ES2222473T3 - Metodo de combinar oxidante y combustible en un quemador de oxi-combustible que tiene salidas coaxiales para combustible y oxidante. - Google Patents
Metodo de combinar oxidante y combustible en un quemador de oxi-combustible que tiene salidas coaxiales para combustible y oxidante.Info
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Abstract
UN QUEMADOR DE OXIDANTE-COMBUSTIBLE INCLUYE UN TUBO DE OXIDANTE EXTERIOR (12), UN TUBO DE COMBUSTIBLE INTERMEDIO (14) Y UN TUBO DE OXIDANTE INTERIOR (16) QUE ESTAN COAXIALMENTE DISPONIBLES CON EL TUBO DE COMBUSTIBLE DISPUESTO ENTRE LOS TUBOS DE OXIDANTE INTERIOR Y EXTERIOR. LAS CARACTERISTICAS DE LA LLAMA PRODUCIDA POR EL QUEMADOR PUEDEN CONTROLARSE VARIANDO LAS PROPORCIONES RELATIVAS DE FLUJO DE LOS FLUJOS DE OXIDANTE INTERIOR Y EXTERIOR. UN INCREMENTO EN EL PORCENTAJE DEL OXIDANTE TOTAL QUE SE SUMINISTRA AL TUBO DE OXIDANTE INTERIOR PROVOCA QUE LA LONGITUD Y LA LUMINOSIDAD DE LA LLAMA DESCIENDA Y SE INCREMENTE EL IMPETU DE LA LLAMA. LAS CARACTERISTICAS DE LA LLAMA DEL QUEMADOR PUEDEN ESCOGERSE PARA UNA APLICACION PARTICULAR SIN REQUERIR LA MODIFICACION MECANICA DEL QUEMADOR
Description
Método de combinar oxidante y combustible en un
quemador de oxi-combustible que tiene salidas
coaxiales para combustible y oxidante.
El presente invento se refiere a un método de
combinar oxidante y combustible en un quemador de
oxi-combustible en el que pasos coaxiales alimentan
combustible y oxígeno.
Quemadores de oxi-combustible que
tienen pasos coaxiales para alimentación de combustible y oxígeno,
que se utilizan, por ejemplo, en hornos para fundir vidrio, se
describen en las patentes norteamericanas núms. 4.931.013;
4.986.748; 5.199.866; 5.256.058 y 5.267.850. En estos quemadores,
el combustible, que puede comprender gas natural, es alimentado a
través de un paso dispuesto radialmente en el interior de un paso
coaxial para oxidante. Tradicionalmente, el perfil de transmisión
térmica de los quemadores conocidos se ajusta mediante la
modificación de la geometría del quemador, lo cual resulta
relativamente costoso e inconveniente. Por tanto, sería deseable
poder ajustar el perfil de transmisión térmica de manera más
sencilla y conveniente.
Las configuraciones de horno conocidas emplean
una pluralidad de quemadores cada uno de los cuales puede
funcionar con un régimen de combustión diferente. Si se utiliza la
misma configuración de quemador para múltiples quemadores en todo
el horno y estos quemadores funcionan con distintos regímenes de
combustión, la longitud de las llamas de los quemadores diferirá
dependiendo de los regímenes de combustión. Por tanto, en hornos
que emplean quemadores conocidos, cuando se desea una longitud de
la llama relativamente constante de un quemador al siguiente, puede
ser necesario modificar las configuraciones de quemador de
diferentes quemadores dentro del horno para conseguir longitudes de
llama apropiadas cuando los quemadores son hechos funcionar a
distintos regímenes de combustión. En esta situación sería
particularmente deseable poder ajustar la longitud de la llama de
cada quemador individual sin proceder a una modificación mecánica
de los quemadores.
Además, en ciertas aplicaciones puede ser
deseable emplear quemadores en un área de un horno que produzcan
llamas con un cierto momento, al tiempo que en un área diferente
del horno se emplean quemadores que produzcan llamas con un momento
diferente. Sin embargo, estos diferentes momentos de las llamas no
pueden lograrse, para la misma cantidad de combustible, con los
quemadores conocidos sin cambiar mecánicamente la configuración del
quemador.
Cuando, por motivos operativos, se cambia la
composición del combustible utilizado para quemarse en los
quemadores, (por ejemplo, cuando se sustituye gas natural por
propano para uso como combustible durante períodos de restricciones
del gas natural), un quemador de momento variable puede encontrarse
de utilidad con el fin de mantener las características originales
de la llama cuando cambian significativamente la densidad y el
caudal del combustible.
