ES2339949T3 - Columna de quemador para un horno de combustion para material en terrones. - Google Patents
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Abstract
Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106; 107; 108; 109; 110; 111) de quemador que comprende medios (27) de alimentación de combustible que están acoplados directamente a primeros medios (29) de alimentación de agente oxidante para alimentar una mezcla de combustible/agente oxidante con una cantidad baja de agente oxidante y segundos medios (38) para alimentar agente oxidante adicional, caracterizada porque dichos segundos medios (38) para alimentar agente oxidante adicional están separados y colocados aguas abajo de dichos medios de alimentación de combustible y dichos primeros medios de alimentación de agente oxidante según el flujo de dicha mezcla de modo que se enriquece la mezcla de combustible/agente oxidante.
Description
Columna de quemador para un horno de combustión
para material en terrones.
La presente invención se refiere a una columna
de quemador para un horno para quemar material en terrones. En
particular, la invención se refiere a una columna de quemador para
un horno para quemar y sinterizar material en terrones tal como
piedra caliza, dolomita, y similar, que permite homogeneizar la
combustión y controlarla por toda la zona de combustión del horno.
Además, la invención se refiere a un método para controlar la
reacción de combustión en dicho horno.
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Cuando se tratan dichos materiales tal como para
producir cal, o más en general, para eliminar compuestos volátiles
de una sustancia sólida, se conoce cargar piezas del material que va
a tratarse en hornos en los que se someten a un tratamiento
térmico.
Particularmente, la producción de cal se deriva
del proceso de combustión conocido (calcinaciones) de piedra caliza
natural CaCO_{3} para obtener cal CaO debido a la reacción:
CaCO_{3} +
calor -> CaO +
CO_{2}
que habitualmente se lleva a cabo
en un horno vertical con una sección circular, semicircular,
elíptica, cuadrada o rectangular, un horno vertical doble, un horno
regenerativo o un horno
anular.
Dichos materiales de dolomita, calcáreos en
terrones o similares se cargan desde arriba en un horno que se
extiende a lo largo de un eje longitudinal sustancialmente vertical.
El material se hace pasar consecutivamente, de arriba abajo, a
través de una zona de precalentamiento, una zona de combustión
(calcinación) situada entre dos o tres niveles de quemadores, una
zona de poscombustión, una zona de enfriamiento y una zona de salida
para el material calcinado.
La zona de combustión está delimitada por dos o
más niveles de combustión que están definidos por columnas de
quemador que están situadas transversales al eje longitudinal del
horno y metidas en el lecho de material que va a tratarse.
Las columnas de quemador son estructuras de caja
que tienen una sección transversal que habitualmente es rectangular
o en forma de T, estando previsto su espacio interno para alojar los
quemadores. En general, los quemadores están representados por
tubos, también denominados lanzas, que están abiertos en ventanas
obtenidas en el lado o las paredes inferiores de las columnas. El
combustible que se inflamará en la proximidad de dichas columnas se
suministra a través de estas aberturas y ventanas.
Una columna de quemador de este tipo se conoce
por ejemplo por el documento US 3260514.
La cantidad y calidad resultantes de la cal se
derivan principalmente del funcionamiento de dichas columnas, y así
del nivel de combustión desarrollado desde las mismas o, en otras
palabras, de la eficacia de las columnas.
De hecho, se ha observado en estudios de modelos
matemáticos que la transferencia de calor puede no ser óptima
dentro del horno. En particular, se ha demostrado que en un horno
despresurizado, es decir, un horno en el que los gases calientes se
aspiran de manera ascendente, la temperatura de combustión puede
resultar sustancialmente inferior en la zona sobre cada columna que
en las demás zonas alrededor de las columnas. Siguiendo estas
observaciones, puede resultar que el material puede someterse a un
tratamiento térmico diferenciado cuando se alimenta hacia abajo a
lo largo del horno, dando así como resultado un producto final que
no se ha quemado de manera homogénea. Esto puede dar como resultado
una calidad no homogénea del producto final.
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Por consiguiente, el problema en el que se basa
la presente invención es proporcionar un producto final con las
características de una calidad uniforme particular (reactividad,
cristalización, etc.).
Este problema se soluciona mediante columnas de
quemador que permiten la combustión uniforme de materiales en
terrones en todas las zonas de combustión en un horno de combustión
para materiales en terrones, tal como se reivindica en la
reivindicación independiente adjunta.
Por consiguiente, un primer objeto de la
presente invención es proporcionar columnas de quemador para un
horno de combustión para materiales en terrones.
Un segundo objeto de la invención es
proporcionar un método para controlar la reacción de combustión en
dicho horno.
