ES2206836T3 - Quemador de inyeccion de particulas. - Google Patents

Abstract

UN QUEMADOR (1) COMPRENDE MEDIOS (7, 9, 11) QUE CAUSAN ACELERACION DE UNA MEZCLA OXIDANTE DE COMBUSTIBLE, EN EL INTERIOR DE UN FLUJO DE MATERIAL EN PARTICULAS, Y DE UN OXIDANTE SECUNDARIO DESDE UN CANAL QUE LE RODEA (15). EL MATERIAL EN PARTICULAS PUEDE ESTAR FORMADO DE MATERIALES LIQUIDOS O MEZCLAS EN FORMA DE GOTITAS.

Description

Quemador de inyección de partículas.

La presente invención se refiere a un quemador para inyectar material, como puede ser material particulado, y en particular se refiere, aunque no exclusivamente, a un quemador para ser utilizado en un horno de arco eléctrico.

Es bien conocido el suministro de hornos de arco eléctrico con lanzas de inyección de oxígeno suplementario; el funcionamiento de un horno semejante implica el establecimiento de un arco entre unos electrodos, el cual genera una corriente de calentamiento que pasa a través del metal a fundir, y la inyección de oxígeno suplementario a través de las lanzas de inyección de oxígeno, las cuales pueden acercarse o alejarse del metal según y cuando se desee. Una vez establecido, el arco actúa para calentar el metal hasta su temperatura final de aproximadamente 1620ºC a 1700ºC, mientras que el oxígeno actúa para oxidar los elementos no deseados presentes en el metal y los hace ser extraídos del mismo y genera una capa aislante de escorias que flota en la superficie del metal fundido. La capa aislante de escorias actúa para proteger a los electrodos y a la pared del horno de las salpicaduras del metal fundido. Habitualmente se suministran quemadores de oxígeno suplementario/combustible en la pared del horno para contribuir al efecto de calentamiento del arco eléctrico. Nuestra solicitud de patente Europea número 0764815 A describe un quemador de oxígeno/combustible ideado para reducir el problema por el que dichos quemadores no son capaces de penetrar adecuadamente en la capa de escorias durante la etapa crítica final de calentamiento en los hornos de arco eléctrico convencionales.

En los hornos de arco eléctrico convencionales se presenta un problema añadido cuando resulta necesario introducir material particulado en el horno para ayudar en los procesos térmicos y/o químicos que ocurren en su interior. Es difícil asegurar que dicho material particulado se distribuye correctamente y/o se suministra a la región correcta del horno.

WO 96/06954 describe un quemador para ser utilizado en un horno de arco eléctrico en el que una materia particulada arrastrada en un oxidante secundario se vierte sobre un flujo de alta velocidad de un oxidante primario.

DE 1910450 describe un quemador para incinerar lodos en el que los lodos vertidos centralmente se arrastran en un flujo anular y acelerado de combustible y aire.

US 5129333 describe un quemador para quemar desperdicios sólidos en el que los desperdicios sólidos inyectados se contienen en el interior de una envolvente de llama.

Constituye un objeto de la presente invención reducir y en lo posible eliminar los problemas mencionados anteriormente asociados con la introducción de material particulado en hornos, como por ejemplo los hornos de arco eléctrico.

En consecuencia, la presente invención proporciona un quemador para ser utilizado en un horno de arco eléctrico que comprende una parte estructural con un eje longitudinal X y una salida principal situada sobre él, unas salidas de combustible y de un oxidante primario aguas arriba de dicha salida principal y dispuestas substancialmente concéntricas alrededor del eje X, una cámara en el interior de la parte estructural para recibir y mezclar dichos combustible y oxidante y unos medios de aceleración aguas abajo de dicha cámara para provocar que dicha mezcla de combustible y oxidante se acelere hacia y salga por dicha salida principal para la combustión, en el que se proporcionan los medios para verter la materia particulada arrastrada en un oxidante secundario sobre el flujo del combustible acelerado y los oxidantes primarios inmediatamente adyacente y aguas abajo de dichos medios de aceleración.

Con esta disposición la materia particulada arrastrada en el oxidante se conduce hacia el flujo acelerado de combustible y oxidante primario para ser distribuida completamente y/o para alcanzar la ubicación deseada en el interior del horno. Cuando la materia particulada es carbón, se puede obtener una desvolatilización parcial o incluso total en la llama, proporcionando los volátiles combustible adicional para la combustión y por lo tanto proporcionando un ahorro de combustible.

