ES2220965T3 - Proceso de combustion y aparato para el mismo con inyeccion separada de las corrientes de combustible y oxidante. - Google Patents
Proceso de combustion y aparato para el mismo con inyeccion separada de las corrientes de combustible y oxidante.Info
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Abstract
SE PRESENTA UN DISPOSITIVO QUEMADOR QUE TIENE UN CONTROL DE LA LONGITUD DE LA FORMA DE LA LLAMA MEJORADO, QUE INCLUYE EN REALIZACIONES EJEMPLARES AL MENOS UNA ENTRADA DE FLUIDO COMBUSTIBLE Y AL MENOS UNA ENTRADA DE FLUIDO OXIDANTE, MEDIOS PARA TRANSPORTAR EL FLUIDO COMBUSTIBLE DESDE LA ENTRADA DE COMBUSTIBLE A UNA PLURALIDAD DE SALIDAS, EL FLUIDO COMBUSTIBLE SALE DE LAS SALIDAS DE COMBUSTIBLES EN CORRIENTES DE COMBUSTIBLE QUE SON INYECTADAS AL INTERIOR DE LA CAMARA DE COMBUSTION, MEDIOS PARA TRANSPORTAR EL FLUIDO OXIDANTE DESDE LAS ENTRADAS DE OXIDANTE HASTA AL MENOS UNA SALIDA DE OXIDANTE, EL FLUIDO OXIDANTE SALE DE LAS SALIDAS DE OXIDANTE EN CORRIENTES DE FLUIDO OXIDANTE QUE SON INYECTADAS AL INTERIOR DE LA CAMARA DE COMBUSTION, ESTANDO LAS SALIDAS DE COMBUSTIBLE Y DE OXIDANTES FISICAMENTE SEPARADAS, Y GEOMETRICAMENTE DISPUESTAS PARA IMPARTIR A LAS CORRIENTES DE FLUIDO COMBUSTIBLE Y A LAS CORRIENTES DE FLUIDO OXIDANTE ANGULOS Y VELOCIDADES QUE PERMITAN LA COMBUSTION DEL FLUIDO COMBUSTIBLECON EL OXIDANTE CON UNA LLAMA ESTABLE, ANCHA Y LUMINOSA. ALTERNATIVAMENTE, PUEDEN UTILIZARSE INYECTORES SOLOS O CON EL BLOQUE REFRACTARIO PARA ENGANCHAR GASES OXIDANTES Y COMBUSTIBLES. EL DISPOSITIVO QUEMADOR APORTA UN CONTROL MEJORADO SOBRE EL TAMAÑO Y FORMA DE LA LLAMA Y PUEDEN AJUSTARSE PARA SU USO CON UN HORNO EN PARTICULAR SEGUN SE REQUIERA.
Description
Proceso de combustión y aparato para el mismo con
inyección separada de las corrientes de combustible y oxidante.
La presente invención se refiere a un proceso de
combustión y un aparato para el mismo que contiene inyectores
separados para introducir separadamente un combustible y un
oxidante en la cámara de combustión de un horno, de tal manera que
el combustible se quema con el oxidante en una llama luminosa ancha,
y por el cual la combustión del combustible con el oxidante genera
cantidades reducidas de óxidos de nitrógeno (NO_{x}).
Los procesos industriales de alta temperatura,
tales como la fusión del vidrio o de fritas, fundición de
materiales férreos y no férreos, utilizan grandes cantidades de
energía para transformar una diversidad de materias primas en un
producto fundido caliente, que se moldea, se conforma o se utiliza
después de cualquier otro modo en etapas ulteriores del proceso
industrial. Esta operación se realiza generalmente en hornos de
grandes dimensiones, que pueden producir cantidades tan altas como
500 toneladas (métricas) por día de material fundido. La combustión
en el horno de un combustible fósil, tal como gas natural, fueloil
atomizado, propano, o análogos, con un oxidante que contiene oxígeno
es un método preferido de suministrar la energía. En algunos casos,
la combustión se complementa por calentamiento eléctrico. La
mayoría de las veces, el combustible y el oxidante se introducen en
el horno a través de quemadores, con objeto de generar llamas. La
transmisión de energía de las llamas al material a fundir es el
resultado de la combinación de convección en la superficie del
material, y radiación hacia la superficie o al interior del material
si el mismo es transparente a la radiación. Usualmente se prefieren
llamas que sean altamente radiantes (a las que se hace referencia
usualmente como llamas luminosas), debido a que éstas proporcionan
mejor transmisión del calor y, con ello, mayor eficiencia del
combustible.
Para el calentamiento con llama, es también muy
importante disponer de la energía procedente de la llama
distribuida uniformemente sobre la superficie del material a
fundir. En caso contrario, pueden coexistir regiones calientes y
frías en el horno, lo cual no es deseable. La calidad de los
productos fabricados con material fundido en un horno de este tipo
es a menudo deficiente. Por ejemplo, en un baño de vidrio fundido,
pueden existir inclusiones cristalinas de vidrio en las regiones
frías, y volatilización acelerada del vidrio en las regiones
calientes. Asimismo, se prefieren las llamas anchas debido a que
producen una mejor cobertura del baño.
En muchos países, particularmente los Estados
Unidos, están siendo promulgadas disposiciones cada vez más
rigurosas con relación a las emisiones de NO_{x}. Por
consiguiente, es importante desarrollar técnicas de combustión en
las cuales se limite la formación de NO_{x}. En los procesos de
temperatura muy alta, la formación de NO_{x} es promovida por
tiempos de residencia largos de las moléculas de oxígeno y
nitrógeno en las regiones calientes de la llama y el horno. El uso
de oxígeno sustancialmente puro (90% de O_{2} o mayor) en lugar
de aire como el oxidante ha demostrado ser muy satisfactorio en lo
referente a la reducción de las emisiones de NO_{x} en una
proporción tan alta como 90%, dado que se elimina totalmente el
nitrógeno. Sin embargo, la sustitución de aire por oxígeno
sustancialmente puro aumenta la temperatura de la llama, y crea por
tanto regiones en el horno en las cuales la reactividad del
nitrógeno con el oxígeno es alta, y en las cuales la formación de
NO_{x}, puede aumentar proporcionalmente, aun cuando la misma se
reduzca globalmente cuando se compara con la combustión con aire.
Asimismo, es imposible en la práctica eliminar totalmente el
nitrógeno de un horno, dado que los hornos industriales no son
herméticos a las fugas de aire, el combustible contiene usualmente
algo de nitrógeno, y el oxígeno procedente de fuentes no
criogénicas, tal como el oxígeno producido por una instalación de
Adsorción con Oscilación de Vacío (VSA), contiene una pequeña
concentración de nitrógeno residual.
Los métodos convencionales de combustión de un
combustible y oxígeno para calentamiento de hornos utilizan
quemadores post-mezcla
oxígeno-combustible. Los quemadores
oxígeno-combustible convencionales tienen un cuerpo
metálico con entradas para un combustible y un oxidante con una
concentración alta de oxígeno molecular, y medios para transportar
las corrientes con canales separados orientados coaxialmente a
inyectores múltiples localizados en la punta del quemador. Estos
quemadores generan llamas de alta temperatura con la forma de un
lápiz estrecho en la punta del quemador, que precisa estar
localizada suficientemente lejos en el horno, a fin de evitar o
reducir el sobrecalentamiento de las paredes del horno. Como
consecuencia de las altas temperaturas encontradas en los hornos de
fusión, un inconveniente importante de estos quemadores es la
necesidad de refrigeración, usualmente por medio de una camisa en
la cual un fluido circulante tal como agua proporciona la
refrigeración. Un quemador de este tipo se describe, por ejemplo, en
la Patente Británica 1.215.925. Pueden presentarse problemas de
corrosión severos para la camisa de refrigeración, particularmente
cuando la atmósfera del horno contiene vapores condensables.
El quemador oxígeno-combustible
refrigerado por gas es una mejora del quemador refrigerado por
agua. El cuerpo del quemador está protegido contra la radiación del
horno por un ladrillo refractario al que se hace referencia
frecuentemente como un bloque de quemador, que posee una cavidad
sustancialmente cilíndrica que se abre al interior del horno. El
quemador está montado usualmente en la parte posterior de la
cavidad, y contiene usualmente inyectores concéntricos de
combustible y oxidante localizados en la cavidad, rebajados con
respecto a la pared interior del horno. El ladrillo y el quemador
se refrigeran por medio de un flujo periférico anular de gas,
usualmente el gas oxidante. Quemadores de este tipo se describen,
v.g., en USP 5.346.390 y USP 5.267.850. Con este tipo de quemador,
la combustión se inicia en el bloque del quemador antes de alcanzar
el horno. De este modo, la llama está confinada en y dirigida por
la cavidad cilíndrica como un chorro estrecho axisimétrico, y
proporciona una cobertura insuficiente de la masa fundida contenida
en el horno. Estas llamas tienen altas temperaturas pico y generan
cantidades relativamente grandes de NO_{x}, debido a que existe
un contacto directo entre el oxígeno y el combustible sin dilución
por los productos de combustión.
Otro inconveniente de estos quemadores
refrigerados por gas es que la llama puede sobrecalentar y dañar la
pared de refractario del horno debido a que se inicia en la pared
propiamente dicha. Asimismo, las zonas de recirculación bajo la
llama propiamente dicha tienden a acelerar el desgaste del
refractario cuando la atmósfera del horno reacciona químicamente
con el material refractario de la pared del horno, lo cual puede
reducir la vida útil del horno.
La Patente Británica 1.074.826 y el documento USP
5.299.929 dan a conocer quemadores que contienen inyectores
múltiples alternados de oxígeno y combustible en filas paralelas
con objeto de obtener una llama más plana. Aunque esto conduce a
una mejora en términos de cobertura de la masa fundida, estos
quemadores producen todavía cantidades relativamente grandes de
NO_{x}. Otro inconveniente de estos quemadores es que la
construcción de los mismos para obtener una llama plana es
mecánicamente compleja.
Se conoce también el modo de inyectar el
combustible y el oxidante por corrientes de inyectores distantes
separados en una cámara de combustión para generar llamas apartadas
de la pared del horno, con la intención de reducir el desgaste del
refractario. Un aparato de este tipo se describe en el documento
USP 5.302.112 en el cual se inyectan chorros de combustible y
oxidante en un ángulo convergente en un horno, lo que produce una
mezcla satisfactoria de los gases y combustible en el punto de
convergencia de los dos chorros, mejorando con ello la tasa de
combustión pero acortando la llama. Sin embargo, la llama de un
quemador de este tipo tiene una temperatura pico alta y se crean en
el horno grandes cantidades de óxidos de nitrógeno. Para disminuir
esta elevada temperatura pico y reducir significativamente la
formación de NO_{x}, se ha propuesto en el documento USP
4.378.205 inyectar los chorros del combustible y/o el oxidante a
velocidades muy altas y utilizar inyecciones separadas de los gases
combustible y oxidante en las cuales los chorros del combustible
y/o el oxidante arrastran productos de combustión contenidos en la
atmósfera del horno, y se diluyen antes de la combustión real entre
el combustible y el oxidante. Sin embargo, las llamas generadas por
estos quemadores son prácticamente invisibles, como se expone en
dicho lugar, col. 9, líneas 58-65. Por esta razón,
es extremadamente difícil para un operador del horno determinar y/o
controlar la localización de las zonas de combustión, y si el
aparato quemador está encendido realmente o no, lo cual puede ser
peligroso. Otro inconveniente de este quemador es que el arrastre
de productos de combustión promueve fuertes corrientes de
recirculación de gases en el horno, lo cual acelera a su vez el
desgaste de las paredes de refractario del horno. Asimismo, el uso
de chorros de oxidante de alta velocidad requiere el uso de un
suministro de oxidante a alta presión, lo cual significa que el gas
oxidante precisa, o bien ser producido o suministrado a presión
elevada (el gas combustible se encuentra usualmente a presión
relativamente alta) o que el gas oxidante, tal como el oxígeno
gaseoso a baja presión suministrado usualmente por una unidad VSA,
tiene que ser recomprimido antes de ser inyectado en el horno.
El documento US 2.149.980 describe un método de
combustión que comprende los pasos de inyectar separadamente una
corriente de combustible y una o dos corrientes de oxidante. De
acuerdo con una realización, se utiliza una corriente de oxidante,
y la corriente de combustible es paralela a la corriente de
oxidante. De acuerdo con otra realización, se utilizan dos
corrientes de oxidante: una es paralela a la corriente de
combustible y la otra se inyecta de tal modo que corte la corriente
de combustible en un ángulo de aproximadamente 45º. Esta
intersección se obtiene muy rápidamente, dado que no hay distancia
alguna entre el inyector de oxidante y el inyector de combustible a
la salida del quemador. Este quemador no puede proporcionar una
llama ancha y larga.
Los quemadores en uso de hoy en día están
diseñados sólo típicamente para utilizar combustible gaseoso o
combustibles líquidos (quizás por pulverización del combustible
líquido), pero no pueden quemar ambos tipos de combustible
simultáneamente, o cambiar fácilmente de combustible gaseoso a
combustible líquido.
Los combustibles líquidos presentan sus propios
problemas para el experto en combustión. Típicamente, el
combustible líquido se atomiza, estando disponibles varias técnicas
diferentes para la atomización de fluidos líquidos. El objeto es
producir chorros de gotitas de fluido líquido (lo que se denomina
también "pulverización") que tienen características
geométricas definidas. Los combustibles líquidos usuales no son
particularmente inflamables en el estado líquido: solamente en el
estado gaseoso son capaces de soportar una reacción de oxidación
suficientemente rápida para dar lugar a la aparición de una llama.