Las características y ventajas adicionales de la
presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente
descripción de algunas realizaciones de la invención, que se dan a
modo de ejemplos no limitativos con referencia a las siguientes
figuras en las que:
- la figura 1 es una vista esquemática de un
horno de combustión para materiales en terrones;
- la figura 2A es una vista en sección
transversal de una primera realización de la columna de quemador
según la invención para un horno de combustión para material en
terrones;
- la figura 2B es una primera variante de
realización de la columna de la figura 2A;
- la figura 2C es una segunda variante de
realización de la columna de la figura 2A;
- la figura 2D es una tercera variante de
realización de la columna de la figura 2A;
- la figura 2E es una vista parcial en
perspectiva, en corte transversal que deja ver el interior, de la
columna de la figura 2A;
- la figura 2F es una vista parcial en
perspectiva de la columna de la figura 2A;
- la figura 3A es una vista en sección
transversal de una columna según una segunda realización de la
invención;
- la figura 3B es una primera variante de
realización de la columna de la figura 3A;
- la figura 3C es una segunda variante de
realización de la columna de la figura 3A;
- la figura 3D es una tercera variante de
realización de la columna de la figura 3A;
- la figura 4A es una vista en sección
transversal de una columna según una tercera realización de la
invención;
- la figura 4B es una variante de realización de
la columna de la figura 2A;
- la figura 5A es una vista en sección
transversal de una columna según una cuarta realización de la
invención;
- la figura 5B es una variante de realización de
la columna de la figura 5A;
- la figura 6A es una vista en sección
transversal de una columna según una quinta realización de la
invención;
- la figura 6B es una primera variante de
realización de la columna de la figura 6A;
- la figura 6C es una segunda variante de
realización de la columna de la figura 6A;
- la figura 6D es una tercera variante de
realización de la columna de la figura 6A;
- la figura 7 es una vista en sección
transversal de una columna según una sexta realización de la
invención;
- la figura 8A es una séptima realización de la
columna de la invención;
- la figura 8B es una variante de realización de
la columna de la figura 8A;
- la figura 9 es una vista esquemática del
funcionamiento de una columna de quemador según la técnica
anterior;
- la figura 10 es una vista esquemática del
funcionamiento de una columna de quemador según la presente
invención;
- la figura 11 es una vista esquemática del
sistema de control de flujo de combustible para cada columna de la
invención.
La idea en la que se basa la presente invención
es diseñar una columna de quemador que permita que el nivel de
combustión sea uniforme sustancialmente por toda la zona de
combustión de un horno de combustión para materiales en
terrones.
Un horno 1 para quemar materiales en terrones,
tal como se ilustra en la figura 1, puede ser cualquier horno
convencional para quemar materiales en terrones tales como
materiales calcáreos o de dolomita. Particularmente, el horno de la
figura 1 es un horno vertical de sección circular, semicircular,
cuadrada o rectangular que se extiende sustancialmente de manera
vertical a lo largo de un eje X-X y comprende de
arriba abajo una zona 2 de entrada, una zona 3 de precalentamiento,
una zona 4 de combustión, una zona 5 de calcinación posterior, una
zona 6 de enfriamiento y una zona 7 de salida.
La zona 2 de entrada puede estar provista de una
abertura 21 de entrada equipada con una puerta cónica 22 para
abrir/cerrar el paso para el material en terrones. Preferiblemente,
por debajo de la puerta 22, el material en terrones se alimenta a
la zona 3 de precalentamiento dentro del horno a través de uno o más
conductos 23 de desviación que pueden ramificarse en conductos
secundarios 24, permitiendo de este modo alimentar el material de
manera uniforme a cada parte de la sección transversal de horno.
La zona 3 de precalentamiento es la zona en la
que los materiales entran en contacto con los gases calientes
ascendentes, debido a la despresurización (representada
esquemáticamente en la figura 1) que se produce por ejemplo por una
o más columnas 31 de succión, gases que se generan en la zona 4 de
combustión. De este modo, los materiales ya están precalentados
cuando alcanzan la zona de combustión/calcinación.
La zona 4 de calcinaciones es la zona en la que
se llevan a cabo las calcinaciones o la combustión de los
materiales en terrones debido a la acción de los quemadores 8 (que
se ilustran esquemáticamente) que están dispuestos en dos niveles.
La combustión real de los materiales se lleva a cabo en esta
zona.
La zona 5 de calcinación posterior es la zona en
la que el material se mantiene en reposo durante mucho tiempo de
modo que se completa la reacción de calcinación.
La zona 6 de enfriamiento es una zona en la que
el material procesado entra en contacto con aire frío procedente de
la parte inferior del horno.
La zona 7 de salida es una zona final del horno
desde la que se descarga automáticamente el material acabado
mediante una o más tolvas convencionales 9 de descarga tal como se
ilustra esquemáticamente en la figura 1.
Particularmente, para obtener un nivel de
combustión uniforme óptimo en cada parte de la zona de combustión
de horno, se ha diseñado una columna de quemador que comprende
medios de alimentación de combustible que están directamente
acoplados con primeros medios de alimentación de agente oxidante
para alimentar una mezcla de combustible/agente oxidante con una
cantidad baja de agente oxidante, y segundos medios separados para
suministrar combustible adicional y situados aguas abajo de dichos
medios de alimentación de combustible y dichos primeros medios de
alimentación de agente oxidante según el flujo de dicha mezcla de
modo que se enriquece la mezcla de combustible/agente oxidante y se
completa la combustión de combustible.
Con referencia a las figuras
2A-2F, las columnas 10 de quemador de la invención
se extienden longitudinalmente a lo largo de un eje
Y-Y, como mejor se ve en la figura 2F y consisten en
un elemento 11 de caja que comprende una pared superior 12, una
pared inferior 13, dos paredes laterales 14, una pared anterior y
una pared posterior (estas dos últimas no están ilustradas en las
figuras) que son adecuadas para definir un espacio interno dividido
en un espacio superior 18 y un espacio inferior 19 por una pared
longitudinal horizontal 17 de separación.
Tal como se muestra en la figura 2A, la columna
10 tiene una sección transversal en forma de T con una cabeza 20 y
un vástago 25. Tanto la cabeza como el vástago están provistos de
huecos 26 para que un fluido de enfriamiento pase a través de los
mismos. El fluido de enfriamiento puede fluir a través de los huecos
siguiendo cualquier recorrido, que es sí conocido, según se desee o
seleccione siguiendo requisitos particulares.
