOx que los quemadores de llama
larga, y que han sido objeto de importantes investigaciones y de
numerosos perfeccionamientos con el fin de limitar sus
emisiones.
Se sabe que la producción de NOx en una llama
depende de su temperatura y de la presión parcial de oxígeno en la
zona de reacción de esta llama. Es particularmente conocido que la
cantidad de NOx producida aumenta de forma importante para
temperaturas de llama superiores a 1 200ºC. Todas las
investigaciones con miras a la reducción de los NOx producidos han
sido realizadas con el fin de reducir la temperatura de la llama del
quemador y aumentar su volumen de zona de reacción, en particular
por su dilución con los productos de combustión contenidos en el
recinto del horno y recirculados en la punta del quemador.
En la figura 4 de los dibujos adjuntos, se ha
representado un quemador, según el estado anterior de la técnica,
concebido con el fin de reducir la cantidad de NOx producida. En
este tipo de quemador, el combustible se inyecta muy a la salida del
túnel de combustión del quemador, en el torbellino 16 de los
productos de combustión. El quemador comprende un tubo de inyección
de combustible situado según su eje y que desemboca en el túnel de
combustión por mediación de un cierto número de inyectores radiales
14. Por este medio, el combustible se inyecta radialmente a gran
velocidad, a través de los indicados inyectores 14, en el aire de
combustión, a nivel del túnel en una zona donde al aire de
combustión se diluye con los gases del ambiente del horno. Esta
inyección de combustible a gran velocidad por un número reducido de
inyectores radiales, realiza además una partición de la llama en
varias "pequeñas llamas" de combustión menos intensivas y cuyo
volumen total es aumentado con relación a una llama única.
Partiendo de este estado de la técnica, la
presente invención se propone reducir el porcentaje de NOx producido
por quemadores de llama plana, utilizando el principio de la
dilución de la llama con miras a reducir su temperatura y reducir la
presión parcial de oxígeno en su zona de reacción.
Para resolver este problema técnico, según la
invención, un quemador de llama plana destinado particularmente para
el equipamiento de hornos de calentamiento, de mantenimiento o de
tratamiento térmico de productos siderúrgicos, del tipo definido
inicialmente, se caracteriza porque los orificios axiales tienen un
diámetro importante de forma que el impulso del combustible sea lo
suficientemente bajo para no perturbar el torbellino de
recirculación de los productos de combustión inducidos en la punta
del quemador por el aire de combustión, con el fin de realizar una
primera dilución del combustible en los productos de combustión,
y porque la mezcla combustible más productos de
combustión así obtenida es arrastrada por el torbellino luego se
diluye en el aire de combustión puesto en rotación alrededor del
tubo de inyección del combustible.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción dada a continuación, con
referencia a la figura 5 de los dibujos adjuntos que ilustran un
ejemplo de realización desprovisto de cualquier carácter limitativo.
Esta figura 5 es una vista esquemática en sección axial vertical de
un quemador perfeccionado según la invención.
Tal y como se comprende y se ha mencionado
anteriormente, el quemador objeto de la invención utiliza el
principio de la dilución de la llama con el fin de reducir su
temperatura y reducir la presión parcial de oxígeno en su zona de
reacción. Esta dilución de la llama se realiza con los productos de
combustión situados en el recinto del horno. El carácter de
originalidad de la presente invención reside en el hecho de que la
introducción del combustible se realiza en dos etapas con el fin de
obtener una doble dilución: una primera dilución del combustible con
los productos de combustión del horno luego una segunda dilución de
la mezcla combustible más productos de combustión así obtenida con
el aire de combustión.
El ejemplo de realización de la invención
ilustrado por la figura 5 comprende un sistema de doble alimentación
de combustible. Se trata de un ejemplo no limitativo, pudiendo los
perfeccionamientos según la presente invención ser realizados en un
quemador de alimentación única de combustible. Se encuentra en este
quemador, el túnel de combustión 9, la alimentación 10 de aire
precalentado o no, distribuido en el cuerpo del quemador por los
orificios 11, el sistema de tubos dobles de inyección de combustible
18 y 19, realizándose la inyección según el eje del quemador.
Según la invención, la introducción del
combustible se realiza por mediación de uno o de varios orificios
axiales de los cuales están provistos los tubos de introducción
tales como 18 y 19 lo cual permite realizar una alimentación de
combustible con un impulso bajo. El o los tubos de inyección de
combustible 18 y 19 están hechos de materiales resistentes a las
temperaturas elevadas, particularmente materiales refractarios,
tales como aceros al cromo o al níquel o cerámicos.
La introducción axial del combustible (flecha 21)
a través de uno o de varios orificios de inyección axiales 25 del
tubo 19, que, según la invención están situados en la proximidad
inmediata del plano de desarrollo de la llama, se realiza en los
productos de combustión (flecha 22) del ambiente del horno, lo cual
permite realizar la primera dilución. Esta dilución es favorecida
por el posicionamiento de los orificios 25 que permite realizar la
premezcla de combustible con los gases de combustión recirculados en
el pico del quemador. El o los orificios de inyección axiales del
combustible 25 son de diámetro importante con el fin de limitar el
impulso del combustible para realizar la mezcla con los gases de
combustión. Este bajo impulso no perturba el torbellino de
recirculación de los productos de combustión inducidos en la punta
del quemador por el aire de combustión, a diferencia de la inyección
radial de alto impulso que "corta" el torbellino y perturba
esta recirculación.
