ES2233280T3 - Quemador graduado de aire y combustible. - Google Patents
Quemador graduado de aire y combustible.Info
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Abstract
Quemador (10) para reducir las emisiones de NOx que comprende un cuerpo principal del quemador (22) que define una cavidad interna (13), una conexión de aire (12) conectada fluidamente con la cavidad interna (13), un túnel de combustión (52) y una tobera (46) del quemador situada en la cavidad interior (13) del cuerpo principal (22) del quemador, definiendo la tobera del quemador al menos un orificio de aire primario (32), caracterizado por una corona circular (47) de combustible que tiene una primera anchura (W1), que rodea un orificio de combustible (48) que tiene una segunda anchura (W2), en el que la primera anchura (W1) de la corona circular (47) es menor que la segunda anchura (W2) del orificio de combustible (48), por la que el combustible primario sale de la tobera del quemador a través de la corona circular (47) y el combustible secundario sale de la tobera del quemador a través del orificio de combustible (48).
Description
Quemador graduado de aire y combustible.
El presente invento se refiere a un quemador como
el definido en la parte introductoria de la reivindicación 1.
Un quemador de esta clase es conocido a partir
del documento US-A-4.645.449. Este
quemador conocido emite bajo NO_{x}. Es el objeto de este invento
proporcionar un quemador que reduzca aún más la generación de
NO_{x}.
Una realización de un quemador de acuerdo con el
presente invento generalmente incluye un cuerpo principal del
quemador que define una cavidad interna, una conexión de aire
conectada fluidamente con la cavidad interna, y un túnel de
combustión. Una tobera del quemador puede estar situada en la
cavidad interior del cuerpo principal del quemador. La tobera del
quemador define un orificio de aire primario, una corona circular, y
un orificio de combustible. La conexión de aire puede estar
configurada para recibir suministro de aire y dividir el suministro
de aire en aire primario y aire secundario, donde la relación de
aire primario a aire secundario es aproximadamente de 40/60 a 70/30
respectivamente, prefiriéndose una relación 50/50. El aire primario
preferiblemente fluye a través del orificio del aire primario a un
ritmo de aproximadamente 300-400 pies/segundo
(91-122 metros/segundo).
El cuerpo principal del quemador se extiende
generalmente en sentido longitudinal con respecto a un eje
imaginario del quemador, y el orificio del aire primario está
preferiblemente orientado para formar un ángulo convergente medido
desde el eje imaginario del quemador, tal como un ángulo de
aproximadamente 30º-60º medido desde el eje imaginario del quemador.
Alternativamente, el orificio del aire primario puede estar
orientado para producir un modelo de turbulencia del aire primario
en el túnel de combustión, en el que la turbulencia es
aproximadamente menor que o igual a 0,7 veces un diámetro interno
del túnel de combustión.
El quemador también puede incluir un conducto de
aire secundario conectado fluidamente a la T de distribución,
teniendo el conducto de aire secundario un chorro de aire secundario
conectado fluidamente a una zona de combustión secundaria. El cuerpo
principal del quemador se extiende generalmente en sentido
longitudinal con respecto a un eje imaginario del quemador y el
chorro de aire secundario está orientado sustancialmente paralelo al
eje imaginario del quemador. Alternativamente, el cuerpo principal
del quemador puede extenderse longitudinalmente con respecto al eje
imaginario del quemador, con el chorro de aire secundario orientado
en un ángulo convergente con el eje imaginario del quemador. El aire
secundario sale del chorro del aire secundario a una velocidad de
aproximadamente 150-400 pies/segundo
(46-122 metros/segundo).
Un conector de combustible está configurado para
recibir un combustible de suministro y dividir el combustible de
suministro en un combustible primario y un combustible secundario.
