ES2309317T3 - Control de un quemador de ciclon. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de funcionamiento de un proceso de combustión en un quemador de ciclón sin escoria, después de la arrancada del mismo, que comprende: alimentar un combustible a la cámara de combustión de forma cilíndrica del quemador de ciclón; alimentar un gas de combustión que contiene oxígeno con una velocidad tangencial a dicha cámara de combustión, siendo definidas para dicho gas de combustión una velocidad de gas limitante inferior y una velocidad de gas limitante superior; mantener la velocidad del gas de combustión entre dichas velocidades de gas limitantes; mantener una de las dos condiciones estequiométricas en una misma zona de la cámara de combustión: una condición sub-estequiométrica y una condición sobre-estequiométrica, controlando la cantidad de oxígeno alimentado respecto a la cantidad de combustible alimentado, denominada de aquí en adelante la carga de combustible; cambiar a la otra de dichas dos condiciones estequiométricas al tiempo que se previene que el gas de combustión alcance una velocidad fuera del intervalo definido por la velocidad de gas limitante inferior y la velocidad de gas limitante superior, consiguiendo de este modo una relación de regulación mayor.
Description
Control de un quemador de ciclón.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para hacer funcionar un proceso de combustión en un
quemador de ciclón sin cenizas, después de su arranque. Se conoce
un procedimiento de este tipo a partir del documento
US-A-5029557.
Un precalentador o quemador de horno de tipo
ciclón se puede describir como un quemador circular
"adiabático" que tiene una cámara de combustión en la que se
introduce tangencialmente gas de combustión, tal como aire, para
formar un flujo turbulento. Se introducen partículas de combustible
en el flujo de gas y mediante la fuerza centrífuga que actúa sobre
ellas serán transportadas a lo largo de la pared de la cámara. El
combustible en un quemador de ciclón comprende preferiblemente
partículas trituradas, pero en comparación con un quemador de
combustible sólido autoportante vertical la demanda respecto a
material fino es mucho más baja.
En muchas aplicaciones la temperatura dentro del
quemador de ciclón es tan alta que se funde la ceniza del
combustible y se forma escoria, que tiene que ser retirada
continuamente del quemador. Éste es típicamente el caso cuando se
usa para quemar carbón. En otras aplicaciones, típicamente
combustión de madera, la temperatura se controla de tal manera que
se evita que la ceniza -pegajosidad- se funda.
En la mayoría de las aplicaciones, el quemador
de ciclón está forrado de material refractario, que previene la
corrosión y que minimiza las pérdidas de calor. En combinación con
una densidad térmica alta, esto conduce a una temperatura
aproximadamente adiabática dentro del quemador.
En muchas aplicaciones es deseable mantener la
temperatura dentro de cierto intervalo de temperatura a fin de
obtener un quemado satisfactorio del carbón, evitando al tiempo los
inconvenientes, tales como la pegajosidad anteriormente mencionada,
de las altas temperaturas. La temperatura más alta se alcanza
justamente por debajo de la condición estequiométrica, es decir, la
condición cuando el oxígeno del gas de combustión o aire añadido es
igual a la cantidad para quemar completamente el combustible. Si se
añade menos oxígeno, es decir una condición
sub-estequiométrica, la temperatura será más baja, y
lo mismo aplica si se añade más oxígeno, es decir una condición
sobre-estequiométrica, puesto que el exceso de
oxígeno servirá como
\hbox{medio de enfriamiento. Esto se
ilustra en la Fig. 1 que se anexa.}
La relación de regulación, es decir, la relación
de máxima a mínima carga de combustible que puede funcionar para un
quemador de ciclón dado, está limitada por la demanda de circulación
de partículas y por el arrastre masivo de partículas
(cortocircuitado). En otras palabras, el flujo de gas o la velocidad
del gas debería estar por encima de un nivel inferior a fin de
enganchar las partículas de combustible al tiempo que se evita el
desenganche de las mismas debido a las fuerzas gravitacionales y de
rozamiento, y debería estar también por debajo de un límite
superior a fin de evitar que las partículas salgan de la cámara de
combustión antes de que se quemen completamente.
El quemador de ciclón con escoria es la
aplicación más común. Éstos se hacen funcionar en condición
sobre-estequiométrica, siendo la razón principal la
de evitar un medio corrosivo con las condiciones reductoras cuando
se hacen arder los carbones. Típicamente es posible una relación de
regulación de aproximadamente 2:1. Se usa un quemador de ciclón con
escoria para la fusión completa de las partículas de ceniza, que se
retiran principalmente como escoria. En contraposición, un quemador
de ciclón sin escoria se hace funcionar en condiciones tales que no
se producirán escorias importantes dentro del quemador. De este modo
la ceniza se retira principalmente como partículas de cenizas
volantes. Los quemadores de ciclón sin escoria se pueden hacer
funcionar bajo condiciones tanto sub- como
sobre-estequiométricas, aunque la más común es la
sub-estequiometría. Típicamente, es posible una
relación de regulación de 4:1. Se prefiere el funcionamiento bajo
condiciones sub-estequiométricas porque se puede
construir el quemador de modo más compacto. El flujo volumétrico
específico de gases a través del quemador de ciclón
(m^{3}/kg _{de\ combustible}) se puede considerar como aproximadamente proporcional a la relación estequiométrica y así es posible una carga térmica más alta bajo una condición sub-estequiométrica.
(m^{3}/kg _{de\ combustible}) se puede considerar como aproximadamente proporcional a la relación estequiométrica y así es posible una carga térmica más alta bajo una condición sub-estequiométrica.
La técnica anterior proporciona poca capacidad
de control con respecto al proceso de combustión de los quemadores
de ciclón, y es difícil conseguir una relación de regulación mayor
que 4:1 al tiempo que se hace funcionar en el intervalo de
temperatura deseado. Las principales razones para esto son porque el
tiempo de retención de las partículas de combustible dentro de la
cámara de combustión está limitado a un caudal de gas elevado o
porque la circulación en la cámara de combustión llega a ser
insuficiente a un caudal de gas bajo. Una posible solución para
obtener una relación de regulación mayor sería proporcionar un
quemador más largo. Sin embargo, una construcción de este tipo
sería costosa, voluminosa y exigiría mucho espacio. Además, un
quemador más largo daría una considerable dificultad de colocación
si fuera para sustituir a un quemador convencional existente.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento que permita mejores capacidades de
control y de ajuste de un quemador de ciclón sin escoria.
\global\parskip0.960000\baselineskip
Otro objetivo de la presente invención es
proporcionar un procedimiento que aumente la posible relación de
regulación para un quemador de ciclón dado.
Éstos y otros objetivos que llegarán a ser
evidentes a partir de la siguiente descripción, se consiguen por
medio de un procedimiento según se define en las reivindicaciones
que se acompañan.
La invención se basa en el conocimiento de que
cambiando las condiciones entre sub-estequiométricas
y sobre-estequiométricas en una misma zona de una
cámara de combustión de un quemador de ciclón sin escoria es posible
obtener aumento de capacidad de ajuste y mayor relación de
regulación que en la técnica anterior.
Comúnmente, es deseable mantener la temperatura
en la cámara de combustión del quemador de ciclón dentro de un
intervalo limitado de temperatura. Cuanto más baja sea la
temperatura en la cámara de combustión, más lenta es la velocidad
de combustión de las partículas de residuos carbonizados (que quedan
después de la pirólisis) obtenidas, y también con ello la
acumulación de residuos carbonizados dentro del quemador dando como
resultado una posible potencia útil más baja del quemador de
ciclón. Convenientemente, el límite inferior del intervalo de
temperatura es al menos 700ºC, y preferiblemente 900ºC. Sin embargo,
bajo ciertas circunstancias, tales como para un material
combustible específico el límite puede ser incluso más bajo, tal
como 600ºC. El límite superior del intervalo de temperatura depende
entre otros de la fusión y pegajosidad del combustible quemado.
