ES2263545T3 - Dispositivo para inyectar combustibles solidos en forma atomizada en un horno de cemento. - Google Patents

Dispositivo para inyectar combustibles solidos en forma atomizada en un horno de cemento.

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ES2263545T3 ES01200982T ES01200982T ES2263545T3 ES 2263545 T3 ES2263545 T3 ES 2263545T3 ES 01200982 T ES01200982 T ES 01200982T ES 01200982 T ES01200982 T ES 01200982T ES 2263545 T3 ES2263545 T3 ES 2263545T3
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Abstract

Dispositivo (10) para inyectar combustibles sólidos en forma atomizada en el interior de un horno de cemento (12), en el que el dispositivo (10) anterior está instalado en la boca de un quemador (11) coaxialmente con la parte central del mismo quemador (11) y comprende al menos una boquilla central para combustibles líquidos o gaseosos (5) y una tubería anular (1), que es coaxial a la boquilla de combustible líquido (5), para inyectar el combustible sólido anterior en forma atomizada, presentando el dispositivo (10), además, una tubería coaxial (2), fuera de la otra tubería coaxial, cuya finalidad es la de dar forma a la llama, estando provisto el dispositivo (10) de un deflector exterior (3), estando dividida la tubería anular (1) anterior en un grupo de al menos 3 sectores (1a), a través de los cuales circulan los flujos ricos en combustible sólido, estando cada uno de ellos alternado por un correspondiente sector (1b), a través del cual fluye un flujo pobre en combustible sólido, convergiendo dichos sectores (1a) y (1b) hacia la boca del quemador (11) anterior caracterizado porque el interior de dicho deflector (3) es un cono truncado realizado y/o recubierto con un material refractario de espesor, forma y uniones adecuadas, que son similares a las usadas para recubrir el quemador y porque el ángulo de inclinación de dicho deflector (3) está comprendido entre 0 y 60 grados con respecto al eje longitudinal del quemador (11), variando la relación entre el diámetro mayor del anterior deflector (3) y el diámetro exterior del quemador (11) en el intervalo de 1, 5 y 3, 5 y variando la longitud de dicho deflector (3) entre 100 mm y 800 mm, con respecto al perfil de la boca del quemador, según un plano que es ortogonal al eje del quemador anterior.

Description

Dispositivo para inyectar combustibles sólidos en forma atomizada en un horno de cemento.
El objetivo de la presente invención es dar a conocer un dispositivo para inyectar combustibles sólidos en un horno de cemento.
El dispositivo según la presente invención está adecuadamente diseñado para quemadores que funcionan con ambos tipos de combustibles (sólidos y líquidos) y con tres combustibles (combustibles gaseosos, líquidos y sólidos) y, en particular, con diferentes combinaciones de los tres combustibles fósiles.
Un posible combustible sólido para dicho horno es, por ejemplo, carbón atomizado.
Se conoce, por la técnica anterior, que los óxidos nítricos son los contaminantes gaseosos más importantes producidos durante la combustión y emitidos por los humos descargados al medio ambiente en los diferentes procesos de la producción industrial.
En un horno de cemento, las altas temperaturas del aire secundario producen igualmente altas temperaturas de la llama, puesto que son necesarias para una transmisión efectiva del calor al material que se está cociendo en el horno.
Como consecuencia, todo ello produce altas concentraciones de NO_{X}, debido al proceso térmico implicado y a la conversión total del nitrógeno ligado al combustible.
Sin llegar a describir con detalle los diferentes mecanismos de formación del NO_{X}, (térmico, combustible y material de uso inmediato) resulta útil subrayar que la principal formación de NO_{X} depende del combustible, de su contenido en nitrógeno, del exceso de aire, del precalentamiento del aire, de la temperatura de la llama y en los hornos de cemento, de otros parámetros típicos del proceso de producción.
Por esta razón, la simple manipulación del proceso de combustión no siempre produce los resultados deseados en el control del NO_{X}.