La relación de partición de combustible primario con la relación de
partición de combustible secundario está aproximadamente comprendido
entre 20/80 y 40/60 respectivamente, prefiriéndose una relación de
partición de 22/78. También puede incluirse un camino del
combustible primario y un camino del combustible secundario, con el
camino del combustible primario conectado fluidamente a la corona
circular, el camino del combustible secundario conectado fluidamente
al orificio del combustible, y el camino del combustible primario y
el camino del combustible secundario conectados fluidamente entre
sí. El combustible primario puede salir de la corona circular
definida por la tobera del quemador a una velocidad aproximadamente
menor de 100 pies/segundo (30 metros/segundo). El combustible
secundario puede salir del orificio de combustible definido por la
tobera del quemador a una velocidad aproximadamente mayor de 350
pies/segundo. El orificio de combustible y la corona circular de
combustible pueden estar en el mismo plano, sustancialmente
perpendicular a un eje imaginario del quemador y la T de
distribución puede estar situada contigua a la cavidad interna del
cuerpo principal del quemador y opuesta al túnel de combustión
(52).
Un método de disminución de las emisiones de
NO_{x} en un quemador que tiene un cuerpo principal del quemador
que define un túnel de combustión puede incluir los pasos de
insuflar aire de suministro en el cuerpo principal del quemador,
dividiendo el aire de suministro en aire primario y aire secundario,
fluyendo el aire primario en el túnel de combustión a una velocidad
dada, fluyendo combustible primario en el túnel de combustión a una
velocidad menor que la velocidad del aire primario, fluyendo el
combustible secundario en el túnel de combustión a una velocidad
mayor que la velocidad del combustible primario, fluyendo el aire
secundario en una zona de combustión secundaria por un chorro de
aire secundario a una velocidad mayor que la velocidad del chorro
primario, y estableciendo la ignición del combustible primario, del
combustible secundario, y del aire primario en el túnel de
combustión para formar productos de combustión. Pasos adicionales
pueden incluir el escape de productos de combustión hacia la zona de
combustión secundaria y la aspiración de productos de combustión
hacia el túnel de combustión y hacia el chorro de aire
secundario.
El dispositivo y método de acuerdo con el
presente invento ayudan a reducir las emisiones de NO_{x}.
Éstas y otras características y ventajas del
presente invento se harán claras en la descripción de la realización
preferida tomada conjuntamente con los dibujos anejos en los que
iguales números de referencia representan iguales elementos en todos
ellos.
La Figura 1 es una vista parcial de la sección
recta de una realización del presente invento;
la Figura 2 es una vista lateral total de la
sección recta de la realización mostrada en la Figura 1, excluyendo
los chorros de aire secundario por claridad y girando la situación
de la conexión de aire primario en 90º; y
la Figura 3 es una vista frontal de una tobera
del quemador mostrada en la Figura 2.
En las Figuras 1-3 se muestra la
realización preferida de un quemador 10 de acuerdo con el presente
invento. La Figura 2 muestra el quemador 10 que tiene un cuerpo
principal 22 del quemador que define una conexión de aire 12, una
cavidad interna 13, y un túnel de combustión 52. Se dispone un
conector de combustible 14, a través del cual el combustible de
suministro 16 entra en el quemador 10, excepto en el caso de que se
use un piloto de gas (no mostrado) a través de una lumbrera 18. Un
electrodo (no mostrado) se usa para establecer la ignición en el
quemador 10; sin embargo, se podría usar un piloto de gas.
Como se ve mejor en la Figura 2, el aire de
suministro 20 entra en la conexión de aire 12, pasa a la cavidad
interna 13 definida por el cuerpo principal 22 del quemador, y está
dividido en aire primario 24 y aire secundario 26. Un orificio de
aire secundario 28 permite que el aire secundario 26 entre en una T
de distribución 30 de aire secundario mientras que el aire primario
24 pasa a través de al menos un orificio 32 de aire primario
definido por una tobera 46 del quemador, con el número de orificios
32 de aire primario preferiblemente comprendido entre cuatro y ocho
orificios 32. El aire primario 24 es acelerado a través del o de los
orificios 32 de aire primario en un intervalo de aproximadamente 300
pies/segundo - 400 pies/segundo (91-122
metros/segundo), dependiendo del precalentamiento disponible del
aire, relación nominal del quemador 10, y carga de régimen. El aire
primario 24 está preferiblemente dirigido de forma convergente hacia
un eje C imaginario del quemador; sin embargo, el orificio o los
orificios 32 de aire primario pueden también estar ligeramente
desplazados para inducir un modelo de turbulencia en el aire
primario 24. Un ángulo de convergencia \alpha del orificio u
orificios 32 de aire primario puede ser aproximadamente 30º-60º,
medido desde el eje imaginario C del quemador. La turbulencia o
desplazamiento puede ser tanto como 0,7 veces el diámetro D de la
lumbrera primaria o del túnel de combustión.