La mezcla de combustible-gas de
combustión así obtenida, esquematizada por la flecha 23 en la figura
5 es arrastrada por el torbellino existente en la punta del quemador
luego se diluye con el aire de combustión (flecha 24) así mismo
diluido con una parte de los productos de combustión (flecha 22)
recirculados en la punta del quemador.
Así, el quemador objeto de la presente invención
permite realizar una doble dilución del combustible y de los
productos de combustión, del aire de combustión y productos de
combustión y realizar por último la mezcla de las dos premezclas
diluidas. Esta optimización de la mezcla "aire de combustión +
combustible + productos de combustión" permite obtener una llama
plana no intensiva que limita las emisiones de contaminantes en
particular de NOx, pudiendo esta disminución llegar a una relación
superior a 2, con relación a un quemador del mismo tipo, según la
técnica anterior.
Así como se ha ilustrado por la figura 5, el
quemador según la presente invención puede mantener la doble
alimentación de combustible, con inyecciones que se realizan a
niveles diferentes en el túnel de combustión 9 con el fin de
controlar la mezcla entre el o los combustibles, el aire de
combustión y los gases de combustión recirculados en la punta del
quemador. Los dos tubos de inyección de combustible pueden ser
utilizados por separado o simultáneamente con un reparto de los
caudales de combustibles entre las dos inyecciones con el fin de
controlar la forma de la llama, la calidad de la
pre-mezcla y la emisión de los contaminantes.
Uno de los tubos de inyección puede utilizarse
para el arranque del quemador, por ejemplo cuando la temperatura del
horno es inferior a 700ºC para obtener un mejor agarre de la llama,
pudiendo el otro ser utilizado en régimen continuo para la reducción
del porcentaje de contaminantes producidos.
La invención permite por consiguiente resolver el
problema de la reducción del porcentaje de NOx producido por un
quemador de llama plana asegurando una combustión del combustible en
un gran volumen (mezcla de aire de combustión, combustible,
productos de combustión del horno) que permite realizar una llama de
temperatura más baja cuya la zona de reacción presenta una reducción
de presión parcial de oxígeno.
Queda bien entendido que la presente invención no
se limita a los modos de realización descritos y/o mencionados
anteriormente sino que abarca todas las variantes comprendidas en la
invención tal como se define en las reivindicaciones.
Claims (6)
1. Quemador de llama plana destinado
particularmente para el equipamiento de hornos de calentamiento, de
mantenimiento o de tratamiento térmico de productos siderúrgicos,
que comprende al menos un tubo de inyección de combustible situado
según el eje del cuerpo del quemador y una alimentación de aire de
combustión distribuido dentro y por el indicado cuerpo, realizándose
la introducción del combustible (21) por mediación del o de los
tubos de inyección (18, 19), por uno o varios orificios axiales
situados en un plano próximo al plano externo (P) del túnel de
combustión (9), caracterizado porque la introducción del
combustible se realiza únicamente por el o los orificios axiales del
(o de los) tubo(s) de inyección de combustible alrededor de
los cuales el aire de combustión gira,
porque los orificios axiales tienen un diámetro
importante de forma que el impulso del combustible (21) sea
suficientemente bajo para no perturbar el torbellino de
recirculación de los productos de combustión inducidos en el pico
del quemador por el aire de combustión, con el fin de realizar una
primera dilución del combustible (21) en los productos de combustión
(22),
y porque la mezcla (23) combustible más productos
de combustión así obtenida es arrastrada por el torbellino luego se
diluye en el aire de combustión (24) puesto en rotación alrededor
del tubo de inyección de combustible,
utilizando el quemador la dilución de la llama
con productos de combustión con el fin de reducir la temperatura de
llama en su zona de reacción.
2. Quemador según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende al menos un tubo de inyección
del combustible provisto de uno o de varios orificios de
introducción axiales de combustible, situados en la proximidad
inmediata del plano de desarrollo de la llama con el fin de realizar
un premezclado del combustible con los productos de combustión
recirculados en la punta del quemador.
3. Quemador según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque su o sus tubos de inyección (18, 19)
están hechos de materiales que resisten temperaturas elevadas,
particularmente los materiales refractarios tales como aceros al
cromo o al níquel o cerámicos.
4. Quemador según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
dos inyecciones de combustible implantadas a niveles diferentes en
el túnel de combustible (9) con el fin de controlar la mezcla entre
el o los combustibles, el aire de combustión y los productos de
combustión recirculados en la punta de dicho quemador.
5. Quemador según la reivindicación 4,
caracterizado porque las indicadas inyecciones de combustible
se utilizan por separado o simultáneamente, con un reparto de
caudales de combustibles entre las dos inyecciones realizadas con el
fin de controlar la forma de la llama, la calidad del premezclado y
la emisión de contaminantes.
6. Quemador según la reivindicación 4,
caracterizado porque una de las indicadas inyecciones puede
ser utilizada para el encendido del quemador y la otra puede ser
utilizada para el encendido del quemador y la otra puede ser
utilizada para reducir el porcentaje de contaminantes
producidos.
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