Los medios para acelerar el flujo de combustible y oxidante primario comprenden preferiblemente un camino de flujo para la mezcla que converge y diverge sucesivamente en la dirección del flujo.

Los medios de aceleración pueden comprender una tobera Laval substancialmente coaxial con el eje X, estando los medios de descarga dispuestos substancialmente concéntricos alrededor del eje X. Los medios de descarga se configuran preferiblemente para verter la materia particulada arrastrada en el oxidante de forma substancialmente paralela al eje X.

Los medios de descarga convenientemente pueden tener la forma de un anillo que rodea los medios de aceleración, y estar adaptados para verter la materia particulada arrastrada en el oxidante siguiendo una trayectoria de pulverización substancialmente cilíndrica o cónica hueca. Con esta disposición, los medios descarga pueden configurarse para proporcionar un camino de flujo lineal para la materia particulada (esto es, un camino de flujo que sea substancialmente paralelo a lo largo de una porción significativa de su longitud) que resulta particularmente apropiado cuando la materia particulada tiene características abrasivas, como por ejemplo el carburo de hierro.

Alternativamente, los medios de descarga pueden estar substancialmente coaxiales con el eje X, estando los medios de aceleración dispuestos concéntricamente alrededor de los medios de descarga. Los medios de aceleración pueden contener convenientemente una salida en forma de anillo que rodee los medios de descarga.

En esta disposición, la aceleración del combustible y del oxidante primario desde una salida anular produce una reducción de presión significativa adyacente a los medios de descarga y por tanto proporciona una mejor mezcla y penetración del material particulado. Los medios de descarga también pueden ser modelados y configurados para acelerar la materia particulada arrastrada en el oxidante que se vierte desde allí, acelerando de esta forma el material particulado incluso en mayor medida.

La presente invención proporciona también un método de operación de un quemador para un horno de arco eléctrico, que comprende la aceleración de una mezcla de combustible y oxidante primario hacia y a través de una salida principal de la estructura de un quemador para la combustión, y la descarga de la materia particulada arrastrada en un oxidante secundario adyacente al flujo de aceleración de combustible y oxidante primario, con lo cual dicha materia particulada arrastrada en el oxidante se conduce hasta el flujo de combustible y oxidante primario.

En la mayoría de aplicaciones de hornos de arco eléctrico el combustible es gas natural. El oxidante primario puede ser oxígeno o aire enriquecido con oxígeno y el oxidante secundario para arrastrar el material particulado es preferiblemente aire, aunque en algunas aplicaciones puede ser idéntico al oxidante primario. Además, aunque la presente invención se describe anteriormente en relación con la inyección de material particulado, hemos descubierto que ciertas realizaciones de quemadores según esta invención resultan particularmente adecuadas para la inyección de líquidos (como por ejemplo el combustible líquido adicional o los líquidos criogénicos tales como oxígeno líquido, que pueden ser convenientes en determinadas aplicaciones) o para la inyección de lodos (esto es, materiales particulados arrastrados en un líquido), como en el secado y/o la incineración de lodos de desechos, como pueden ser las aguas de alcantarillado. En cualquiera de los casos, el material líquido es arrastrado en el aire, al igual que en la inyección de material particulado, pero gota a gota o en forma atomizada. Por consiguiente cuando aquí se utilice el término "material particulado", y en particular en las reivindicaciones, debe entenderse que engloba tanto a las gotas discretas de líquido como al material particulado arrastrado en líquido.

A continuación se describirán unas realizaciones según la invención a modo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en sección de parte del extremo de salida de un quemador según una primera realización de la invención, y

La Figura 2 es una vista en sección del extremo de salida de una segunda realización de un quemador según la invención;

La Figura 3 es una vista en sección de una tercera realización de un quemador según la invención, y

Las Figuras 4a a 4d son unas vistas en sección de los diversos elementos del quemador de la Figura 3.

La Figura 1 muestra, en una sección esquemática, el extremo de salida de un quemador 1 (en la Figura 1 se muestra por claridad únicamente parte del quemador 1; debe entenderse que el quemador de la Figura 1 es substancialmente simétrico alrededor del eje X).

