ES2206786T3 - Metodo de combustion con doble oxidante. - Google Patents
Metodo de combustion con doble oxidante.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN QUEMADOR CON DOBLE OXIDANTE QUE TIENE UN CONDUCTO INTERIOR (14) CON UN PASAJE QUE SE COMUNICA CON UNA ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE, OTRO CONDUCTO EXTERIOR (12) POR ENCIMA DEL CONDUCTO INTERIOR Y UN CONDUCTO INTERMEDIO (20) ENTRE LOS CONDUCTOS INTERIOR (14) Y EXTERIOR (12). LOS TRES CONDUCTOS (12, 14, 20) FORMAN UN PASAJE INTERIOR (26), ENTRE EL CONDUCTO INTERIOR (14) Y EL CONDUCTO INTERMEDIO (20), QUE SE COMUNICA CON UNA ALIMENTACION DE OXIGENO, Y UN PASAJE EXTERIOR (24), ENTRE EL CONDUCTO INTERMEDIO (20) Y EL EXTERIOR (12), QUE SE COMUNICA CON UNA FUENTE DE AIRE. SE MEZCLA EL COMBUSTIBLE CON LOS DOS OXIDANTES EN UN HORNO U OTRA ZONA DE COMBUSTION, MAS ALLA DE LA SALIDA DE LA TOBERA (16) Y LOS DOS PASAJES (24, 26) Y SU CAUDAL DE FLUJO SE AJUSTAN AUTOMATICAMENTE PARA ESTABLECER LA LLAMA DEL QUEMADOR.
Description
Método de combustión con doble oxidante.
El presente invento se refiere en general a la
combustión oxi-combustible y más en particular a la
combustión oxi-combustible que además proporciona
aire a la reacción de combustión.
Varios procedimientos de combustión para horno
utilizan un quemador al que se suministra aire como oxidante en
combinación con un combustible, tal como gas natural, fuel oil,
propano, aceites residuales, otros hidrocarburos, y similares. Se
han hecho intentos para mejorar el rendimiento de tales
procedimientos de combustión con aire, enriqueciendo la atmósfera de
combustión con aire enriquecido en oxígeno, o gas oxígeno puro. El
enriquecimiento en oxígeno del aire de combustión aumenta tanto la
temperatura de la llama del quemador como el rendimiento térmico
mientras que el volumen de gas de combustión del horno disminuye a
medida que aumenta la concentración de oxígeno en el aire o de gas
oxidante. Tal procedimiento de combustión se conoce a partir de la
memoria de patente de especificación E.E.U.U.5611683A.
Se conoce que incluso bajos niveles de
enriquecimiento de oxígeno en el procedimiento de combustión pueden
causar drásticos aumentos de emisiones no deseadas de óxido nítrico
(NO_{x}). En procedimientos industriales de combustión, más del
90% de las emisiones de NO_{x} son en forma de óxido nítrico o NO.
Altos niveles de enriquecimiento de oxígeno, por ejemplo, por encima
del 90% del contenido de oxígeno total en el oxidante, podrían
resultar en la producción de menos NO_{x} que utilizando aire para
la misma velocidad de quemado del quemador. Sin embargo, los altos
niveles de enriquecimiento de oxígeno son costosos de poner en
práctica.
Además, cuando el oxígeno es utilizado para
sustituir el aire para combustión, esto causa a menudo problemas,
tal como daño refractario del horno, distribución desigual de la
temperatura, y alta emisión de NO_{x} debido a la alta temperatura
de la llama. En aplicaciones especializadas de procesado de metal,
especialmente en el refundido del aluminio, ocurren otros problemas
asociados, concretamente un exceso de oxidación de la carga del
metal.
Convencionalmente, una aproximación utilizada
para enriquecer el contenido de oxígeno del procedimiento de
combustión es instalar un quemador oxi-combustible
en el centro de un quemador aire-combustible
existente. Esto tiene la desventaja de que resulta una construcción
relativamente compleja. Además, en semejante quemador es difícil
controlar las dos corrientes de combustible, y, al mismo tiempo,
ajustar tanto el aire como el oxígeno para igualar bien las
corrientes de combustible. Otra aproximación es diseñar un quemador
oxi-combustible que pueda utilizar un alto nivel de
oxígeno como oxidante y mantener todavía una temperatura moderada de
llama y bajas emisiones de NO_{x}. Esto implica una nueva
instalación del quemador suponiendo más trabajo que puede ser
difícil y costoso.