Cuando se desea obtener llamas estables con combustibles que son
líquidos o viscosos a la temperatura ambiente, la dificultad
principal es por tanto "acondicionar inteligentemente" este
líquido de tal manera que se evapore rápidamente a fin de soportar
reacciones de oxidación en el interior de la llama.
El método utilizado actualmente para conseguir
este "acondicionamiento inteligente" consiste en atomizar el
combustible en la forma de gotitas: así, para una cantidad de
combustible dada, esto hace posible un aumento sustancial en la
cantidad de superficie líquida expuesta al oxidante (cuanto más
pequeñas son las gotitas, tanto mayor será la superficie interfacial
- el sitio de evaporación).
En términos simplificados, existen tres métodos
principales para conseguir la atomización de un líquido:
- 1.
- la atomización en vaso rotativo implica la fragmentación del fluido con el aire procedente de un elemento mecánico móvil;
- 2.
- en la atomización mecánica, el combustible se comprime a presiones muy altas (15 a 30 bares), impartiendo así al mismo una energía cinética elevada. Esta energía da como resultado el cizallamiento del líquido cuando el mismo se pone en contacto con la atmósfera exterior y da por consiguiente como resultado la formación de gotitas;
- 3.
- puede utilizarse la atomización asistida con un fluido gaseoso para llegar a un resultado similar al tiempo que se consigue un ahorro de presiones altas (2 a 6 bares).
En términos simplificados, pueden distinguirse
dos tipos de atomización asistida con fluido gaseoso según que el
combustible líquido y el fluido de la atomización se pongan en
contacto dentro o fuera de la cabeza del atomizador. Puede hacerse
referencia a estos tipos como atomización interna y atomización
externa.
La atomización interna se caracteriza por el
confinamiento del combustible líquido y el fluido de atomización en
una cámara de emulsionamiento. El modo de introducción de los dos
fluidos en esta cámara puede variar considerablemente y tiene una
influencia directa en las características de la emulsión que sale de
la cámara. Análogamente, la geometría interna de esta cámara
(volumen global, paletas para producir la rotación, número y
diámetros de los orificios de entrada y salida, etcétera) afecta
también a las características específicas de la mezcla
combustible/fluido de atomización a quemar.
Este modo de atomización proporciona generalmente
una calidad de atomización excelente, es decir, una emulsión
compuesta por partículas muy pequeñas con una distribución muy
estrecha de tamaños de partícula alrededor de estos pequeños
diámetros. Para una tasa de suministro de combustible dada, esta
calidad de la emulsión es naturalmente función de la velocidad de
suministro del fluido de atomización empleada y del nivel de
presión que prevalece en el interior de la cámara de
atomización.
Para la atomización externa, en la cual el
contacto entre las dos fases tiene lugar fuera de cualquier recinto
de confinamiento, la emulsión se crea principalmente por
cizallamiento del chorro de combustible líquido por el fluido de
atomización. La geometría de las salidas para los dos fluidos
determina por completo la calidad de la atomización, y el análisis
del tamaño de partícula de las gotas resultantes del contacto
presenta una distribución de diámetros relativamente ancha
(presencia simultánea de partículas pequeñas y grandes).
En el campo de la atomización de combustibles
líquidos, la prioridad principal conocida para la invención es la
Solicitud de Patente Europea publicada No. 0687858 A1, que
reivindica un dispositivo de atomización externa que produce un
ángulo de pulverización muy estrecho (menor que 15º). Esta solicitud
publicada reivindica en particular que, para conseguir con éxito
esta característica específica, el ángulo formado entre el fluido
de atomización y el combustible líquido tiene que estar comprendido
entre 5º y 30º.
Otro dispositivo de atomización de combustibles
líquidos expuesto es el dado a conocer en la Solicitud de Patente
Europea No. 0335728 A3, que reivindica un dispositivo para la
introducción de un fluido en un recinto cerrado de combustión
mediante el expediente de varios conductos distintos que se
ramifican desde un conducto principal común.
Existe necesidad de un quemador que pueda operar
a baja presión, particularmente para el gas oxidante, produciendo
al mismo tiempo una llama ancha, luminosa y plana con emisiones
reducidas de NO_{x}, y que proporciona un modo de controlar la
longitud de la llama a fin de adaptar la llama al horno en el que
se utiliza. Existe también necesidad en la técnica de un quemador
que sea capaz de quemar combustibles gaseosos y combustibles
líquidos, al mismo tiempo o en alternancia. Existe necesidad en la
técnica de la combustión de un atomizador de combustible líquido
que caiga dentro del alcance del tercer modo de atomización, un
dispositivo completo que haga posible una introducción controlada
del fluido en la zona de combustión que es una mezcla bifásica de
gas de atomización y gotitas de combustible líquido, en el cual la
atomización tiene lugar fuera de la tobera (atomización externa) y
permite sin embargo la formación de chorros de pulverización
diferenciados que tienen ángulos relativos altos (5º a 30º). En
particular, la técnica de la combustión está deseosa de un
dispositivo para atomización de un combustible líquido que utilice
un fluido gaseoso y la aplicación de este dispositivo a un quemador
tal como los dispositivos de quemador descritos en esta
memoria.
De acuerdo con la presente invención, se
presentan métodos y sistemas para la combustión de un combustible
con oxígeno contenido en un gas oxidante, en los cuales el
combustible y el gas oxidante se inyectan en corrientes fluidas
separadas en una cámara de combustión de un horno de alta
temperatura (que tiene una temperatura de al menos, 820ºC o 1500ºF)
en tales proporciones que la relación molar de oxígeno en el flujo
de oxidante a flujo de combustible está comprendida entre 0,95 y
1,05 (relación estequiométrica), produciendo el combustible y el
oxidante una llama ancha, luminosa, y bien definida. Los métodos y
sistemas de la presente invención generan cantidades reducidas de
NO_{x}.
En general, el ensamblaje del quemador de la
invención se caracteriza por al menos una entrada de fluido
combustible y al menos una entrada de fluido oxidante, medios para
transportar el fluido combustible desde la entrada de combustible a
una pluralidad de salidas de combustible, abandonando el fluido
combustible las salidas de combustible en corrientes de combustible
que se inyectan en una cámara de combustión, medios para
transportar el fluido oxidante desde las entradas de oxidante a al
menos una salida de oxidante, abandonando el fluido oxidante las
salidas de oxidante en corrientes de fluido oxidante que se
inyectan en la cámara de combustión, estando las salidas de
combustible y oxidante separadas físicamente, y dispuestas
geométricamente de tal modo que impartan a las corrientes de fluido
combustible y las corrientes de fluido oxidante ángulos (a los que
se hace referencia en esta memoria como ángulos "finales") y
velocidades (cuando el combustible y oxidante entran en la cámara
de combustión) que permiten la combustión del fluido combustible con
el oxidante en una llama estable, ancha, y luminosa.
Así pues, un aspecto de la invención es un
ensamblaje del quemador que dispone de control de la longitud y
forma de la llama mejorado, caracterizado por:
un bloque de refractario adaptado para estar en
conexión fluida con fuentes de oxidante y combustible, teniendo el
bloque de refractario un extremo de entrada de combustible y
oxidante y un extremo de salida de combustible y oxidante, teniendo
el extremo de salida salidas de combustible y salidas de oxidante,
teniendo adicionalmente el bloque de refractario una pluralidad de
cavidades de combustible, definiendo al menos dos de las cavidades
de combustible un primer plano de combustible, y una pluralidad de
cavidades de oxidante que definen un segundo plano de oxidante,
siendo las cavidades de combustible más numerosas que las cavidades
de oxidante.
Se prefieren ensamblajes de quemador de este
aspecto de la invención en los cuales las salidas de oxidante son
mayores que las salidas de combustible, y realizaciones en las
cuales una o más cavidades tiene(n) en ella(s) un
inyector posicionado en las mismas, como se define en esta
memoria.
Los bloques de refractario preferidos tienen al
menos cinco cavidades, tres cavidades en una porción inferior de
los mismos para inyección de combustible en una cámara de
combustión del horno, y dos cavidades en una porción superior de
los mismos para inyección de un oxidante en una cámara de combustión
del horno.
Alternativamente, y especialmente en el caso en
que se utilizan como combustible combustibles líquidos tales como
fueloil, las cavidades de oxidante son preferiblemente más
numerosas que las cavidades de combustible.
En una realización particularmente preferida (una
denominada realización "bi-combustible"), el
bloque de refractario tiene al menos una cavidad de combustible
líquido y al menos una cavidad de combustible gaseoso. En estas
realizaciones, se prefiere que la cavidad de combustible líquido
esté posicionada por debajo de las cavidades de combustible
gaseoso, y las cavidades de combustible gaseoso posicionadas bajo
las cavidades de oxidante, como se describe ulteriormente en esta
memoria.
Preferiblemente, las salidas de combustible y
oxidante son circulares y están contorneadas. Las cavidades son
preferiblemente orificios rectos a través del bloque de refractario
desde un extremo de entrada de fluido del bloque hasta un extremo
de salida de fluido del bloque. En algunas realizaciones preferidas,
el ensamblaje del quemador de la invención puede comprender un
distribuidor o atomizador de combustible que es un componente
simple integral que está adaptado dentro de una cavidad del bloque
de refractario, teniendo el distribuidor de combustible salidas de
combustible múltiples.
Otra realización del ensamblaje del quemador de
la invención es la caracterizada por un bloque de refractario que
tiene un extremo de entrada de combustible y oxidante y un extremo
de salida de combustible y oxidante, y que tiene adicionalmente una
sola cavidad de combustible líquido y una pluralidad de cavidades
de oxidante, definiendo las cavidades de oxidante un plano de
oxidante que está posicionado en una porción superior del bloque de
refractario y por encima de la cavidad de combustible líquido.
Otro ensamblaje adicional del quemador de la
invención se caracteriza por un bloque de refractario que tiene un
extremo de entrada de combustible y oxidante y un extremo de salida
de combustible y oxidante, y que tiene adicionalmente una
pluralidad de cavidades de combustible y una pluralidad de
cavidades de oxidante, definiendo al menos dos de las cavidades de
oxidante un primer plano de oxidante que está posicionado en una
porción superior del bloque de refractario y por encima de una
porción de las cavidades de combustible que definen un plano de
combustible, en el cual al menos algunas de las cavidades de
oxidante forman un segundo plano en una posición inferior en el
bloque de refractario que el primer plano de oxidante, y en el cual
al menos una de las cavidades de oxidante en el segundo plano de
oxidante tiene posicionado en ella un inyector de combustible que
tiene un diámetro menor que su cavidad de oxidante
correspondiente.
Otra realización del ensamblaje del quemador de
la invención se caracteriza por un bloque de refractario que tiene
un extremo de entrada de combustible y oxidante y un extremo de
salida de combustible y oxidante, y que tiene adicionalmente una
pluralidad de cavidades de combustible y una sola cavidad de
oxidante, estando posicionada dicha cavidad de oxidante en una
porción superior del bloque de refractario y por encima de una
porción de las cavidades de combustible que definen un plano de
combustible. La cavidad de oxidante propiamente dicha (sección
transversal) y su salida pueden ser no circulares, por ejemplo
rectangulares, ovales, elipsoidales, etcétera, en todos los casos
preferiblemente con bordes contorneados en la cara de salida del
bloque como se describe en esta memoria.
Otro ensamblaje del quemador de la invención se
caracteriza por:
a) al menos dos inyectores de combustible que
definen un primer plano;
b) al menos un inyector de oxidante;
c) una pared a través de la cual los inyectores
de oxidante y de combustible sobresalen dentro de una cámara de
combustión estando los inyectores fijados en la pared de manera
amovible;
en el cual los inyectores de oxidante están
posicionados en un ángulo que converge hacia el primer plano en la
cámara de combustión comprendido entre 0º y 15º.
Otro aspecto de la invención es un método de
combustión de un combustible con un oxidante, caracterizándose el
método por:
a) proporcionar un suministro de una corriente de
fluido oxidante;
b) inyectar la corriente de fluido oxidante en
una cámara de combustión para crear al menos una corriente de fluido
oxidante inyectada;
c) proporcionar un suministro de una corriente de
fluido combustible;
d) inyectar la corriente de fluido combustible en
la cámara de combustión para crear al menos dos corrientes de fluido
combustible inyectadas;
e) crear una lámina sustancialmente plana de
fluido combustible en la cámara de combustión por inyección de al
menos dos corrientes de fluido combustible inyectadas en la cámara
de combustión, estando localizadas al menos dos de las corrientes de
fluido combustible inyectadas sustancialmente en un primer plano de
combustible;
f) cortar la corriente de fluido oxidante con la
lámina de fluido combustible en la cámara de combustión; y
g) quemar el fluido combustible con el fluido
oxidante en la cámara de combustión.
En procesos preferidos de acuerdo con la
invención, las corrientes de fluido combustible adyacentes tienen
un ángulo de divergencia final que no es mayor que 15º. Otros
métodos preferidos son aquéllos en los cuales se queman
simultáneamente combustibles gaseoso y líquido, y métodos en los
cuales se quema primeramente un combustible gaseoso (o combustible
líquido), seguido por combustible líquido (o combustible
gaseoso).
Se ha descubierto que cuando las cavidades del
flujo de oxidante están dispuestas de una manera divergente, la
llama es más ancha. En algunas realizaciones, la anchura de la
llama puede aumentarse (sin disminución significativa en la longitud
de la llama) proporcionando las cavidades de flujo de combustible
y/o oxidante con un ángulo de divergencia final ligeramente mayor
que su ángulo de divergencia inicial, como se describe
ulteriormente en esta memoria. Asimismo, en algunas realizaciones
preferidas, se utilizan inyectores de oxidante y
combustible(especialmente para el combustible) que están
adaptadas internamente a las cavidades de combustible y/u
oxidante.
