ES2207151T3 - Procedimiento de combustion y sus usos para la elaboracion de vidrio y de metal. - Google Patents
Procedimiento de combustion y sus usos para la elaboracion de vidrio y de metal.Info
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Abstract
Procedimiento de combustión de un combustible en un quemador (1) del tipo que comprende un inyector (2), cuyo inyector tiene al menos un primer conducto interior (8) de alimentación de comburente, un conducto intermedio (9) de alimentación de combustible que rodea exteriormente al primer conducto (8) de alimentación de comburente, y un segundo conducto exterior (10) de alimentación de comburente que rodea exteriormente el conducto (9) de alimentación de combustible, caracterizado porque el conducto (9) de alimentación de combustible se alimenta de manera que la velocidad de salida del combustible de este conducto esté comprendida entre alrededor de 1 y 15 m/s, y porque el primer conducto (8) de alimentación del comburente y el conducto (9) de alimentación de combustible se alimentan de manera que la relación R entre la velocidad de salida del comburente del primer conducto (8) de alimentación de comburente y la velocidad de salida del combustible del conducto (9) de alimentación de combustible sea superior a alrededor de 3, y porque se modifica la proporción del caudal total de comburente que pasa por el primer conducto de alimentación de comburente permitiendo un ajuste de la longitud de la llama.
Description
Procedimiento de combustión y sus usos para la
elaboración de vidrio y de metal.
La presente invención tiene por objeto un
procedimiento de combustión de un combustible en un quemador del
tipo que comprende un inyector, teniendo dicho inyector al menos un
primer conducto interior de alimentación de comburente, un conducto
intermedio de alimentación de combustible que rodea exteriormente
al primer conducto de alimentación de comburente, y un segundo
conducto exterior de alimentación de comburente que rodea
exteriormente al conducto de alimentación de combustible.
La invención se aplica particularmente al
suministro de calor en los procedimientos para la elaboración de
materiales.
Numerosos procedimientos para la elaboración de
materiales tales como vidrio y metales ferrosos o no ferrosos hacen
intervenir etapas de calentamiento en las cuales se utilizan
quemadores del tipo antes citado con, por ejemplo, metano como
combustible y un oxígeno como comburente.
Las llamas producidas por estos quemadores deben
respetar algunas restricciones.
Por ejemplo, en los procedimientos para la
elaboración del vidrio, un vidrio fundido generalmente se
transfiere entre dos etapas sucesivas del procedimiento mediante de
canales o "alimentadores". En un tal canal, el vidrio situado
próximo de las paredes del canal tiende a enfriarse mucho más
rápidamente que el vidrio más alejado de estas paredes. En
consecuencia, es deseable poder calentar la periferia del vidrio
sin calentar su núcleo, para mantener un perfil de temperatura
sensiblemente homogéneo en las secciones del material fundido.
Para este fin, se disponen quemadores del tipo
antes citado en las paredes de estos canales de transferencia.
Desafortunadamente, los procedimientos de combustión conocidos, que
utilizan los quemadores del tipo antes citado, no siempre permiten
ajustar la longitud de las llamas producidas para calentar de
manera satisfactoria las secciones del material fundido
canalizado.
Tal es el caso para el procedimiento que se
describe en el documento EP-A-763
692, en el cual las velocidades de salida del inyector del
combustible y del oxígeno interno son relativamente altas.
De manera análoga, los procedimientos de
combustión conocidos no permiten respetar las restricciones que se
refieren a las concentraciones de las especies oxidantes CO y
O_{2}, ligadas a la longitud de la llama, en la salida de los
quemadores dispuestos en proximidad a los baños de materiales
fundidos en los procedimientos para la elaboración de metales.
La invención tiene por objeto resolver estos
problemas proporcionando un procedimiento de combustión para un
quemador del tipo antes citado que permite ajustar finamente la
longitud de la llama y las concentraciones de especies químicas en
ellas especialmente CO y O_{2}.
A este efecto, la invención se caracteriza porque
el conducto de alimentación de combustible se alimenta de manera
que la velocidad de salida del combustible de este conducto esté
comprendida entre alrededor de 1 y 15 m/s, y porque el primer
conducto de alimentación de comburente y el conducto de
alimentación de combustible se alimentan de manera que la relación
R entre la velocidad de salida del comburente del primer conducto de
alimentación del comburente y la velocidad de salida del
combustible del conducto de alimentación de combustible sea
superior a alrededor de 3, permitiendo la modificación de la
proporción del caudal total de comburente que pasa por el primer
conducto de alimentación de comburente un ajuste de la longitud de
la llama.