Convenientemente, el límite superior del intervalo de temperatura es
a lo sumo 1300ºC, y preferiblemente 1100ºC. Sin embargo, bajo
ciertas circunstancias, tales como para un material combustible
específico el límite puede ser incluso más alto, tal como 1400ºC.
Esto quiere dar a entender que la cantidad de gas de combustión
debería ser controlada con relación a la cantidad de combustible
presente en la cámara de combustión a fin de mantener la
temperatura dentro del intervalo deseado. En otras palabras según al
menos una realización de la invención, una de las dos condiciones:
condición sub-estequiométrica o condición
sobre-estequiométrica, se mantiene controlando la
cantidad de oxígeno alimentado respecto a la cantidad de combustible
alimentado.
Así, si la carga, es decir, la cantidad de
combustible alimentado a la cámara de combustión se disminuye,
entonces el flujo de gas de combustión también se puede disminuir a
fin de mantener la misma condición estequiométrica. El flujo de gas
o la velocidad de gas más baja posible para mantener las partículas
de combustible en circulación, fijará normalmente por lo tanto el
límite inferior de la carga. Los autores de la presente invención
han comprobado que si se hace funcionar el quemador de ciclón bajo
condiciones sub-estequiométricas, es posible
disminuir la carga no sólo hasta el límite de la carga en el que el
flujo del gas estaría en la frontera de ser insuficiente para el
movimiento de circulación, sino también hasta una carga incluso más
baja cambiando a una condición
sobre-estequiométrica en dicho límite de carga. Esto
quiere dar a entender que se proporciona repentinamente gas de
combustión en exceso permitiendo que la carga se reduzca
considerablemente. Ambas condiciones sub- y
sobre-estequiométricas pueden mantener la
temperatura dentro del intervalo de temperatura deseado.
Según se ha mencionado anteriormente, el
funcionamiento de un quemador de ciclón está limitado por a) una
velocidad de gas limitante mínima o inferior para segurar que se
hacen circular las partículas de combustible y b) una velocidad de
gas limitante máxima o superior fijada por el límite en el que el
arrastre de partículas sin quemar llega a ser demasiado alto. Para
un horno de ciclón dado y un combustible dado, es posible elegir o
bien que funcionen en una condición
sobre-estequiométrica con una carga máxima
relativamente baja, o que funcionen en una condición
sub-estequiométrica con una carga mínima
relativamente alta. Combinando los modos de funcionamiento se puede
aumentar la relación de regulación.
Según un aspecto de la invención, se proporciona
un procedimiento de funcionamiento de un proceso de combustión en
un quemador de ciclón. Según el procedimiento se alimenta
combustible a una cámara de combustión de forma cilíndrica de un
quemador de ciclón y se introduce un gas de combustión que contiene
oxígeno, tal como aire, con un componente de velocidad tangencial
en dicha cámara de combustión de modo que proporcione al menos
circulación parcial del combustible a lo largo de la pared de la
cámara, para que el combustible se ha de gasificar o quemar. Se
definen una velocidad limitante inferior y una velocidad de gas
limitante superior para dicho gas de combustión. La velocidad del
gas de combustión se mantiene entre dichas velocidades de gas
limitantes. Se mantiene o bien una condición
sub-estequiométrica o bien una condición
sobre-estequiométrica en la cámara de combustión
controlando la cantidad de oxígeno alimentado respecto a la cantidad
de combustible alimentado. El procedimiento comprende
adicionalmente cambiar a la otra de dichas dos condiciones
estequiométricas al tiempo que se previene que el gas de combustión
alcance una velocidad fuera del intervalo definido por la velocidad
de gas limitante inferior y la velocidad de gas limitante
superior.
Esto quiere dar a entender que con independencia
de la dirección del cambio, es decir de condición de
sub-estequiométrica a
sobre-estequiométrica o viceversa, la velocidad del
gas de combustión no será inferior a la velocidad de gas limitante
inferior y no más alta que la velocidad de gas limitante superior.
Esto aplica tanto a antes como a después de la actuación de cambiar
de una condición estequiométrica a la otra, y también durante el
cambio real.
Para una temperatura dada en la cámara de
combustión, dicha temperatura define junto con dichas velocidades
de gas limitantes, una posible región de transición, es decir un
intervalo de cargas de combustible para el que es posible la
transición o cambio de una de las dos condiciones estequiométricas a
la otra en conformidad con las enseñanzas de al menos una
realización de la presente invención. La carga de combustible mínima
y la carga de combustible máxima para dicho intervalo dependen de
la temperatura.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Se ha encontrado que mezclando gas de salida
recirculado con el gas de combustión que contiene oxígeno antes de
alimentar el gas de combustión a la cámara de combustión, la posible
región de transición se expande. En otras palabras, para cada
temperatura dada la adición de gas de salida recirculado al gas de
combustión que contiene oxígeno dará como resultado una carga de
combustible mínima más baja que la que sería el caso sin la adición
del gas de salida recirculado.
La adición de gas de salida recirculado afecta a
ambas condiciones tanto sub- como
sobre-estequiométricas. La relación de regulación
bajo condiciones sub-estequiométricas se puede
extender adicionalmente si los gases de salida recirculados se
mezclan con el gas de combustión antes de proporcionar el gas de
combustión a la cámara de combustión. El efecto es doble. En primer
lugar, el gas de salida recirculado aumenta el flujo de gas sin
aumentar el calor liberado del combustible. La relación
estequiométrica depende de la cantidad de gas que contiene oxígeno.
Puesto que algo de este gas que contiene oxígeno puede ser
sustituido por gas de salida que esencialmente no contiene oxígeno
(o que tiene muy pequeña cantidad de oxígeno) se podrá obtener una
condición sub-estequiométrica para una carga todavía
más baja que en el caso en que no se recircula gas de salida, sin
comprometer el efecto de circulación. Así, el límite mínimo de flujo
de gas se alcanza a una carga más baja. En segundo lugar el gas de
salida recirculado sirve como lastre. Se demanda así gas que
contiene oxígeno adicional, tal como aire de combustión, a fin de
liberar más calor del combustible manteniendo de este modo la
temperatura, y, en otras palabras, la relación estequiométrica se
desplaza algo más cerca de 1. Esto quiere dar a entender que el
límite mínimo se alcanza a una carga adicionalmente más baja.
Bajo condiciones
sobre-estequiométricas el gas de salida añadido
sustituirá parcialmente aire de combustión en exceso. El gas de
salida actuará como un lastre, lo que quiere dar a entender que una
misma cantidad de combustible calentará una masa mayor, facilitando
de este modo el uso de menos aire de combustión para enfriamiento.
En el caso de que el flujo de gas total permanezca igual, el
beneficio es que la concentración de oxígeno disminuirá. Así, se
forma menos óxido de nitrógeno.
El efecto principal de usar gas de salida
recirculado es que se aumenta el tramo de carga dentro del que es
posible funcionar bajo condiciones
sub-estequiométricas.
Como alternativa al gas de salida recirculado,
sería posible obtener un resultado similar, es decir que expanda la
posible región de transición, mezclando el gas de combustión con
cualquier gas inerte o con un gas que contenga un porcentaje de
oxígeno más bajo.
Aun cuando es posible variar la cantidad de gas
de combustión (tal como aire) a fin de controlar la temperatura en
la cámara de combustión, una alternativa es usar gas de salida
recirculado (o gas inerte o gas que contiene poco oxígeno) para
controlar la temperatura en la cámara de combustión. Esto es
ventajoso cuando es deseable mantener una relación estequiométrica
predefinida, en la que se controla la temperatura variando la
cantidad de gas recirculado añadido al gas de combustión. La
velocidad del gas se mantiene dentro de los límites previamente
definidos.