Desde un punto de vista genérico, en un horno de cemento específico caracterizado por una elevada aportación térmica y la alta temperatura del aire comburente, los NO_{X} térmicos suelen ser predominantes, también como consecuencia del confinamiento de las llamas; sin embargo, el NO_{X} del combustible no se puede ignorar.
Además del mecanismo sumamente complejo de la formación de NO_{X}, se debe tener en cuenta que las diferentes proporciones de aire/combustible particulares necesarias para el control de NO_{X}, que se suele obtener con quemadores de circuitos múltiples, solamente pueden obtenerse cerca de la boca del quemador y no siempre se relacionan totalmente con la primera etapa de desvolatilización del combustible.
Además, la distribución del aire y, en primer lugar, la aerodinámica a lo largo del eje del quemador afecta al punto de ignición del combustible. En términos generales, cuanto más rápida es la ignición, tanto menor es la concentración de NO_{X}, debido al reducido momento axial necesario para el proceso de combustión.
Como consecuencia, existe una menor aspiración por la llama del aire secundario a una alta temperatura y una mezcla local reducida entre dicho aire y la fundición del carbón.
En algunos quemadores, dicho efecto está en competencia con la acción del flujo de aire primario exterior, del tipo de turbulencia (es decir, un flujo de aire en rotación rápida) que tiende a aspirar, en la llama, el aire secundario y a producir una liberación térmica más rápida en la zona cercana a la boca del quemador.
Un quemador de este tipo es dado a conocer por el documento EP-A-0 836 048 y comprende unos conductos para el aire primario, secundario y terciario, dispuestos coaxialmente alrededor de su eje longitudinal, para el suministro de aire primario, secundario y terciario, respectivamente, a una cámara de combustión, medios para acumulación del aire, medios para dar vorticidad al aire primario, secundario y terciario, instalados en los respectivos conductos, medios para suministro del combustible dispuestos dentro de dichos conductos para inyectar el combustible en dicha cámara de combustión.
El documento EP-A-0 926 435 da a conocer un quemador que presenta un conducto de alimentación de combustible líquido central con un estabilizador, rodeado por conductos anulares coaxiales de alimentación de aire, alimentación de combustible sólido, alimentación de aire en turbulencia y alimentación de aire axial. El conducto de alimentación de combustible sólido presenta dos o más tabiques que lo dividen en canales adyacentes a su extremidad de salida.
El documento EP-A-0 711 952 da a conocer una pistola de aceite para estabilizar la combustión que está provista en la parte central y que dispone de un recorrido de flujo de aire primario de aceite de sección anular, que rodea a la pistola de aceite y un recorrido de flujo de mezcla de aire primario y de carbón pulverizado, también de sección anular, que rodea el recorrido de flujo de aire primario de aceite. Alrededor del recorrido de flujo de mezcla, está provisto un recorrido de flujo de aire secundario de sección anular y un recorrido de flujo de aire terciario, de sección anular, que rodea el recorrido de flujo de aire secundario. Un conducto de alimentación de carbón pulverizado está conectado en la dirección tangencial al recorrido de flujo de mezcla.
De este modo, el objetivo de la presente invención es dar a conocer un dispositivo que permita resolver los inconvenientes citados anteriormente, optimizando así las condiciones de la combustión.
Otro objetivo de la presente invención es dar a conocer un quemador que sea capaz de garantizar un funcionamiento mejorado con respecto a quemadores similares en términos de una reducción adicional de las emisiones de NO_{X}.
Estos y otros objetivos se alcanzan mediante un dispositivo para inyectar combustibles sólidos, en forma atomizada, dentro de un horno de cemento, según la reivindicación 1, a la que se hará referencia en aras de la brevedad.
Otras características y ventajas de la presente invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción y dibujos adjuntos, proporcionados a título de ejemplo explicativo y no limitativo. En dichos dibujos:
- La figura 1 ilustra una vista de un quemador provisto de una boquilla para inyectar combustibles sólidos atomizados, en particular en un horno de cemento, en el que el dispositivo según la invención se aplica a dicha boquilla;
- La figura 2 ilustra una sección longitudinal del dispositivo para inyectar combustibles sólidos o líquidos atomizados, según la presente invención, aplicado al quemador representado en la figura 1;
- La figura 3 ilustra una vista frontal del dispositivo para inyectar combustibles que se representa en la figura 2.