Por lo tanto, existe una necesidad de desarrollar
un sistema de actualización de un sistema quemador de aire existente
para permitir utilizar tanto oxígeno como aire para la combustión
sin causar los efectos adversos no deseados asociados con la sola
utilización de oxígeno puro como oxidante.
El presente invento es un método de combustión
que emplea dos oxidantes en un quemador
aire-combustible que tiene un conducto interior que
sirve como paso de combustible, un conducto exterior anular y una
tubería central alrededor del conducto interior en el espacio entre
los conductos interior y exterior para proporcionar un paso
adicional entre los conductos interior y exterior, el mencionado
método comprende:
(A) pasar combustible a través del mencionado
conducto interior a una velocidad igual o mayor que 122 m/s en una
zona de combustión que contiene gases de combustión y gases de
combustión aspirados en el combustible que pasa a velocidad
alta;
(B) pasar oxígeno que proporciona al menos el 80
por ciento de las moléculas de oxígeno necesarias para hacer arder
completamente el combustible a través del mencionado paso adicional
en la zona de combustión;
(C) pasar una corriente de aire anular a través
del mencionado conducto exterior anular dentro de la zona de
combustión;
(D) mezclar oxígeno y aire con la mezcla de
combustible y los gases de combustión para formar una mezcla
combustible; y
(E) hacer arder la mezcla combustible dentro de
la zona de combustión.
De este modo el presente invento se refiere a un
sistema de diseño actualizado para un quemador
aire-combustible existente para proporcionar una
segunda fuente de oxidante. El invento proporciona un diseño simple
que permite el actualizar el diseño de un sistema de combustión con
aire existente que puede moderar y controlar la temperatura de llama
cuando se utiliza oxígeno. De acuerdo con el invento, un quemador
convencional que tenga un conducto interior que sirva de paso de
combustible y un conducto exterior que defina con el conducto
interior un paso para el flujo de aire, se modifica para añadir un
conducto entre los conductos interior y exterior. Esto proporciona
un paso adicional para una fuente de oxígeno entre los conductos
exterior y el añadido, que se utiliza para mejorar el procedimiento
de combustión. Cada uno de los flujos de oxidante y de combustible
se puede controlar individualmente para ajustar las características
de combustión del quemador y particularmente para añadir una fuente
de oxígeno de modo que se pueda reducir la emisión de NO_{x}. Este
invento es una simple actualización de diseño más que una nueva
instalación, y resulta en los costes de capital más bajos y la
mínima inactividad del horno durante la instalación.
Como se utiliza en este escrito, el término
"oxígeno" significa un fluido gaseoso que tiene una
concentración de oxígeno de al menos 30 por ciento en moles. Este
puede tener una concentración de oxígeno que exceda el 85 por ciento
en moles o puede ser oxígeno comercial puro que tenga una
concentración de oxígeno de 99,5 por ciento en moles o más.
Un objetivo del invento es el de proporcionar un
método de combustión de dos oxidantes para un horno capaz de
producir bajas emisiones de NO_{x}.
Un objetivo más es el de proporcionar una
actualización del diseño para un quemador
aire-combustible existente para convertirlo en un
quemador de dos oxidantes.
Otro objetivo es proporcionar un quemador de dos
oxidantes formado al añadir a un quemador convencional de
aire-combustible un arreglo para suministrar
oxígeno.
Otros objetivos y ventajas del invento se harán
más claros tras consulta de la siguiente memoria descriptiva y
dibujo anexo en el que:
La Fig. 1 es una vista de un quemador para la
realización práctica del invento.