Otro tipo de quemador que incluye una tobera
central para oxígeno, una tobera para combustible radialmente
separada respecto de la tobera central, y al menos una tobera
periférica para oxígeno, se describe en la patente norteamericana
núm. 5.104.310. Las toberas periféricas para oxígeno proporcionan
un flujo de alta velocidad de oxidante, preferiblemente un flujo
sónico. Este flujo de oxidante sónico, exterior, crea una llama con
un momento elevado que tiene varias desventajas con respecto a las
llamas de momento más bajo. En particular, las llamas de momento
elevado tienen menor longitud y temperaturas de pico más altas y,
también, producen más arrastres y más emisiones indeseables de
materiales en partículas. El quemador descrito en la patente
norteamericana núm. 5.104.310 también tiene el inconveniente de que
emplea una camisa de agua posicionada en torno al exterior del
quemador. En los quemadores refrigerados por agua conocidos existe
un problema con la condensación de diversos gases de horno sobre
las superficies frías, que origina la corrosión de las superficies.
Estas superficies corroídas están sometidas a fallos. Por lo
tanto, el uso de un quemador que no necesite refrigeración por agua
evitará, ventajosamente, la corrosión de las superficies y su
fallo. El quemador descrito en la antes mencionada patente tiene,
además, el inconveniente de que no pueden cambiarse las
características de la llama sin realizar modificaciones mecánicas
en el quemador.
El presente invento se refiere a un método de
combinar oxidante y combustible en un quemador de
oxi-combustible que comprende un paso exterior para
conducir oxidante, que forma una salida exterior para el oxidante,
un paso interior para conducir oxidante, que forma una salida
interior para el oxidante, y un paso para conducir combustible, que
forma una salida de combustible. Las salidas están dispuestas
coaxialmente, con la salida de combustible dispuesta radialmente
entre las salidas exterior e interior para el oxidante.
La salida de combustible y la salida interior
para el oxidante están posicionadas, preferiblemente, para hacer
que combustible procedente del paso para conducir combustible se
mezcle con el oxidante procedente del paso interior para conducir
oxidante en un lugar desplazado axialmente hacia dentro de la
salida exterior para el oxidante. Se hace variar el caudal de
oxidante a través del paso interior para conducir oxidante con el
fin de controlar una característica de la llama, tal como el
momento y/o la luminosidad de la llama.
El quemador comprende, preferiblemente, tubos
exterior, intermedio e interior, cilíndricos, dispuestos
coaxialmente. El tubo cilíndrico exterior forma el paso exterior
para conducir oxidante. El tubo cilíndrico exterior puede estar
montado en una cavidad prevista en la pared del horno, tal como un
bloque de quemador, que prolonga el tubo cilíndrico exterior. En
este caso, la salida exterior para el oxidante se encuentra en el
extremo de la cavidad. Cuando el quemador es utilizado sin bloque
de quemador, la salida exterior para el oxidante es la salida del
tubo cilíndrico exterior. El tubo cilíndrico intermedio está
separado radialmente hacia dentro respecto del tubo exterior y
forma el paso para conducir combustible y la salida de combustible.
El tubo interior está separado radialmente hacia dentro respecto
del tubo intermedio y forma el paso interior para conducir oxidante
y la salida interior de oxidante. De preferencia, la salida de
combustible está desplazada axialmente hacia dentro con respecto a
la salida exterior de oxidante, y la salida interior de oxidante
está desplazada axialmente hacia dentro con respecto a la salida
de combustible.
El método de acuerdo con el presente invento
comprende conducir un flujo exterior de oxidante a través de un
paso exterior para conducir oxidante, y descargar el flujo exterior
de oxidante por una salida exterior de oxidante. Se conduce un
flujo de combustible por un paso para conducir combustible y se le
descarga por una salida de combustible dispuesta coaxialmente con
respecto a la salida exterior de oxidante y separada radialmente
hacia dentro respecto de ella. Un flujo interior de oxidante es
conducido por un paso interior para conducir oxidante y es
descargado por una salida interior de oxidante dispuesta
coaxialmente con respecto a la salida de combustible y separada
radialmente hacia dentro respecto de ella.
El flujo de combustible se mezcla,
preferiblemente, con el flujo interior de oxidante antes de
mezclarse con el flujo exterior de oxidante.