Según al menos una realización de la invención
las condiciones estequiométricas se controlan sin mezclar gas de
salida recirculado ni inerte adicional alguno con el gas de
combustión. En este caso es posible mantener una relación
estequiométrica esencialmente constante entre el oxígeno y el
combustible no igual a 1, es decir en uno de los dos estados:
sub-estequiométrico o
sobre-estequiométrico, controlando la cantidad de
gas de combustión alimentado dependiendo de la cantidad de
combustible alimentado. Una relación estequiométrica esencialmente
constante se mantiene antes de la actuación de cambio, y otra
relación se mantiene después de la actuación del cambio desde una
condición estequiométrica a la otra. Así, si una carga relativamente
baja está presente, es decir se alimenta una cantidad baja de
combustible a la cámara de combustión, se puede mantener una
relación sobre-estequiométrica esencialmente
constante hasta el momento de cambiar a una relación
sub-estequiométrica esencialmente constante,
dependiendo dicho momento de cambiar entre otros del tamaño de la
carga. La expresión relación estequiométrica esencialmente
constante se debería entender que permita una variación de la
relación estequiométrica tal que proporcione una temperatura dentro
de un cierto intervalo de temperatura deseado. Por ejemplo,
meramente como ejemplo ilustrativo, se hace referencia a la Figura
1, en la que para un intervalo de temperatura de 1200ºC - 1300ºC la
relación (sub-)estequiométrica debería estar alrededor de 0,4 - 0,45
y la relación (sobre-)estequiométrica debería estar alrededor de
1,8 - 2. Así, antes y después del momento del cambio pero no
durante el momento del cambio, cuando la carga se aumenta o se
disminuye, la cantidad de gas de combustión se aumenta o se
disminuye, respectivamente de modo que se mantenga la relación
estequiométrica esencialmente constante.
Hay diferentes opciones para controlar la
cantidad de gas de combustión que se alimenta a la cámara de
combustión. Son factores limitantes la velocidad de gas limitante
inferior y la velocidad de gas limitante superior en la cámara de
combustión. La velocidad del gas de combustión que se suministra
desde una entrada de gas de combustión se mantendrá esencialmente
según entra el gas y viaja tangencialmente en la cámara de
combustión, es decir las pérdidas se pueden considerar como
despreciables. Teniendo esto en mente, un diseño de progreso
directo es proporcionar una entrada de gas de combustión que tenga
un área transversal fijada. Aumentando o disminuyendo la cantidad
de gas de combustión que entra en la cámara de combustión, se
controla la velocidad del gas. Alternativamente, se puede elegir
que el gas de combustión se suministre de modo que alcance una
velocidad fijada (en un nivel entre las velocidades de gas
limitantes) y variar en cambio el área de apertura de la entrada.
Se usa un área de apertura grande cuando se desea un flujo grande,
es decir una gran cantidad de gas, mientras que se usa un área de
apertura pequeña cuando se desea una baja gran cantidad de gas. La
cantidad de gas deseada depende de la cantidad de combustible, según
se ha descrito previamente. Una alternativa de control adicional es
variar ambas el área de la sección transversal de la entrada y la
velocidad del gas de combustión proporcionado. Así, en los tres
casos se puede controlar el flujo de gas, es decir el volumen por
unidad de tiempo.
Se puede proporcionar un medidor de velocidad o
un rotámetro en la tubería de suministro de gas para medir y
calcular la velocidad del gas de combustión. De manera similar,
dispositivos de medida, tales como medidor de velocidad o
rotámetro, se pueden proporcionar para calcular la cantidad de
combustible que se alimenta a la cámara de combustión. Mediciones y
cálculos de este tipo sirven adecuadamente como base para decidir
sobre el momento de cambiar de una condición estequiométrica a la
otra.
El procedimiento descrito para hacer funcionar
un proceso de combustión en un quemador de ciclón es aplicable para
combustible sólido, líquido o gaseoso. Se ha encontrado que es
particularmente adecuado para uso con combustibles sólidos. El
combustible sólido es convenientemente algún tipo de biocombustible.
El combustible sólido puede estar en forma de partículas, tales
como partículas de madera, preferiblemente gránulos de madera,
típicamente gránulos de madera triturada de un diámetro de hasta 4
mm.
Cuando se usan partículas de combustible sólido,
se fija la velocidad más baja para mantener al menos la mayoría de
las partículas de combustible en circulación en la cámara de
combustión según dicha velocidad limitante inferior. La velocidad
limitante inferior también se puede fijar sobre la base del tamaño
de partícula más grande del combustible o sobre otra base. Por
ejemplo, alguna clase de partículas de combustible que entra en la
cámara de combustión liberará rápidamente su materia volátil,
disminuyendo con ello la densidad de la partícula. Por lo tanto en
tales casos puede que sea adecuado basar la velocidad tangencial
mínima o inferior sobre la densidad de la partícula obtenida
después de la eliminación de material volátil. Para partículas de
madera esta densidad está típicamente en un orden de magnitud de 250
kg/m^{3}, aproximadamente un cuarto de la densidad de la
partícula antes de entrar en la cámara de combustión.
Para un quemador de ciclón "tendido", es
decir que comprende una cámara de combustión que tiene un eje de
simetría central que se extiende horizontalmente, la velocidad de
gas limitante inferior se fija adecuadamente se modo que se cumplan
ciertos criterios en lo alto de la cámara de combustión.
Para una cámara de combustión de quemador de
ciclón que tiene un eje central horizontal y sección transversal
circular en el plano vertical, el flujo de gas en circulación dentro
de la cámara de combustión se puede considerar como no expansivo, y
por lo tanto la velocidad tangencial periférica igual a la velocidad
de entrada del gas.
Cinco fuerzas actúan sobre las partículas de
combustible, a saber:
en las
que
m_{p} = masa de la partícula.
g = constante de la gravedad.
R = radio de la cámara de combustión del
quemador de ciclón.
V_{g,t} = velocidad tangencial del
gas.
V_{g,r} = velocidad radial del gas.
V_{p,t} = velocidad tangencial de la
partícula.
V_{p,r} = velocidad radial de la
partícula.
\mu = coeficiente de rozamiento.
a_{N} = aceleración en dirección
normal.
C_{d} = coeficiente de arrastre.
A_{p} = área de sección transversal de
una partícula de combustible.
\rho_{g} = densidad del gas de
combustión.
La velocidad de gas limitante inferior se fija
adecuadamente por la situación en la que exactamente se previene
que caiga una partícula en la posición más alta (en lo alto). Este
es el caso cuando las fuerzas de gravedad y de arrastre radial se
equilibran con la fuerza centrífuga dando como resultado rozamiento
cero. La velocidad de partícula tangencial limitante llega a
ser:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Se puede suponer que el arrastre radial es
despreciable, y la velocidad de partícula tangencial limitante
(V_{p,t}) se expresa como:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Sin embargo, la velocidad tangencial del gas
dentro de la cámara de combustión tiene que ser mayor que la
velocidad de partícula limitante. La velocidad de gas limitante
inferior se puede encontrar resolviendo la siguiente ecuación
diferencial, determinando así la velocidad de gas que asegura la
velocidad de partícula deseada en lo alto del quemador de
ciclón.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Así:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aquí \varphi es el ángulo con la vertical, es
decir 180º en lo alto de la cámara de combustión, y S es la
distancia recorrida por la partícula a lo largo de la
periferia.
Resolviendo respecto a la velocidad tangencial
del gas V_{g,t} que da la velocidad de partícula deseada
en lo alto
V_{p,t} = \sqrt{gR}, se encuentra que (V_{g,t}) aumenta cuando el radio de la cámara de combustión del quemador de ciclón y el diámetro de la partícula aumentan.
V_{p,t} = \sqrt{gR}, se encuentra que (V_{g,t}) aumenta cuando el radio de la cámara de combustión del quemador de ciclón y el diámetro de la partícula aumentan.
En un quemador de ciclón "vertical", es
decir una cámara de combustión que tiene un eje de simetría central
que se extiende verticalmente y una sección transversal circular en
el plano horizontal, las fuerzas que actúan sobre la partícula son
similares a las del ciclón "tendido" con la adición de una
fuerza de arrastre vertical. Sin embargo, para simplificar, se
consideran despreciables ambas fuerzas radial y vertical. Suponiendo
esto, la velocidad de gas limitante tangencial inferior
V_{g,t} se calcula resolviendo la siguiente ecuación (que
se discutirá adicionalmente en conexión con la Fig. 11 que se
acompaña):
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
para la
que
V_{g,t} = velocidad tangencial del
gas.
g = constante de la gravedad.