Otras realizaciones del método y aparato de la
invención incluyen la provisión de distancias diferentes entre las
cavidades de oxidante y las cavidades de combustible, dependiendo
del tipo de combustible que se queme (por ejemplo combustible
gaseoso frente a combustible líquido); cavidades de oxidante no
paralelas (es decir, que tengan ángulos divergentes); y la
provisión, especialmente para propósitos de fueloil, de un inyector
de combustible que tiene sub-inyectores de
combustible múltiples divergentes, estando localizado el inyector
de combustible en una cavidad del bloque de refractario.
La Fig. 1 ilustra una realización de un
componente de bloque de refractario de un ensamblaje del quemador de
la presente invención, en la cual la "lámina" de combustible se
produce utilizando tres (3) inyectores de combustible localizados en
un primer plano, y en la cual el oxidante está suministrado por dos
(2) inyectores localizados en un segundo plano;
la Fig. 2 es una vista frontal de la disposición
de la Fig. 1;
la Fig. 3 es una vista lateral esquemática del
proceso de combustión que tiene lugar en un horno cuando se utiliza
la configuración de las Figs. 1 ó 2;
la Fig. 4 es una vista desde arriba del proceso
de la Fig. 3;
la Fig. 5 ilustra una segunda realización del
ensamblaje del quemador de la presente invención, en la cual la
"lámina" de combustible se forma por utilización de dos
cavidades de combustible en un primer plano de combustible,
suministrándose el oxidante por dos cavidades en un segundo plano, y
proporcionándose la estabilización de la llama por una inyección
auxiliar de combustible en el segundo plano;
la Fig. 6 ilustra una tercera realización del
ensamblaje del quemador de la presente invención, en la cual la
"lámina" de combustible se forma por utilización de dos
cavidades de combustible en un primer plano de combustible,
suministrándose el oxidante por dos cavidades en un segundo plano, y
en la cual la llama se estabiliza por una cavidad auxiliar de
oxidante en el primer plano de combustible, entre las cavidades de
combustible.
La Fig. 7 ilustra una vista en perspectiva de una
realización del ensamblaje del quemador de la presente
invención;
las Figs. 8(a), (b) y (c) ilustran vistas
desde arriba, desde atrás y laterales, respectivamente, de un
ensamblaje del quemador de la presente invención que incluyen
cavidades;
las Figs. 9(a) y (b) ilustran un bloque de
refractario de la presente invención, que muestra diversas
cavidades;
las Figs 10(a), (b), (c) y (d) ilustran un
ensamblaje del bloque de quemador, distribuidor de oxígeno y
distribuidor de combustible de la presente invención;
las Figs. 11(a), (b), (c), (d) y (e)
ilustran otro ensamblaje del bloque de quemador, distribuidor de
oxígeno y distribuidor de combustible de la presente invención;
las Figs. 12(a), (b), (c) y (d) ilustran
un ensamblaje del quemador de la invención en vistas desde arriba,
laterales, desde abajo, y de detalle, mostrando en particular, el
detalle de cierre hermético de los tubos;
la Fig. 13a es una vista en perspectiva de un
bloque de refractario útil en la invención, que ilustra dos
cavidades de oxidante, tres cavidades de gas combustible, y una
cavidad de fueloil;
la Fig. 13b es una vista en alzado lateral del
bloque de refractario de Fig. 13 (b);
la Fig. 13c es una vista en alzado lateral de un
diseño alternativo para el bloque de refractario de Fig. 13 (a);
la Fig. 14 es una vista en alzado lateral de un
ensamblaje del quemador sin un bloque de refractario, teniendo
únicamente inyectores de oxidante y combustible;
la Fig. 15 es una vista en planta de un bloque de
refractario, que ilustra las cavidades;
la Fig. 16 es una vista en planta del bloque de
refractario de Fig. 15, que ilustra una realización que tiene
inyectores cortos dentro de las cavidades;
la Fig. 17 es una vista en planta del bloque de
refractario de Fig. 15, que ilustra una realización que tiene
inyectores largos que sobresalen fuera de las cavidades;
la Fig. 18 es una vista en alzado lateral de un
atomizador de combustible líquido útil en la invención;
las Figs. 19a y 19b son vistas en corte y en
alzado del extremo anterior, respectivamente, del atomizador de
combustible líquido de Fig. 18;
la Fig. 20a es una ilustración esquemática de un
bloque de refractario y la cavidad existente en el mismo;
la Fig. 20b es un esquema que ilustra una
relación preferida entre el diámetro de garganta y el diámetro de
salida de gas para un inyector o cavidad; y
las Figs. 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30,
31, 32, y 33 son vistas verticales de frente de trece realizaciones
de bloque de refractario dentro de la invención.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención, se proporcionan un proceso de combustión y un aparato
para el mismo que operan con presión de suministro de oxidante
baja, tal como la presión suministrada por una unidad de producción
de oxígeno del tipo de adsorción con oscilación de vacío. La
expresión presión de oxidante baja significa una presión
comprendida entre 105.000 y 170.000 Pa (presión absoluta) (50 mbar a
0,7 bar/presión relativa).
De acuerdo con la presente invención, el
combustible y el oxidante se introducen en el horno a través de
cavidades separadas en el ensamblaje del quemador. De acuerdo con
esta invención, El término "combustible" significa por ejemplo
metano, gas natural, gas natural licuado, propano, aceite atomizado
o análogos (sea en forma gaseosa o líquida) a la temperatura
ambiente (25ºC) o en forma precalentada. El término
"oxidante", de acuerdo con la presente invención, significa un
gas con una concentración molar de oxígeno de al menos 50%. Tales
oxidantes incluyen aire enriquecido en oxígeno que contiene al
menos 50% vol. de oxígeno tal como el oxígeno "industrialmente
puro" (99,5%) producido por una planta criogénica de separación
de aire u oxígeno no puro producido, v.g., por un proceso de
adsorción con oscilación de vacío (88% vol. O_{2} o más) u
oxígeno "impuro" producido a partir de aire o cualquier otra
fuente por filtración, adsorción, absorción, separación con
membrana, o análogos, a la temperatura ambiente o en forma
precalentada.
Las cavidades, como se definen en esta memoria,
son conductos a través de un bloque cerámico o a través de una
pared de horno, y tienen con preferencia una sección transversal
generalmente cilíndrica. Puede utilizarse una sección transversal
equivalente, tal como cuadrada, rectangular, elipsoidal, oval, y
análogas. Los inyectores se definen en esta memoria como miembros
tubulares que tienen una forma exterior que coincide con su cavidad
respectiva, y que pueden estar dispuestos en su cavidad respectiva
para prolongar el uso del bloque de refractario del quemador. Los
inyectores pueden ser tubos metálicos, tubos o tuberías
metálicos(as) con extremos de cerámica, tubos cerámicos o
una combinación de los mismos. Ejemplos de materiales cerámicos
adecuados para tubos de inyectores incluyen alúmina, óxido de
circonio, óxido de itrio, carburo de silicio, y análogos. Pueden
utilizarse diversos aceros inoxidables para los inyectores si los
inyectores son metálicos, y son también posibles inyectores
metálicos que tienen recubrimientos refractarios termoprotectores,
que emplean materiales tales como los mencionados para los
inyectores cerámicos.
Se prefieren los inyectores, si bien no son
absolutamente necesarios. Por ejemplo, los inyectores no serían
necesarios si las cavidades están cubiertas o recubiertas con una
capa de material cerámico o cualquier otro material que resista la
temperatura elevada y tenga una naturaleza no porosa adecuada para
evitar la penetración del gas a través del bloque de
refractario.
Los inyectores se instalan en cavidades abiertas
a través de las paredes del horno, o a través de un ladrillo
refractario o cerámico montado en la pared del horno. En algunas
realizaciones, la longitud del inyector se hace intencionadamente
insuficiente para abarcar la longitud respectiva de su cavidad en
el bloque del quemador: el combustible o el oxidante fluye desde el
inyector al interior de la cavidad, y luego desde la cavidad a la
cámara de combustión del horno. Así, en algunas realizaciones, el
inyector termina antes de cualquier cambio en la dirección del
flujo de gas que pueda ser impartido por la geometría de la
cavidad; en otras realizaciones, el inyector puede sobresalir fuera
del bloque de refractario y entrar en la cámara de combustión. En
otras realizaciones puede no haber inyectores en absoluto.
La inyección de combustible se realiza
preferiblemente por al menos dos cavidades, preferiblemente
idénticas, cuyos ejes están localizados preferiblemente en un mismo
plano, al que se hace referencia ulteriormente como el primer plano
de combustible. Las salidas de combustible y oxidante están
separadas físicamente y dispuestas geométricamente de tal modo que
impartan a las corrientes de fluido combustible y las corrientes de
fluido oxidante ángulos y velocidades que permitan la combustión
del fluido combustible con el oxidante en una llama estable, ancha,
y luminosa.
En realizaciones preferidas, las cavidades de
combustible divergen en un ángulo inicial, y luego este ángulo de
divergencia inicial aumenta ligeramente justamente antes que el
combustible entre en la cámara de combustión hasta el ángulo de
divergencia final. Este ángulo de divergencia final es
preferiblemente sólo unos cuantos grados mayor que el primer ángulo
de divergencia. Un ángulo final preferido entre dos cavidades de
combustible adyacentes está comprendido entre 3 y 10 grados. La
distancia 1 entre los extremos de las cavidades cuando el
combustible entra en la cámara de combustión del horno está
comprendida preferiblemente entre 4 y 10 veces el diámetro interior
d de cada inyector de combustible en el primer plano. El primer
plano es con preferencia, pero no necesariamente, paralelo a la
superficie de la masa fundida. Cuando el inyector o la cavidad de
combustible no es circular, la dimensión "d" es un diámetro
equivalente correspondiente al área de la sección transversal de un
inyector o cavidad circular equivalente. La combinación de los
chorros de combustible procedentes de las cavidades de combustible
es tal que crea una "lámina" de combustible. Por "lámina"
de combustible se entiende una nube sustancialmente continua de
gotitas de combustible (si éste es líquido) o combustible gaseoso en
un ángulo del primer plano de cómo máximo 120º, preferiblemente
entre 20º y 60º, y con preferencia simétrico con relación al eje de
simetría longitudinal de las cavidades de combustible. La velocidad
del gas combustible en las cavidades es preferiblemente al menos 15
m/s.
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, se proporciona un proceso en el cual se genera
una "lámina" de fluido combustible por encima de la superficie
a calentar, v.g. por medio de al menos dos cavidades de combustible
que forman un ángulo de divergencia final preferiblemente menor que
15 grados, estando localizadas dichas cavidades de combustible en
un primer plano, teniendo un fluido oxidante una velocidad menor
que la del fluido combustible (que no exceda preferiblemente de 60
metros por segundo (m/s)) que se inyecta por encima de la
superficie a calentar, preferiblemente con al menos dos cavidades
de oxígeno, formando dos cavidades de oxígeno adyacentes un ángulo
de divergencia final menor que 15 grados. Estas cavidades están
localizadas preferiblemente en un segundo plano, que converge con
el primer plano y corta el mismo en la cámara de combustión. Los
chorros de fluido oxidante de baja velocidad que cortan la lámina
de combustible, están arrastrados por el flujo de combustible a lo
largo de la lámina de combustible, y crean una zona de combustión
que se estira a lo largo de la "lámina". De acuerdo con ello,
al comienzo de la zona de combustión de la cámara de combustión, se
mantiene una región rica en combustible en el lado inferior de la
nube de combustible en la cual se forman cantidades significativas
de hollín. El hollín y el combustible son oxidados luego
progresivamente por el oxidante que se difunde a lo largo de la
zona de combustión.
De acuerdo con una realización particular de la
invención, se proporciona un método de combustión en una zona de
combustión para un ensamblaje de quemador que contiene al menos dos
cavidades de fluido combustible, al menos una cavidad de fluido
oxidante y al menos una cara de salida en la cual terminan las
cavidades de fluido combustible y la cavidad de fluido oxidante,
implicando el proceso:
proporcionar un suministro de una corriente de
fluido oxidante;
inyectar dicha corriente de fluido oxidante a
través de dicha al menos una cavidad de fluido oxidante para crear
al menos una corriente de fluido oxidante inyectada;
proporcionar un suministro de una corriente de
fluido combustible;
inyectar dicha corriente de fluido combustible a
través de dichas al menos dos cavidades de fluido combustible para
crear al menos dos corrientes de fluido combustible inyectadas;
crear una lámina sustancialmente plana de fluido
combustible por inyección de las al menos dos corrientes de fluido
combustible inyectadas con un ángulo de divergencia final, estando
al menos dos corrientes de fluido combustible inyectadas
sustancialmente localizadas en un primer plano de combustible;
cortar de la corriente de fluido oxidante con la
lámina de fluido combustible en la zona de combustión; y
quemar el fluido oxidante con el fluido
combustible en la zona de combustión.
Adicionalmente, la invención proporciona también
la estabilización de la llama con una inyección auxiliar de gases
combustible y/u oxidante.
De acuerdo con otra realización de la invención,
es posible disponer también de cavidades de combustible
adicionales, v.g. localizadas en un segundo plano de combustible,
por debajo del primer plano de combustible y preferiblemente
paralelas a o ligeramente convergentes con el primer plano de
combustible.
La inyección del fluido oxidante se hace por al
menos dos cavidades, preferiblemente idénticas, cuyos ejes están
localizados en el mismo plano, a saber un primer plano de oxidante.