Cada uno de los flujos de oxidante, exterior e
interior, contiene al menos un 80% de oxígeno, siendo suministrado
por el flujo interior de oxidante, de preferencia, no más de
aproximadamente el 50% del oxidante total. El método comprende,
además, la operación de controlar, a través de medios de válvula,
un porcentaje del flujo total de oxidante que circula por el paso
interior para conducir oxidante con el fin de controlar la forma de
la llama haciendo variar el flujo interior de oxidante con respecto
al flujo exterior de oxidante. El flujo interior de oxidante tiene,
de preferencia, una velocidad de descarga cuya magnitud no es
menor que la del flujo exterior de oxidante. La velocidad de
descarga del flujo exterior de oxidante se encuentra,
preferiblemente, en el margen de desde aproximadamente 10 a 200
metros por segundo. El flujo de combustible comprende, de
preferencia, gas natural con una velocidad de descarga en el margen
de desde 20 a 80 metros por segundo.
Los objetos y ventajas del invento resultarán más
evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de sus
realizaciones preferidas, en conexión con los dibujos adjuntos, en
los que números similares designan elementos similares, y en los
que:
la Fig. 1 es una vista en sección longitudinal
tomada a través de un quemador adecuado para llevar a la práctica
el método de acuerdo con el presente invento;
la Fig. 2 es una vista de extremo de la punta de
descarga del quemador;
la Fig. 3 es una vista en sección longitudinal a
través de un bloque de quemador en el que está montado un quemador
adecuado para llevar a la práctica el método de acuerdo con el
presente invento;
la Fig. 4 es una vista lateral en sección de una
primera realización alternativa de un bloque de quemador
sustancialmente cilíndrico;
la Fig. 5 es una vista lateral en sección de una
segunda realización alternativa de un bloque de quemador
sustancialmente cilíndrico;
la Fig. 6 es una vista lateral en sección de una
tercera realización alternativa de un bloque de quemador
sustancialmente cilíndrico;
la Fig. 7 es una vista lateral en sección de una
cuarta realización alternativa de un bloque de quemador
sustancialmente cónico;
la Fig. 8 es una vista lateral en sección de una
quinta realización alternativa de un bloque de quemador
sustancialmente cónico;
la Fig. 9 es una vista lateral en sección de una
primera realización de un quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento, que está
montado en un bloque de quemador;
la Fig. 10 es una vista lateral en sección de una
segunda realización de un quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento, que está
montado en un bloque de quemador;
la Fig. 11 es una vista lateral en sección de una
tercera realización de un quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento, que está
montado en un bloque de quemador;
la Fig. 12 es una vista lateral en sección de una
cuarta realización de un quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento, que está
montado en un bloque de quemador;
la Fig. 13 es una vista lateral en sección de una
quinta realización del quemador adecuado para llevar a la práctica
el método de acuerdo con el presente invento, sin bloque de
quemador;
la Fig. 14 es una vista lateral en sección de una
sexta realización del quemador adecuado para llevar a la práctica
el método de acuerdo con el presente invento, sin bloque de
quemador;
la Fig. 15 es una vista lateral en sección de una
séptima realización del quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento, sin bloque
de quemador;
la Fig. 16 es una vista lateral en sección de una
octava realización del quemador adecuado para llevar a la práctica
el método de acuerdo con el presente invento, sin bloque de
quemador;
la Fig. 17 es una vista en sección longitudinal a
través de un bloque de quemador en el que está montado el
quemador, que ilustra la zona de llama;
la Fig. 18 es una gráfica que representa el flujo
de momento total en dirección axial a través del plano de salida y
de entrada del quemador, predicho mediante simulación numérica;
la Fig. 19 es una gráfica que muestra la fracción
molar de radical hidroxilo (OH) predicha a partir de simulación
numérica en el plano de salida del quemador;
la Fig. 20 es una gráfica que ilustra un perfil
de emisiones de OH integrado en la salida del quemador;
la Fig. 21 es una gráfica que muestra la
formación de NO_{x} a partir de un quemador de 0,32 MW; y
la Fig. 22 es una vista de extremo de una
realización alternativa del quemador adecuado para llevar a la
práctica el método de acuerdo con el presente invento.
En las Figs. 1 y 2 se representa la parte l0A de
salida de un quemador 10 de oxi-combustible. La
parte de salida comprende tres tubos coaxiales 12, 14, 16. Un paso
exterior 18, formado entre los pasos exterior 12 e intermedio 14 de
los tubos, conduce un oxidante. Un paso intermedio 20, formado
entre el tubo intermedio 14 y un tubo central 16, conduce
combustible. Un paso axial 22, definido por el tubo central 16,
conduce oxidante. En consecuencia, se apreciará que un paso 20 de
combustible está situado entre un paso interior 22 de oxidante y un
paso exterior 18 de oxidante. Los flujos de oxidante son
descargados por las salidas 24 y 28 de los tubos 12 y 16, y el
flujo de combustible es descargado por la salida 26 del tubo 14.
Las salidas 24, 26, 28 están dispuestas coaxialmente.