R = radio de la cámara de combustión del
quemador de ciclón.
\alpha = ángulo con la horizontal.
\mu = coeficiente de rozamiento.
d_{p} = diámetro de la partícula de
combustible.
\rho_{p} = densidad de la partícula de
combustible.
\rho_{g} = densidad del gas de
combustión.
C_{d} = coeficiente de arrastre.
Alternativamente, la velocidad de gas limitante
inferior se puede determinar empíricamente, es decir haciendo
pruebas para un quemador de ciclón específico que quema un
combustible específico. El procedimiento según la presente
invención es aplicable con independencia de cómo se determine la
velocidad de gas limitante inferior.
La velocidad de gas limitante superior se fija
adecuadamente a la velocidad más alta permisible para minimizar la
cantidad de partículas de combustible sin quemar que salen de la
cámara de combustión, siendo dicha velocidad 20-50
m/s, preferiblemente 25-40 m/s, tal como del orden
de 30 m/s. Otra definición de la velocidad de gas limitante
superior es 3-6 veces la velocidad de gas limitante
inferior, típicamente 4 veces.
Se podía esperar que la eficacia de separación,
es decir la tendencia de las partículas a viajar a lo largo de la
pared de la cámara de combustión, aumentaría infinitamente cuando se
aumentara la velocidad tangencial de gas. Sin embargo, en la
práctica, el re-enganche de partículas hacia el eje
central de la cámara de combustión empieza a ser bastante
perceptible a cierta velocidad debido al aumento de turbulencia y la
rotura de remolino hacia abajo dentro de la cámara de combustión
cilíndrica del quemador de ciclón. Aún cuando no es inmediato
calcular la velocidad de gas limitante superior, se entiende por
experiencia que un valor típico es del orden de 30 m/s.
Otro aspecto que limita la velocidad de gas
superior posible es la concentración volumétrica de partículas de
combustible sin quemar dentro de la cámara de combustión. Lo que es
limitante es el tiempo de quemado de los residuos carbonizados (el
resto que queda después de la eliminación del material volátil del
combustible). Para una temperatura y una relación estequiométrica
dadas, la cantidad de residuo carbonizado sin quemar dentro de la
cámara de combustión del quemador de ciclón será proporcional a la
carga, y con ello también a la velocidad tangencial del gas. A una
cierta carga la concentración de partículas de combustible sin
quemar llegará a ser tan alta que el re-enganche
será bastante perceptible. En condiciones
sobre-estequiométricas el
re-enganche debido a la velocidad tangencial alta
es probable que sea el factor limitante. En funcionamiento
sub-estequiométrico el re-enganche
debido a atasco por las partículas de combustible es más
probable.
El procedimiento para determinar la velocidad de
gas limitante superior puede variar, por ejemplo haciendo pruebas
para un quemador de ciclón específico que quema un combustible
específico. El procedimiento según la presente invención es
aplicable con independencia de cómo se determinen las velocidades de
gas limitantes superior o inferior. Éstas tienen la función de
valores limitantes. Por ejemplo, según al menos una realización de
la invención la actuación de cambio de una de las dos condiciones
estequiométricas a la otra se realiza justamente antes de que el
gas alcance una de dichas velocidades de gas limitantes. Según al
menos otra realización de la invención dicho cambio a la otra de
dichas dos condiciones se realiza cuando la cantidad de combustible
alimentado en la condición estequiométrica actual requeriría, para
la otra condición estequiométrica, una cantidad de gas de
combustión tal que correspondería a una velocidad de flujo de gas
que esté dentro del intervalo de las velocidades de gas
limitantes.
Según se ha descrito anteriormente, el
procedimiento según la presente invención proporciona una relación
de regulación para quemadores de ciclón, que es considerablemente
mayor que la que ha sido posible conseguir en la técnica anterior.
Aún cuando es deseable mantener la temperatura dentro de un cierto
intervalo, para ambas condiciones sub- y
sobre-estequiométricas, dicho intervalo puede ser
realmente bastante útil para aumentar adicionalmente la relación de
regulación. Aún cuando se puede preferir un intervalo de temperatura
entre 900ºC - 1100ºC dentro del quemador de ciclón, el intervalo se
puede extender aceptablemente a 700ºC - 1300ºC o todavía más. Por
ejemplo, si se puede permitir una temperatura más alta de la normal
durante las condiciones sub-estequiométricas, tales
como cerca o de aproximadamente 1300ºC, se necesita más oxígeno del
habitual a fin de elevar la temperatura para la misma cantidad de
carga. Dado que se permite que se introduzca más gas que contiene
oxígeno en el quemador de ciclón con relación a la cantidad de
carga, esto quiere dar a entender que la relación estequiométrica
está más cerca de 1, lo que tiene la consecuencia de que se permite
una carga mínima más baja, al tiempo que se introduce todavía
suficiente gas para mantener las partículas en circulación. De modo
similar, durante las condiciones
sobre-estequiométricas puede ser permisible una
temperatura relativamente más baja, es decir más oxígeno con
relación a la carga. Esto también conducirá a una posible carga
mínima más baja.
Aún cuando es posible hacer uso de temperaturas
variables, en muchos casos puede ser deseable mantener la
temperatura lo más uniforme posible. Esto puede aplicar
particularmente al momento real de cambiar la relación de sub- a
sobre-estequiométrica, y viceversa. Por lo tanto,
adecuadamente, un cambio de este tipo se realiza rápidamente de
modo que se mantenga el nivel de temperatura lo más uniforme
posible. Esto se puede conseguir por medio de un sistema regulador,
por ejemplo que comprende un ordenador, rotámetros para el
combustible y el gas de combustión y válvulas. El sistema puede ser
programado de la siguiente manera. En el funcionamiento
sobre-estequiométrico se presenta una situación en
la que una cantidad decreciente de gas de combustión de entrada
conduce a un aumento de temperatura. También se fija una relación
estequiométrica permitida mínima, por encima de 1,0. En condiciones
sub-estequiométricas se cambia a dicha condición
cuando un aumento de cantidad de gas de combustión de entrada da
como resultado un aumento de temperatura, y la relación
estequiométrica mínima se sustituye con una máxima, que está por
debajo de 1,0. En el punto de cambio a funcionamiento
sub-estequiométrico, las nuevas condiciones se dan
inmediatamente el sistema regulador, lo que quiere dar a entender
que se obtiene el cambio tan rápidamente como la o las válvulas
pueden cambiar de posición. El cambio de condición y valor límite
inversos aplican al ir del funcionamiento
sub-estequiométrico a
sobre-estequiométrico.
A partir de la descripción anterior ahora
debería estar claro que el procedimiento según al menos una
realización de la presente invención facilita un cambio entre
gasificación (es decir condición
sub-estequiométrica) a cargas más altas y
combustión a cargas más bajas. La invención permite que esto se
realice durante el funcionamiento del quemador de ciclón, y no sólo
durante el arranque del mismo. Además, con diferencia respecto a
otros quemadores de la técnica anterior que se pueden hacer
funcionar simultáneamente con condiciones
sub-estequiométricas en una zona y
sobre-estequiométricas en otra zona, el
procedimiento presente hace posible utilizar una misma zona de un
quemador de ciclón para cambiar entre las dos condiciones
estequiométricas diferentes.