El vástago 25 de las columnas 10, como se indicó
anteriormente, está dividido internamente por la pared longitudinal
horizontal 17 de separación en el espacio superior vacío 18 y el
espacio inferior 19, que es adecuado para alojar una o más lanzas
27 de quemador previstas para alimentar el agente oxidante, como se
ve mejor en las figuras 2E y 2F. Además, el cuerpo 25 está separado
además internamente por una pared 28 interna longitudinal vertical
de modo que se crean dos partes internas especulares. Cada una de
dichas partes especulares comprende por tanto la mitad del espacio
superior vacío 18 en el que se introduce el agente oxidante de
manera forzada, y la mitad del espacio inferior 19 que comprende
dos conjuntos de lanzas 27 dispuestos paralelos entre sí,
consistiendo cada conjunto en una o más lanzas apiladas.
Particularmente, las lanzas 27 pueden alojarse
ventajosamente en cámaras adecuadas 29 que tienen la función de
permitir que cada lanza o conjunto de lanzas reciba y controle una
cantidad determinada de agente oxidante así como de medir la misma
de manera constante y, por tanto, de controlar su flujo. Por
consiguiente, puede crearse una mezcla que puede ser más o menos
rica en combustible/agente oxidante debido a dicho control según
preferencias o requisitos particulares, tal como se detallará a
continuación.
Las cámaras 29 pueden centrarse y separarse
dentro del espacio inferior 19 mediante separadores 30 (ilustrados
sólo en la figura 2E) y opcionalmente soportarse de manera
deslizante en la pared inferior 13 del vástago 25 mediante un
conjunto de poleas 32 (en la figura 2F sólo se ilustra una de ellas)
que también permite, de manera ventajosa, insertar y retirar las
cámaras 29 con las respectivas lanzas 27 en/de la columna 10.
Además, las lanzas 27 dentro de las cámaras también pueden estar
provistas de separadores 33 que eviten que las lanzas y las paredes
de cámara entren en contacto entre sí.
Como se muestra en la figura 2F, las lanzas 27
tienen extremos abiertos 34 ubicados en primeros orificios pasantes
35 formados en cada una de las dos paredes laterales 14 de las
columnas 10 en diferentes ubicaciones a lo largo de las columnas de
modo que el combustible puede fluir hacia fuera de la columna desde
diversos puntos y así penetrar en el horno en ubicaciones
predeterminadas.
De manera ventajosa, una abrazadera 36 está
colocada sobre dichos primeros orificios 35 para interponerse entre
dichos primeros orificios y la cabeza 20 de la columna 10 y crear un
espacio para que el combustible penetre libremente en el lecho de
material de alrededor que va a quemarse. Particularmente, la
abrazadera 36 se obtiene mediante soldadura convencional 36' de los
extremos libres de dos láminas metálicas 36'' que se disponen
paralelas entre sí de modo que se crea entre las mismas un espacio
37, que permite que dicho fluido de enfriamiento pase a través de
las mismas, de manera similar a los huecos 26.
De manera ventajosa, la columna 10 de la
invención comprende el espacio superior 18 anteriormente mencionado
para alimentar el agente oxidante secundario a una posición alejada
del punto de suministro de la mezcla principal de
combustible/agente oxidante primario. De hecho, cada una de las dos
paredes laterales 14 de la columna está provista de segundos
orificios pasantes 38 que se forman por debajo de la cabeza 20 de la
columna 10 para que el agente oxidante secundario fluya dentro del
espacio superior 18 del vástago 25 de la columna 10 para fluir
hacia fuera de la columna y alcanzar la mezcla de combustible/agente
oxidante primario en esa parte en el horno que está al mismo nivel
que la cabeza 20 de la columna, tal como se detallará a continuación
en el presente documento.
También en este caso, el espacio superior 18
puede alojar tubos (no mostrados) que están colocados a lo largo de
la columna, abriéndose cada uno al nivel de uno de dichos segundos
orificios 38 de modo que pueda controlarse el suministro de agente
oxidante en cada punto de la columna de una manera aún más
precisa.
La columna 10 está fabricada de manera ventajosa
de acero resistente a altas temperaturas, es decir de acero que
puede resistir las temperaturas de funcionamiento dentro del horno
1. En realidad, este acero puede ser un tipo de acero que resista
temperaturas que oscilen entre 200ºC y 300ºC, puesto que el sistema
de enfriamiento permite mantener esta temperatura fija dentro de
las columnas. En cualquier caso, este tipo de acero se conoce en el
campo como acero no aleado de calidad, aceros no aleados especiales
y acero aleado especial. Estos tipos de acero pueden resistir
dichas temperaturas y pueden soportar cargas considerables, de modo
que muestran una resistencia mecánica adecuada para su uso como
columnas en un horno como el descrito anteriormente.
Particularmente, los aceros que cumplen con
dichos requisitos son por ejemplo aceros designados por la
designación alfanumérica P275N (n.º 1.0486), P275NH (n.º 1.0487),
P275NH (n.º 1.0488), P275NH (n.º 1.1104).
Como se indicó anteriormente, la columna 10 se
enfría mediante un fluido de enfriamiento a través de un sistema de
circulación convencional.
De manera breve, el fluido de enfriamiento se
hace fluir bajo presión en los huecos 26 y el espacio 37 descritos
anteriormente de la abrazadera 36 de las columnas 10 para mantener
una temperatura constante que no supere los 300ºC. El fluido tiene
por tanto la función de eliminar el calor generado por la combustión
y así mantener las columnas en un estado óptimo de conservación y
funcionamiento.