La distancia axial L entre las puntas de las cavidades de oxidante,
en las cuales el flujo de oxidante entra en la cámara de combustión
del horno está comprendida preferiblemente entre 2 y 10 veces el
diámetro interior D (o diámetro equivalente, como se ha definido con
anterioridad para "d") de cada inyector de oxidante en el
segundo plano. Dos cavidades de oxidante adyacentes forman un
ángulo de divergencia final (en la dirección del flujo) entre 0 y
15 grados, preferiblemente entre 0 y 7 grados. La velocidad del
oxidante en las cavidades es menor que la velocidad del combustible
en las cavidades del primer plano de oxidante, y preferiblemente
menor que 60 (m/s). En algunas realizaciones de la invención, las
cavidades de oxidante contienen los denominados "turbuladores"
destinados a proporcionar a las corrientes de oxidante un
movimiento turbulento para aumentar la propagación de las
corrientes de oxidante en la zona de combustión, y mejorar la mezcla
entre el oxidante y la lámina de combustible. Turbuladores
adecuados son aletas metálicas o tiras metálicas retorcidas
dispuestas en las cavidades o inyectores.
Las cantidades totales de combustible y oxidante
utilizadas por el sistema de combustión son tales que el flujo de
oxígeno está comprendido entre 0,95 y 1,05 del flujo
estequiométrico teórico de oxígeno necesario para obtener la
combustión completa del flujo de combustible. Otra expresión de esta
afirmación es que la relación de combustión está comprendida entre
0,95 y 1,05.
El ángulo I entre el primer plano de combustible
y el segundo plano (de oxidante) está comprendido entre 0 y 20
grados, convergiendo el primer plano de combustible y el segundo
plano hacia la cámara de combustión. La distancia h entre el primer
plano de combustible y el segundo plano es al menos igual a dos
veces el diámetro D, en el plano vertical a la salida de las
cavidades, considerándose el primer plano de combustible como
sustancialmente horizontal.
La presente invención se refiere también a un
ensamblaje del quemador que comprende al menos 2 cavidades de
fluido combustible, al menos una cavidad de fluido oxidante y al
menos una cara de salida en la cual terminan las cavidades de
fluido combustible y la cavidad de fluido oxidante, caracterizado
por:
medios para suministrar una corriente de fluido
oxidante;
medios para inyectar dicha corriente de fluido
oxidante en dicha al menos una cavidad de fluido oxidante para
crear al menos una corriente de fluido oxidante inyectada;
medios para suministrar una corriente de fluido
combustible;
medios para inyectar dicha corriente de fluido
combustible en dichas al menos dos cavidades de fluido combustible
para crear al menos dos corrientes de fluido combustible
inyectadas;
en el cual las direcciones de inyección de la
corriente de fluido oxidante y la corriente de fluido combustible
son sustancialmente convergentes en tanto que las direcciones de al
menos dos canales de fluido combustible adyacentes son
divergentes.
Un primer componente 5 del bloque de refractario
de una realización del ensamblaje del quemador de la invención se
ilustra en la Fig. 1, que tiene tres cavidades de fluido
combustible 1a, 1b, y 1c en un primer plano 2, y dos cavidades de
fluido oxidante 3a y 3b en el segundo plano 4. Los dos planos
primero y segundo (2 y 4) forman un ángulo I. Las tres cavidades de
fluido combustible 1a, 1b, y 1c forman un ángulo \beta entre dos
cavidades adyacentes, preferiblemente el mismo. Preferentemente, el
eje de la cavidad de fluido intermedia 1b es perpendicular a una
cara de salida 10 del bloque de refractario 5.
La Fig. 2 ilustra una vista frontal del bloque 5
de la Fig. 1. En la Fig. 2, d representa el diámetro de las
cavidades de combustible 1a, 1b y 1c en la cara de salida 10; 1
representa su distancia de separación axial respectiva en la cara
de salida 10; D representa el diámetro de las cavidades de oxidante
3a y 3b en la cara de salida 10; y L su distancia de separación
axial respectiva en la cara de salida 10. "h" representa la
distancia entre los planos 2 y 4 en la cara de salida 10 del bloque
5. Debe tenerse presente que todas las dimensiones descritas en
esta memoria con referencia a la Fig. 2 pueden modificarse sobre la
base del combustible particular utilizado. Por ejemplo, si se
utiliza fueloil, la distancia h tendería a ser mayor que si se
utilizara gas natural como combustible.
La Fig. 3 representa una vista esquemática en
alzado lateral de la operación del sistema de combustión de las
Figs. 1 y 2 tal como se utiliza, por ejemplo, en un tanque de fusión
de vidrio 12, mientras que la Fig. 4 ilustra una vista en
perspectiva del sistema de las Figs. 1-3. Una
"lámina" o "nube" de combustible se forma por las
corrientes de fluido combustible que salen de las cavidades de
combustible en el primer plano 2. Chorros de oxidante 6 salen de
las cavidades del segundo plano 4, y cortan la lámina de
combustible en la cámara de combustión 70 del horno. La combustión
del combustible con el oxidante ocurre en una interfase entre los
dos flujos para generar una llama 8 por encima de la masa fundida
9. En las etapas iniciales del proceso de combustión, la región
localizada bajo la llama es rica en combustible, lo cual promueve
la formación de partículas de carbono (hollín) y mejora así la
luminosidad de la llama. Esta es una de las características de la
invención: por la propagación del combustible en un plano y la
creación de una capa plana o "lámina" sobre toda la masa
fundida de modo sustancialmente paralelo a la masa fundida y por el
direccionamiento del oxígeno desde arriba en la dirección de la
"lámina" para cortar la "lámina", la combustión se
produce preferiblemente entre el fluido oxidante y el fluido
combustible donde se cortan éstos entre sí. Antes de la intersección
de: Los planos, el fluido está estratificado, siendo la porción
inferior de la llama (que está más próxima a la masa fundida) rica
en combustible y generando por ello hollín debido a la cantidad de
combustible en exceso que se craquiza por la llama de alta
temperatura. Este hollín es arrastrado por la corriente gaseosa más
allá de la intersección de los planos, para quemarse de nuevo
ulteriormente en la llama, que es por tanto más luminosa.
La configuración ilustrada en las Figs. 1 a 3 se
ensayó en un horno en escala piloto de sección transversal cuadrada
(1 m de anchura y 2,5 m de longitud). El horno se calentó a 820ºC
(1500ºF) por un quemador auxiliar de oxígeno-gas
natural. Cuando la temperatura del horno se hizo suficientemente
alta, se puso en marcha el sistema de combustión de la invención y
se paró el quemador auxiliar. Se observó la llama desde el lado del
horno que tenía aberturas de observación. En caso necesario, se
hizo girar, v.g. en 90º, el ensamblaje del quemador, con inclusión
del bloque de refractario ilustrado en la Fig. 1, a fin de que la
llama pudiera observarse mejor desde las aberturas de observación
laterales. En todos los experimentos, el primer plano de las
cavidades de gas natural era paralelo a una de las paredes del horno
(laterales o del fondo).
El sistema de combustión que se ensayó utilizaba
gas natural que fluía a 32 Nm^{3}/h [1200 pies cúbicos
estándar/hora (scfh)] como fluido combustible y oxígeno puro que
fluía a 64 Nm^{3}/h (2400 scfh) como el fluido oxidante a una
presión de 100 milibares por encima de la presión del horno. Esto
representa una relación de combustión de 1. La distancia L entre
las cavidades de oxígeno era 15 cm. El ángulo entre las cavidades
de gas natural era 5 grados. La disposición permitía variar la
distancia h entre el primer plano y el segundo plano desde 2,5 cm a
10 cm, y el ángulo relativo de las dos cavidades de oxígeno de 0 a 5
grados. Las cavidades incluían inyectores hechos de tubos cerámicos
de mullita (se han ensayado también ulteriormente tubos de acero
inoxidable). Todas las cavidades estaban montadas en cavidades
perforadas a través del material refractario (al que se hace
referencia como el bloque de refractario 5). El diámetro de las
cavidades de gas natural se hizo variar entre 0,925 cm y 1,58 cm
(0,364 pulgadas y 0,622 pulgadas), de tal modo que se alcanzaron
respectivamente velocidades del fluido combustible de 44 m/s, 26
m/s, y 16 m/s. El diámetro de las cavidades de oxígeno se hizo
variar entre 1,9 y 2,66 cm (0,75 y 1,049 pulgadas), de tal modo que
se alcanzaron velocidades del oxígeno de 16 m/s, 27 m/s y 31 m/s.
Se observaron continuamente los contenidos de CO, O_{2},
CO_{2}, y NO_{x}, en los gases de combustión. Se mantuvieron
condiciones similares con exceso de oxígeno y fugas del horno
(entrada de aire) durante todos los ensayos, con lo cual pueden
compararse las emisiones de NO_{X} de las diversas
configuraciones. La temperatura media del horno era 1450ºC para
todos los ensayos. Se introdujo también en el horno una sonda de
torna de muestras, a una distancia de dos metros del bloque 5 para
medir la concentración local de CO en la llama. Concentraciones de
CO bajas medidas en la sonda de toma de muestras indican llamas
cortas. Otra indicación de llamas cortas para este horno particular
es la observación de gases de combustión con temperatura
relativamente baja, para condiciones estequiométricas iguales.
Se ensayó también en el horno piloto un quemador
oxígeno-gas natural del tipo
post-mezcla, con un diseño genérico de "tubo en
tubo": inyección de gas natural rodeada por una corriente anular
de oxígeno. Este quemador se utilizó como referencia. El quemador
estaba fijado a la pared del horno, y generaba 500 ppm de NO_{x}
en los gases de combustión.
Para el sistema de acuerdo con la invención,
cuando la distancia h era igual a 2,5 cm, y el ángulo entre los
dos planos era igual a 0 grados, se generó una llama estable,
apartada del bloque del quemador. Había evidencia de una mezcladura
muy satisfactoria entre los chorros de combustible y oxígeno. La
longitud de la llama era corta (1,5 m), especialmente cuando la
velocidad del combustible era de 2 a 4 veces la velocidad del
oxígeno. La concentración de NO_{x} era 400 ppm. La llama se
apreciaba como ligeramente más ancha que la llama de referencia.
A medida que se aumentaba la distancia h
(manteniéndose todavía \alpha = 0º), la mezcladura entre el gas
natural y el oxígeno se retardaba, y se formaba algo de hollín en
la llama. Para h = 8 cm, la llama se apreciaba como muy voluminosa
y muy larga. Se observaban grandes cantidades de hollín en la sonda
de toma de muestras refrigerada por agua a 2 metros del bloque del
quemador en el cual está instalado el quemador. La llama era
visible, pero sus límites eran difíciles de definir debido a que la
llama era inestable. La presión del horno exhibía fluctuaciones de
presión importantes debido a esta inestabilidad. Las emisiones de
NO_{x} se redujeron drásticamente a 60 ppm. Aunque la calidad de
la combustión parecía ser relativamente pobre, no quedaba cantidad
alguna de CO en los gases de combustión.
Para h = 8 cm, se obtuvo una mejora de la
estabilidad de la llama cuando el ángulo entre los planos primero y
segundo se incrementó a 5º, 10º, y 20º. El ángulo I = 20º
proporcionó la estabilidad óptima. El aumento del ángulo hasta más
allá de 20º no reducía significativamente la cantidad de hollín
formado y la luminosidad de la llama, y no reducía la anchura de la
llama, pero aumentaba la concentración de NO_{x} en los gases de
combustión, y reducía la longitud de la llama. Asimismo, la
incidencia de los chorros de oxígeno sobre la lámina de combustible
en el ángulo de 20º, aun cuando se reducía la velocidad del
oxígeno, modificaba la forma de la "lámina", y desviaba la
misma hacia la pared paralela al primer plano, lo que resultaba
indeseable. La llama podía considerarse como estable o muy estable
(para h = 8 cm) para un ángulo comprendido entre 5º y 15º.
En una configuración dada, el aumento de la
relación de la velocidad del gas natural a la velocidad del oxígeno
mejoraba la estabilidad de la llama. Por ejemplo, la configuración
en el caso en que I = 10º y h = 8 cm es estable cuando la velocidad
del combustible es 70 m/s y la velocidad del oxígeno es 16 m/s. Sin
embargo, el efecto de estabilidad es perjudicial para la longitud y
luminosidad de la llama. La mayor velocidad del gas natural se
obtuvo cerrando el inyector de gas natural localizado en el centro
del primer plano, de tal manera que todo el gas natural se hacía
fluir a través de las dos cavidades de gas natural exteriores.
Sin embargo, se ha encontrado inesperadamente que
la estabilidad de la llama podría mejorarse significativamente sin
afectar a la luminosidad y longitud de la misma si un inyector de
gas natural está localizado entre las dos cavidades de oxígeno del
segundo plano, tal como se indica en Fig. 5, preferiblemente si uno
de los inyectores de gas natural 21 en el primer plano 2 se
desplaza al segundo plano 4, o próximo al mismo, sustancialmente a
la misma distancia de cada inyector de oxígeno 23, 24. Las otras
dos cavidades de combustible 20, 22 mantienen la misma posición. Muy
preferiblemente, si se proporcionan tres cavidades de gas 20, 21,
22 y dos cavidades de oxígeno 23, 24, se prefiere tener dos
cavidades de gas natural 20, 22 en el primer plano 2, dos cavidades
de oxígeno 23, 24 en el segundo plano 4 y un tercer inyector de gas
natural 21 localizado próximo a o en el interior del segundo plano
4, con preferencia a una distancia sustancialmente igual de las
cavidades de combustible, siendo dicha distancia preferiblemente
más pequeña que o preferiblemente igual como máximo en distancia a
las dos cavidades de oxígeno. Aproximadamente un tercio del flujo
de gas natural puede desviarse del primer plano 2 para mejorar la
estabilidad de la llama. Se crea una zona estabilizadora de la
combustión entre el primer plano de combustible 2 y el segundo plano
(de oxidante) 4, que inicia la combustión por encima de la lámina
de combustible principal. Una localización preferida para el chorro
auxiliar estabilizador natural es el plano mediano entre las dos
cavidades de oxígeno. En condiciones en las cuales la velocidad del
gas natural era 44 m/s, la velocidad del oxígeno era 16 m/s, la
distancia h era 8 cm, y el ángulo I era 10º, se encontraron
emisiones menores de NO_{x}, (63 ppm) cuando el inyector de gas
natural auxiliar estaba localizado exactamente entre las cavidades
de oxígeno, que cuando el inyector de gas natural auxiliar estaba
más próximo a una u otra de las cavidades de oxígeno (74 ppm). Sin
embargo, en ambos casos, las emisiones de NO_{x}, eran bajas.