Con referencia especial a las figuras mencionadas, resulta visible el dispositivo objetivo de la invención, globalmente indicado con el número de referencia 10;
- La figura 4 ilustra una sección longitudinal de una segunda forma de realización del dispositivo según la invención;
- La figura 5 es un gráfico que representa la concentración de óxido de nitrógeno
y cal libre, como función del porcentaje de oxígeno en el extremo posterior del horno, tanto en el caso del quemador según la presente invención, como el construido según el diseño estándar de bajo NO_{X}.
Está especialmente adaptado para su montaje en cualquier quemador, preferentemente del tipo multicircuito, para limitar la producción de óxidos de nitrógeno (NO_{X}).
Es precisamente, según se especificará mejor a continuación, una boquilla que presenta una forma adecuada para la combustión en etapas de combustibles fósiles, tanto sólidos como líquidos, que en particular utiliza la misma solución de construcción que el quemador instalado, pero que adopta soluciones de construcción especiales para la parte final de los conductos de inyección de aire primario y de combustible.
El dispositivo para inyectar combustibles sólidos atomizados, según la invención, está diseñado para instalarse en la boca de salida de un quemador 11, coaxialmente con la parte central del mismo quemador 11.
Dicha parte central del quemador 11 consiste en una boquilla para combustibles líquidos 5 y tuberías para inyectar el combustible sólido 1 y para inyectar el aire en el interior 4.
La figura 1 ilustra el dispositivo 10 instalado en el quemador 11, a su vez insertado en un horno 12 para clinker 13; además, es visible el carbón inyectado mediante dicho quemador 11.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 3, el dispositivo 10 referente a la presente invención comprende, de este modo, una tubería anular 1, que es coaxial con la boquilla de combustible líquido 5.
La tubería anular 1 sirve para concentrar el polvo del combustible sólido en flujos separados físicamente, con diferentes proporciones de aire/combustible de transporte.
De hecho, la tubería anular está dividida en sectores, 1a y 1b, que convergen hacia la boca del quemador 11, de modo que permite la formación de flujos alternativos, ricos en combustible sólido y flujos deficientes, según se ilustrará mejor en la siguiente descripción.
El dispositivo 10 presenta, además, una tubería coaxial 2, fuera de la otra tubería coaxial, cuya finalidad es dar forma a la llama, impartiéndole la longitud deseada, confinando el flujo de combustible y generando una zona de reciclaje interior, efectiva y eficiente (la cual se indicará con la abreviatura IRZ en la siguiente descripción).
\newpage
La tubería coaxial 2 puede estar provista, además, de un dispositivo de turbulencia para generar un flujo de aire rotacional.
El dispositivo 10 presenta, además, un deflector exterior 3 que ayuda activamente a mantener los flujos de aire primario y secundario tan separados como sea necesario para impedir la reentrada de aire secundario a alta temperatura en la zona IRZ.
La separación de los flujos de aire primario y secundario es suficiente para controlar las primeras etapas del proceso de combustión en relación con la formación de NO_{X}.
El ángulo de inclinación del deflector 3 puede variar en el intervalo comprendido entre 0º y 60º, con respecto al eje longitudinal del quemador 11.
Además, la relación entre el diámetro mayor del deflector 3 y el diámetro exterior del quemador 11 varía en el intervalo comprendido entre 1,5 y 3,5.
En lo que respecta a la longitud del deflector 3, varía en el margen entre 100 mm y 800 mm, con respecto al perfil de la boca del quemador 11, según un plano que pasa a través del eje del quemador 11.
En su interior, el deflector 3 es un cono truncado realizado y/o recubierto con material refractario de espesor, forma y unión adecuados, del tipo utilizado para el recubrimiento del quemador 11.
En lo que respecta a la tubería coaxial 4 en el quemador 11, puede estar provista, o no, según diferentes aspectos, tales como la capacidad del quemador 11, el tipo de combustible sólido, el número de combustibles que se va a utilizar, la necesidad de cambiar la forma de la llama 14 y algunos más.