También debería estar claro que la idea de la
invención facilita un aumento de la relación de regulación (la
relación entre la carga posible más grande y la más pequeña que se
ha de quemar en un quemador de ciclón). Esto puede ser útil por
ejemplo cuando es deseable cambiar la potencia útil de un horno
conectado a un quemador de ciclón, típicamente en una planta de
calefacción por distritos (hasta 30-50 MW) o incluso
en una caldera doméstica (un par de 100 kW). La temperatura en el
quemador se puede mantener relativamente constante durante el
funcionamiento, pero, la cantidad de combustible, y por consiguiente
la potencia útil, se pueden variar por ejemplo dependiendo del
funcionamiento de día o de noche. Un aumento de la relación de
regulación del quemador de ciclón facilita el cambio entre la
necesidad de más o menos potencia útil. En quemadores de la técnica
anterior a veces puede ser necesario interrumpir el funcionamiento
del quemador, porque no es posible producir una potencia útil
suficientemente baja, y por lo tanto cuando se desea de nuevo mayor
potencia útil, el quemador tiene que ser arrancado otra vez. Sin
embargo, la idea de la presente invención proporciona un posible
intervalo de regulación mayor.
La Figura 1 es un diagrama que ilustra la
correlación entre relación estequiométrica y temperatura adiabática
cuando se usan gránulos de madera como combustible.
La Figura 2 es un diagrama que ilustra la
velocidad de partícula mínima teórica en lo alto de la cámara de
combustión como una función del diámetro de la cámara de
combustión.
La Figura 3 es un diagrama que ilustra la
velocidad de gas limitante inferior calculada como una función del
diámetro de partícula y del diámetro de la cámara de combustión.
La Figura 4 es otro diagrama que ilustra la
velocidad de gas limitante inferior calculada como una función del
diámetro de partícula y del diámetro de la cámara de combustión.
La Figura 5 es un diagrama que ilustra la
relación de regulación dependiente de la relación estequiométrica y
del flujo de gas relativo.
La Figura 6 es otro diagrama que ilustra la
relación de regulación.
La Figura 7 es un diagrama que ilustra la
relación de regulación en el caso de que se añadan gases de salida
recirculados al gas combustión.
La Figura 8 es otro diagrama que ilustra la
relación de regulación en el caso de que se añadan gases de salida
recirculados al gas combustión.
La Figura 9 es todavía otro diagrama que ilustra
la relación de regulación en el caso de que se añadan gases de
salida recirculados al gas combustión.
La Figura 10 es otro diagrama adicional que
ilustra la relación de regulación en el caso de que se añadan gases
de salida recirculados al gas combustión.
La Figura 11 ilustra las fuerzas que actúan
sobre una partícula en un quemador de ciclón vertical.
La Figura 1 es un diagrama que ilustra la
correlación entre relación estequiométrica y temperatura adiabática
cuando se usan gránulos de madera como combustible. Los gránulos de
madera pueden tener un poder calorífico inferior (o poder
calorífico neto) de 18,2 MJ/kg. El diagrama muestra que se obtiene
la temperatura más alta para una relación estequiométrica de
aproximadamente 0,95. Si se proporciona más oxígeno con relación al
que se necesita para la combustión completa del combustible, es
decir una condición sobre-estequiométrica, la
temperatura llega a ser más baja. Por ejemplo, una relación
estequiométrica de 2,0 da como resultado una temperatura adiabática
de 1200ºC. De modo similar, si se proporciona menos oxígeno de modo
que se consiga una condición más
sub-estequiométrica, la temperatura también llegará
a ser más baja. Por ejemplo, una relación estequiométrica de 0,5
dará como resultado una temperatura de aproximadamente 1400ºC. Como
se ha descrito previamente, para obtener una capacidad de
funcionamiento satisfactoria, puede ser deseable mantener la
temperatura dentro de un cierto intervalo. Así, para este
combustible particular, si fuera deseable funcionar dentro del
intervalo de temperatura de 1100ºC - 1300ºC se mantendrían las
relaciones sub- y sobre-estequiométricas
aproximadamente en 0,37-0,45 y
1,8-2,25, respectivamente.
La Figura 2 es un diagrama que ilustra la
velocidad de partícula mínima teórica en la porción más alta de la
cámara de combustión de un quemador de ciclón tendido como una
función del diámetro de la cámara de combustión. Según se ha
descrito previamente, el flujo de gas limitante inferior se fija en
el caso en que exactamente se previene que caiga una partícula en
la posición más alta (en lo alto) de la cámara de combustión. Si se
supone que el arrastre radial es despreciable, la velocidad
tangencial de partícula (V_{p,t}) es V_{p,t} =
\sqrt{gR} . Esto se ilustra en la Figura 2. Por ejemplo, una
cámara de combustión que tiene un diámetro de 0,3 m, 0,6 m ó 1,2 m
daría como resultado una velocidad de partícula mínima en lo alto de
1,2 m/s, 1,7 m/s y 2,4 m/s, respectivamente.
La Fig. 3 es un diagrama que ilustra la
velocidad de gas limitante inferior calculada como una función del
diámetro de partícula y del diámetro de la cámara de combustión en
un quemador de ciclón tendido. La velocidad tangencial de gas
(V_{g,t}) tiene que ser más alta que la velocidad de
partícula mínima (V_{p,t}). Como se ha descrito
previamente la velocidad tangencial del gas V_{g,t} debería
ser tan alta que la velocidad de partícula en la posición superior
(\varphi = 180º) en la cámara de combustión del quemador de
ciclón sea más alta que la velocidad de partícula mínima calculada
(V_{p,t}). Usando esto como condición frontera la
velocidad del gas se resuelve a partir de la siguiente
ecuación
diferencial
diferencial
Se encuentra que la velocidad de gas limitante
inferior (V_{g,t}) aumenta cuando aumentan el radio de la
cámara de combustión del quemador de ciclón y el diámetro de
partícula. Esto se ilustra en la Figura 3. El eje horizontal en el
diagrama representa el diámetro de partícula en mm y el eje vertical
representa la velocidad de gas limitante inferior en m/s. Se
dibujan tres curvas, en las que la curva de abajo es para un
diámetro de cámara de combustión de 0,3 m, la curva media es para un
diámetro de cámara de combustión de 0,6 m, la curva de arriba es
para un diámetro de cámara de combustión de 1,2 m. Para los cálculos
se han supuesto un coeficiente de rozamiento de 0,5 un coeficiente
de arrastre de 0,44, una densidad de gas de 0,28 kg/m^{3} y una
densidad de partícula de 1000 kg/m^{3}. El diagrama muestra que
para un diámetro de partícula por ejemplo de 2,0 mm (por ejemplo
gránulo de madera triturada) la velocidad de gas limitante inferior
es aproximadamente 11 a 13 m/s dependiendo del tamaño de la cámara
de combustión. Para un diámetro de partícula más pequeño por
ejemplo de 0,5 mm (tal como un gránulo triturado) la velocidad de
gas limitante inferior es tan baja como 6 a 8 m/s.
Cuando las partículas de combustible entran en
la cámara de combustión del quemador de ciclón liberarán rápidamente
su materia volátil. Así, la densidad de la partícula también
disminuirá. Puede ser por lo tanto adecuado calcular la velocidad
de gas limitante inferior sobre la base de la densidad de la
partícula después de la eliminación de materiales volátiles. Para
partículas de madera esta densidad está típicamente en el orden de
magnitud de 250 kg/m^{3}. Esto se muestra en la Figura 4. Así,
todos los datos de entradas son iguales que para el diagrama que se
muestra en la Figura 3, excepto para la densidad de partícula que en
la Figura 4 es 250 kg/m^{3} en lugar de 1000 kg/m^{3}. Para un
diámetro de partícula de 0,5 mm la velocidad de gas limitante
inferior es aproximadamente 3 a 5 m/s, que es suficiente para
obtener la velocidad de partícula mínima (1,2 m/s, 1,7 m/s y 2,4
m/s) anteriormente calculada para los diferentes diámetros de cámara
de combustión. Si la velocidad de gas limitante superior, que se ha
encontrado empíricamente, es aproximadamente 30 m/s, la relación de
regulación para una temperatura de combustión dada y una partícula
de 0,5 mm de diámetro sería de aproximadamente 30:5, es decir 6:1.
La relación de regulación se puede extender adicionalmente si se
permite también que la temperatura se varíe con la carga.