La modificación del ángulo I puede utilizarse
ventajosamente para aumentar la transmisión de calor a la pared
hacia el primer plano. Se ha encontrado que al aumentar el ángulo I
desde 0º a 10º, aumentaba la deferencia de temperatura entre la
pared localizada cerca del primer plano 2 y la pared opuesta desde
0ºC a 27ºC. Para I = 20º, la diferencia de temperatura era
32ºC.
Un sistema de combustión de acuerdo con la
invención puede utilizarse por tanto para aumentar la transmisión
de calor hacia la carga y reducir la temperatura en la corona del
horno.
De acuerdo con otra realización de la invención,
una mejora equivalente de la estabilidad de la llama puede
obtenerse si se instala un inyector auxiliar de oxígeno 25 en el
primer plano 2 de las cavidades de combustible 20, 22, como se
muestra por ejemplo en la Fig. 6. (Se aplican las mismas
localizaciones relativas de este inyector de oxígeno y las
cavidades de gas que se han expuesto en Fig. 5.) En esta
configuración, existen dos cavidades de oxígeno 23, 24 en el
segundo plano 4 y dos cavidades de combustible 20, 22 y un inyector
de oxígeno 25 en el primer plano de combustible 2.
Como se aprecia por la descripción que antecede
de la operación del sistema de combustión, la longitud de la llama
puede hacerse variar por cambio del ángulo I entre el segundo plano
4 de las cavidades de oxígeno y el primer plano de combustible 2 de
las cavidades de combustible. La estabilidad de la llama se mejora y
se mantiene dentro del intervalo de ajuste de la longitud de la
llama por una inyección auxiliar de combustible cerca de las
cavidades de oxígeno, o una inyección auxiliar de oxígeno cerca de
las cavidades de combustible. El cambio del ángulo entre las dos
llamas puede utilizarse también para aumentar la transmisión de
calor hacia la carga del horno, y mejorar así la eficiencia del
combustible quemado. En el caso de los hornos de vidrio, una
transmisión de calor adicional en algunas áreas de los hornos puede
ser útil para mejorar las circulaciones convectivas del vidrio
fundido y/o aumentar el tiempo de residencia del vidrio fundido en
el horno, lo cual mejora la calidad del vidrio.
Los sistemas de combustión de la presente
invención tienen por objeto ser utilizados, por ejemplo, para
reemplazar los sistemas de combustión
aire-combustible en hornos ya existentes, y/o ser
utilizados como la fuente principal de energía en hornos
nuevos.
De acuerdo con otro aspecto adicional de la
presente invención, se proporciona un quemador que tiene salidas
de oxidante que están ligeramente curvadas en ángulo respecto a los
lados, y generalmente contorneadas, preferiblemente redondeadas, en
sus puntas (es decir en la cara de salida 10). De modo realmente
sorprendente, se ha descubierto que las salidas curvadas en ángulo
permiten el flujo de oxígeno y, por tanto, que la llama sea más
ancha evitando así que salga combustible sin quemar.
Adicionalmente, las puntas redondeadas causan menos turbulencia y,
por tanto, proporcionan un mayor control sobre la forma de la
llama.
De hecho, la obtención de una forma de llama
particular es muy importante y es sumamente ventajoso poder ajustar
la forma de la llama a las necesidades del usuario.
Estos y otros aspectos de la presente invención
se describirán ahora adicionalmente haciendo referencia a las
Figs. 7-12.
Los componentes principales de un ensamblaje de
quemador preferido representado en la Figura 7 son: 1) un bloque de
refractario 5; 2) un ensamblaje de abrazadera de montaje 72; 3) un
distribuidor de combustible 74, localizado en el fondo del
ensamblaje de la abrazadera de montaje, y 4) un distribuidor de
oxidante 76, localizado en la parte superior del ensamblaje de la
abrazadera de montaje. El combustible se suministra a través de la
entrada 78. El oxidante se suministra al ensamblaje del quemador a
través de una entrada 80.
En las Figs. 8a (vista en planta), 8b (alzado
desde un extremo) y 8c (alzado lateral) las cavidades de
combustible y oxidante son orificios rectos a través del bloque de
refractario 5. Las salidas de gas de cada cavidad de oxidante y
cada cavidad de combustible tienen bordes redondeados en la cara de
salida del gas 10 en oposición a bordes rectos. Los bordes
redondeados reducen el gradiente de velocidad entre los flujos de
gas eyectados desde el bloque y la atmósfera circundante, lo cual
impide que los materiales constituidos por partículas o las
especies volátiles contenidos(as) en la atmósfera se
acumulen alrededor de las salidas de las cavidades, lo cual podría
alterar a su vez la geometría de las cavidades. Esto es
particularmente importante en el caso de las cavidades de gas
natural, debido a que el proceso de acumulación puede verse
agravado por el craqueo térmico del gas natural y la formación de
tanques de coque en las salidas de gas natural desde los bloques de
refractario, lo que puede alterar la dirección del flujo en el
horno.
Las cavidades del fondo utilizadas para el
combustible forman un ángulo de divergencia \beta con objeto de
distribuir el flujo de gas combustible en un patrón de lámina. Un
ángulo \beta de 5 grados se representa en la Fig. 8(a). A
partir de los resultados de simulaciones numéricas, se ha encontrado
que la anchura de llama podría incrementarse aumentando el ángulo
de las cavidades de gas natural. Por ejemplo, un ángulo \beta =
7,5 grados produce una llama más ancha en comparación con \beta =
5 grados, sin reducir significativamente la longitud de la
llama.
El bloque de refractario 5 ilustrado en las Figs.
9a (alzado lateral) y 9b (vista en planta) tiene cinco cavidades:
tres cavidades en el fondo para la inyección de combustible en el
horno, y dos cavidades en el extremo superior para la inyección de
oxidante.
El bloque de refractario 5 representado en las
Figs. 9a y 9b es preferiblemente una sola pieza de material
refractario que tiene cavidades u orificios pasantes múltiples a su
través, tales como las cavidades 91 y 92 para oxidante, y las
cavidades 94, 96 y 98 para combustible. En la realización ilustrada
en las Figs. 9a y 9b puede observarse que las cavidades de oxidante
91 y 92 son inicialmente paralelas unas a otras y a las cavidades
de combustible (véanse las porciones 91a y 92a), pero
posteriormente forman ángulo alejándose una de otra en un ángulo
2\theta, y aproximándose hacia las cavidades de combustible en un
ángulo \mu. Obsérvese también que las cavidades de combustible 94
y 98 (las dos que se encuentran a cualquier lado del bloque 5)
forman un ángulo alejándose de la cavidad de combustible central 96
en un ángulo, que es preferiblemente también \theta. Este diseño
permite la posibilidad de posicionar las salidas de las cavidades de
combustible más próximas una a otra que en la realización ilustrada
en la Figura 8. Las salidas de combustible más próximas podrían ser
útiles cuando el combustible es fueloil.
Materiales adecuados para el bloque de
refractario son óxido de circonio fundido (ZrO_{2}), AZS
(alúmina-óxido de circonio-sílice) fundido
moldeado, AZS refusionada ("rebonded"), o alúmina fundida
moldeada (Al_{2}O_{3}). La elección de un material particular
está dictada entre otros parámetros por el tipo de vidrio fundido
en el tanque de vidrio.
Las cavidades rectas como se ilustran en la Fig.
8 son fáciles de limpiar en el caso de que algún material llegue a
bloquear las salidas de gas. Sin embargo, la curvatura en ángulo
hacia fuera en los últimos centímetros de las cavidades es
suficiente para impartir un ángulo de divergencia a las corrientes
de gas combustible. Un diseño de cavidad de este tipo se ilustra en
las Figs. 10a (vista en planta que ilustra únicamente las cavidades
de oxidante), 10b (vista en planta que ilustra las cavidades de
combustible y oxidante), l0c (alzado desde el extremo posterior) y
10d (alzado lateral), en el caso de las cavidades de oxidante. Cada
una de las cavidades de oxidante 91 y 92 comprende dos caminos de
flujo rectos 91a y 92a, inicialmente paralelos, que forman un
pequeño ángulo hacia fuera cerca de la salida (pasos de flujo). El
propósito del pequeño ángulo hacia fuera es dirigir el flujo de
oxidante hacia fuera, de una manera similar a los chorros de gas
combustible. En ensayos de laboratorio y de campo, la formación de
ángulo hacia fuera de las cavidades de oxidante (en los ensayos se
utilizó oxígeno) ha demostrado proporcionar más estabilidad a la
llama y es beneficiosa para la operación del quemador por aumentar
la anchura de la llama sin reducir significativamente la longitud
de la llama. Una configuración preferida es aquélla en la que el
ángulo entre las dos cavidades de oxidante en sus salidas es igual
al ángulo entre las dos cavidades laterales de gas combustible.
La realización ilustrada en las Figs.
11a-e es similar la realización ilustrada en la
Fig. 10, excepto que la Fig. 11e ilustra que los dos inyectores de
combustible laterales forman un pequeño ángulo hacia fuera cerca de
su salida; así, ambas cavidades de oxidante 91b y 92b viran hacia
fuera cerca de la cara de salida 10, así como los dos inyectores de
combustible laterales 94b y 98b.
Por las Figs. 8, 10, y 11 se puede ver que las
cavidades de oxígeno forman preferiblemente un ángulo descendente
hacia las cavidades de gas natural. El ángulo que se muestra en los
dibujos es de 10 grados. En ciertas condiciones, puede utilizarse
un ángulo menor (tal como 7,5 grados). De nuevo, la curvatura en
ángulo hacia fuera en las últimas pulgadas (1 pulgada = 2,54 cm) de
las cavidades es suficiente para impartir un ángulo de convergencia
entre los chorros de oxígeno y los chorros de gas natural.
El ensamblaje del quemador ilustrado en la Fig.
12 incluye una abrazadera de montaje formada por dos partes que
están posicionadas en cada una de las porciones superior e inferior
del bloque de refractario 5, que están fijadas una a otra por
pernos 32 roscados en la placa P. El ensamblaje de la abrazadera de
montaje se desliza en ranuras verticales G_{1} y G_{2} en el
bloque de refractario, y está por tanto perfectamente anclado al
bloque una vez que los pernos 60 y 61 se fijan en su lugar.
Un distribuidor de oxidante 30 representado en la
Fig. 12 está montado inmediatamente encima del ensamblaje de la
abrazadera de montaje con los pernos 32 y la placa 34. La
hermeticidad entre el distribuidor y el bloque está asegurada por
una junta 36. El distribuidor comprende una placa 38 en la cual
están soldados los inyectores de oxidante 40 y 41. Cuando están
montados en el quemador, los inyectores de oxidante penetran en
cavidades en el bloque del quemador 5, y terminan a 10 cm (4
pulgadas) de distancia de la cara de salida 10 del bloque, antes de
cualquier cambio en la dirección del flujo que pueda ser impartido
por la geometría de las cavidades de oxidante.
Un distribuidor de gas combustible 50 está
montado en una placa 52 con pinzas de conexión rápida 53a y 53b.
La placa 52 está fijada a la abrazadera de montaje por pernos 54a y
54b. La hermeticidad entre la placa 52 y el bloque de refractario 5
está asegurada por una junta 56. Tres inyectores de gas 58a, 58b y
58c penetran en el bloque de refractario 5, y terminan a 10 cm (4
pulgadas) de distancia de la cara de salida 10 del bloque 5 antes
de cualquier cambio en la dirección del flujo que pueda ser
impartido por la geometría de las cavidades del gas combustible. Los
cabezales de entrada de los inyectores de gas combustible están
aprisionados entre el inyector 60 y la placa 52. La hermeticidad
del inyector de gas combustible está asegurada por anillos 0 62 y
64 dispuestos en el cabezal de entrada de los inyectores de gas
combustible. El detalle del cierre hermético de los tubos se
observa en particular en la Figura 12(d).
La Fig. 13a es una vista en perspectiva de un
bloque de refractario 5 útil en la invención, que ilustra las
salidas de dos cavidades de oxidantes 91a y 91b, las salidas de tres
cavidades de gas combustible 94a, 94b y 94c, y la salida de una
sola cavidad de combustible líquido 95. La Fig. 13b es una vista en
alzado desde el extremo de salida de gas del bloque de refractario
de la Fig. 13b, ilustrando las distancias d_{1} y d_{2}, en las
cuales d_{2} es la distancia entre un plano que contiene el
centro axial de las dos cavidades de oxidante 91 (segundo plano) y
la cavidad de combustible líquido 95, y dl es la distancia entre el
segundo plano y un plano que contiene las tres cavidades de gas
combustible 94. (Obsérvese que d_{1} es la misma distancia que h
en la Fig. 2). La Fig. 13c es una vista en alzado desde el extremo
de salida de gas de un diseño alternativo para el bloque de
refractario de Fig. 13a, ilustrando una realización en la cual no
existe de hecho ninguna salida de combustible gaseoso, y únicamente
está presente una salida 97 de combustible líquido (las dos salidas
de gas oxidante son las mismas que en Fig.13a).