Dicha tubería coaxial 4 puede estar provista, además, de un dispositivo generador de turbulencia para realizar mejor las funcionalidades para las que está prevista.
En particular, el dispositivo generador de turbulencia de la tubería coaxial 2 y 4 varía de 0º a 60º con respecto al eje longitudinal del quemador en la vista en planta de la figura 3.
Estos flujos axiales o radiales están controlados mediante dispositivos capaces de asegurar una proporción variable entre los dos momentos, garantizando el control de la mezcla del aire con el combustible y cambiando los flujos con el objetivo de generar una zona IRZ efectiva de los humos producidos por la combustión.
Pasando a un examen más detallado de la tubería anular 1, puede advertirse que consiste en un grupo de al menos 3 sectores (indicados con la referencia numérica 1a), que convergen hacia la boca del quemador, alternando con muchos sectores, provistos, o no, de un generador de turbulencia, e indicados con el número de referencia
1b.
Dicha parte se dimensiona de tal modo que está dispuesta en una zona anular coaxial al eje del quemador y a la boquilla de combustible líquido 5.
A modo de ejemplo, la figura 2 ilustra una caja con 4 sectores, provistos de la tubería coaxial 4.
De este modo, el polvo de combustible sólido se divide en varios flujos caracterizados por diferentes proporciones de aire/combustible de transporte local.
En realidad, el aire de transporte del polvo de combustible sólido alimenta el dispositivo para inyectar combustibles con flujos ricos en combustibles sólidos, en la periferia del conducto, y flujos pobres en combustibles sólidos en el centro.
La geometría particular de la tubería anular 1 hace que los flujos ricos penetren directamente en los sectores libres 1a de la tubería anular 1, mientras que los flujos pobres - a través del dispositivo generador de turbulencia o no - penetran en los otros sectores 1b.
El resultado es la discretización del aire de transporte de aire en adición a los flujos de combustibles sólidos, los cuales se caracterizan por una diferente proporción de aire/combustible.
La composición de la mezcla bifásica, en la proximidad de la boca del quemador, depende de las características del proceso de mezcla establecido por la aerodinámica particular inducida por la boquilla del carbón y, en particular, generado por la geometría de las tuberías coaxiales 2 y 4, si están presentes.
Dicha composición es el parámetro base para controlar las emisiones no quemadas de NO_{X} y la estabilidad de la llama.
\newpage
Según la presente invención, con la combinación adecuada de la tubería anular 1 y de la tubería coaxial 4 pero, sobre todo, gracias a sus geometrías que determinan diferentes efectos sobre la mezcla de aire/combustible sólido, es posible definir una solución óptima para los diversos requerimientos de instalaciones diferentes.
Los sectores del flujo de salida de la mezcla de aire/combustible sólido de transporte son, a la entrada del dispositivo 10, sustancialmente equivalentes al 100% del área de la sección de salida anular, mientras que la sección de salida de los diferentes flujos varía del 100% al 50%, en función de las diferentes aplicaciones industriales.
Con dicho dispositivo o boquilla 10, después de la optimización del sistema de combustión, según el tipo de combustión utilizada, es posible obtener reducciones de NO_{X} en el orden de magnitud del 50% con respecto a los quemadores tradicionales, mientras que si se aplica a quemadores multicircuitos (que ya son del tipo de NO_{X} bajo) es posible obtener reducciones adicionales en el orden de magnitud del 10% al 30%, además de los ya obtenidos por el quemador original.