La Figura 5 es un diagrama que ilustra la
relación de regulación dependiente de la relación estequiométrica y
el flujo de gas relativo. En este ejemplo se presume una temperatura
adiabática de aproximadamente 1300ºC en la cámara de combustión de
un quemador de ciclón. El eje horizontal representa el factor de
carga relativo del quemador de ciclón. El eje vertical izquierdo
representa la relación estequiométrica dentro de la cámara de
combustión. El eje vertical derecho representa el flujo de gas
relativo dentro de la cámara de combustión, es decir la relación
entre el flujo de gas real y el flujo de gas mínimo, o en la mayor
parte de los casos la relación entre la velocidad de gas real y la
velocidad de gas limitante inferior.
Observando la parte izquierda del diagrama,
cuando se alimenta a la cámara de combustión una cantidad de
combustible relativamente pequeña, es decir una carga pequeña, se
suministra una cantidad comparativamente grande de gas de
combustión que contiene oxígeno tal como aire de modo que existe una
condición sobre-estequiométrica en la cámara de
combustión. La relación estequiométrica se mantiene aproximadamente
a 1,8, según se ilustra mediante la línea de trazos L1, a fin de
mantener la temperatura de aproximadamente 1300ºC. Cuando se aumenta
la carga también se aumenta la cantidad de gas de combustión
aumentando la velocidad con la que es alimentado a la cámara de
combustión, manteniendo con ello una condición
sobre-estequiométrica. Esto se muestra mediante la
porción izquierda inclinada de la curva L2. En este caso la relación
estequiométrica se mantiene esencialmente constante a 1,8. La
cantidad de carga con la que se ha de funcionar en condición
sobre-estequiométrica se determina por la velocidad
de gas limitante inferior y la velocidad de gas limitante superior
que es típicamente 4 veces la inferior. Las velocidades de gas
limitantes se indican por las líneas horizontales L4 (límite
inferior) y L5 (límite superior) que cruzan el diagrama. Así,
cuando se aumenta la carga desde un factor de carga relativo de 1
sobre la escala horizontal, y por consiguiente también la velocidad
del gas, se alcanzará eventualmente la velocidad de gas limitante
superior. Esto sucede en 4 sobre la escala horizontal. Un quemador
de ciclón que funciona en condición
sobre-estequiométrica estaría limitado así a una
relación de regulación de 4:1.
Habiendo alcanzado la velocidad de gas limitante
superior en condición sobre-estequiométrica, se
realiza una operación de cambio de tal modo que se obtenga una
condición sub-estequiométrica, que permita de este
modo un incremento adicional de la carga. La acción de cambiar a
una condición sub-estequiométrica se realiza
reduciendo la velocidad del gas antes de que la velocidad del gas
alcance o sobrepase dicha velocidad de gas limitante superior,
según se indica mediante la línea L6. En este caso coincide con la
velocidad de gas limitante inferior a una relación
sub-estequiométrica de aproximadamente 0,45 (en 4
sobre la escala horizontal), a fin de mantener la temperatura
aproximadamente a 1300ºC. Ahora, en lugar de tener exceso de
oxígeno, hay una restricción de oxígeno. La relación
sub-estequiométrica de aproximadamente 0,45 se
mantiene esencialmente constante, según se ilustra por la línea de
trazos L7, al tiempo que se permite que se aumente adicionalmente la
cantidad de combustible que se alimenta a la cámara de combustión.
Se puede aumentar la cantidad de combustible, y por lo tanto
también el flujo de gas según se indica por la línea L8, hasta una
carga tal que se alcance la velocidad de gas limitante superior.
Esto es en 16 sobre la escala horizontal. Esto quiere dar a entender
que si un quemador de ciclón se hiciera funcionar solamente en esta
relación sub-estequiométrica, se obtendría una
relación de regulación de 16:4, es decir 4:1. Combinado los dos
modos de funcionamiento, haciendo uso de ambas condiciones
estequiométricas, se puede obtener una relación de regulación
teórica de 16:1.
El proceso es reversible. Así, es posible
empezar en el lado derecho de la curva en la Figura 5, es decir en
una condición sub-estequiométrica. Cuando se reduce
la carga, y por lo tanto también la velocidad del gas, se alcanza
eventualmente la velocidad de gas limitante inferior. En este punto,
se hace el cambio a relación sobre-estequiométrica
aumentando la velocidad del gas. Después de esto, se puede disminuir
la carga todavía más, hasta que la velocidad del gas se reduce,
para mantener la relación sobre-estequiométrica
esencialmente constante, a la velocidad de gas limitante
inferior.
La Figura 6 es otro diagrama que ilustra la
relación de regulación. En este caso se usa el mismo combustible en
la misma cámara de combustión que en la Figura 5. Sin embargo, ahora
se desea una temperatura adiabática de aproximadamente 1100ºC
dentro de la cámara de combustión. Esta temperatura se obtiene para
una relación sobre-estequiométrica de
aproximadamente 2,2, y para una relación
sub-estequiométrica de aproximadamente 0,38. Como
se puede observar a partir de la Figura 6, indicada por una flecha
que apunta hacia abajo, un cambio desde condición
sobre-estequiométrica en la velocidad de gas
limitante superior hacia la condición
sub-estequiométrica conduciría a una velocidad de
gas por debajo de la velocidad de gas limitante inferior. De modo
similar, un cambio desde la condición
sub-estequiométrica, al tener la velocidad de gas
limitante inferior, hacia la condición
sobre-estequiométrica, sería como se indica por la
flecha que apunta hacia arriba da como resultado una velocidad de
gas muy por encima de la velocidad de gas limitante superior. Esto
quiere dar a entender que a fin de mantener la temperatura deseada
y obtener un solapamiento, al cambiar de una condición
estequiométrica a la otra, la velocidad del gas sobrepasará las
velocidades de gas limitantes superior y/o inferior.
La dificultad que se ilustra en la Figura 6 se
resuelve añadiendo gases de salida recirculados que tienen
contenido de oxígeno bajo o nulo al gas de combustión que tiene
contenido de oxígeno alto, tal como el aire.
Por consiguiente, la Figura 7 es un diagrama que
ilustra la relación de regulación en el caso de que se añadan gases
de salida recirculados al gas de combustión. Como en la Figura 6, la
temperatura deseada en la cámara de combustión es 1100ºC. Una
cantidad fijada de gas de salida recirculado (15% del flujo de gas
mínimo) se mezcla con el gas de combustión antes de alimentarlo a
la cámara de combustión. La cantidad de gas de salida recirculado
se ilustra como una línea recta horizontal de puntos L9 en la
porción de abajo del diagrama. Las líneas que se corresponden con
las líneas en la Figura 5 se han designado con las mismas
referencias.