Se ha encontrado que existe una relación entre la
potencia del quemador de la invención y las distancias d_{1} =
h, d_{2}, d, D, L, y 21 como se representa en las Figs. 2, 13b, y
22. Si la distancia entre las salidas de oxígeno y gas natural del
quemador se define por d_{1}, entonces
d_{1} =
A(P/1000)
^{1/2}
en donde P es la capacidad del
quemador en kilovatios (kW), y 500 mm < A < 150 mm. El valor
preferido para A es 110 mm. Si d_{2} se define como la distancia
desde el plano que contiene las salidas de gas combustible al plano
paralelo que contiene la salida de combustible líquido,
entonces
d_{2} =
d_{1}\rho_{FO}/\rho_{GN} [(I_{FO} + I_{AIRE})/I_{GN}]
(10^{-3})
en
donde:
I_{FO} = momento del combustible líquido en la
cavidad o inyector,
I_{AIRE} = momento del aire de atomización en
el inyector o cavidad,
I_{GN} = momento del combustible gaseoso,
\rho_{FO} = densidad relativa del combustible
líquido, y
\rho_{GN} = densidad relativa del combustible
gaseoso.
Para el valor preferido de A y para los valores
de momento siguientes:
I_{FO} = 0,06 N,
I_{AIRE} = 1,79 N,
I_{GN} = 1,56 N,
\rho_{FO} = 0,9 kg/dm^{3}, y
\rho_{GN} = 0,74 kg/m^{3},
están disponibles los valores dimensionales
enumerados en la Tabla 1.
La Fig. 14 es una vista en alzado lateral de un
ensamblaje de quemador sin un bloque de refractario, que tiene
únicamente inyectores de oxidante 102 e inyectores de combustible
104 insertados a través de una pared 100 de un horno o tanque de
fusión de vidrio y asegurados en la misma, de acuerdo con otra
realización del ensamblaje de quemador de la presente invención. Los
inyectores de oxidante se ilustran en forma recta, sin cambio de
ángulo alguno, pero por supuesto los inyectores pueden ser
inicialmente paralelos a los inyectores de combustible, y cambiar
luego de dirección, a fin de que el combustible y el oxidante se
mezclen en la cámara de combustión. Esta realización puede
utilizarse también cuando el combustible es un combustible líquido.
Esta disposición, así como la realización ilustrada en la Fig. 17,
puede ser útil en el sentido de que el combustible y el oxidante
pueden ser precalentados por medio del combustible quemado en la
cámara de combustión, lo que contribuye a aumentar la eficiencia de
combustión del combustible.
La Fig. 15 es una vista en planta de un bloque de
refractario, que ilustra cavidades (de oxidante o combustible) 91a
y 91b; la Fig. 16 es una vista en planta del bloque de refractario
de Fig. 15, que ilustra una realización que tiene inyectores cortos
102a y 102b dentro de las cavidades; y la Fig. 17 es una vista en
planta del bloque de refractario de Fig. 15, que ilustra una
realización que tiene inyectores largos 102a y 102b que sobresalen
fuera de las cavidades.
La Fig. 18 es una vista en corte de un atomizador
de combustible líquido 200 útil en la invención.
Como se ha expuesto previamente en la sección de
Antecedentes, el presente aspecto de la invención cae dentro del
alcance del tercer modo de atomización de combustible líquido; el
mismo describe un dispositivo completo que hace posible el control
de la atomización de un combustible líquido utilizando un fluido
gaseoso y la aplicación de este dispositivo a un quemador, tal como
los ensamblajes de quemador de la invención descritos en esta
memoria.
En la presente invención, aun cuando la geometría
para la introducción del fluido parece similar, la introducción del
fluido en la zona de combustión es una mezcla bifásica de gas
atomizador y gotitas de combustible líquido. Adicionalmente, las
características específicas de la invención residen en el hecho de
que la atomización tiene lugar fuera de la tobera (atomización
externa) y permite sin embargo formar chorros de pulverización
distintos que tienen ángulos relativos altos (5 grados a 30
grados).
La limitación fundamental en un atomizador de
combustible líquido que opera en zonas de combustión de alta
temperatura (que varían desde 1400ºC a 1700ºC) es su durabilidad.
Además, la llama producida a la salida de este inyector es una
oxi-llama que reside a una temperatura todavía mayor
(>2200ºC). Estas altas temperaturas no deben conducir en ninguna
circunstancia a deterioro alguno de los componentes que comprenden
este dispositivo. Este dispositivo tiene que ser capaz de funcionar
continuamente en tales condiciones y con una frecuencia de
inspección del orden de meses.
El atomizador de combustible líquido de la
invención es capaz de asegurar la producción de una sola llama
ancha, una sola llama larga, o varias llamas cortas
simultáneamente.
El principio de atomización adoptado en el
atomizador de la presente invención es la atomización externa. Esta
elección fue impuesta esencialmente por las limitaciones de
resistencia térmica y mantenimiento del inyector cuando se utiliza
en un quemador de tercera generación (quemador
auto-refrigerado con inyección separada). En
efecto, los niveles de temperatura alcanzados potencialmente por
los inyectores de combustible en los quemadores de este tipo son
mucho más altos que los encontrados previamente con los quemadores
de primera y segunda generación.
Por consiguiente, estos niveles de temperatura no
permiten un contacto directo entre la pulverización de combustible
y las partes metálicas que se encuentran a temperatura alta. Este
contacto conduciría inevitablemente a la formación de coque en la
punta del inyector y, en segundo término, a la obstrucción de la
punta.
La atomización externa es el único modo de
atomización que es capaz de obviar esta dificultad y asegurar con
ello una frecuencia de servicio del inyector del orden de un mes. En
efecto, esta atomización se caracteriza por la formación de la
pulverización fuera del inyector, impidiendo de este modo todo
contacto entre la pulverización y las partes metálicas.
Además, como se verá en la descripción del
dispositivo, el combustible líquido está constantemente
"envuelto" por el fluido de atomización, el cual, al estar
calentado preferentemente, aparta el flujo de calor transmitido al
inyector. Al jugar el papel de un fluido de transmisión de calor
para refrigeración, el fluido de atomización protege de este modo
el combustible líquido contra cualquier calentamiento excesivo que
pudiera inducir la iniciación de la formación de coque.
El dispositivo de atomización de la presente
invención se caracteriza por:
un inyector de combustible líquido, y
una tobera externa que rodea completamente el
inyector.
Para facilitar la limpieza del dispositivo de
atomización, esta tobera externa está compuesta por dos capuchas
simétricas que, cuando están posicionadas frente a frente, cierran
completamente el inyector de combustible líquido y forman la tobera
externa.
A continuación se hará referencia a las Figs.
18-19. En la Fig. 18, el inyector de combustible
líquido 200 se compone de un cilindro hueco de diámetro interior
D_{OI} y diámetro exterior D_{OE} que está terminado con cierto
número de conductos elementales huecos C_{1}, C_{2} y C_{3}.
El combustible líquido se suministra al cilindro de diámetro D_{OI
} y luego al interior de la totalidad de los conductos huecos para
emerger fuera del inyector de combustible líquido (lado de la
cámara de combustión). El número de conductos individuales puede
comprender de 2 a 5 (típicamente 2 ó 3). Los ejes de todos los
conductos elementales se encuentran en el mismo plano ("plano de
pulverización"); este plano contiene el eje del cilindro hueco
(D_{OI}; D_{OE}).
En la Fig. 18 y en la exposición que se acompaña,
los símbolos que llevan la letra "i" en posición superior se
referirán al "atomizador elemental i", donde i puede ser igual
a 1, 2, 3, 4, ó 5 dependiendo del número de inyectores elementales
de los cuales se ha provisto el dispositivo de atomización.
Cada uno de los conductos huecos tendrá un
diámetro interior D^{i}_{1} (en el cual fluirá el combustible
líquido) y un "diámetro" exterior D^{i}_{2}. La forma
externa de los conductos no es necesariamente cilíndrica: la misma
puede ser paralelepipédica con sección cuadrada. En un caso de este
tipo, D^{i}_{2} es el lado del cuadrado, el lado paralelo al
"plano de pulverización".
Cada uno de estos conductos tiene un ángulo de
inclinación \alpha^{i}_{2} con respecto al eje del cilindro
(D_{OI}; D_{OE}); este ángulo se encuentra en el "plano de
pulverización".
\newpage
La longitud de cada uno de estos conductos
(distancia entre el cilindro (D_{OI}, D_{OE}) y el extremo del
conducto) es L^{1}_{1}.
La tobera externa está formada por un cilindro
hueco (diámetro interior D_{FI} y diámetro exterior D_{FE}) que
se prolonga por una parte perfilada. El interior de la parte
perfilada de la tobera está atravesado por canales que se fusionan
con el cilindro de diámetro D_{FI}. El número de canales es igual
al número de conductos elementales presentes en el inyector de
combustible líquido. Todos los ejes de estos canales están
localizados en el "plano de pulverización", que contiene
también el eje de cilindro (D_{FI}; D_{FE}).
Los canales tienen una longitud L^{i}_{2} y
un diámetro D^{i}_{3}. La forma de los canales es la misma que
la de los conductos elementales del inyector de combustible: dicha
forma puede ser cilíndrica o paralelepipédica con sección cuadrada
(en el primer caso, D^{i}_{3} es el diámetro del cilindro; en
el último caso D^{i}_{3} es la longitud del lado del cuadrado,
el lado paralelo al "plano de pulverización".
Cada uno de estos canales tiene un ángulo de
inclinación I^{i}_{2} con respecto al eje del cilindro hueco
(D_{FI}; D_{FE}); este ángulo se encuentra en el "plano de
pulverización".
El eje de cilindro hueco (D_{OI}, D_{OE})
coincide con el del cilindro hueco (D_{FI}; D_{FE}).
El fluido de atomización se suministra al
interior de la tobera externa y alrededor del inyector de
combustible líquido.
Un atomizador elemental está constituido por
- Un conducto hueco dentro del cual fluye el
combustible líquido. El exterior de este conducto puede ser
cilíndrico o paralelepipédico con sección cuadrada; la geometría
interna del conducto es cilíndrica.
- Un canal mecanizado en el cual está dispuesto
el conducto hueco. La geometría de este canal es la misma que la
geometría externa del conducto hueco. El fluido de atomización
circula en el canal alrededor del conducto hueco.
Para proporcionar atomización externa del
combustible líquido por el fluido de atomización, todos los
atomizadores elementales que componen el dispositivo de atomización
de la invención se ajustan a criterios técnicos precisos.
Para cada atomizador elemental i, donde i puede
ser igual a 1, 2, 3, 4, ó 5 de acuerdo con el número de inyectores
elementales que tiene el dispositivo de atomización de la
invención, es aplicable lo siguiente:
- 1.
- Para evitar cualquier obstrucción del conducto hueco en el que circula el combustible líquido:
D^{i}{}_{1}
\geq 0,5 mm \ y \ \text{típicamente} \ D^{i}{}_{1} = 2 mm
.
- 2.
- El espesor de conducto hueco tiene que ser tan pequeño como sea posible a fin de permitir el cizallamiento inmediato del chorro de combustible líquido a medida que sale del conducto por el fluido de atomización que fluye a lo largo de su periferia: cuanto menor es el espesor de material que separa el combustible del fluido de atomización, tanto más rápidamente se pondrán en contacto los dos fluidos y por consiguiente tanto más efectivo será el cizallamiento entre los dos chorros. Adicionalmente, una reducción en el espesor del conducto favorece también la formación de una pulverización que tenga un ángulo sólido bajo.
- 3.
- Por último, una disminución en este espesor sirve también para reducir la cantidad de material sometida a la radiación térmica procedente de la cámara de combustión: cuanto menor es el espesor del conducto, tanto más limitada será la cantidad de calor capturada por el conducto. Como consecuencia, se reducirá la temperatura del conducto.
Por el contrario, este espesor tiene que ser
suficiente para proporcionar resistencia mecánica a los choques que
ocurren durante la manipulación del dispositivo de atomización.
D^{i}_{2} - D^{i}_{1} \leq 6 mm, y
típica y preferiblemente
D^{i}_{2} - D^{i}_{1} = 1 mm.
El espacio entre el exterior del conducto hueco y
el interior del canal ("la llama") tiene que adaptarse de tal
manera que la velocidad del fluido de atomización (V_{fluido \
atomización}) obedezca a la relación:
Mach \ 0,3
\leq V_{fluido \ atomización} \leq Mach \ 1, 2
.
\newpage
De acuerdo con ello, dependiendo de las
velocidades de suministro del combustible a atomizar, es aplicable
lo siguiente:
0,2 mm \leq (D^{i}_{3} -
D^{i}_{2})\leq 6 mm,
y típicamente (D^{i}_{3} - D^{i}_{2}) = 1
mm.
El propósito de cada uno de los atomizadores
elementales es eyectar una pulverización de gotitas en una
dirección precisa. Esta dirección es la dirección del eje del canal
y el conducto hueco para un combustible líquido.
Para asegurar esta orientación precisa de las
trayectorias de las gotitas que componen la pulverización, es
necesario tener una coaxialidad perfecta entre el eje del canal y
el del conducto hueco. Así, el criterio es:
\alpha^{i}_{1} = \alpha^{i}_{2}.
Adicionalmente, la longitud del conducto hueco y
la longitud del canal tienen que ser suficientes para asegurar el
establecimiento de los flujos de ambos fluidos en sus conductos
respectivos. Si se desea que los dos fluidos entren en la cámara de
combustión con la misma orientación de los componentes axiales de
sus vectores de velocidad respectivos, se prefiere que:
L^{i}_{1} \geq 5 D^{i}_{1} y
típicamente L^{i}_{1} = 10 D^{i}_{1}
L^{i}_{2} \geq 5 (D^{i}_{3} -
D^{i}_{2}) y típicamente L^{i}_{2} = 15 (D^{i}_{1} -
D^{i}_{2})
Para asegurar una distribución apropiada del
combustible líquido entre los diferentes conductos elementales que
componen el dispositivo, el criterio a satisfacer es:
D_{OI}^{2} \geq 1,3 \sum_{i}
D^{i}_{1}^{2} y típicamente D_{OI} = 4 mm.