A modo de ejemplo de la aplicación descrita a continuación, a considerarse como el caso mas desfavorable, desde el punto de vista de la reducción de NO_{X}, debido a que se refiere a la modificación de un quemador de NO_{X} ya bajo, el dispositivo (representado en la figura 4) según la presente invención consiste en:
\bullet
Una pistola de combustible en el centro a lo largo del eje del quemador (5)
\bullet
Una tubería coaxial con la pistola del combustible anterior, antes presente en el diseño del quemador de bajo NO_{X} original, incluyendo un generador de turbulencia (4)
\bullet
Una segunda tubería para alimentar el carbón pulverizado, en este caso excluyendo las paletas separadoras, coaxial con la antes citada y anteriormente existente también en el diseño original del quemador de bajo NO_{X} (1)
\bullet
Una tercera tubería coaxial, que aloja un generador de turbulencia montado alrededor de la tubería de carbón, y caracterizada por el mismo ángulo de la del interior, con el fin de controlar la forma de la llama especifica y para generar una zona de recirculación interna efectiva (IRZ) (2)
\bullet
Un cono exterior divergente en 25º realizado teniendo en cuenta la geometría del horno y del quemador actual, habiendo sido dicho cono recubierto con una capa gruesa de material refractario, el mismo que fue aplicado al cuerpo del quemador.
Los rendimientos del quemador modificado en una versión de aceite - petcoke, según la presente invención, se han comparado con los del quemador estándar de bajo NO_{X}, anteriormente instalado en un horno Lepol de 2400 toneladas por día (tpd).
Las condiciones de funcionamiento fueron:
\bullet Producción del horno 2400 tpd
\bullet Carga del quemador 60
\bullet Gcal/h (72% de la aportación total de calor del horno)
\bullet Nitrógeno combustible 1,6 - 1,7%
\bullet Temperatura del aire secundario 900 - 1000ºC
\bullet Caudal del aire primario 12 - 13%
La figura 5 ilustra las concentraciones de óxido de nitrógeno y cal libre, como una función del porcentaje de oxígeno en el extremo posterior del horno, tanto en el caso del quemador según la presente invención, como en el del diseño de bajo NO_{X} estándar. A partir de las pruebas realizadas, se han obtenido los siguientes resultados:
\bullet
Con un 3% de oxígeno, una reducción adicional del 25% de NO_{X} con respecto a los valores medidos quemando un 100% de petcoke utilizando el quemador de NO_{X} bajo anteriormente instalado.
\bullet
En estas condiciones (figura 6), no se ha demostrado un empeoramiento del rendimiento de la combustión desde el punto de vista de las emisiones de CO y SO_{2} medidas en la chimenea.
\bullet
La posibilidad de hacer funcionar el horno con un menor excedente de aire, medido en el extremo posterior del horno
\bullet
Comportamiento similar quemando fuel oil al 100%.
\bullet
La capacidad para obtener una combustión concéntrica (fuel oil + coque) dentro del margen de las posibles variaciones en la proporción de los dos combustibles.
\bullet
La capacidad para combinar el quemador con cualquier tipo de atomizadores de fuel oil.
\bullet
La preservación de la calidad del clinker y las concentraciones de cal libre, obtenidas normalmente antes de la modificación del quemador.
\bullet
La posibilidad de hacer funcionar el horno a menor velocidad, debido a un campo de temperaturas diferente pero más homogéneo en el horno, dando como resultado un forro de revestimiento interno más uniforme.
\bullet
Una absorción de potencia de motor del horno menor consecuente, con la prevista reducción del tiempo de mantenimiento y de los costes.
Las características del dispositivo para inyectar combustibles sólidos, en forma atomizada, en un horno de cemento - objetivo de la presente invención - así como sus ventajas son evidentes a partir de la descripción anterior.
Las siguientes observaciones están destinadas a resaltar mejor dichas ventajas.
Sobre la base antedicha, se ha realizado un cambio a fondo de la aerodinámica en la salida desde la boca del quemador, lo que era necesario para una reducción efectiva del NO_{X} producido por la combustión en un horno de clinker (escorias).
De este modo, se ha realizado una zona de reciclaje interno (IRZ) de la llama, efectiva y eficiente, para mantener bajo control los picos de temperatura, para reducir el tiempo de permanencia del combustible en el aire a una alta temperatura y produciendo una zona de reducción o, lo que es lo mismo, un exceso de combustible en la zona de ignición.