Como se puede observar a partir del diagrama en
la Figura 7, la carga mínima bajo condiciones
sub-estequiométricas se extiende adicionalmente
ahora que se aplica gas de salida recirculado. El gas de salida
recirculado aumenta el flujo de gas total sin aumentar el calor
liberado del combustible. Así, el límite mínimo de flujo de gas, es
decir la velocidad de gas limitante inferior, se alcanza con una
carga más baja. Además, el gas de salida recirculado sirve como
lastre. Por lo tanto se demanda gas de combustión adicional a fin de
mantener la temperatura deseada. Esto aumenta adicionalmente el
flujo de gas total, y el límite mínimo se alcanza a una carga
adicionalmente disminuida. Según el diagrama en la Figura 7 este
\hbox{límite está aproximadamente en 3,5 sobre la escala
horizontal, en lugar de 6 como en la Figura 6.}
Bajo condición
sobre-estequiométrica el gas de salida añadido
sustituirá parcialmente el gas de combustión exceso. Así, el flujo
de gas total permanecerá igual que sin nada de recirculación de gas
de salida, aunque la relación estequiométrica variará entre
aproximadamente 1,8 y 2,1 cuando cambie la carga (véase la línea de
trazos L1). El beneficio es que la concentración de oxígeno
disminuirá cuando disminuya la carga, dando como resultado que se
forme menos óxido de nitrógeno. Así, en el diagrama en la Figura 7,
y en el diagrama en la Figura 6, el límite de carga superior para
condiciones sobre-estequiométricas se alcanza en 4
sobre la escala horizontal. Mientras no hay solapamiento en la
Figura 6, se obtiene en el diagrama de la Figura 7 un solapamiento
y por tanto una posible región de transición PRT debido a la
extensión de la carga mínima bajo condiciones
sub-estequiométricas. La posible región de
transición PRT se define por la velocidad limitante inferior en
condición sub-estequiométrica y la velocidad
limitante superior en condición
sobre-estequiométrica. En lugar de tener una
"delgada" línea L6 como se muestra en la Figura 5, se obtiene
una posible región de transición PRT más ancha en el caso que se
muestra en la Figura 7. Esto quiere dar a entender que, en el caso
que se muestra en el diagrama, no es necesario esperar hasta que se
alcance una velocidad de gas limitante para hacer el cambio a la
otra condición estequiométrica. En lugar de ello, se puede realizar
el cambio en un punto anterior cuando la cantidad de combustible es
tal que no se pasa fuera del límite fijado por la otra velocidad de
gas limitante para la otra condición estequiométrica. Por ejemplo,
cuando el cambio de condición sub-estequiométrica a
sobre-estequiométrica se puede hacer en una cantidad
de carga que corresponde a 4 (límite superior,
sobre-estequiométrico) sobre la escala horizontal en
la Figura 7, o más tarde tan lejos por abajo como una cantidad de
carga que corresponde a aproximadamente 3,5 (límite inferior,
sub-estequiométrico) sobre la escala horizontal. Se
puede destacar que la relación de regulación, según el diagrama en
la Figura 7, es 18:1. Sin embargo, puesto que un quemador de ciclón
dado tiene una capacidad de carga máxima, es decir un límite de
acumulación debido a la acumulación de partículas sin material
volátil que se queman, y puesto que la velocidad del gas es
proporcional a la carga, es bastante posible que esta carga máxima
se alcance antes de que la velocidad del gas en condiciones
sub-estequiométricas alcance la velocidad de gas
limitante superior. Así, la capacidad de carga máxima o el límite
de acumulación determina indirectamente el límite de velocidad. Sin
embargo, una ventaja es que se agranda el tramo (relación de
regulación) dentro del que es posible funcionar en condiciones
sub-estequiométricas, siendo esto preferido desde el
punto de vista medioambiental puesto que se forma menos óxido de
nitrógeno. Esto se ilustra adicionalmente en la Figura 8.
La Figura 8 es otro diagrama que ilustra la
relación de regulación en el caso de que se añadan gases de salida
recirculados al gas combustión. En este caso la temperatura deseada
es 1300ºC, y el diagrama se dibuja para la misma clase de
combustible y el mismo quemador de ciclón que para la Figura 5. Sin
embargo, la Figura 8 ilustra un 15% de recirculación de gas de
salida en el gas de combustión. Comparando los diagramas de esas
dos Figuras, es obvio que la posible región de transición es mayor
cuando se usa gas de salida recirculado, puesto que la carga mínima
en condiciones sub-estequiométricas se mueve
adicionalmente a la izquierda en el diagrama en Figura 8. Aun
cuando se prefiere funcionar lo más posible en condiciones
sobre-estequiométricas, el uso de gas de salida
puede afectar negativamente a la relación de regulación global si la
recirculación de gas de salida no se retira a una carga más alta.
En la Figura 8, por ejemplo, la relación de regulación global es
aproximadamente 12,2:1 en lugar de 16:1 como en la Figura 5.
Las Figuras 9 y 10 ilustran el efecto de que una
parte mayor del gas introducido sea gas de salida recirculado. En
estos ejemplos el gas de salida recirculado es 45% del flujo de gas
mínimo, y en la Figura 9 la temperatura deseada es 1100ºC mientras
en la Figura 10 la temperatura deseada es 1300ºC. Se puede destacar
que que esta recirculación más alta de gas de salida da como
resultado una posible región de transición mayor. También se puede
destacar, en la Figura 10, que el intervalo de funcionamiento en
combustión sub-estequiométrica se extiende casi a
un factor de carga relativa de 1.
En lo siguiente, la Figura 11 se discutirá
respecto a la deducción de la velocidad de gas tangencial limitante
inferior para un quemador de ciclón "vertical", es decir que
comprende una cámara de combustión que tiene un eje de simetría
central que se extiende verticalmente y una sección transversal
circular en el plano horizontal. De manera similar que para un
ciclón tendido la velocidad de gas limitante se fija por las
partículas que caen verticalmente. En lo siguiente se supone que
las partículas de combustible no se escapan fuera por la salida de
la cámara de combustión. Por razones de simplificación el flujo de
gas se describe como un flujo rotatorio horizontal (sin fuerza de
arrastre vertical) y el flujo radial se considera despreciable,
dando como resultado un equilibrio de las fuerzas que actúan sobre
la partícula de combustible 2 según se ilustra en la Figura 11. La
partícula de combustible se apoya en la pared interior 4 de la
cámara de combustión. A fin de prevenir que caiga la partícula, la
fuerza de la gravedad F_{g} se equilibra con la fuerza de
rozamiento F_{f} y la fuerza centrífuga F_{c} en
la dirección del plano inclinado, estando dicho plano inclinado con
un ángulo \alpha respecto al plano horizontal H.
La fuerza centrífuga F_{c} y la fuerza
de la gravedad F_{g} se pueden expresar como
en las que m_{p} es la masa de la
partícula, V_{p,t} es la velocidad tangencial de la
partícula, R es el radio de la cámara de combustión del
quemador de ciclón y g es la constante de la gravedad. La fuerza de
rozamiento F_{f} es proporcional a la fuerza normal
f_{N} de acuerdo
con:
en las que \mu es el coeficiente
de rozamiento o factor de fricción. Esto conduce a la siguiente
relación.
Así, la velocidad de particular tangencial
mínima será
A partir de lo anterior es claro que es posible
tener una inclinación más pronunciada si a) se disminuye el radio
R, b) se aumenta la velocidad de partícula tangencial
V_{p,t}, o c) se aumenta el coeficiente de rozamiento
\mu.
A fin de mantener la velocidad de partícula
tangencial, la fuerza de arrastre tangencial F_{d,t} se
tiene que equilibrar con la fuerza F_{f}. La fuerza de
rozamiento es igual en todas direcciones.
en la que C_{d} es el
coeficiente de arrastre, A_{p} es el área de la sección
transversal de una partícula de combustible, \rho_{g} =
densidad del gas de combustión, V_{g,t},= velocidad de gas
tangencial.
Así, la velocidad de gas tangencial mínima
será:
Sustituyendo la masa m_{p} con la
densidad de partícula \rho_{p} multiplicada por el volumen de
partícula, siendo d_{p} el diámetro de la partícula, y
reescribiendo el área de la sección transversal A_{p} de
la partícula
da
Sustituyendo la expresión de la velocidad de
partícula tangencial mínima se obtiene la siguiente ecuación.
Cuanto más grande o más pesada sea la partícula,
se requiere un radio de cámara de combustión más grande y una
velocidad de gas tangencial más alta. Además, la velocidad de gas
limitante inferior se aumenta cuando el ángulo \alpha se aumenta
y el coeficiente de rozamiento se disminuye.