El combustible de suministro 16 que entra en el
conector de combustible 14 pasa dentro de un tubo rociador de
combustible 34 que divide el combustible de suministro 16 mediante
agujeros 36 en combustible primario 38 y combustible secundario 40.
El combustible primario 38 viaja a lo largo de uno o más caminos de
combustible primario 42, preferiblemente paralelo al combustible
secundario 40 que viaja a través de un camino de combustible
secundario 44. El camino de combustible primario 42 está conectado
fluidamente a una corona circular 47 definida por la tobera 46 del
quemador situada en la cavidad interna 13 definida por el cuerpo
principal 22 del quemador. El camino del combustible secundario 44
está conectado fluidamente a un orificio de combustible 48, también
definido por la tobera 46 del quemador. El combustible primario 38
sale de la tobera 46 del quemador a través de la corona circular 47
al túnel de combustión 52 a una velocidad baja, idealmente menor de
100 pies/segundo (30 metros/segundo), dependiendo de la carga de
régimen. El combustible secundario 40 desciende por el camino del
combustible secundario 44 y sale en el túnel de combustión 52 a
través del orificio de combustible 48, preferiblemente acelerado a
una velocidad aproximadamente mayor de 350 pies/segundo (107
metros/segundo), dependiendo de la carga de régimen. Como se ha
mostrado en la Figura 3, la corona circular de combustible 47 tiene
una primera anchura W1 y el orificio de combustible 48 tiene una
segunda anchura W2, siendo la primera anchura W1 de la corona
circular de combustible 47 menor que la segunda anchura W2 del
orificio de combustible 48.
Con referencia nuevamente a la Figura 2, las
velocidades de los combustibles primario y secundario 38, 40 que
salen de la corona circular 47 y el orificio de combustible 48 de la
tobera 46 del quemador dependerá de la velocidad del aire primario
24 que sale del orificio u orificios de aire primario 32. El
combustible primario 38 que sale de la corona circular 47 se mezcla
en una región de alta turbulencia con el aire primario 24 que sale
del orificio u orificios 32 de aire primario, creando una región de
combustión de alta reducción dentro del túnel de combustión 52. El
combustible secundario 40 que sale del orificio de combustible 48 es
acelerado hasta el punto de que solamente hay una mezcla parcial del
combustible secundario 40 con el aire primario 24 y los productos de
combustión 59 en una zona de combustión primaria 50 del túnel de
combustión 52. Por lo tanto, el perfil de combustión que sale del
túnel de combustión 52 es más oxidante hacia el perímetro del túnel
de combustión 52 y más reductor a lo largo del eje imaginario C del
quemador.
Como se ha mostrado mejor en la Figura 1, el aire
secundario 26 pasa a través de la T de distribución 30 y entra en un
conducto de aire secundario 54. El conducto de aire secundario 54
comunica el aire secundario 26 con un chorro de aire secundario 56
separado de una salida 62 del túnel de combustión 52 y en
comunicación fluida con una zona de combustión secundaria 60. El
aire secundario 26 sale del chorro de aire secundario 56 a una
velocidad del orden de 150 pies/segundo a 400 pies/segundo
(46-122 metros/segundo), dependiendo del
precalentamiento de aire, de la relación nominal de diseño del
quemador 10 y de la carga de régimen.