El quemador 1 comprende una tobera "de quemador de cohete", del tipo bien conocido en la técnica, mostrada generalmente en 3. La tobera 3 emite gas natural y oxígeno hacia el bastidor 5, con una relación molar de oxidante a combustible menor o igual de 2:1. En la dirección del flujo (a la derecha en la Figura 1) el paso del flujo para la mezcla del gas combustible y el oxígeno se curva en 7, 9 y 11 para formar una "tobera Laval", que consiste en un camino de flujo sucesivamente convergente y divergente que sirve para acelerar el flujo de combustible y oxidante primario, y también para mejorar su mezcla. Rodeando el bastidor 5 existe otro bastidor 13 exterior que define un camino o paso 15 anular del flujo entre el bastidor 5 y la parte interior del bastidor 13 exterior. El paso del flujo 15 se proporciona para introducir material particulado en el flujo de combustible y oxidante primario. El material particulado, que es arrastrado en el aire, fluye a lo largo del camino del flujo 15, de izquierda a derecha en el diagrama, hasta que la caída de presión provocada por la aceleración del flujo de combustible y oxidante, en la región adyacente al extremo distante 17 del bastidor 5, atrae al material particulado arrastrado en el aire, mezclándolo con el flujo de combustible y propulsándolo así con la llama del quemador lejos del extremo distante 19 del quemador 1, asegurando así que el material particulado se distribuye completamente en la llama generada por el quemador 1 y se proyecta lo más lejos posible en el horno de arco eléctrico (no se muestra).

Una característica significativa del quemador 1 de la Figura 1 es que el camino del flujo 15 es recto (esto es, no contiene curvas ni obstrucciones). Esto es importante para evitar la erosión de las piezas del quemador 1 por parte del material particulado cuando este material sea de una naturaleza particularmente abrasiva (como por ejemplo el carburo de hierro).

El bastidor interior 5 se refrigera preferiblemente en su extremo distante (como se muestra generalmente mediante la referencia 21), y el bastidor exterior 13 está provisto de un camino de flujo 23 con fines refrigerantes (para un flujo de agua o aire de refrigeración).

Resultará evidente a aquellos expertos en la técnica que el aire que arrastra el material particulado que fluye desde el camino de flujo 15, proporciona una valiosa fuente de oxidante secundario para el proceso de combustión, proporcionando así una llama escalonada la cual, como se conoce en la técnica, ayuda a reducir las emisiones nocivas de NO_{x}.

El quemador 51 mostrado en la Figura 2 comprende un bastidor exterior 53 y un bastidor interior 55 que juntos proporcionan un camino de flujo 57 sucesivamente convergente y divergente en forma de anillo para el combustible (gas natural) y el oxígeno, o aire enriquecido con oxígeno suministrados a través de los canales anulares 59, 61 respectivamente. El camino de flujo 57 convergente/divergente sirve para acelerar el flujo de combustible y oxidante que será vertido desde la salida principal 63 del quemador 51 para la combustión posterior. Los bastidores 53, 55 (que están refrigerados por agua) están curvados en 65a, 65b y 65c, 65d respectivamente para crear el camino del flujo 57 sucesivamente convergente y divergente de derecha a izquierda en la Figura 2.

El bastidor interior 55 también define un camino de flujo 67 divergente para el suministro de material particulado, como puede ser el carbón, arrastrado en el aire, cuyo flujo de material particulado se desplaza debido a la reducción de presión creada por el flujo anular de la mezcla acelerada de combustible y oxidante emitida desde el camino de flujo 57 para mezclarse considerablemente con él a medida que el flujo combinado se aleja del extremo distante 63 del quemador 51. El anillo del flujo acelerado de combustible y mezcla producido por el quemador de la Figura 2 produce un efecto de atracción significativo en el material particulado que se alimenta a lo largo del camino de flujo 67, fomentando una mezcla considerable y la proyección del material particulado. Esto resulta particularmente adecuado para introducir un material combustible particulado en la llama.

En el quemador 51 mostrado en la Figura 2, cuando funciona como quemador/lanza de carbón/aire y gas natural/oxígeno, con un suministro de oxígeno a lo largo del desagüe 61 de aproximadamente 0,24 Mpa o más (aproximadamente 35 psi o más) con un suministro de gas natural mayor de 4 MW, y una presión de aproximadamente 0,17 Mpa o más (aproximadamente 25 psi o más) es posible alcanzar un flujo máximo de carbón particulado mayor de 50 kilogramos por minuto.