Según modos particulares de realización, el
procedimiento según la invención puede comprender una o varias de
las características siguientes, tomadas aisladamente o según todas
las combinaciones técnicamente posibles:
- se alimenta el conducto de alimentación de
combustible de manera que la velocidad de salida del combustible de
este conducto sea superior a alrededor de 5 m/s;
- se alimenta el primer conducto de alimentación
de comburente y el conducto de alimentación de combustible de
manera que la relación R sea inferior a alrededor de 20;
- se alimenta el primer conducto de alimentación
de comburente y el conducto de alimentación de combustible de
manera que la relación R sea inferior a alrededor de 10;
- se alimenta el segundo conducto de alimentación
de comburente de manera que la velocidad de salida del comburente
de este segundo conducto esté comprendida entre alrededor de 0,1 y
50 m/s, y preferentemente entre alrededor de 1 y 5 m/s;
- se alimentan el primer y segundo conductos de
alimentación de comburente de manera que menos de 50%, y
preferentemente menos de alrededor de 20%, del caudal total de
comburente pasa por el primer conducto de alimentación de
comburente;
- se alimenta con aire un conducto periférico del
inyector, cuyo conducto periférico rodea exteriormente al segundo
conducto de alimentación de comburente;
- se alimentan el primer y segundo conductos de
alimentación de comburente con oxígeno de pureza superior a 80%;
y
- se alimenta el conducto de alimentación de
combustible esencialmente con hidrocarburo gaseoso, especialmente
con metano o butano.
La utilización de un procedimiento tal como se
define antes, permite, modificando la proporción del caudal total
de comburente que pasa por el primer conducto de alimentación de
comburente, un ajuste del poder oxidante de una llama de
calentamiento producida durante la elaboración de metal.
La invención se entenderá mejor con la lectura de
la descripción siguiente, dada únicamente a titulo de ejemplo,
refiriéndose a los dibujos anexos, en los cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática
transversal, parcialmente en corte, de un quemador destinado a
realizar un procedimiento según la invención;
- la figura 2 y 3 son diagramas que ilustran
respectivamente las posibilidades de ajuste de la proporción
relativa de CO en la llama y de la longitud de la llama en la
salida del quemador de la figura 1 gracias a un procedimiento según
la invención, y
- la figura 4 es una vista esquemática parcial,
aumentada, en corte transversal, del extremo aguas abajo de una
variante del quemador de la figura 1.
La figura 1 representa esquemáticamente un
quemador 1 que comprende un inyector 2 insertado en el orificio o
túnel 3 asimétrico de un bloque 4 de materiales refractarios.
Este bloque 4 está él mismo montado en la pared
de un horno o, por ejemplo, de un "alimentador" de una
instalación para la elaboración de vidrio.
El inyector 2 comprende esencialmente tres tubos
coaxiales 5, 6 y 7 de eje X-X y de secciones
circulares.
El tubo interior 5 delimita interiormente un
primer conducto interior 8 de alimentación de comburente. El tubo
intermedio 6 rodea exteriormente al tubo 5 y delimita con él un
conducto intermedio 9 de alimentación de combustible. El tubo
exterior 7 rodea exteriormente al tubo intermedio 6 y delimita con
él un segundo conducto exterior 10 de alimentación de
comburente.
Una fuente 12 de comburente, por ejemplo de
oxígeno (O_{2}) de pureza superior a 80%, está unida por medio de
válvulas 13 y 14, respectivamente, a los extremos aguas arriba (a
la izquierda en la figura 1) de los conductos 8 y 10 de
alimentación de comburente.
Una fuente de combustible 15, por ejemplo de
metano gaseoso (CH_{4}), está unida por medio de una válvula 16
en el extremo agua arriba (a la izquierda en la figura 1) del
conducto 9 de alimentación del combustible.
Los extremos aguas abajo de los tubos 5 a 7 están
sensiblemente alineados transversalmente al eje
X-X, delimitando así una cara aguas abajo o salida
17 del inyector 2. Sin embargo, y como se describe en el documento
EP-A-763 692 antes citado, los
extremos aguas abajo de los tubos 5 a 7 pueden estar desplazados al
lo largo del eje X-X y uno de los tubos 5 a 7 puede
estar descentrado del eje en relación con los otros tubos.