Preferiblemente, la columna 10 de la invención
puede comprender un recubrimiento protector adecuado 39 en la
superficie externa de la misma tal como un material refractario para
proteger la columna frente a altas temperaturas y la reacción de
combustión que lleva a la formación de sustancias de incrustación en
las columnas y reduce su eficacia. El recubrimiento 39 puede
fijarse a la cabeza 20 y las paredes laterales 14 de la columna por
ejemplo mediante pernos convencionales, obviamente sin cubrir los
orificios primeros 35 y segundos 38 de suministro para la mezcla de
combustible/agente oxidante primario y agente oxidante secundario,
como se ilustra en la figura 2A. Alternativamente, el recubrimiento
también puede fijarse a la pared inferior 13 de modo que la parte
de las paredes laterales 14 de la columna también puede envolverse
tal como se muestra en la figura 2B.
Las figuras 2C y 2D ilustran variantes de
realización de las realizaciones de las figuras 2A y 2B,
respectivamente, en las que las partes en común están designadas
con los mismos números de referencia. La columna 101 es diferente
porque la abrazadera 36 sobre los primeros orificios 35 de la pared
lateral 14 puede fabricarse como una sola pieza en lugar de dos
piezas soldadas entre sí. En particular, la abrazadera se fabrica
como una sola pieza a partir de una única tabla de acero que se
trabaja con herramientas convencionales para retirar el material en
la misma y crear el espacio 37 para que dicho fluido de enfriamiento
pase a través del mismo. Por consiguiente, no se lleva a cabo
ninguna soldadura y no se añade material de soldadura. Esto evita
ventajosamente la formación de puntos debilitados debido a la
presencia de material añadido. Además, la soldadura no garantiza que
el material de soldadura se distribuya de manera homogénea,
aumentando así el riesgo de debilitamiento o, sin embargo, el
riesgo de diferentes reacciones a la tensión aplicada por toda la
columna, que es provocada por las altas temperaturas y la carga del
material que va a tratarse.
Además, se ha encontrado sorprendentemente, en
algunos casos, que las soldaduras pueden someterse a agrietamientos
por calentamiento que pueden ser muy peligrosos cuando una columna
está en funcionamiento.
Además, fabricando la abrazadera como una sola
pieza, el grosor puede controlarse o modularse de manera ventajosa
por toda la abrazadera y puede obtenerse una transferencia de calor
constante y uniforme entre el exterior de la columna y el espacio
interno de dicha abrazadera en el que fluye el fluido de
enfriamiento.
Las figuras 3A y 3B ilustran una segunda
realización de la columna de la invención. Particularmente, las
figuras 3A y 3B ilustran desde el punto de vista constructivo media
columna 102 de la figura 2B, es decir una de las dos partes
divididas de la pared interna vertical 28, por tanto no se
describirán en detalle en este caso y los mismos números de
referencia que en las figuras respectivas designan las mismas piezas
o partes. Debe indicarse además que la columna 102 de la figura 3B
no tiene el recubrimiento 39 aplicado externamente a las paredes
inferior 13 y superior 12.
La ventaja que se obtiene del uso de la columna
102 es que con esta estructura particular los gases de combustión
pueden producirse sólo en un lado de la columna, particularmente en
el lado dirigido hacia el eje X-X del horno 1. Por
consiguiente, en aplicaciones particulares en las que es suficiente
tener lanzas de quemador sólo en un lado de la columna, esto
permite de manera ventajosa simplificar considerablemente la
construcción de todo el montaje de horno así como reducir las
dimensiones globales aumentando así la superficie de tratamiento
y/o reducir el consumo.
Además, una columna del tipo descrito
anteriormente puede usarse de manera ventajosa en hornos que tengan
una sección circular, semicircular, elíptica, cuadrada o
rectangular, donde las columnas, que están metidas en el material
que va a tratarse, discurren a través de la sección del horno en la
proximidad de las paredes de horno. De este modo, puede evitarse el
uso innecesario de lanzas de quemador dirigidas hacia la pared de
horno, proporcionando así sólo aquéllas dirigidas hacia el centro
del horno. Por consiguiente, también puede evitarse la necesidad de
tener quemadores externos y/o quemadores periféricos que penetren
dentro del lecho del horno.
Las figuras 3C y 3D ilustran variantes 103 de
columna de las columnas de la figura 3A y 3B, respectivamente, en
las que la abrazadera 36 se fabrica como una sola pieza, tal como se
describió anteriormente.
En la figura 4A se ilustra una tercera
realización de la columna de la invención.
La columna se indica generalmente con el número
de referencia 104 y las partes en común con la columna de la figura
2A se indican con los mismos números de referencia. La columna 104
es diferente de la columna de la figura 2A principalmente porque
los orificios 140 de suministro de combustible/agente oxidante no se
proporcionan en cada pared lateral 14 de la columna, sino que se
forman en dos disposiciones paralelas en la pared inferior 13, es
decir aquélla dirigida hacia la parte inferior del horno. Debido a
esta disposición particular, puede eliminarse la abrazadera 36
descrita anteriormente. De hecho, la pared inferior 13 de la columna
104 tiene la misma función de dicha abrazadera porque crea un
espacio suficiente para inflamar la mezcla de combustible/agente
oxidante y desarrollar gases calientes que ascienden lateralmente
debido a la despresurización existente dentro del horno. Esta
solución es particularmente ventajosa cuando se desea usar
combustible en polvo. Además, el recubrimiento 39 puede cubrir
sustancialmente toda la superficie externa de las paredes laterales
14 excepto los primeros orificios 35 permitiendo de este modo una
mayor protección de la columna.