La Fig. 1 muestra las partes de un quemador
convencional aire-combustible que incluye un
conducto exterior 12 y un conducto interior 14. En el quemador
convencional aire-combustible, el conducto interior
14 comunica con y recibe combustible de una fuente(no
mostrada), y tiene una boquilla 16 final del cualquier tipo
apropiado a través de la cual el combustible es expulsado bajo
presión dentro de un horno o zona de combustión. El combustible
puede ser de cualquier tipo apropiado, por ejemplo, gas natural,
otros gases combustibles hidrógeno-carbono, gas de
coqueo, aceite, etc. En un quemador convencional, un oxidante tal
como el aire se suministra en el paso anular entre la superficie
interior del conducto tubular exterior 12 y la superficie exterior
del conducto tubular interior 14.
De acuerdo con el invento, un conducto o tubería
central, 20, se ajusta alrededor del conducto interior 14 de
combustible en el espacio entre los conductos interior y exterior.
Esto forma un paso anular exterior 24 entre el conducto exterior 12
y el conducto central 20, y un paso anular interior 26 entre el
conducto central 20 y el conducto interior 14 de combustible. Con el
arreglo mostrado, el combustible sale desde las aperturas de la
boquilla 16. El combustible está rodeado por oxígeno que fluye a
través del paso anular interior 26 que comunica con una fuente de
oxígeno (no mostrada). El aire que fluye a través del paso anular
exterior 24 se mezcla parcialmente con el combustible en el frente
del quemador. El paso 24 comunica con una fuente de aire (no
mostrada) por medio del paso 13. Puede haber diferentes dispositivos
de control, tal como las válvulas mostradas, bien manuales o
automáticas, para controlar el flujo en cada uno de los pasos
anulares 24 y 26 y el conducto 14 de combustible. El flujo
aire/oxígeno/combustible se puede ajustar individualmente ya que
cada uno proviene de una fuente diferente y cada uno tiene su propio
paso de flujo.
La boquilla 16 al final del conducto de
combustible se muestra de forma ilustrativa extendiéndose más allá
del extremo de la salida del paso anular interior 26. Pero esto no
es crítico y los dos finales pueden estar al mismo nivel. El final
del conducto central 20 se muestra extendiéndose más allá del final
del conducto exterior 12, pero este arreglo tampoco es crítico.
El combustible que fluye a través del conducto
interior 14 lo hace a una velocidad predeterminada, mientras que el
oxígeno que fluye a través del paso anular interior 26 y el aire a
través del paso anular exterior 24 pueden hacerlo a velocidades
diferentes, pero más bajas. Esto tiene la ventaja de que se puede
proporcionar oxígeno a una presión reducida, lo que puede ser un
ahorro de coste debido a la potencia de compresión más bajo
requerida.
La velocidad del combustible que procede del
conducto interior 14 se puede variar en un amplio margen. Se puede
conseguir una baja generación de NO_{x} y temperatura de llama
moderada manteniendo una velocidad de combustible igual o mayor que
122 m/s. Los gases de combustión 18, por ejemplo productos de la
reacción de combustión, nitrógeno, etc., se aspiran dentro de la
corriente de gas combustible en lugar de en las corrientes de los
dos oxidantes antes de la combustión.
En la manera preferida de operar el sistema de
combustión de dos oxidantes de este invento, se emplean una mínima
cantidad de aire (con el propósito de enfriar el conducto exterior
12) y una cantidad máxima de oxígeno para una entrada dada de
combustible, resultando en alto rendimiento térmico, buena
transferencia de calor y gran suministro de calor total en el
horno.
Bajo ciertas circunstancias, cuando el horno no
requiere un gran suministro de calor y/o cuando el oxígeno
suministrado es limitado, la entrada de oxígeno se puede recortar
sustancialmente, y el quemador de dos oxidantes funcionará en
semejanza a un quemador de aire. Esto proporciona una amplia
libertad de flexibilidad para la operación y control del horno.
Los márgenes de condiciones y variaciones de
procedimientos pueden afectar el rendimiento del quemador de dos
oxidantes del invento. Estos incluyen la cantidad relativa de
oxígeno y aire y la relación de velocidad de combustible a velocidad
de oxígeno. Para una entrada dada de combustible, la cantidad total
de oxidantes a ser suministrada debería ser tal que suministre al
menos un 5% más de moléculas de oxígeno que las requeridas
estequiométricamente para la combustión completa del combustible.