El túnel 3 comprende una parte aguas arriba 18 de
sección circular, y una parte aguas abajo 19 de forma general
troncocónica divergente hacia aguas abajo. El extremo aguas abajo
del inyector 2 se inserta en la parte aguas arriba 18 del túnel 3.
La cara aguas abajo 17 del inyector 2 se sitúa al nivel de la junta
de las partes aguas arriba 18 y aguas abajo 19 del túnel 3. El
túnel 3 y el inyector 2 son coaxiales.
En funcionamiento, una vena del combustible
expulsado del conducto 9, por una parte, rodea exteriormente una
vena de oxígeno que proviene del conducto interior 8 y, por otra
parte, está rodeada exteriormente por otra vena de oxígeno que
proviene del conducto exterior 10. Se forma una llama en la salida
del inyector 2 por la combustión del CH_{4} en presencia del
O_{2}. Durante la reacción de combustión, el O_{2} se consume
para formar CO, después CO_{2} y agua (H_{2}O) a partir del
CH_{4}.
Así, la concentración axial (según el eje
X-X) de O_{2} disminuye progresivamente desde la
salida del inyector 2 hacia el extremo aguas abajo de la llama
formada, mientras que aumenta la concentración de CO_{2}. La
concentración de CO aumenta y después disminuye desde la salida
del inyector 2 hasta el extremo aguas abajo de la llama. Así, la
concentración axial de CO tiene un perfil general en pico.
Las válvulas 13 y 14 permiten hacer variar la
cantidad de oxígeno que pasa, respectivamente, a los conductos 8 y
10 de alimentación de comburente, y entonces ajustar las
velocidades del oxígeno en la salida de estos conductos 8 y 10. Las
válvulas 13 y 14 permiten igualmente ajustar el reparto del caudal
total de oxígeno entre el primer conducto 8 y el segundo conducto
10 de alimentación de comburente. La válvula 16 permite hacer
variar la cantidad de metano que pasa al conducto 9 de alimentación
de combustible, y entonces ajustar la velocidad del metano en la
salida de este conducto 9.
Según un primer ejemplo, la válvula 16 se ajusta
de manera que la velocidad del combustible en la salida del
conducto 9 sea alrededor de 11 m/s.
La figura 2 es un diagrama que ilustra las
posibilidades de ajuste de las características de la llama así
ofrecidas.
En este diagrama, el eje de las abscisas
representa la proporción P de O_{2} inyectado en el conducto
interior 8 en relación con el O_{2} total inyectado en los
conductos 8 y 10. El eje de las ordenadas representa la proporción
de CO en relación con todas las especies presentes en el eje
X-X de la llama a 0,635 m de la salida del inyector
2.
Una primera curva de medida, de puntos,
corresponde a un procedimiento de combustión llevado a cabo con un
quemador 1 en el cual el tubo interior 5 tiene un diámetro interior
de alrededor de 2 mm y el tubo intermedio 6 tiene un diámetro
interior de alrededor de 15 mm. La potencia del quemador 1 es de
alrededor de 60 kW lo que corresponde más o menos a una inyección de
6 Nm^{3}/h de CH_{4} y a una inyección total de 12 Nm^{3}/h
de O_{2}.
Para P = 0%, la proporción de CO es de alrededor
de 25%. La llama producida mide entonces más de 0,635 m. En
efecto, se constata que mide alrededor de 1 m.
Esta primera curva disminuye de manera
relativamente pronunciada cuando P varía de alrededor de 0 a 15%.
Esta disminución corresponde a la parte disminuida del perfil
general en pico de la concentración axial de CO en la llama.
En consecuencia, cuanto mayor es la proporción P,
menor es la longitud de la llama producida, y esta variación es
relativamente importante cuando P varía entre 0 y 15%. Es entonces
posible ajustar la longitud de la llama producida jugando con
P.
La velocidad del O_{2} en la salida del
conducto interno 8 es de alrededor de 212 m/s y 33 m/s cuando P
vale respectivamente, alrededor de 20% y 3,10%. Así, la relación R
entre la velocidad del O_{2} en la salida del conducto interno 8
y la velocidad del CH_{4} en la salida del conducto 9 vale
alrededor de 19,3 y 3 cuando P vale, respectivamente, 20% y
3,1%.