La figura 4B es una variante de realización de
la columna de la figura 4A, que corresponde sustancialmente a la
mitad de dicha columna. Particularmente, la columna 105 de la figura
4B tiene una sección transversal en forma de media T con sólo una
disposición de orificios 150 para suministrar la mezcla de
combustible/agente oxidante primario y estando sustituida la pared
interna vertical 28 por una pared lateral 14. Además, en la otra
pared lateral 14, la columna 105 puede cubrirse con un material 39
de recubrimiento. Como con las columnas descritas con referencia a
las figuras 3A-3D, también en este caso la columna
es particularmente adecuada para ponerla en contacto con la pared
del horno 1 en el lado de la pared lateral 14 libre de material
refractario.
La figura 5A ilustra una cuarta realización de
la invención en la que la columna 106 es similar a la columna 10 de
la figura 2B, por lo que las partes en común se designan con los
mismos números de referencia y no se describirán adicionalmente. La
columna 106 es diferente de la columna 10 de la figura 2B
sustancialmente por la ubicación de los primeros orificios 160 en
la pared lateral 14 para suministrar la mezcla de combustible/agente
oxidante primario. Los primeros orificios 160, de hecho, están
situados en cada una de ambas paredes laterales 14 en la proximidad
de los segundos orificios 161 para suministrar el agente oxidante
secundario. También en este caso, una abrazadera 136 está
interpuesta entre dichos orificios primero 160 y segundo 161 aún con
el fin de crear un espacio libre de material quemado para que la
mezcla de combustible/agente oxidante primario penetre en el lecho
del material quemado y se inflame alrededor de la columna de una
manera más uniforme. Dicho de otro modo, la realización de la
columna 106 da como resultado en su sección transversal dos T
superpuestas, de manera similar a las figuras
2A-2F. Además, en este caso, el recubrimiento 39 que
está fijado en las paredes laterales 14 está situado por debajo de
los orificios 160.
La ventaja obtenida usando esta realización es
que, en condiciones particulares, la mezcla de combustible/agente
oxidante primario puede enriquecerse en el agente oxidante
secundario antes que en las soluciones descritas anteriormente. De
hecho, puesto que dichos orificios primero 160 y segundo 161 están
cerca uno de otro, puede hacerse de manera eficaz que la mezcla
coincida con el agente oxidante secundario lo antes posible. Se
entiende que la combustión de combustible se completará más
rápidamente en la proximidad de la columna. La abrazadera 136, y
por consiguiente los orificios 160, pueden situarse además en
cualquier ubicación/altura en las paredes laterales de dicha
columna según las necesidades o según se desee.
La figura 5B ilustra una variante 107 de
realización de la columna de la figura 5A, en la que la abrazadera
136 se fabrica como una sola pieza, como se explicó
anteriormente.
La figura 6A ilustra una quinta realización de
la invención en la que la columna 108 es similar a la columna 102
de la figura 3B. La columna 107, o semicolumna, tiene una sección
transversal en forma de semi-T como la columna 102,
pero es diferente de la columna 102 sustancialmente por la ubicación
de los primeros orificios 170 en la pared lateral 14 para
suministrar la mezcla de combustible/agente oxidante. Como con la
columna de las figuras 5A y 5B, dichos primeros orificios 170
están, de hecho, colocados en la proximidad de los segundos
orificios 171 para suministrar el agente oxidante secundario por la
misma razón que se explicó anteriormente. También en este caso, una
abrazadera 36'' está interpuesta entre los dos orificios 170 y
171.
La figura 6B ilustra una variante de realización
de la columna de la figura 6A, siendo la columna 109 diferente
porque la abrazadera 136 está fabricada como una sola pieza.
La figura 6C es una variante de realización de
la figura 6A en la que la columna 108 es similar a la columna de la
figura 6A y comprende, además, material refractario que también se
fija a las paredes superior 12 e inferior 13 de la columna.
La figura 6D es una variante de realización de
la figura 6B en la que la columna 109 es similar a la columna de
dicha figura 6B y comprende, además, material refractario que
también se fija a las paredes superior 12 e inferior 13 de la
columna.
La figura 7A ilustra una sexta realización de la
invención en la que la columna 110 es similar a la columna 104 de
la figura 4A. La columna 110 es diferente de la columna 104 porque
el espacio inferior 19 aloja sólo un conjunto de lanzas 27. Por
consiguiente, se ha eliminado la pared 24 interna vertical y los
primeros orificios 35 para suministrar la mezcla de
combustible/agente oxidante primario que se forman en la pared
inferior 13 de la columna están en una disposición única. Debe
indicarse que los segundos orificios 38 para suministrar agente
oxidante secundario aún se forman en ambas paredes laterales 14 de
la columna 110. Esta solución técnica particular de la columna de
la invención permite reducir de manera ventajosa las dimensiones
globales cuando se usa una columna con lanzas para suministrar un
combustible en polvo. Además, el hecho de proporcionar orificios
para el agente oxidante secundario en ambas paredes de la columna
permite suministrar y enriquecer de manera considerable la mezcla
de combustible/agente oxidante primario alrededor de toda la
columna.
La figura 8A es una séptima realización de la
columna de la invención. Particularmente, la columna 111 es similar
a la columna de la figura 7A pero es diferente porque carece de los
segundos orificios 38 en una de las dos paredes laterales 14 de la
columna.
La figura 7B es una variante de realización de
la columna 111 de la figura 7A en la que la superficie externa de
la columna está cubierta por el mismo material 39 de recubrimiento
que se describió anteriormente.
Ahora se detallará el funcionamiento de la
columna según la presente invención con referencia a las figuras 9
y 10.
Particularmente, la figura 9 ilustra de manera
esquemática el funcionamiento de una columna según la técnica
anterior. La columna se indica con el número de referencia 200 y las
partes en común con la estructura de las columnas de la invención
tienen los mismos números de referencia.