Las cantidades relativas de oxígeno que procede del paso 26 a la
cantidad de moléculas de oxígeno en el aire que procede del paso 24
se pueden expresar como sigue:
| (A) | (B) | (C) | (D) | (E) | (F) | (G) | (H) | (I) | |
| O_{2} | 90% | 80% | 70% | 60% | 50% | 40% | 30% | 20% | 10% |
| Aire | 10% | 20% | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% | 90% |
La condición (A) representa una operación
oxi-combustible con una pequeña cantidad de aire de
refrigeración que pasa a través del paso de aire 24. La mínima
cantidad de aire de refrigeración depende del tamaño del quemador y
condiciones del horno tal como temperatura y presión. La división
90% - 10% mostrada en la condición (A) es para propósitos
ilustrativos. Al otro extremo de la tabla, la condición
(I)asemeja la operación de un quemador de aire.
Cualquiera de las anteriores condiciones (desde
la (A) hasta la (I)) son aplicables para el quemador de dos
oxidantes del invento. El modo preferido de operación depende del
requerimiento del procedimiento, demandas de producción, condiciones
del horno, regulaciones locales sobre las emisiones y/o
disponibilidad de oxígeno. Desde los puntos de vista del rendimiento
de la combustión y/o transferencia de calor, sin embargo, es
preferible hacer operar al quemador en una manera en la que al menos
el 80 por ciento de las moléculas de oxígeno necesarias para hacer
arder completamente el combustible sean provistas por el paso de
oxígeno en el horno.
Utilizando el quemador ilustrado en la Fig. 1,
las velocidades de los oxidantes (aire y oxígeno) no son los
parámetros críticos. La velocidad de combustible se convierte en el
factor dominante. Para los requerimientos del procedimiento,
especialmente para conseguir bajas emisiones de NO_{x}, la
velocidad de combustible debería ser al menos 61 m/s,
preferiblemente al menos 91 m/s y lo más preferiblemente al menos
122 m/s.
El invento tiene las ventajas de que hace fácil
convertir un quemador aire-combustible existente en
una combustión oxi-combustible. Además la
rentabilidad de la utilización del oxígeno se puede controlar
eficazmente basada en los requerimientos del procedimiento y
condiciones económicas, tal como el precio del oxígeno y del
combustible.
Claims (5)
1. Un método de combustión que emplea dos
oxidantes en un quemador aire-combustible que tiene
un conducto interior (14) que sirve como paso de combustible, un
conducto exterior anular (12) y una tubería central (20) alrededor
del conducto interior en el espacio entre los conductos interior y
exterior para proporcionar un paso adicional (26) entre los
conductos interior y exterior, comprendiendo el mencionado
método:
(A) pasar combustible a través del mencionado
conducto interior (14) a una velocidad igual o mayor que 122 m/s en
una zona de combustión que contiene gases de combustión y gases de
combustión aspirados en el combustible que pasa a velocidad
alta;
(B) pasar oxígeno que proporciona al menos el 80
por ciento de las moléculas de oxígeno necesarias para hacer arder
completamente el combustible a través del mencionado paso adicional
(20) en la zona de combustión;
(C) pasar una corriente de aire anular a través
del mencionado conducto exterior anular (12) en la zona de
combustión;
(D) mezclar oxígeno y aire con la mezcla de
combustible y los gases de combustión para formar una mezcla
combustible; y
(E) hacer arder la mezcla combustible dentro de
la zona de combustión.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
tubería (20) se ajusta alrededor del conducto interior (14) de modo
que el extremo de salida del conducto interior se extiende más allá
del extremo de salida del paso adicional (26).
3. El método de la reivindicación 1, en el que la
tubería (20) se ajusta alrededor del conducto interior (14) de modo
que el extremo de salida del conducto interior está al mismo nivel
que el extremo de salida del paso adicional (26).
4. El método de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 1 a 3, en el que la tubería (20) se
ajusta alrededor del conducto interior (14) de modo que el extremo
de salida del paso adicional (26) se extiende más allá del extremo
de salida del conducto exterior (12).
5. El método de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 1 a 3, en el que la tubería (20) se
ajusta alrededor del conducto interior (14) de modo que el extremo
de salida del paso adicional (26) está al mismo nivel que el extremo
de salida del conducto exterior (12).
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