La segunda curva de medida, de trazo continuo,
corresponde a un procedimiento de combustión que se distingue del
de la primera curva porque se lleva a cabo en un quemador 1 en el
cual el tubo interior 5 tiene un de diámetro interior alrededor de
3,5 mm.
Cuando P = 0%, la proporción de CO es ligeramente
superior a 25%. Sin embargo, se debería encontrar la misma
proporción de CO que para la curva de puntos, es decir 25%. En
efecto, para P = 0%, las condiciones de inyección son las mismas
para la curva de puntos y la curva de trazo continuo porque no se
inyecta comburente por el primer conducto 8. La ligera diferencia
observada a P = O% está unida a la incertidumbre de la medida.
Esta segunda curva de trazo continuo tiene un
perfil en pico, con, por un lado, una parte que crece relativamente
mucho cuando P varía entre 0 y alrededor de 10%, y, por otro lado,
una parte que decrece relativamente mucho cuando P varía entre
alrededor de 10 y 20%. Las partes que crecen y decrecen de la
segunda curva corresponden respectivamente a las partes que crecen
y que decrecen del perfil general en pico de la concentración axial
de CO en la llama producida.
La relación R tiene un valor de alrededor de 3
cuando P vale 10%, y de alrededor de 6 cuando P vale 20%.
La longitud de la llama producida disminuye
cuando P varía de 0 a alrededor de 20%. Es entonces posible ajustar
la longitud de la llama producida de manera más fina que en el
caso de la primera curva de puntos.
La tercera curva de medida, de trazo mixto,
corresponde a un procedimiento de combustión, llevado a cabo en el
quemador 1 de la primera curva, y en el que la velocidad del metano
en la salida del conducto 9 es de alrededor de 75 m/s.
La tercera curva es sensiblemente una recta
horizontal. Cuando P = 0%, la proporción de CO es de alrededor de
2%. La tercera curva corresponde entonces a la cola del perfil
general en pico de la concentración axial de CO en la llama
producida. Así, la posibilidad de hacer variar la proporción de CO
en el punto de medida elegido y por tanto la longitud de la llama,
es sensiblemente nula.
Al contrario, para las dos primeras curvas, esta
posibilidad existe por el hecho de los perfiles no constantes
presentados por estas curvas.
La figura 3 ilustra, para el procedimiento que
corresponde a la curva de trazo continuo de la figura 2, la
variación de la proporción relativa de CO con relación a las otras
especies presentes en el eje de la llama X-X para
diferentes proporciones P de inyección de oxígeno entre los
conductos interior 8 y exterior 10. La abscisa representa la
distancia que separa el punto de medida de la salida del inyector
2.
Las curvas de medida 21 a 26 corresponden,
respectivamente, al caso en donde la proporción P de oxígeno
inyectado en el conducto 8 con relación al oxígeno total inyectado
es de alrededor de 0%, 10%, 12,5%, 15%, 17,5% y 20%.
Cada una de las curvas 21 a 26 tiene un perfil en
pico.
Se constata, que cuando aumenta la proporción P
de oxígeno inyectado en el conducto 8, el pico de CO tiende a
acercarse a la salida del inyector 2. Entonces, la longitud de la
llama disminuye, siendo la combustión más rápida, y siendo la
temperatura en la salida del inyector 2 más importante.
Se constata entonces que, jugando con el reparto
del oxígeno inyectado entre los conductos interior 8 y exterior 9
de alimentación del comburente, se puede ajustar de manera precisa
la longitud de la llama y la concentración axial del CO, y entonces
del O_{2} y del CO_{2}, en ésta.
Para obtener las mejores posibilidades de ajuste,
la velocidad de salida del combustible del conducto intermedio 9
debe estar comprendida entre alrededor de 1 y 15 m/s, y
preferentemente entre alrededor de 5 y 15 m/s, y la relación de
velocidad R debe de estar comprendida entre 3 y 20 y
preferentemente entre 3 y 10.
Así, con una velocidad de combustible
relativamente baja en la salida del conducto intermedio 9, y una
relación de velocidad R relativamente alta, el cizallamiento entre
la vena interior de comburente y la vena de combustible es
relativamente importante. Esta característica permite hacer variar
muy finamente la longitud de la llama, disminuyendo esta longitud
cuando el cizallamiento aumenta por el hecho del aumento de las
turbulencias y de una mezcla más íntima de la vena interior de
oxígeno y la vena de combustible.