Debe indicarse que, por debajo de la columna 200
y a lo largo de los lados hasta la salida del orificio 350 de
alimentación de la mezcla de combustible/agente oxidante, la
temperatura de combustión (representada con una llama) alcanza un
valor que depende de la temperatura de los materiales que se han
desplazado por los gases calientes desde las columnas de nivel
inferior, que ascienden debido a la despresurización dentro del
horno. Evidentemente, cuanto más asciendan los gases, más tenderán a
enfriarse puesto que liberan calor hacia el material, que,
viceversa, se mueve hacia abajo. Por el contrario, en dichos
orificios 350, la temperatura de combustión (que se ilustra con dos
llamas) será mayor, puesto que está en la proximidad de la
inflamación de combustión. Por el movimiento ascendente, la
temperatura tiende a aumentar adicionalmente (tal como se
representa mediante las tres llamas), puesto que el combustible se
quema cada vez más hasta que se agota. La temperatura máxima se
alcanza, por consiguiente, a una distancia determinada de la cabeza
20 de la columna 200.
Debe entenderse, como también demuestran los
modelos matemáticos anteriores, que la distribución de la
temperatura dentro del horno puede someterse a variaciones
relativamente considerables que dan como resultado una combustión
no uniforme de los materiales tratados.
Como se muestra en la figura 10, el problema de
la combustión se soluciona mediante las columnas de quemador de la
presente invención. En la figura 10 se destaca la columna 300,
indicándose los niveles de temperatura de alrededor con llamas,
como anteriormente. Se apreciará inmediatamente que la distribución
de temperatura es mucho más uniforme porque los segundos orificios
380 se han dispuesto para suministrar agente oxidante secundario
sobre un orificio 350 de suministro de la mezcla de
combustible/agente oxidante primario. De hecho, debe indicarse que
en la pared inferior 13 de la columna 300 la temperatura de
combustión es alta (dos llamas), por la producción de la
inflamación de combustión y se mantiene sustancialmente así hasta la
cabeza 20 de la columna. En este caso, la temperatura se somete a
un enfriamiento relativo (una llama) puesto que la parte de
combustible que no ha completado la combustión se desplaza por el
agente oxidante secundario que fluye fuera de los orificios
adicionales 32. La combustión de combustible se completa casi
inmediatamente, ya sobre la cabeza de la columna, de modo que se
desarrolla la temperatura máxima de funcionamiento.
Por consiguiente, la columna de quemador de la
invención permite de manera ventajosa crear una línea vertical de
temperaturas de combustión que es sustancialmente uniforme para
garantizar una combustión lo más uniforme posible de los materiales
que van a tratarse.
Por consiguiente, un segundo objeto de la
invención es proporcionar un método para controlar la reacción de
combustión en un horno de combustión para un material en terrones
que comprende alimentar una mezcla de combustible/agente oxidante
con una cantidad baja de agente oxidante en una zona de dicho
segundo horno y alimentar agente oxidante en una segunda zona de
este horno aguas abajo de la primera zona según la dirección de
flujo de dicha mezcla.
Además, la alimentación de la mezcla en la
primera zona puede llevarse a cabo con una cantidad de agente
oxidante que oscile entre el 50% y el 80% del agente oxidante total
que se requiere para la combustión completa de combustible,
mientras que la alimentación del agente oxidante en la segunda zona
puede oscilar entre el 50% y el 20% del agente oxidante total que
se requiere para dicha combustión.
Particularmente, el combustible que puede usarse
es un combustible líquido, gaseoso o en polvo, o una mezcla de los
mismos. De entre los combustibles líquidos, puede usarse por ejemplo
nafta, mientras que de entre los combustibles gaseosos puede usarse
metano, y de entre los combustibles en polvo puede usarse
carbón.
El agente oxidante preferido es el aire que se
inyecta en el horno desde el exterior, que opcionalmente puede
precalentarse mediante un intercambiador de calor en el que se hacen
pasar los gases calientes que se aspiran en la parte de ápice del
horno. Alternativamente, dicho aire puede precalentarse haciendo que
el mismo pase a través de un intercambiador de calor para el aceite
diatérmico del sistema de enfriamiento de las columnas de quemador.
Además, el aire puede ser aire de enfriamiento que se calienta
pasando a través de la zona de enfriamiento del horno y llega
precalentado a la columna.
La alimentación del agente oxidante a la segunda
zona puede llevarse a cabo sustancialmente con el mismo tipo de
procedimientos que se describió anteriormente en el párrafo 66.
Preferiblemente, la dirección del flujo de la
mezcla de combustible/agente oxidante es de arriba abajo.
De manera ventajosa, además, la alimentación de
la mezcla de combustible/agente oxidante con un bajo contenido en
agente oxidante a una primera zona del horno y la alimentación del
agente oxidante en una segunda zona de dicho horno se lleva a cabo
mediante cualquiera de las columnas de quemador descritas
anteriormente.
Con referencia a la figura 11, el número de
referencia 1 es una realización simplificada de una parte de un
horno de calcinación. El horno 1 está provisto de columnas B de
quemador conectadas a un sistema de control de suministro de
combustible. Particularmente, dicho sistema comprende un conjunto V'
de válvulas V'1, V'2, V'3, V'4 para un nivel L1 de columnas de
quemador y un conjunto V'' de otras válvulas V''1, V''2, V''3, V''4
para un nivel adicional L2 de columnas de quemador. Además, cada
válvula está conectada con columnas del nivel correspondiente
mediante su propia línea P'1, P'2, P'3, P'4 y P''1, P''2, P''3, P''4
de suministro de combustible.