Adicionalmente, las longitudes de los diferentes
conductos tienen que ser tan próximas unas a otras como sea
posible:
Así, si i y j son dos atomizadores elementales,
L^{i}_{1} = L^{j}_{1}.
Dependiendo de si se desea o no distribuir
velocidades de suministro de combustible líquido diferentes a cada
uno de los conductos elementales, pueden seleccionarse o no valores
D^{i}_{1} específicos para cada uno de los conductos
elementales. Cuanto mayor sea D^{i}_{1}, tanto más combustible
será transportado por el atomizador elemental i.
Para asegurar una distribución apropiada de
fluido de atomización a los diversos canales elementales que
comprenden el dispositivo, el criterio a satisfacer es:
D_{FP}^{2} - D_{OE}^{2} \geq 1, 3
\sum_{i} (D^{i}_{3}^{2} - D^{i}_{2}^{2}).
Adicionalmente, las longitudes de los diferentes
conductos tienen que ser tan próximas unas a otras como sea
posible:
Así, si i y j son dos atomizadores elementales,
L^{i}_{2} = L^{j}_{2}.
El ángulo relativo entre los diferentes
atomizadores elementales es función del número de atomizadores
elementales que componen el dispositivo de atomización y la
morfología de la llama que se desea obtener. Así:
0 grados \leq \alpha^{i}_{1} \leq 60
grados y 0 grados \leq \alpha^{i}_{2} \leq 60 grados.
En general, cuanto mayor es el número de
atomizadores elementales y mayores los ángulos relativos entre
estos atomizadores elementales, tanto más ancha y más corta será la
llama. Inversamente, un dispositivo de atomización que tenga dos
atomizadores elementales con un ángulo relativo bajo (del orden de
10 grados, es decir \alpha^{1}_{1} = \alpha^{1}_{2} = 5
grados y \alpha^{2}_{1} = \alpha^{2}_{2} = 5 grados)
producirá una llama larga y estrecha.
A modo de ejemplo, se obtuvieron las llamas
siguientes en ensayos industriales en un horno de vidrio y en un
horno piloto con dos dispositivos de atomización, cada uno de los
cuales tenía tres atomizadores elementales: tasa de suministro de
fueloil = 100 kg/h; tasa de suministro de aire de atomización = 20
kg/h.
Dispositivo A (Fig. 18):
\alpha^{1}_{1} = \alpha^{1}_{2} = 16
grados; \alpha^{2}_{1} = \alpha^{2}_{2} = 0 grados;
\alpha^{3}_{1} = \alpha^{3}_{2} = 16 grados.
D^{1}_{1} = D^{2}_{1} = D^{3}_{1} =
2,0 mm.
Longitud de llama visible = 3,5 m.
Anchura de llama visible = 1,5 m.
Dispositivo B (Fig.18):
\alpha^{1}_{1} = \alpha^{1}_{2} = 12
grados; \alpha^{2}_{1} = \alpha^{2}_{2} = 0 grados;
\alpha^{3}_{1} = \alpha^{3}_{2} = 12 grados.
D^{1}_{1} = D^{2}_{1} = D^{3}_{1} =
2,0 mm.
Longitud de llama visible = 4,5 m.
Anchura de llama visible = 0,7 m.
Dependiendo de los ángulos respectivos para los
atomizadores elementales y del diámetro relativo de los conductos
huecos que transportan el combustible líquido, es posible también
obtener llamas separadas para cada uno de los atomizadores
elementales.
Así, para las mismas tasas de suministro de
fueloil y aire de atomización, se tiene:
Dispositivo C (Fig. 18):
\alpha^{1}_{1} = \alpha^{1}_{2} = 20
grados; \alpha^{2}_{1} = \alpha^{2}_{2} = 0 grados;
\alpha^{3}_{1} = \alpha^{3}_{2} = 20 grados.
D^{1}_{1} = D^{2}_{1} = D^{3}_{1} =
2,0 mm.
Longitud de 3 llamas visibles separadas = 1,5
m.
Anchura de 3 llamas visibles separadas = 0,5
m.
En el caso del uso continuo de este dispositivo
en hornos de vidrio (cámaras de combustión con temperaturas
elevadas que van desde 1500ºC a 1670ºC), el dispositivo de
atomización de la invención tiene que ser capaz de asegurar la
producción de una llama estable durante periodos del orden de meses.
El principio de atomización seleccionado hace posible mantener la
temperatura de las partes metálicas que componen el dispositivo por
debajo de 1100ºC. Así, la temperatura medida en la punta del
dispositivo durante un ensayo industrial de un mes de duración en
un horno de vidrio a 1600ºC no excedió nunca de 800ºC.
Estas temperaturas, que no son muy altas
comparadas con la temperatura de fusión de vidrio (\sim1350ºC),
dan lugar a un fenómeno de condensación por los materiales vítreos
presentes en los hornos de vidrio.
Para evitar la formación de una capa de
condensados de vidrio en el exterior de la tobera externa, se
proporcionan dos orificios simétricos en la tobera (Fig. 19a y Fig.
19b). El diámetro D_{OR} y la altura H_{OR} se establecen de
tal manera que el chorro de fluido de atomización que emerge de los
orificios abarca la superficie entera del extremo de la tobera
externa.
Típicamente, D_{OR} \sim1 mm y H_{OR}
\sim10 mm.
Para evitar la formación de una capa de
condensados de vidrio en el frente y en la parte lateral de la
tobera externa, tiene que practicarse una pequeña rendija (e_{FF}
\sim0,1 mm) entre las toberas externas.
Para una geometría dada del dispositivo de
atomización de la presente invención, es posible variar
significativamente la longitud de la llama (o llamas)
producida(s) por un quemador que utilice este dispositivo. La
flexibilidad (en términos de longitud de llama para tasa de
suministro constante de combustible) observada cuando se despliega
este dispositivo en un horno de vidrio corresponde a una relación
de uno a tres (longitud de llama variable desde 3,7 a 1,2 m).
Este control de la longitud de la llama se
consigue aumentando o disminuyendo la tasa de suministro del fluido
de atomización que fluye entre la tobera externa y el inyector de
combustible líquido. Esta variación en la tasa de suministro va
ligada directamente a la variación de presión del fluido de
atomización aguas arriba del dispositivo de atomización.
En el uso ordinario, este dispositivo funciona a
una presión del fluido de atomización entre 1 y 6 bares relativos.
Cuanto mayor es la presión del fluido de atomización, tanto mayor
será también la tasa de suministro del fluido de atomización y
tanto más corta y "más dura" será(n) la llama (o llamas)
obtenida(s). Este fenómeno es atribuible directamente al
cambio en la distribución de tamaños de partícula de las gotitas de
combustible líquido que componen la pulverización que se forma: el
aumento en la tasa de suministro del fluido de atomización tiene el
efecto de disminuir el diámetro medio de las gotitas de
pulverización y estrechar la distribución de los diámetros alrededor
de este valor medio. Inversamente, una disminución en la tasa de
suministro del fluido de atomización aumentará el diámetro medio
ensanchando al mismo tiempo la distribución.
Se emplean fluidos de atomización presurizados
preferidos, tales como aire comprimido, vapor vivo "steam"),
vapor de agua ordinario, y análogos.
La Fig. 20a es una ilustración esquemática de un
bloque de refractario 5 y una cavidad de gas combustible 94 en el
mismo, mientras que la Fig. 20b es una representación esquemática
que ilustra una cavidad con diámetro de garganta D' y diámetro de
salida de gas D para un inyector o cavidad. Para gas combustible,
la relación de 1 (de la Fig. 2, la distancia entre salidas
adyacentes del gas combustible) y D' (diámetro de la garganta de la
cavidad o inyector de combustible) varía desde 1,5 a 10, más
preferiblemente desde 1,5 a 3, y muy preferiblemente es 2. La Fig.
20a ilustra también que las cavidades en el bloque de refractario
pueden tener diámetro variable en la dirección de flujo del gas, y
que las salidas de gas están contorneadas generalmente en las
salidas, lo que hace posible que las salidas tengan menor
probabilidad de obstruirse.
Las Figs. 21 y 22 son vistas en alzado desde un
extremo de las salidas de gas de otras dos realizaciones del bloque
de refractario dentro de la invención, que ilustran cavidades de
oxidante 91a y 91b. La realización de Fig. 21 ilustra que las
cavidades de gas combustible 94 pueden tener inyectores de gas
concéntricos en cada cavidad, con lo cual por ejemplo, el
combustible puede inyectarse en el inyector de gas combustible de
diámetro pequeño 94' para operación a baja potencia, y a través del
inyector de gas combustible de diámetro grande 94 únicamente, o a
través de ambos inyectores 94 y 94' para operación del quemador a
alta potencia. El control del flujo de combustible entre 94 y 94'
puede controlarse por disposiciones de válvulas adecuadas, o
mediante el uso de un orificio en la línea de alimentación de uno u
otro de 94 y 94'. Se ilustra también un inyector de combustible
líquido 95.
La Fig. 22 ilustra una realización alternativa
del bloque de refractario muy importante dentro de la invención, en
la cual se ha descubierto que la estabilidad de la llama se
incrementa significativamente cuando los inyectores de oxidante
periféricos 91a y 91b, una vez posicionados como se ilustra, tienen
una distancia que separa los mismos de L, que es mayor que dos veces
la distancia 1 entre inyectores de combustible adyacentes, es decir
cuando L > 21. Esto es cierto también cuando el combustible y el
oxidante se inyectan utilizando exclusivamente inyectores, en lugar
de utilizar un bloque de refractario.
Las Figs. 23-31 ilustran, en
vistas verticales de frente, otras realizaciones de ensamblajes del
quemador de la invención. La Fig. 23 ilustra una realización en la
cual las dos cavidades de oxidante 91a y 91b tienen salidas que son
rectangulares, ilustrando también tres salidas de gas combustible 94
y una salida de combustible líquido 95.
La Fig. 24 ilustra una realización en la cual el
oxidante procede de dos salidas de oxidante 91a y 91b, y el
oxidante procede también de tres porciones anulares 91' que rodean
respectivamente tres salidas de combustible 94'.
La Fig. 25 ilustra una realización en la cual
está presente una sola salida de oxidante 91 como un rectángulo que
tiene una anchura mucho mayor que su altura. En esta realización,
la relación de anchura a altura de la salida de la cavidad de
oxidante puede variar desde 1:1 hasta 4:1.
La Fig. 26 ilustra una realización en la cual las
dos cavidades de oxidante 91a y 91b tienen salidas que son
elipsoidales, ilustrando también tres salidas de gas combustible
94.
La Fig. 27 ilustra una realización similar a la
realización de la Fig. 26, con la adición de una cavidad de
combustible líquido 95 que tiene una salida circular.
La Fig. 28 ilustra una realización en la cual
está presente una sola salida elipsoidal de oxidante 91 con tres
cavidades de gas combustible 94 que tienen salidas circulares.
La Fig. 29 ilustra una realización similar a la
realización de la Fig. 28, con la adición de una cavidad de
combustible líquido 95 que tiene una salida circular.
\newpage
La Fig. 30 ilustra una realización en la cual
está presente una sola salida elipsoidal de oxidante 91 con dos
cavidades de gas combustible 94 que tienen salidas circulares.
La Fig. 31 ilustra una realización similar a la
realización de la Fig. 30, en la cual está presente una sola salida
elipsoidal de oxidante 91 con dos cavidades de gas combustible 94
que tienen salidas circulares, con la adición de una cavidad de
combustible líquido 95 que tiene una salida circular.
Las Figs. 32 y 33 ilustran realizaciones en las
cuales el oxidante procede de una o más posiciones situadas ambas
por encima y por debajo de la o las salidas de combustible. En
estas realizaciones, las cavidades de combustible son esencialmente
paralelas a las cavidades de oxidante inferiores, mientras que las
cavidades de oxidante superiores forman un ángulo descendente de tal
modo que el flujo del fluido oxidante superior converge con el
flujo de fluido combustible y el flujo de oxidante inferior fluye
en la cámara de combustión. Así, en la Fig. 32, están dispuestas
salidas duales de oxidante 91a y 91b por encima y por debajo,
respectivamente, de una sola salida de combustible 94. La Fig. 33
ilustra una realización similar, excepto que existen dos salidas de
oxidante 91a y 91b por encima de dos salidas de combustible 94, y
dos salidas de oxidante 91a' y 91b' por debajo de las salidas de
combustible duales. Pueden contemplarse más de dos salidas de
combustible, con salidas de oxidante superiores e inferiores
correspondientes.
Son posibles muchas otras realizaciones y pueden
ser construidas por el técnico experto después de haber leído y
comprendido lo que antecede.
Es importante señalar que las salidas de oxidante
y combustible en todas las realizaciones están preferiblemente
contorneadas, corno se representa por ejemplo en las Figs.
8-11.