Cuando se utiliza el quemador 10 de acuerdo con
el presente invento, no debe alimentarse más del 50%,
aproximadamente, del oxidante total a través del paso interior 22
de oxidante. La velocidad del oxidante a través de las salidas 24,
28 pueden variar, y la velocidad del oxidante a través de la salida
interior 28 de oxidante debe ser igual o superior a la que tiene el
oxidante en la salida exterior 24 de oxidante. El flujo total de
oxidante por los pasos interior y exterior de oxidante viene
determinado por la cantidad de combustible que ha de quemarse. La
velocidad del oxidante a través de la salida exterior 24 debe
encontrarse en el margen de, aproximadamente, 10 a 50 m/s, y la
velocidad del oxidante por la salida interior 28 del oxidante debe
encontrarse en el margen de, aproximadamente, 10 a 200 m/s. La
velocidad del combustible por la salida 26 de combustible debe
encontrarse en el margen de desde 20 a 80 m/s aproximadamente.
El oxidante es del tipo que contiene, al menos,
un 80% de oxígeno y el combustible es, de preferencia, gas
natural. El combustible y el oxidante se suministran desde una
fuente de combustible 30 y una fuente de oxidante 32 mediante un
sistema de control como se ilustra en la Fig. 3. La velocidad del
oxidante entregado al paso interior 22 para el oxidante y al paso
exterior 18 para el oxidante, es controlada por las válvulas 33,
35, respectivamente. Así, por ejemplo, aumentando la cantidad de
oxidante entregada al paso interior 22 de oxidante en virtud de la
apertura adecuada de la válvula 33, puede incrementarse la
velocidad del oxidante en el paso interior 22 para el oxidante.
Puede haber prevista, también, una válvula adicional 35 para
controlar el flujo del gas natural al paso 20 de combustible. Las
válvulas 33, 34, 35 pueden ser válvulas de aguja o cualesquiera
otros tipos adecuados de válvulas. El sistema de control mostrado
en la Fig. 3 es, simplemente, un ejemplo de un sistema de control
que puede emplearse para hacer variar los caudales de oxidante y de
combustible. También pueden utilizarse otros sistemas de control
adecuados, sin apartarse por ello del invento.
La Fig. 3 representa, también, el quemador 10
montado dentro de un bloque 40 de quemador que está fabricado,
preferiblemente, de material cerámico. En el presente invento, el
flujo exterior de oxidante pasa a lo largo de la superficie
interior del bloque de quemador de cerámica. Esto es muy ventajoso
por cuanto proporciona el enfriamiento por convección del bloque de
quemador de manera que se elimina la necesidad de refrigerar con
agua el quemador o el bloque de quemador.
La configuración del quemador 10 anteriormente
descrita permite controlar efectivamente diversas características
de la llama cambiando los caudales relativos de los flujos de
combustible y de oxidante mediante el sistema de control
representado en la Fig. 3. Por ejemplo, reduciendo el flujo
interior de oxidante pueden incrementarse la longitud y la
luminosidad de la llama y puede reducirse el momento de la llama
sin modificación mecánica alguna del quemador.
Pueden conseguirse variaciones de la
productividad de un horno aumentando o disminuyendo los regímenes
de combustión de los quemadores del horno. Como la longitud de una
llama producida mediante un quemador usual aumenta al aumentar el
régimen de combustión del quemador, las llamas pueden resultar
demasiado largas para un horno dado e incidir contra la pared
opuesta, o pueden hacerse demasiado cortas y proporcionar un
cubrimiento o un calentamiento insuficientes de la carga. Con el
quemador adecuado para llevar a la práctica el método del presente
invento, se puede ajustar la longitud de la llama haciendo variar
el flujo interior de oxidante con respecto al flujo exterior de
oxidante con el fin de conseguir un cubrimiento optimizado aún
cuando varíe la producción del horno. Una ventaja importante de
proporcionar caudales ajustables es que resulta posible mantener
una longitud óptima de la llama cuando se hace variar el régimen de
combustión del quemador.
Además de cambiar la longitud de la llama, puede
utilizarse el control de los caudales relativos para cambiar la
luminosidad de la llama. Se acepta, generalmente, que una llama más
luminosa ofrece una superior transmisión por radiación y, por
tanto, se consigue una mejor eficiencia de calentamiento. Una llama
que contenga hollín es muy luminosa porque las partículas de carbón
que son oxidadas progresivamente en la llama constituyen emisores
de luz muy visible. La formación de hollín pueda favorecerse
creando en la llama regiones ricas en combustible. La luminosidad
de la llama puede incrementarse en el presente invento reduciendo
el flujo interior de oxidante, lo que crea en la llama regiones
más ricas en combustible y con menor mezcla, para conseguir la
formación de hollín.