Aquellos expertos en la técnica observarán que el quemador de la Figura 2 resulta particularmente adecuado para introducir una llama en un horno de arco eléctrico a velocidad del sonido o velocidades supersónicas, pero que el flujo particulado en el camino de flujo 67 puede derivar en una abrasión inaceptable del bastidor interior 55 (particularmente en las regiones mostradas con las referencias 65c y 65d), particularmente cuando el material particulado es abrasivo. Por tanto, aunque el quemador 51 de la Figura 2 es adecuado para ser utilizado con carbón pulverizado o particulado, puede sufrir una abrasión inaceptable cuando se utilice con materiales particulados más duros, como coque pulverizado o coque inferior particulado (carbón parcialmente oxidado) o carburo de hierro; el quemador mostrado en la Figura 1 resulta más adecuado para ser utilizado con estos tipos de materiales particulados.

El quemador 101 mostrado en la Figura 3 es muy similar a la realización de la Figura 2 excepto que el camino central 103 de flujo particulado no contiene curvas ni restricciones, lo que resulta particularmente deseable para inyectar grandes volúmenes de material particulado, o material particularmente abrasivo, o cuando se inyectan gotas de líquido o lodos de material particulado en un líquido.

El oxidante primario, tal como oxígeno, y el combustible gasesoso, tal como gas natural, se dirigen, a través de las entradas 105 y 107 respectivamente, para mezclarse en el camino de flujo 107 convergente/divergente, el cual tiene forma de anillo centrado sobre el eje X. El material particulado arrastrado en el oxidante secundario que pasa a lo largo del camino del flujo 103 es arrastrado en el flujo acelerado emitido desde el camino del flujo 109, quedando el material particulado completamente distribuido por toda la zona de combustión.

La distribución de la materia particulada por toda la llama resulta beneficiosa ya que precalienta el material particulado antes de que entre en el horno. Cuando el material particulado es carbón, el precalentamiento puede desvolatilizar parcial o incluso totalmente las partículas de carbón, sirviendo los volátiles liberados como combustible para la combustión y consistiendo principalmente el remanente en carbono.

El quemador 101 de la Figura 3 está provisto de unas entradas de agua 111, 113 y de las correspondientes salidas de agua 117, 115 para que un flujo de agua refrigere el quemador durante su uso.

Las Figuras 4a y 4b muestran el quemador de la Figura 3 parcialmente desmontado y las figuras 4c y 4d muestran el sub-montaje de la Figura 4b desmontado. Como puede observarse, la estructura en gran parte simétrica con respecto al eje ilustrada en la Figura 3, permite un montaje y desmontaje del quemador 101 rápido y sencillo, para mantenimiento y reparación o para intercambio para proporcionar diferentes tipos de caudal de flujo del combustible, del oxidante y/o de la materia particulada.

Aunque los quemadores según la presente invención se han descrito principalmente en relación con la inyección de carbón particulado en un horno de arco eléctrico, pueden utilizarse en muchas otras aplicaciones (la inyección de materiales sólidos no-reactivos, como por ejemplo el precalentamiento de polvo de desechos para su reintroducción en un horno de arco eléctrico), y con líquidos o lodos, en forma de gotas o atomizados. Los quemadores según la invención no están limitados para utilizarse en hornos de arco eléctrico, sino que también pueden utilizarse en incineración, secado y en varios procesos de producción de hierro y acero, en hornos de cubilote, hierro prerreducido (PRI) y en la producción de carburo de hierro.

Mediante la inyección supersónica de oxígeno caliente (llama superestequiométrica) resulta posible utilizar el quemador para la decarburización del metal así como para la post-combustión (del monóxido de carbono). El quemador puede montarse en un compartimento refrigerado por agua. Este compartimento puede equiparse con un puerto o lanza de oxígeno para introducir oxígeno adicional para la post combustión mientras el quemador inyecta oxígeno caliente y carbón para la formación de la espuma de escorias.