Claims (51)
1. Un método de combustión de un combustible con
un oxidante, que comprende los pasos de:
a) proporcionar un suministro de una corriente de
fluido oxidante;
b) inyectar una porción principal de dicha
corriente de fluido oxidante en una cámara de combustión en al menos
dos corrientes de fluido oxidante;
c) proporcionar un suministro de una corriente de
fluido combustible;
d) inyectar dicha corriente de fluido combustible
en la cámara de combustión para crear al menos dos corrientes de
fluido combustible inyectadas;
caracterizado por los pasos siguientes
de:
e) crear una lámina sustancialmente plana de
fluido combustible en la cámara de combustión con las al menos dos
corrientes de fluido combustible inyectadas en la cámara de
combustión, estando localizadas al menos dos de las corrientes de
fluido combustible inyectadas sustancialmente en un primer plano de
combustible (2), siendo la distancia h entre el primer plano de
combustible y el segundo plano de oxidante (4) definida por las al
menos dos corrientes de fluido oxidante al menos igual a dos veces
el diámetro del inyector de oxidante (23, 24) en el plano vertical a
la salida de las cavidades de corriente;
f) cortar la corriente de fluido oxidante con la
lámina de fluido combustible en la cámara de combustión; y
g) quemar el fluido combustible con el fluido
oxidante en la cámara de combustión,
en donde el ángulo \alpha entre el primer plano
de combustible (2) y el segundo plano de oxidante (4) es menor que
20º.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado adicionalmente por dos corrientes de fluido
combustible adyacentes que tienen un ángulo de divergencia final que
no es mayor que 15º.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado adicionalmente por una porción mayor de las
corrientes de fluido combustible que están localizadas
sustancialmente en el primer plano (2), estando situado dicho primer
plano de combustible por debajo de dichas corrientes de
oxidante.
4. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado adicionalmente porque
la totalidad de las corrientes de fluido combustible están
localizadas sustancialmente en el primer plano, estando situado
dicho primer plano de combustible (2) por debajo de dichas
corrientes de oxidante.
5. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado adicionalmente porque
dicho fluido combustible es un combustible gaseoso.
6. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado adicionalmente porque
dicho fluido combustible se selecciona del grupo constituido por
metano, gas natural, gas natural licuado, gas natural reformado con
vapor, propano, monóxido de carbono, hidrógeno, aceite atomizado o
mezclas de los mismos.
7. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado adicionalmente porque
dicho fluido oxidante es un gas que comprende oxígeno, que tiene al
menos 50% de oxígeno en volumen.
8. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 2 a 7, caracterizado adicionalmente porque
el ángulo de divergencia final está comprendido entre 3º y 10º.
9. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado adicionalmente porque
la totalidad del oxidante se inyecta en las al menos dos corrientes
de fluido oxidante que definen el segundo plano (4).
10. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 6 9, caracterizado adicionalmente por dos
corrientes de fluido oxidante adyacentes que forman un ángulo de
divergencia final menor que 15º.
11. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado adicionalmente porque
la inyección de las corrientes de combustible crea una nube de
combustible que tiene un ángulo de propagación que es como máximo
120º.
12. El método de acuerdo con la reivindicación
11, caracterizado porque dicho ángulo de propagación está
comprendido entre 10º y 60º.
13. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado adicionalmente porque
la tasa del combustible es al menos 15 metros por segundo.
14. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 13, en el cual el primer plano del combustible
comprende tres corrientes de fluido combustible y dos corrientes de
fluido oxidante.
15. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 14, en el cual al menos dos corrientes de
fluido oxidante inyectadas y una inyección de gas natural está
localizada entre estas al menos dos corrientes de fluido oxidante
inyectadas.
16. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 15, en el cual se proporciona una presión de
suministro de oxidante baja.
17. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 16, en el cual el oxidante comprende más de 50%
vol de O_{2}, preferiblemente más de 88% vol de O_{2}.
18. Un ensamblaje de quemador que tiene al menos
dos cavidades de fluido combustible (1a, 1b, 1c ó 20, 22), al menos
dos cavidades de fluido oxidante (3a, 3b ó 23, 24) y al menos una
cara de salida en la cual terminan al menos dos de las cavidades de
fluido combustible o al menos dos de las cavidades de fluido
oxidante o ambas, teniendo también el ensamblaje del quemador:
a) medios para suministrar una corriente de
fluido oxidante;
b) medios para inyectar dicha corriente de fluido
oxidante en al menos dos cavidades de fluido oxidante para crear al
menos dos corrientes de fluido oxidante inyectadas;
c) medios para suministrar una corriente de
fluido combustible;
d) medios para inyectar dicha corriente de fluido
combustible en al menos dos cavidades de fluido combustible para
crear al menos dos corrientes de fluido combustible inyectadas que
definen un primer plano de combustible (2), caracterizado
porque:
las direcciones de inyección de la corriente de
fluido oxidante y la corriente de fluido combustible son
sustancialmente convergentes con un ángulo \alpha entre 0 y 20º y
se cortan en una zona de combustión, mientras que las direcciones de
al menos dos cavidades adyacentes de fluido combustible son
divergentes, y la distancia h entre el primer plano de combustible y
el segundo plano de oxidante (4) definido por las al menos dos
corrientes de fluido oxidante es al menos igual a dos veces el
diámetro del inyector de oxidante, en el plano vertical a la salida
de las cavidades de corriente.
19. Un ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 18, que comprende adicionalmente un bloque de
refractario (5) adaptado para estar en conexión fluida con fuentes
de oxidante y combustible, teniendo el bloque de refractario (5) un
extremo de entrada de combustible y oxidante y un extremo de salida
de combustible y oxidante, teniendo el extremo de entrada salidas de
combustible y salidas de oxidante, teniendo adicionalmente el bloque
de refractario (5) una pluralidad de cavidades de combustible,
definiendo al menos dos de las cavidades de combustible el primer
plano de combustible (2), y una pluralidad de cavidades de oxidante
que definen el segundo plano de oxidante (4), siendo las cavidades
de combustible más numerosas que las cavidades de oxidante.
20. Ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 19, caracterizado adicionalmente porque las
salidas de oxidante son mayores que las salidas de combustible.
21. Ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 19 ó 20, caracterizado adicionalmente por un
ensamblaje de abrazadera de montaje (72) que está fijado de manera
amovible al extremo de entrada de combustible y oxidante del bloque
de refractario, teniendo el ensamblaje de la abrazadera de montaje
una cara de distribución de gas.
22. Ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 21, caracterizado adicionalmente por un
distribuidor de combustible (74) posicionado en una porción inferior
de la cara de distribución de gas.
23. Ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 21 ó 22, caracterizado adicionalmente por un
distribuidor de oxidante (76) posicionado en una porción superior de
la cara de distribución de gas.
24. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 23, caracterizado adicionalmente
porque dicho bloque de refractario es un material seleccionado del
grupo constituido por óxido de circonio fundido, alúmina-óxido de
circonio-sílice fundida moldeada, alúmina-óxido de
circonio-sílice refusionada, y alúmina fundida
moldeada.
25. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 24, caracterizado adicionalmente
por una o más cavidades que tienen en su interior un inyector.
26. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 25, caracterizado adicionalmente
porque dicho bloque de refractario tiene al menos cinco
cavidades.
27. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 26, caracterizado adicionalmente
porque dicho bloque de refractario tiene tres cavidades (1a, 1b,
1c) en una porción inferior del mismo para inyección de dicho
combustible en una cámara de combustión de un horno, y dos cavidades
(3a, 3b) en una porción superior del mismo para inyección de dicho
oxidante en dicha cámara de combustión del horno.
28. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 27, caracterizado adicionalmente
porque dichas salidas de combustión y oxidante son circulares.
29. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 28, caracterizado adicionalmente
porque dichas cavidades son orificios rectos pasantes a través del
bloque de refractario (5) y las salidas de las cavidades están
contorneadas.
30. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 27 a 29, caracterizado adicionalmente porque
dichas tres cavidades en dicha porción inferior para dicha inyección
de combustible están dispuestas cada una en un ángulo de divergencia
final en el extremo de salida de combustible y oxidante comprendido
entre 3º y 15º con relación a una cavidad de combustible
adyacente.
31. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 27 a 30, caracterizado adicionalmente porque
dichas tres cavidades en dicha porción inferior para dicha inyección
de combustible están dispuestas cada una en un ángulo de divergencia
final en el extremo de salida de combustible y oxidante comprendido
entre 3º y 10º con relación a una cavidad de combustible
adyacente.
32. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 27 a 31, caracterizado adicionalmente porque
dichas dos cavidades en dicha porción superior para inyección de
dicho oxidante están posicionadas en un ángulo de divergencia final
entre ellas en el extremo de salida de combustible y oxidante
comprendido entre 0º y 15º.
33. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 27 a 32, caracterizado adicionalmente porque
dichas dos cavidades en dicha porción superior para inyección de
dicho oxidante están posicionadas en un ángulo de divergencia final
entre ellas en el extremo de salida de combustible y oxidante
comprendido entre 7º y 15º.
34. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 23 a 33, caracterizado adicionalmente porque
dicho distribuidor de oxidante (76) está montado directamente en
dicho ensamblaje de abrazadera de montaje (72) con medios de
apriete.
35. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 22 a 34, caracterizado adicionalmente porque
dicho distribuidor de combustible (74) está montado directamente en
dicho ensamblaje de abrazadera de montaje (72) con medios de
apriete.
36. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 27 a 35, caracterizado adicionalmente porque
dicho distribuidor de combustible (74) es un componente simple e
integral que está ajustado dentro de una cavidad de dicho bloque de
refractario (5), teniendo dicho distribuidor de combustible (74)
salidas de combustible múltiples.
37. El ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 36, caracterizado adicionalmente
porque cada cavidad de combustible tiene una garganta que tiene un
diámetro de garganta D' y una salida que tiene un diámetro de salida
D' y las salidas de la cavidad de combustible están separadas
espacialmente por una distancia 1.
38. El ensamblaje de quemador de acuerdo con la
reivindicación 37, caracterizado adicionalmente por una
relación de dicha distancia 1 a dicho diámetro D' de una mínima de
las gargantas de cavidad de combustible que varía de 1,5 a 10.
39. El ensamblaje de quemador de la
reivindicación 38, caracterizado adicionalmente porque dicha
relación varía de 1,5 a 3.
40. El ensamblaje de quemador de la
reivindicación 38 ó 39, caracterizado adicionalmente porque
dicha relación es 2.
41. Ensamblaje de quemador de acuerdo con una de
las reivindicaciones 19 a 40, caracterizado adicionalmente
por una relación de (l/d) que varía de 4 a 10.
42. Ensamblaje de quemador de acuerdo con una de
las reivindicaciones 19 a 41, caracterizado adicionalmente por una
relación de (L/D) que varía de 2 a 10.
43. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 19 a 42, caracterizado adicionalmente por
tener al menos un inyector de combustible líquido oxigenado por
debajo de dicho primer plano de combustible en una distancia
d_{2}, donde d_{2} se define como
d_{2} = d_{1}
\rho_{FO}/\rho_{GN}[(I_{FO}, + I_{AIRE}) /I_{GN}]
(10^{-3})
en donde:
I_{FO} = momento del combustible líquido en la
cavidad o inyector,
I_{AIRE} = momento del aire de atomización en
el inyector o cavidad,
I_{GN} = momento del combustible gaseoso,
\rho_{FO} = densidad relativa del combustible
líquido,
\rho_{GN} = densidad relativa del combustible
gaseoso, y dicho primer plano de combustible y dichos segundos
planos de oxidante separados por una distancia d_{1},
d_{1} = A(P/1000)^{1/2}
en donde P es la capacidad del quemador en
kilovatios (kW), y aprox. 500 mm < A < 150 mm.
44. El ensamblaje de quemador de la
reivindicación 43, caracterizado adicionalmente porque A es
110 milímetros y
I_{FO} = 0,06 N
I_{AIRE} = 1, 79 N,
I_{GN} = 1,56 N,
\rho_{FO} = 0,9 kg/dm^{3},
\rho_{GN} = 0,74 kg/m^{3},
y los valores dimensionales enumerados en la
Tabla 1, en la cual d es el diámetro de las salidas de combustible
gaseoso, D es el diámetro de las salidas de oxidante, L es la
distancia entre las salidas de oxidante más exteriores, y 1 es la
distancia entre dos salidas de combustible cualesquiera.
TABLA 1
Potencia del Quemador
45. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 19 a 44, caracterizado adicionalmente por
tener al menos dos cavidades periféricas de oxidante (91a, 91b)
separadas por una distancia L, y cavidades adyacentes de dichas
cavidades de combustible (94) separadas por una distancia l, y en
donde L es mayor que l por un factor de al menos 2.
46. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 19 a 45, caracterizado adicionalmente porque
al menos una de dichas cavidades de fluido combustible (94) en dicho
primer plano de combustible tienen un tubo dentro de dicha cavidad
(94'), teniendo dicho tubo un diámetro exterior sustancialmente
menor que un diámetro interior de dicha cavidad.
47. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 19 a 46, caracterizado adicionalmente porque
el segundo plano de oxidante y dicho primer plano de combustible
está posicionado de tal manera que convergen en un ángulo que varía
de 0º a 15º.
48. El ensamblaje de quemador de una de las
reivindicaciones 20 a 47, caracterizado adicionalmente porque
al menos una cavidad tiene posicionado en su interior un
inyector.
49. El ensamblaje de quemador de la
reivindicación 48, en el que dicho inyector sobresale dentro de la
cámara de combustión.
50. El ensamblaje de quemador de la
reivindicación 48 ó 49, caracterizado adicionalmente porque
dicho inyector tiene una longitud tal que no sobresale en la cámara
de combustión, sino que termina en una posición interna al bloque de
refractario.
51. un ensamblaje de quemador de acuerdo con una
de las reivindicaciones 19 a 50, que tiene adicionalmente una sola
cavidad de combustible líquido para generar una corriente de
combustible líquido pulverizado, en el cual se inyecta combustible
gaseoso para generar las al menos dos corrientes de fluido
combustible, o se inyecta combustible líquido a través de la única
cavidad de combustible líquido para generar una corriente de
combustible líquido pulverizado.
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