Considerando el primer nivel L1 de columnas B de
quemador, cada válvula V'1, V'2, V'3 y V'4 está ubicada en una
línea P'1, P'2, P'3 y P'4 correspondiente que simultáneamente
entrega a la lanza T colocada en dos lados enfrentados de columnas
B inmediatamente posteriores. Además, de manera ventajosa, cada
línea P' con la válvula V' respectiva está conectada sólo con la
mitad de las lanzas T de las columnas B.
De este modo, cada válvula V' controla el flujo
del combustible liberado en el espacio comprendido entre dos
mitades de dos columnas inmediatamente consecutivas.
En otras palabras, con dicho sistema puede
controlarse el suministro del combustible para las lanzas colocadas
en los lados de dos columnas inmediatamente consecutivas, estando
enfrentados dichos lados entre sí.
De manera similar, las columnas B de quemador de
nivel L2 están conectadas a válvulas V'' mediante las líneas P'' de
suministro. Particularmente, en este caso, cada válvula V'' está
colocada en una línea P'' que simultáneamente entrega a las lanzas
T ubicadas en ambos lados de la misma columna B. Preferiblemente,
dicha línea entrega a la mitad de las lanzas de dos columnas.
A partir de lo que se describió anteriormente,
debe entenderse que cada columna puede dividirse en al menos dos
partes que contienen lanzas de combustible que se controlan por
separado. Esta disposición permite ajustar el suministro de
combustible en distintas partes de la columna de modo que, a su vez,
puede ajustarse el nivel de combustión en varias partes del
horno.
Una ventaja adicional es que, si las columnas
que están dispuestas en múltiples niveles se desplazan, es decir,
no están en el mismo eje vertical tal como se ilustra en la figura
11, dicho ajuste también puede coordinarse entre columnas en
diferentes niveles. De hecho, las columnas B de nivel L2 están
ubicadas a lo largo de un eje vertical colocado entre dos ejes
verticales de dos columnas B de nivel L1. En esta configuración, el
control llevado a cabo por la válvula V'1 a través de la línea P'1
en las partes respectivas de las columnas de nivel L1 puede
coordinarse con el control llevado a cabo por la válvula V''1 a
través de la línea P''1 en las partes de columna respectivas de
nivel L2. Este ajuste tiene la ventaja de que se crea una línea
vertical de combustión homogénea a lo largo del eje de horno 1.
Además, la sección transversal del horno puede
dividirse de manera ideal en una serie de partes, por ejemplo
cuatro como en la figura 11, donde dicho ajuste puede variarse según
preferencias o requisitos particulares. Como se describió
anteriormente, en el caso en el que el horno se somete a los agentes
atmosféricos sólo en una parte de la pared externa, el control de
combustible puede modificarse en dicha parte para compensar posibles
influencias sobre la temperatura de combustión dentro del
horno.
De manera similar, dicho sistema de ajuste
también puede adoptarse para controlar el flujo del agente oxidante
que debe entregarse a las lanzas de la columna de quemador. El
sistema puede proporcionar por tanto válvulas de control en líneas
de entrega dedicadas y una línea de suministro paralela a la
descrita anteriormente.
Claims (35)
1. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador que comprende medios (27) de
alimentación de combustible que están acoplados directamente a
primeros medios (29) de alimentación de agente oxidante para
alimentar una mezcla de combustible/agente oxidante con una cantidad
baja de agente oxidante y segundos medios (38) para alimentar
agente oxidante adicional, caracterizada porque dichos
segundos medios (38) para alimentar agente oxidante adicional están
separados y colocados aguas abajo de dichos medios de alimentación
de combustible y dichos primeros medios de alimentación de agente
oxidante según el flujo de dicha mezcla de modo que se enriquece la
mezcla de combustible/agente oxidante.
2. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según la reivindicación 1,
comprendiendo dicha columna un elemento (11) de caja que se extiende
a lo largo de un eje (Y-Y) y está dividido
internamente por una pared horizontal longitudinal (17) de
separación en un primer espacio vacío (18) y un segundo espacio
(19) adecuado para alojar dichos medios (27) de alimentación de
combustible y dichos primeros medios (29) de alimentación de agente
oxidante.
3. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según la reivindicación 1 ó 2,
en la que dichos medios (27) de alimentación de combustible
comprenden lanzas.
4. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
1 a 3, en la que dichos primeros medios (29) de alimentación de
agente oxidante comprenden cámaras adecuadas para alojar dichos
medios (27) de alimentación de combustible.
5. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
1 a 4, que comprende además huecos (26) que se forman en la
superficie externa de la misma para permitir que un fluido de
enfriamiento pase a través de los mismos.
6. Columna (10; 101; 104; 106; 107; 110; 111) de
quemador según cualquier reivindicación 1 a 5, en la que su sección
transversal tiene sustancialmente forma de T con una cabeza (20) y
un vástago (25).
7. Columna (102; 103; 105; 108; 109) de quemador
según cualquier reivindicación 1 a 5, en la que su sección
transversal tiene sustancialmente forma de media T con una cabeza
(20') y un vástago (25').
8. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
4 a 7, que comprende además separadores (30) para separar dichas
cámaras (29) dentro de dicho segundo espacio (19) de la
columna.
9. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
4 a 8, que comprende además separadores (33) adicionales que están
montados dentro de dichas cámaras (29) para evitar que dichos
medios (27) de alimentación de combustible puedan entrar en contacto
con las paredes de cámara.
10. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
1 a 9, que comprende además medios (32) de inserción para facilitar
la inserción o retirada de dichos medios (27) de alimentación de
combustible dentro de dicha columna.
11. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
1 a 10, que comprende una pared superior (12), una pared inferior
(13), dos paredes laterales (14), una pared anterior (15) y una
pared posterior (16).