El quemador 10 es capaz de ser hecho funcionar
con un único chorro de aire secundario 56 o con una pluralidad de
chorros de aire secundario 56. Los chorros de aire secundario 56
pueden estar orientados paralelos o convergentes al eje imaginario C
del quemador, mostrado como ángulo \beta en la Figura 1. El aire
secundario 26 sale de los chorros de aire secundario 56 en una pared
de horno 58 y crea una región de presión negativa que arrastra los
productos de combustión 59 desde la segunda zona de combustión 60 de
vuelta al orificio de aire secundario 56, viciando en gran medida el
aire secundario 26 antes de que el aire secundario 26 alcance la
relación de mezcla subestequiométrica que sale del túnel de
combustión 52. La expansión de la combustión resultante en la zona
de la combustión primaria 50 del túnel de combustión 52 también crea
una succión en la pared 58 del horno en la proximidad de la salida
62 del túnel de combustión que también hace que los productos del
horno de combustión 59 vuelvan a la salida 62 del túnel de
combustión.
La configuración del quemador 10 del presente
invento proporciona un viciado en las zonas de combustión primaria y
secundaria 50, 60 de tal forma que la estequiometría en el quemador
10 debe estar en el lado oxidante para iniciar una combustión
estable en la zona de combustión secundaria 60 cuando la temperatura
del horno es inferior a 1.200ºF (649ºC). A aproximadamente 1.200ºF
(649ºC), la estequiometría puede ser llevada a un exceso aproximado
de aire del 10% dando lugar a que la estabilidad de la llama
principal y las reacciones de la combustión secundaria se realicen
sin la generación de combustibles libres. Pequeños restos de CO
aparecerán con la temperatura del horno entre 1.200ºF y 1.400ºF
(649ºC-760ºC). La relación de partición de
combustible primario 38 a combustible secundario 40 puede ser
aproximadamente de 20/80 a 40/60, respectivamente, en tanto que la
relación de partición de aire primario 24 a aire secundario 26 puede
ser de 40/60 a 70/30, respectivamente. La relación de partición
óptima de combustible primario 38 a combustible secundario 40 es
aproximadamente 22/78, respectivamente, y la relación de partición
óptima de aire primario 24 a aire secundario 26 es aproximadamente
50/50.
El quemador graduado de aire y combustible 10 de
acuerdo con esta primera realización mejora significativamente las
capacidades de emisión de NO_{x}, como se ilustra en la tabla
siguiente:
| Aire graduado | Combustible y Aire graduado | |
| NO_{X} PPM@ 3% | 44 | 22 |
Claims (19)
1. Quemador (10) para reducir las emisiones de
NO_{x} que comprende
un cuerpo principal del quemador (22) que define
una cavidad interna (13), una conexión de aire (12) conectada
fluidamente con la cavidad interna (13), un túnel de combustión (52)
y
una tobera (46) del quemador situada en la
cavidad interior (13) del cuerpo principal (22) del quemador,
definiendo la tobera del quemador al menos un orificio de aire
primario (32), caracterizado por una corona circular (47) de
combustible que tiene una primera anchura (W1), que rodea un
orificio de combustible (48) que tiene una segunda anchura (W2),
en el que la primera anchura (W1) de la corona
circular (47) es menor que la segunda anchura (W2) del orificio de
combustible (48), por la que el combustible primario sale de la
tobera del quemador a través de la corona circular (47) y el
combustible secundario sale de la tobera del quemador a través del
orificio de combustible (48).
2. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo principal
(22) del quemador se extiende longitudinalmente con respecto a un
eje imaginario (C) del quemador, y el orificio del aire primario
(32) está orientado para formar un ángulo convergente (\alpha)
medido desde el eje imaginario (C) del quemador.
3. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 2, caracterizado porque el ángulo convergente
(\alpha) es aproximadamente 30º-60º medido desde el eje imaginario
(C) del quemador.
4. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado porque el cuerpo principal
(22) del quemador se extiende longitudinalmente con respecto a un
eje imaginario (C) del quemador y el orificio del aire primario (32)
está orientado para producir un modelo de turbulencia en el túnel de
combustión (52).
5. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 4, caracterizado porque la turbulencia es
aproximadamente menor que o igual a 0,7 veces un diámetro interno
(D) del túnel de combustión (52).
6. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado además por un conducto de
aire secundario (54) conectado fluidamente con la cavidad interna
(13), teniendo el conducto de aire secundario (54) un chorro de aire
secundario (56) conectado fluidamente con una zona de combustión
secundaria (60).
7. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 6, caracterizado porque el cuerpo principal
(22) del quemador se extiende longitudinalmente con respecto a un
eje imaginario (C) del quemador y el chorro de aire secundario (56)
está orientado sustancialmente paralelo al eje imaginario (C) del
quemador del cuerpo principal (22) del quemador.
8. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 6, caracterizado porque el cuerpo principal
(22) del quemador se extiende longitudinalmente con respecto a un
eje imaginario (C) del quemador y el chorro de aire secundario (56)
está orientado en un ángulo (\beta) convergente con el eje
imaginario (C) del quemador del cuerpo principal (22) del
quemador.
9. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado además por un camino de
combustible primario (42) y un camino de combustible secundario
(44), estando el camino del combustible primario (42) conectado
fluidamente a la corona circular (47), el camino del combustible
secundario (44) conectado fluidamente al orificio de combustible
(48), y el camino del combustible primario (42) y el camino del
combustible secundario (44) conectados fluidamente entre sí.
10. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado porque el orificio de
combustible (48) y la corona circular de combustible (47) están en
el mismo plano, sustancialmente perpendicular a un eje imaginario
(C) del quemador.
11. Quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 1, caracterizado además por una T de
distribución (30) situada contigua a la cavidad interna (13) y
separada del túnel de combustión (52), estando la T de distribución
(30) conectada fluidamente con la cavidad interna (13).
12. Método para disminuir las emisiones de
NO_{x} en un quemador (10) como el reivindicado en la
reivindicación 6, estando el método caracterizado por los
siguientes pasos:
- a.
- evacuación de los productos de combustión (59) hacia una zona de combustión secundaria (60); y
- b.
- aspiración de productos de combustión (59) desde la zona de combustión secundaria (60) hacia una salida del túnel de combustión (62) y hacia la fuente de aire secundario (26).
13. Método como el reivindicado en la
reivindicación 12, caracterizado adicionalmente por los
siguientes pasos:
- c.
- hacer fluir aire de suministro (20) hacia el cuerpo principal del quemador (22);
- d.
- dividir el aire de suministro (20) en aire primario (24) y aire secundario (26);
- e.
- hacer fluir el aire primario (24) hacia el túnel de combustión (52) a una velocidad dada;
- f.
- hacer fluir el combustible primario (38) hacia el túnel de combustión (52) a una velocidad menor que la velocidad del aire primario (24);
- g.
- hacer fluir el combustible secundario (40) hacia el túnel de combustión (52) a una velocidad mayor que la velocidad del combustible primario (38);
- h.
- hacer fluir el aire secundario (26) hacia la zona de combustión secundaria (60) a una velocidad mayor que la velocidad del combustible primario (38); y
- i.
- establecer la ignición del combustible primario (38), del combustible secundario (40) y del aire primario (24) en el túnel de combustión (52) para formar productos de combustión (59).
14. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque la relación de aire
primario (24) a aire secundario (26) es aproximadamente del orden de
40/60 a 70/30, respectivamente.
15. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque el aire primario (24)
fluye hacia el túnel de combustión (52) a una velocidad aproximada
del orden de 91-122 metros/segundo
(300-400 pies/segundo) en carga de régimen.
16. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque el aire secundario
(26) fluye en la zona de combustión secundaria (60) a una velocidad
de aproximadamente 46-122 metros/segundo
(150-400 pies/segundo) en carga de régimen.
17. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque la relación de
partición del combustible primario (38) al combustible secundario
(40) es del orden de aproximadamente 20/80 a 40/60,
respectivamente.
18. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque el combustible
primario (38) fluye hacia el túnel de combustión (52) a una
velocidad menor de aproximadamente 30 metros/segundo (100
pies/segundo) a carga de régimen.
19. Método como el reivindicado en la
reivindicación 13, caracterizado porque el combustible
secundario (40) fluye hacia el túnel de combustión (52) a una
velocidad aproximadamente mayor de 106,7 metros/segundo (350
pies/segundo) a carga de régimen.
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