Claims (15)
1. Un procedimiento de funcionamiento de un
proceso de combustión en un quemador de ciclón sin escoria, después
de la arrancada del mismo, que comprende:
alimentar un combustible a la cámara de
combustión de forma cilíndrica del quemador de ciclón;
alimentar un gas de combustión que contiene
oxígeno con una velocidad tangencial a dicha cámara de combustión,
siendo definidas para dicho gas de combustión una velocidad de gas
limitante inferior y una velocidad de gas limitante superior;
mantener la velocidad del gas de combustión
entre dichas velocidades de gas limitantes;
mantener una de las dos condiciones
estequiométricas en una misma zona de la cámara de combustión: una
condición sub-estequiométrica y una condición
sobre-estequiométrica, controlando la cantidad de
oxígeno alimentado respecto a la cantidad de combustible
alimentado, denominada de aquí en adelante la carga de
combustible;
cambiar a la otra de dichas dos condiciones
estequiométricas al tiempo que se previene que el gas de combustión
alcance una velocidad fuera del intervalo definido por la velocidad
de gas limitante inferior y la velocidad de gas limitante superior,
consiguiendo de este modo una relación de regulación mayor.
2. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 1, que comprende además:
mantener la temperatura en la cámara de
combustión dentro del intervalo de temperatura de 700ºC - 1300ºC,
preferiblemente 900ºC - 1100ºC, en el que cada punto de temperatura
en dicho intervalo de temperatura define, junto con dichas
velocidades de gas limitantes, una respectiva carga de combustible
mínima y una respectiva carga de combustible máxima para el cambio
de una de las dos condiciones estequiométricas a la otra.
3. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 2, que comprende además:
mezclar gases de salida recirculados, u otro gas
que contiene poco oxígeno o gas inerte, con el gas de combustión
que contiene oxígeno antes de alimentar el gas de combustión a la
cámara de combustión, reduciendo de este modo dicha carga de
combustible mínima bajo condiciones
sub-estequiométricas.
4. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 2, que comprende además:
mezclar gases de salida recirculados, u otro gas
que contiene poco oxígeno o gas inerte, con el gas de combustión
que contiene oxígeno antes de alimentar el gas de combustión a la
cámara de combustión, reduciendo de este modo, en el mismo flujo de
gas total, la concentración de oxígeno y de este modo la formación
de óxido nitroso bajo condiciones
sobre-estequiométricas.
5. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 1 ó la 2, en el que la actuación de mantener una
condición estequiométrica comprende mantener una relación
estequiométrica esencialmente constante a fin de controlar la
temperatura.
6. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 2 ó la 3, en el que la relación estequiométrica se
mantiene dentro de límites definidos al tiempo que la temperatura en
la cámara de combustión se controla por la cantidad de dicho gas de
salida recirculado, u otro gas que contiene poco oxígeno o gas
inerte que se ha de mezclar con el gas de combustión que contiene
oxígeno.
7. El procedimiento según se describe en una
cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que
comprende alimentar dicho combustible en la forma de partículas de
combustible sólido, tal como partículas de madera, preferiblemente
gránulos de madera, típicamente gránulos de madera triturada de un
diámetro de hasta 4 mm.
8. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 7, que comprende:
controlar, para una cantidad relativamente
pequeña de combustible que se alimenta a la cámara de combustión,
la cantidad de gas de combustión de modo que prevalezca en la cámara
de combustión una condición
sobre-estequiométrica;
aumentar, cuando se aumenta la cantidad de
combustible, la cantidad de gas de combustión, aumentando la
velocidad a la que se alimenta a la cámara de combustión,
manteniendo de este modo una condición
sobre-estequiométri-
ca;
ca;
cambiar a una condición
sub-estequiométrica reduciendo la cantidad relativa
de gas de combustión, reduciendo la velocidad del gas de
combustión, antes de que la velocidad del gas alcance dicha
velocidad de gas limitante superior o cuando la cantidad de
combustible sea tal que se pueda obtener una condición
sub-estequiométrica que cumpla los criterios de que
la temperatura en la cámara de combustión sea 700ºC - 1300ºC,
preferiblemente 900ºC - 1100ºC, y que la velocidad del gas sea
igual o más alta que dicha velocidad de gas limitante inferior.
9. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 8, en el que, después de cambiar a una condición
sub-estequiométrica, el procedimiento comprende
adicionalmente:
aumentar, cuando se aumenta adicionalmente la
cantidad de combustible, la cantidad de gas de combustión aumentando
la velocidad con la que se alimenta a la cámara de combustión,
manteniendo al tiempo una condición
sub-estequiométrica.
10. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 7, que comprende:
controlar, para una cantidad relativamente
grande de combustible que se alimenta a la cámara de combustión, la
cantidad de gas de combustión de modo que prevalezca en la cámara de
combustión una condición sub-estequiométrica;
reducir, cuando se reduce la cantidad de
combustible, la cantidad de gas de combustión, reduciendo la
velocidad con la que se alimenta a la cámara de combustión,
manteniendo de este modo una condición
sub-estequiométrica;
cambiar a una condición
sobre-estequiométrica aumentando la cantidad
relativa de gas de combustión, aumentando la velocidad del gas de
combustión, antes de que la velocidad del gas alcance dicha
velocidad de gas limitante inferior o cuando la cantidad de
combustible sea tal que se pueda obtener una condición
sobre-estequiométrica que cumpla los criterios de
que la temperatura en la cámara de combustión sea 700ºC - 1300ºC,
preferiblemente 900ºC - 1100ºC, y que la velocidad del gas sea
igual o más baja que dicha velocidad de gas limitante superior.
11. El procedimiento según se describe en la
reivindicación 10, en el que, después de cambiar a una condición
sobre-estequiométrica, el procedimiento comprende
adicionalmente:
reducir, cuando se reduce adicionalmente la
cantidad de combustible, la cantidad de gas de combustión reduciendo
la velocidad con la que se alimenta a la cámara de combustión, al
tiempo que se mantiene una condición
sobre-estequiométrica.
12. El procedimiento según se describe en una
cualquiera de las reivindicaciones 7-11, en el que
dicha velocidad de gas limitante inferior es la velocidad más baja
para mantener al menos una parte mayoritaria de las partículas de
combustible en circulación en la cámara de combustión.
13. El procedimiento según se describe en una
cualquiera de las reivindicaciones 7-12, en el que,
para un quemador de ciclón con una cámara de combustión que tiene
un eje de simetría central que se extiende horizontalmente, la
velocidad de gas limitante tangencial inferior V_{g,t} en
lo alto de la cámara de combustión se calcula resolviendo la
siguiente ecuación diferencial:
que cumple la condición frontera
V_{p,t} = \sqrt{gR}, para
\varphi=180º.
en la
que
\mu = coeficiente de rozamiento.
C_{d} = coeficiente de arrastre.
A_{p} = área de sección transversal de
una partícula de combustible.
\rho_{g} = densidad del gas de
combustión.
\varphi = el ángulo con la vertical, es decir
180º en lo alto de la cámara de combustión.
V_{g,t} = velocidad tangencial del
gas.
V_{p,t} = velocidad tangencial de la
partícula.
m_{p} = masa de la partícula.
g = constante de la gravedad.
R = radio de la cámara de combustión del
quemador de ciclón.
S = la distancia recorrida por la partícula a lo
largo de la periferia.
14. El procedimiento según se describe en una
cualquiera de las reivindicaciones 7-12, en el que
para un quemador de ciclón con una cámara de combustión que tiene
un eje de simetría central que se extiende verticalmente, la
velocidad de gas limitante tangencial inferior V_{g,t} se
calcula resolviendo la siguiente ecuación diferencial:
en la
que
V_{g,t} = velocidad tangencial del
gas.
g = constante de la gravedad.
R = radio de la cámara de combustión del
quemador de ciclón.
\alpha = el ángulo con la horizontal.
\mu = coeficiente de rozamiento.
d_{p} = diámetro de la partícula de
combustible.
\rho_{p} = densidad de la partícula de
combustible.
\rho_{g} = densidad del gas de
combustión.
C_{d} = coeficiente de arrastre.
15. El procedimiento según se describe en una
cualquiera de las reivindicaciones 7-14, en el que
dicha velocidad de gas limitante superior es la velocidad más alta
permisible para prevenir que una cantidad grande de partículas sin
quemar salgan de la cámara, siendo dicha velocidad
20-50 m/s, preferiblemente 25-40
m/s, tal como del orden de 30 m/s.
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