Además, el cambio de los caudales relativos
provoca un cambio del momento de la llama. Las llamas con momento
bajo son, generalmente, luminosas, porque la mezcla entre el
oxidante y el combustible es mala y, en la llama, existen regiones
ricas en combustible. Por otra parte, las llamas con un momento
elevado no son visibles. Las llamas con momento elevado son más
cortas que las llamas con momento bajo, porque la turbulencia y,
por tanto, la mezcla, son mayores. Las llamas con momento bajo son,
asimismo, más frías que las llamas con momento elevado, porque las
moléculas de combustible tardan más en encontrarse con las
moléculas de oxígeno. Reduciendo el momento de la llama se evitan,
por tanto, las elevadas temperaturas de pico de la llama que se
encuentran en las llamas con momento elevado y se forman menos
óxidos de nitrógeno (NO_{x}).
Las llamas con momento bajo tienen un menor
impacto sobre una carga pulverizada y producen menos arrastre y,
eventualmente, menos emisiones de material en partículas (PM). Esto
es importante, por ejemplo, en el caso de los hornos para vidrio.
También las llamas con momento bajo se someten más fácilmente a las
desviaciones de la llama provocadas por otros flujos gaseosos en el
interior de un horno. Por ejemplo, las desviaciones de la llama
hacia la corona pueden provocar un desgaste acelerado del
refractario.
Cuando en el tubo interior 16 de oxidante hay
poco oxidante, o nada de oxidante, se produce una llama larga,
perezosa y luminosa. La llama larga resulta ventajosa para algunos
usuarios industriales porque la superficie incrementada tiene como
consecuencia un mayor cubrimiento del baño. Sin embargo, la llama
resultante de un funcionamiento con un momento bajo puede ser
sensible a interacciones con otras llamas o flujos gaseosos en el
interior del horno. Los efectos de las llamas y/o flujos
circundantes pueden ser la formación de puntos calientes en la
superficie del baño, inestabilidad de la forma global de la llama o
daños en la corona y en el refractario.
La adición de oxidante inyectado en el tubo
interior 16 de oxidante tiene como resultado una llama más corta,
más intensa, con un momento mayor, especialmente con caudales
superiores del oxidante interior. Las variaciones de la proporción
de oxidante inyectado entre los tubos exterior e interior hacen
variar el momento. Los caudales de oxidante elevados a través del
tubo interior 16 de oxidante aumentan el momento, dando como
resultado una llama más corta, estable y luminosa debido a un mayor
mezclado entre combustible y oxidante.
Así, el presente invento permite que el operador
del horno modifique fácilmente a voluntad la forma de la llama
para una aplicación industrial particular ajustando la proporción
de oxidante presente en el centro de la llama.
Las características de la llama también pueden
controlarse cambiando las posiciones axial y radial relativas de
los tubos 12,14,16 y alterando la posición del quemador 10 en el
bloque 40 de quemador. Por ejemplo, en la Fig. 1, la salida 26 del
tubo intermedio 14 se muestra separada axialmente hacia dentro de
la salida 24 del tubo exterior 12 en una distancia X. Igualmente,
la salida 28 del tubo axial 16 se muestra separada axialmente hacia
dentro de la salida 26 del tubo intermedio en una distancia Y. Como
resultado de la relación de las salidas, se consigue un mezclado
previo del flujo interior de oxidante y del flujo de combustible
antes de que el combustible salga por la punta del quemador. Por
tanto, parte del combustible puede reaccionar con el flujo interior
de oxidante para producir hollín y/o carbón para mejorar la
luminosidad de la llama.
Las Figs. 9-12 ilustran diversas
configuraciones preferidas del quemador 10 montado en un bloque 40
de quemador, y las Figs. 13-16 ilustran varias
configuraciones preferidas del quemador 10 para uso sin bloque de
quemador. Como se muestra en las Figs. 9-12, cuando
el quemador 10 está montado en un bloque 40 de quemador, el tubo
exterior 12 de oxidante es, de preferencia, más corto que el tubo
14 de combustible y que el tubo interior 16 de oxidante. El tubo
exterior 12 de oxidante se prolonga mediante la abertura cilíndrica
del bloque 40 de quemador de manera que la salida exterior 24 de
oxidante está formada por una parte del bloque 40 de quemador.
Así, el paso exterior de oxidante puede definirse
mediante un tubo exterior y el bloque de quemador. Como se ilustra
en las Figs. 13-16, cuando el quemador no está
montado en un bloque de quemador, el tubo exterior 12 de oxidante
es, de preferencia, igual o más largo que el tubo 14 de
combustible.