Para mejorar aún más las posibilidades de ajuste,
la velocidad de salida del comburente del segundo conducto debe de
estar comprendida entre alrededor de 0,1 y 50 m/s, y
preferentemente entre alrededor de 1 y 5 m/s.
Finalmente, parece que las posibilidades de
ajuste se amplían cuando la proporción P está comprendida entre 0
y 50%, y preferentemente entre 0 y 20%.
Tal procedimiento de combustión es utilizable
particularmente en los procedimientos de elaboración de los
materiales.
Por ejemplo, gracias a las posibilidades de
ajuste ampliadas de las concentraciones de las especies oxidantes
CO y O_{2} en la salida del inyector 2, jugando con la
proporción P, este procedimiento de combustión se adapta
particularmente a los procedimientos de elaboración de los
metales.
Para tal aplicación, el procedimiento se lleva a
cabo preferentemente sobre un quemador 1, tal como el de la figura
4, cuyo inyector 2 comprende un cuarto tubo 26 que rodea
externamente al tubo 7 a fin de delimitar con el tubo 7 un conducto
27 de canalización de una vena exterior de aire.
Este procedimiento de combustión se adapta
igualmente de forma particularmente para calentar el vidrio fundido
cuando se canaliza en unos "alimentadores" en los
procedimientos de elaboración del vidrio. En efecto, este
procedimiento permitirá, por ejemplo, obtener una llama
suficientemente corta en la salida del inyector 2, jugando con la
proporción P, para no calentar el núcleo del vidrio fundido
canalizado por un "alimentador".
Claims (9)
1. Procedimiento de combustión de un combustible
en un quemador (1) del tipo que comprende un inyector (2), cuyo
inyector tiene al menos un primer conducto interior (8) de
alimentación de comburente, un conducto intermedio (9) de
alimentación de combustible que rodea exteriormente al primer
conducto (8) de alimentación de comburente, y un segundo conducto
exterior (10) de alimentación de comburente que rodea exteriormente
el conducto (9) de alimentación de combustible,
caracterizado porque el conducto (9) de alimentación de
combustible se alimenta de manera que la velocidad de salida del
combustible de este conducto esté comprendida entre alrededor de 1
y 15 m/s, y porque el primer conducto (8) de alimentación del
comburente y el conducto (9) de alimentación de combustible se
alimentan de manera que la relación R entre la velocidad de salida
del comburente del primer conducto (8) de alimentación de
comburente y la velocidad de salida del combustible del conducto
(9) de alimentación de combustible sea superior a alrededor de 3, y
porque se modifica la proporción del caudal total de comburente que
pasa por el primer conducto de alimentación de comburente
permitiendo un ajuste de la longitud de la llama.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el conducto (9) de alimentación de
combustible se alimenta de manera que la velocidad de salida del
combustible de este conducto sea superior a alrededor de 5 m/s.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el primer conducto (8) de alimentación
de comburente y el conducto de alimentación (9) de combustible se
alimentan de manera que la relación R sea inferior a alrededor de
20.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el primer conducto (8) de alimentación
de comburente y el conducto de alimentación (9) de combustible se
alimentan de manera que la relación R sea inferior a alrededor de
10.
5. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el segundo
conducto de alimentación de comburente (10) se alimenta de manera
que la velocidad de salida del comburente de este segundo conducto
esté comprendida entre alrededor de 0,1 y 50 m/s y preferentemente
entre alrededor de 1 y 5 m/s.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los conductos
primero (8) y segundo (10) de alimentación de comburente se
alimentan de manera que menos de 50%, y preferentemente menos de
alrededor de 20%, del caudal total del comburente pasa por el primer
conducto (8) de alimentación de comburente.
7. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se alimenta con
aire un conducto periférico (28) del inyector (2), cuyo conducto
periférico rodea exteriormente al segundo conducto (10) de
alimentación de comburente.
8. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el primer (8) y
el segundo (10) conducto de alimentación de comburente se
alimentan con oxígeno de pureza superior a 80%.
9. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el conducto de
alimentación de combustible se alimenta esencialmente con
hidrocarburo gaseoso, especialmente con metano o con butano.
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