Como es bien conocido para aquellos expertos en la técnica, las diferentes partes de los quemadores mostrados en las Figuras 1, 2 y 3 están configuradas y dimensionadas para tener en cuenta aquellas variables como las contrapresiones disponibles, el tamaño de las partículas y el caudal de flujo deseado, caudales y velocidades de flujo a conseguir y la potencia calorífica requerida por el quemador. También se comprenderá que el quemador de la presente invención no está limitado a ninguna proporción determinada de combustible/oxidante; en determinadas aplicaciones es aconsejable proporcionar una mezcla de combustible/oxígeno rica en oxidante ("corriente superestequiométrica"), como en los procesos de postcombustión o formación de espuma de escorias, mientras que en otras aplicaciones es aconsejable proporcionar una mezcla pobre en oxidante ("subestequiométrica").

Claims (17)

1. Un quemador para utilizarse en un horno de arco eléctrico que comprende una parte estructural (1) que tiene un eje longitudinal X y una salida principal (19) situada sobre él, las salidas (17) del combustible y del oxidante primario situadas aguas arriba de dicha salida principal y dispuestas substancialmente concéntricas alrededor del eje X, una cámara en el interior de la parte principal para recibir y mezclar dichos combustible y oxidante y unos medios de aceleración (7, 9, 11) situados aguas abajo de dicha cámara para provocar que dicha mezcla de combustible y oxidante se acelere hacia y salga a través de dicha salida principal para la combustión, en el que se proporcionan unos medios (15) para verter la materia particulada arrastrada en un oxidante secundario sobre el flujo acelerado del combustible y el oxidante primario inmediatamente adyacente y aguas abajo de dichos medios de aceleración.

2. Un quemador según la reivindicación 1, en el que dichos medios de aceleración comprenden un camino de flujo para la mezcla del combustible y el oxidante primario, cuyo camino de flujo converge y diverge sucesivamente en la dirección del flujo.

3. Un quemador según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que los medios de aceleración comprenden una tobera Laval substancialmente coaxial con el eje X, y en el que dichos medios de descarga se disponen concéntricamente alrededor del eje X.

4. Un quemador según la reivindicación 3, en el que los medios de descarga se configuran para verter dicha materia particulada arrastrada en un oxidante de forma substancialmente paralela al eje X.

5. Un quemador según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en el que los medios de descarga tienen forma de un anillo que rodea los medios de aceleración, y están adaptados para verter la materia particulada arrastrada en un oxidante siguiendo una trayectoria de pulverización substancialmente cilíndrica o cónica hueca.

6. Un quemador según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que los medios de descarga son substancialmente coaxiales con el eje X, estando los medios de aceleración dispuestos concéntricamente alrededor de los medios de descarga.

7. Un quemador según la reivindicación 6, en el que los medios de aceleración tienen una salida en forma de anillo que rodea los medios de descarga.

8. Un quemador según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que los medios de descarga están configurados para substancialmente no proporcionar ninguna oposición al flujo de la materia particulada arrastrada a través de ellos.

9. Un quemador según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, en el que los medios de descarga se moldean y configuran para acelerar la materia particulada arrastrada en un oxidante que se descarga desde ellos.

10. Un quemador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende unos medios para controlar de forma independiente los flujos de combustible, oxidante y materia particulada que entran y atraviesan el quemador.

11. Un método de operación de un quemador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende la aceleración de una mezcla de combustible y oxidante primario hacia y a través de una salida principal de la estructura de un quemador para la combustión, y la descarga de la materia particulada arrastrada en un oxidante secundario adyacente al flujo acelerado de combustible y oxidante primario, con lo cual dicha materia particulada arrastrada en el oxidante se conduce hasta el flujo de combustible y oxidante primario.

12. El método según la reivindicación 11, que comprende la descarga de la materia particulada arrastrada en el oxidante desde una o más salidas dispersadas alrededor de la circunferencia del flujo acelerado de combustible y oxidante primario.

13. El método según la reivindicación 11 que comprende la aceleración de la mezcla de combustible y oxidante primario siguiendo una trayectoria de pulverización substancialmente cilíndrica o cónica hueca, en donde la materia particulada arrastrada en el oxidante se vierte en el interior y substancialmente coaxial con dicha trayectoria de pulverización.

14. El método según la reivindicación 11, la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en el que el oxidante primario se descarga desde el quemador a una velocidad supersónica.

15. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que el oxidante primario es oxígeno o aire enriquecido con oxígeno.

16. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, en el que el oxidante secundario es aire.

17. El método según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 16, en el que el material particulado está compuesto por gotas de líquido, o gotas de líquido que arrastran material sólido.