La extensión axial del tubo intermedio 14 de
combustible puede alinearse con el tubo interior 16 de oxidante,
como se muestra en las Figs. 9, 11, 13 y 14. Sin embargo, el tubo
intermedio 14 de combustible se extiende, de preferencia, hacia
fuera desde el tubo interior 16 de oxidante, como se muestra en las
Figs. 10, 12, 15 y 16. Son indeseables configuraciones en las que
el tubo interior de oxidante se extienda hacia fuera más allá del
tubo de combustible porque pueden conducir a un calentamiento
excesivo del tubo interior de oxidante debido al mezclado del
combustible y el oxidante exterior.
Las posiciones respectivas de los dos tubos
interiores están definidas, preferiblemente, por la fórmula:
-D1 < Z <
3 (D2
-D1)
donde D1 y D2 son los diámetros
interiores del tubo central 16 y del tubo intermedio 14,
respectivamente, y Z es la distancia axial desde la salida 26 de
combustible hasta la salida interior 28 de oxidante. En la
realización mostrada en la Fig. 1, Z es negativa. Por tanto, de
acuerdo con la fórmula, la salida interior 28 de oxidante está
retrasada, preferiblemente, dentro del tubo de combustible en una
distancia que no es mayor que el diámetro D1 del tubo interior de
oxidante. Esta configuración definida por la fórmula evita que
ocurra una combustión en exceso dentro del tubo intermedio 14 de
combustible y, así, impide que los productos de combustión de la
reacción entre el oxígeno procedente del paso interior 22 de
oxidante y el combustible, incidan sobre el tubo intermedio 14 de
combustible.
Ejemplos de bloques 40 de quemador para uso con
el quemador adecuado para llevar a la práctica el método del
presente invento, se muestran en las Figs. 4-8. Cada
uno de los bloques 40 de quemador contiene un orificio cilíndrico
42 en una cara posterior del mismo para inserción del quemador 10.
Las paredes que definen el orificio cilíndrico 42 forman una
prolongación del tubo exterior 12 de oxidante y el orificio
cilíndrico constituye parte del paso exterior 18 de oxidante. El
orificio cilíndrico 42 desemboca en una cavidad 44 del bloque de
quemador o cámara de combustión con una geometría interior que
puede adoptar cualquiera de las formas que se representan en las
Figs. 4-8, es decir, cónica, cilíndrica,
gradualmente escalonada u otras configuraciones conocidas. En
realizaciones preferidas de los bloques 40 de quemador, tales como
las ilustradas en las Figs. 5 y 8, hay una superficie 46 de
transición suave entre el orificio cilíndrico 42 y la cavidad 44
con el fin de reducir el efecto de las paredes sobre el flujo
exterior de oxígeno.
Además, la cavidad 44 del bloque 40 de quemador
debe estar formada como se muestra en la Fig. 17, de modo que no
interfiera con la zona 48 de llama. La zona 48 de llama incluye el
área que se extiende en forma cónica a aproximadamente 10º de la
salida 26 del tubo intermedio 14 de combustible. La Fig. 17 ilustra
bloques 40 de quemador con dos configuraciones diferentes,
incluyendo un bloque de quemador de tipo cónico que se ilustra en
la parte superior de la figura y un bloque de quemador de tipo
cilíndrico, que se muestra en la parte inferior de la figura. Las
paredes de los bloques de quemador, representadas en la Fig. 17, no
interfieren con la zona 46 de llama.
En un experimento realizado con el quemador
representado en las Figs. 1 y 2 empleando un quemador de 50 kw, se
utilizaron los siguientes parámetros:
velocidad de descarga del gas natural - 45,7
m/s
velocidad de descarga del oxidante exterior - 10
a 15 m/s
velocidad de descarga del oxidante interior - 0 a
58 m/s
distancia X = 12,7 mm (0,5 pulgadas)
distancia Y = 25,4 mm (1 pulgada)
Cuando el quemador estaba dispuesto para
descargar la llama en un bloque 40 de quemador con cavidades de
quemador cilíndricas o cónicas, como se muestra en las Figs. 6 y 7,
respectivamente, se encontró que se mejoraba la luminosidad de la
llama mediante flujos interiores de oxidante reducidos. Asimismo,
cuando se incrementaba el flujo interior de oxidante, disminuían la
longitud y la luminosidad de la llama.
Cuando no se utilizó bloque de quemador, se
encontró que aumentando el flujo interior de oxidante, la llama
tenía un momento más alto. Asimismo, cuando la salida interior 28
de oxidante se desplazó axialmente hacia atrás respecto de la
salida 26 de combustible, y la salida de combustible se desplazó
axialmente hacia atrás respecto de la salida exterior 24 de
oxidante, como se muestra en la Fig. 1, se incrementó la
luminosidad de la llama.