Como consecuencia, debe repetirse que en caso de quemadores en los que se utilizan combustibles sólidos, la geometría de la boca del quemador (boquilla del carbón) tiene una importancia primaria para controlar la combustión y, de este modo, la producción de NO_{X}. En particular, se han formado, en la zona de combustión, zonas pobres en oxígeno y ricas en combustible reduciendo, de este modo, el tiempo de permanencia del combustible en las zonas ricas en oxígeno e impidiendo que una zona de IRZ excesiva próxima a la boca del quemador produzca fenómenos de sobrecalentamiento local que puedan dañar al mismo quemador.
Por último, es evidente que se pueden hacer varios cambios en el dispositivo para inyectar combustibles sólidos en forma atomizada en un horno de cemento, objetivo de la presente invención, sin apartarse por ello de los principios de novedad de la idea inventiva.
En una forma de realización práctica de la invención, los materiales, las formas y los tamaños de los detalles ilustrados pueden ser de cualquier tipo según los requerimientos y los mismos se pueden sustituir con otros detalles equivalentes desde el punto de vista técnico.

Claims (8)

1. Dispositivo (10) para inyectar combustibles sólidos en forma atomizada en el interior de un horno de cemento (12), en el que el dispositivo (10) anterior está instalado en la boca de un quemador (11) coaxialmente con la parte central del mismo quemador (11) y comprende al menos una boquilla central para combustibles líquidos o gaseosos (5) y una tubería anular (1), que es coaxial a la boquilla de combustible líquido (5), para inyectar el combustible sólido anterior en forma atomizada, presentando el dispositivo (10), además, una tubería coaxial (2), fuera de la otra tubería coaxial, cuya finalidad es la de dar forma a la llama, estando provisto el dispositivo (10) de un deflector exterior (3), estando dividida la tubería anular (1) anterior en un grupo de al menos 3 sectores (1a), a través de los cuales circulan los flujos ricos en combustible sólido, estando cada uno de ellos alternado por un correspondiente sector (1b), a través del cual fluye un flujo pobre en combustible sólido, convergiendo dichos sectores (1a) y (1b) hacia la boca del quemador (11) anterior caracterizado porque el interior de dicho deflector (3) es un cono truncado realizado y/o recubierto con un material refractario de espesor, forma y uniones adecuadas, que son similares a las usadas para recubrir el quemador y porque el ángulo de inclinación de dicho deflector (3) está comprendido entre 0 y 60 grados con respecto al eje longitudinal del quemador (11), variando la relación entre el diámetro mayor del anterior deflector (3) y el diámetro exterior del quemador (11) en el intervalo de 1,5 y 3,5 y variando la longitud de dicho deflector (3) entre 100 mm y 800 mm, con respecto al perfil de la boca del quemador, según un plano que es ortogonal al eje del quemador anterior.
2. Dispositivo (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque presenta al menos una primera tubería coaxial (4) entre la boquilla central para combustibles líquidos o gaseosos (5) y la tubería anular (1), para la inyección de aire interno.
3. Dispositivo (10) según la reivindicación 2, caracterizado porque la primera tubería coaxial (4) anterior presenta unos medios para proporcionar rotación al aire.
4. Dispositivo (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque los sectores (1b) anteriores presentan unos medios para proporcionar rotación al aire.
5. Dispositivo (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque la tubería anular (1) anterior está dividida en un grupo de cuatro sectores (1a), estando alternado cada uno de ellos por un correspondiente sector (1b).
6. Dispositivo (10) según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador de turbulencia de la tubería coaxial (2, 4) varía en un ángulo comprendido entre 0 y 60 grados, con respecto al eje longitudinal del quemador.
7. Dispositivo (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los sectores del flujo de salida de la mezcla de aire/combustible sólido de transporte son, a la entrada del anterior dispositivo (10), sustancialmente equivalentes al 100% del área de la sección de salida anular, mientras que la sección de salida de dicha parte anular varía entre 100% y 50%, en función de las diferentes aplicaciones industriales.
8. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la combinación adecuada de todas sus partes permite obtener, de modo efectivo, la alternancia de zonas de combustible, pobres y ricas, directamente en la llama (14) de un quemador único (11).
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