Se llevaron a cabo otros experimentos empleando
tres quemadores (quemador 1, quemador 2 y quemador 3), de los que
los diámetros interior y exterior del tubo interior 16 de oxidante,
el tubo 14 de combustible y el tubo exterior 12 de oxidante se dan,
en mm, en la Tabla 1. Como se muestra en las Tablas
2-6, la longitud de la llama se redujo generalmente
aumentando el porcentaje y la velocidad del oxidante que circula
por el paso interior 22 de oxidante. Las velocidades se dan, en las
Tablas 2-6, en metros por segundo.
Además, se realizaron simulaciones numéricas para
un quemador a escala industrial de 500 kW con las siguientes
dimensiones.
| D_{1entrada} | = | 11 mm; | D_{1salida} | = | 13 mm | |
| D_{2entrada} | = | 26 mm; | D_{2salida} | = | 33 mm | |
| D_{3entrada} | = | 55,9 mm |
Las simulaciones son útiles para explicar las
tendencias observadas experimentalmente de la longitud de la llama
visible cuando se inyecta O_{2} en el tubo interior. Para el
modelo se utilizó una geometría axisimétrica con un código dinámico
de fluido computacional (CFD) para resolver las ecuaciones que
regulan el calor, la masa y el momento. Los cálculos evaluaron el
efecto del flujo de momento que sale del quemador para diferentes
porcentajes de O_{2} inyectados en el interior. Los resultados
del modelado muestran que aumentando el O_{2} interior desde 0%
al 15% se aumenta el momento total en el plano de salida en un 29%.
Estos resultados se resumen en la Fig. 18, que ilustra el flujo de
momento total a través de los planos de entrada y de salida del
quemador.
Los cálculos numéricos confirman la observación
experimental de que un incremento del flujo interior de oxidante
tiene como resultado un momento de llama superior en la salida del
quemador. El acuerdo entre las observaciones experimentales y los
cálculos numéricos se confirma, además, mediante correlaciones
encontradas entre perfiles medidos de emisión de radicales
hidroxilo (OH) en la llama y concentraciones de OH calculadas en la
llama, como se describe en lo que sigue.
Puede realizarse una estimación de la
concentración de OH y de la distribución espacial en la salida del
quemador empleando la generación de modelos por dinámica de fluidos
computacional (CFD). El conocimiento de la temperatura, la presión
y la concentración de especies en la salida, proporciona la
información necesaria para realizar un cálculo de equilibrio
termodinámico. Los resultados que se muestran en la Fig. 19
indicaron que la situación del pico de la fracción molar de OH se
desplaza separándose el eje central del quemador al inyectarse
O_{2} interior y alcanza un desplazamiento máximo con una
inyección de O_{2} adicional. Asimismo, el pico de OH interior
disminuye con la inyección adicional de O_{2}, como se muestra
para el caso del 15% en la Fig. 19 en virtud del enfriamiento
brusco debido a la gran cantidad de O_{2} presente.
Para verificar los resultados del modelado de la
Fig. 19, se realizó una comparación con perfiles de OH medidos para
ver si se observaban las mismas características cualitativas. Se
realizaron mediciones de las emisiones de radicales OH con una
cámara de vídeo sensible a los ultravioletas, equipada con un
filtro que sólo deja que la luz emitida por el radical OH alcance
el detector. Los perfiles de OH integrados experimentales se
obtuvieron a partir de un horno piloto. Los resultados ilustrados
en la Fig. 20 muestran las mismas características cualitativas,
desplazándose los picos de OH para alejarse del eje central del
quemador al inyectarse O_{2} en el tubo interior. Se observa,
incluso, el ligero desplazamiento del pico de OH en la parte
interior del quemador y la reducción del pico para el caso del 15%.
No obstante, la situación espacial del pico de OH observado no es
similar al modelo lo que, probablemente, se debe a que los
regímenes de combustión entre el experimento y el modelo se
diferencian en un 30%. No obstante, los parecidos cualitativos
entre estos resultados añaden cierta validez a la generación de
modelos por CFD de los procedimientos térmicos y de mecánica de
fluidos detallados dentro del bloque de quemador.
La evaluación del quemador en cuanto a la
producción de NO_{x} se llevó a cabo en un horno piloto empleando
una técnica de muestreo usual. Se introdujo una sonda de succión
enfriada por agua en el canal de chimenea del horno piloto para
muestrear los productos de la combustión. Todas las reacciones
químicas dentro de la sonda se congelan debido al rápido
enfriamiento de los gases. La muestra de gas se filtró y se secó
antes del análisis mediante analizadores específicos. Se realizaron
mediciones para flujos variables de O_{2} inyectados en el tubo
interior 16 de oxidante. Aunque la combustión de
oxidante-combustible elimina virtualmente los
NO_{x} eliminando esencialmente la fuente de NO_{x} del
oxidante, otras fuentes tales como fugas de aire, combustible y
O_{2} no puro, contribuyen a la formación de NO_{x}. Para
investigar el efecto que la presencia de N_{2} adicional tendrá
sobre la formación de NO_{x}, se inyectó N_{2} en el
combustible y/o en el O_{2}.
La Fig. 21 ilustra que la producción de NO_{x}
aumenta a medida que aumenta la proporción de O_{2} inyectado en
el tubo interior. Este resultado no es sorprendente porque los
cálculos de modelado indican que la temperatura también se
incrementa, dando lugar así a la producción térmica de NO_{x}.
Esto es igualmente evidente en los experimentos para la generación
de imágenes de OH cuando la abundancia de OH observada sugiere una
temperatura de llama superior con O_{2} inyectado en el tubo
interior.
Además de variar el caudal del flujo interior de
oxidante, puede utilizarse una válvula de solenoide para producir
un flujo oscilante de oxidante a través del paso interior 22 de
oxidante. Con el uso de un flujo oscilante, puede ser posible
reducir el NO_{x} producido por la llama hasta en un 40%.
Además, se ha encontrado que la inyección de
combustible que está situada fuera del eje geométrico del flujo
exterior de oxidante, reduce las emisiones de NO_{x}. En la
realización alternativa del quemador representada en la Fig. 22, el
movimiento del tubo intermedio 52 de oxidante y del tubo interior
54 de oxidante a una posición no coaxial dentro del tubo exterior
50 de oxidante, puede proporcionar una ventajosa disminución de
los NO_{x} con respecto a disposiciones coaxiales.
Claims (9)
1. Un método de combinar oxidante y combustible
en un quemador de oxi-combustible, para producir
una llama, que comprende:
conducir un flujo exterior de oxidante desde una
fuente de oxidante a través de un paso exterior para conducir
oxidante, y descargar dicho flujo exterior de oxidante por una
salida exterior de oxidante,
conducir un flujo de combustible desde una fuente
de oxidante a través de un paso para conducir combustible, y
descargar dicho flujo de combustible a través de una salida de
combustible dispuesta coaxialmente con respecto a dicha salida
exterior de oxidante y separada radialmente hacia dentro desde
ella,
conducir un flujo interior de oxidante a través
de un paso interior para conducir oxidante y descargar dicho flujo
interior de oxidante por una salida interior de oxidante dispuesta
coaxialmente con respecto a dicha salida de combustible y separada
radialmente hacia dentro respecto de ella, proporcionando dicho
flujo interior de oxidante y dicho flujo exterior de oxidante un
flujo total de oxidante,
caracterizado porque el flujo exterior de
oxidante comprende, al menos, un 80% de oxígeno, el flujo interior
de oxidante comprende, al menos, un 80% de oxígeno, y porque el
método comprende, además, la operación de controlar a través de
medios de válvula, un porcentaje del flujo total de oxidante que
circula por el paso interior para conducir oxidante, para controlar
la forma de la llama, haciendo variar el flujo interior de
oxidante con respecto al flujo exterior de oxidante.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que dicho flujo de combustible se mezcla con dicho flujo
interior de oxidante antes de mezclarse con dicho flujo exterior de
oxidante.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o
la reivindicación 2, en el que no más de, aproximadamente, el 50%
del oxidante total es suministrado por dicho flujo interior de
oxidante.
4. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho flujo interior de oxidante
tiene una velocidad de descarga por dicha salida interior de
oxidante cuya magnitud no es menor que la velocidad de descarga del
flujo exterior de oxidante por dicha salida exterior de
oxidante.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4,
en el que dicha velocidad de descarga de dicho flujo interior de
oxidante se encuentra en el margen de desde 10 a 200 m/s,
aproximadamente.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 5,
en el que dicho flujo de combustible comprende un flujo de gas
natural que tiene una velocidad de descarga por dicha salida de
combustible en el margen de desde 20 a 80 m/s.
7. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 4 a 6, en el que dicha velocidad de descarga de
dicho flujo exterior de oxidante está en el margen de 10 a 50
m/s.
8. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que el porcentaje del flujo total de
oxidante que circula por el paso interior de oxidante es mayor que
el porcentaje del flujo total de oxidante que circula por el paso
exterior de oxidante.
9. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que se hace oscilar el flujo de
oxidante por el paso interior para conducir oxidante.
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