12. Columna (10; 101; 102; 103; 106; 107; 108;
109) de quemador según la reivindicación 11, en la que dichos
medios (27) de alimentación de combustible comprenden extremos
abiertos (34) en primeros orificios (35) correspondientes a las
salidas de dichos primeros medios (29) de alimentación de agente
oxidante que se forman en dichas paredes laterales (14).
13. Columna (104; 105; 110; 111) de quemador
según la reivindicación 11, en la que dichos medios (27) de
alimentación de combustible comprenden extremos abiertos (34) en
primeros orificios (140; 150) correspondientes a las salidas de
dichos primeros medios (29) de alimentación de agente oxidante que
se forman en dicha pared lateral (13) de dicha columna.
14. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
11 a 13, en la que dichos segundos medios (29) de alimentación de
agente oxidante están abiertos hacia el exterior de las columnas a
través de segundos orificios (38) que se forman en dichas paredes
laterales (14) en la proximidad de dicha pared superior (12).
15. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según la reivindicación 14, en
la que dichos segundos orificios (38) se forman en la proximidad de
la cabeza (20) de la columna.
16. Columna (10; 101; 102; 103) de quemador
según la reivindicación 14 ó 15, en la que dichos primeros orificios
(35) están situados lejos de dichos segundos orificios (38) y
separados por una abrazadera (36) interpuesta entre los mismos, que
sobresale de dichas paredes laterales (14).
17. Columna (106; 107; 108; 109) de quemador
según la reivindicación 14 ó 15, en la que dichos primeros orificios
(35) están situados en la proximidad de dichos segundos orificios
(38) y separados por una abrazadera (36) que sobresale de dichas
paredes laterales (14).
18. Columna (10; 101; 102; 103; 104; 105; 106;
107; 108; 109; 110; 111) de quemador según cualquier reivindicación
1 a 17, que comprende además material (39) de recubrimiento fijado
en la superficie externa de dicha columna.
19. Columna (101; 103; 107; 109) de quemador
según cualquier reivindicación 16 a 18, en la que dicha abrazadera
está formada como una sola pieza.
20. Método para controlar la reacción de
combustión en un horno de combustión para un material en terrones
que comprende alimentar una mezcla de combustible/agente oxidante
con una cantidad baja de agente oxidante en una primera zona de
dicho horno y alimentar agente oxidante en una segunda zona de este
horno aguas abajo de la primera zona según la dirección de flujo de
dicha mezcla, caracterizado porque la alimentación de la
mezcla de combustible/agente oxidante con un bajo contenido en
agente oxidante en una primera zona del horno y la alimentación del
agente oxidante en una segunda zona de dicho horno se lleva a cabo
mediante cualquiera de las columnas de quemador según cualquier
reivindicación 1 a 19.
21. Método según la reivindicación 20, en el que
la alimentación de la mezcla en la primera zona puede llevarse a
cabo con una cantidad de agente oxidante que oscila entre el 50% y
el 80% del agente oxidante total que se requiere para la combustión
completa de combustible, mientras que la alimentación del agente
oxidante en la segunda zona puede oscilar entre el 50% y el 20% del
agente oxidante total que se requiere para dicha combustión.
22. Método según la reivindicación 20 y 21, en
el que el combustible que puede usarse es un combustible líquido,
gaseoso o en polvo, o una mezcla de los mismos.
23. Método según cualquier reivindicación 20 a
22, en el que el agente oxidante es aire, opcionalmente aire
precalentado a través de un intercambiador de calor en el que se
hacen pasar gases calientes, que se aspiran en la parte de ápice
del horno o a través de aire de enfriamiento que se calienta cuando
pasa a través de la zona inferior del
horno.
horno.
24. Método según cualquier reivindicación 20 a
23, en el que la alimentación del combustible en la segunda zona
puede llevarse a cabo sustancialmente con el mismo tipo de agente
oxidante según la reivindicación 22 ó 23.
25. Método según cualquier reivindicación 20 a
24, en el que la dirección de flujo de la mezcla de
combustible/agente oxidante es desde la parte superior hasta la
parte inferior del horno.
26. Método según cualquier reivindicación 20 a
25, que comprende además una etapa de control de suministro de
combustible/agente oxidante controlando el flujo de
combustible/agente oxidante para conjuntos de lanzas en diferentes
partes de columna.
27. Método según la reivindicación 26, en el que
dicha etapa de control comprende controlar el flujo de
combustible/agente oxidante simultáneamente para lanzas ubicadas en
dos lados enfrentados de columnas inmediatamente consecutivas.
28. Método según la reivindicación 26, en el que
dicha etapa de control comprende controlar el flujo de
combustible/agente oxidante simultáneamente para lanzas ubicadas en
ambos lados de la misma columna.
29. Método según la reivindicación 27 ó 28, en
el que dicho control se lleva a cabo de una manera diferenciada en
cada media columna.
30. Método según la reivindicación 29, en el que
dicho control se lleva a cabo a lo largo de un eje vertical del
horno de modo que la lanza de medias columnas en el mismo eje se
controlan para obtener un flujo vertical homogéneo.
31. Sistema de control y suministro de
combustible/agente oxidante en una lanza (T) de columnas (B) de
quemador para hornos (1) para quemar material en terrones, que
comprende al menos dos válvulas (V'1, V'2, V'3, V'4) colocadas en
líneas (P'1, P'2, P'3, P'4) de suministro de combustible/agente
oxidante correspondientes, entregando dichas líneas a lanzas (T)
colocadas en dos lados enfrentados de columnas inmediatamente
consecutivas dispuestas en un nivel (L1) del horno,
caracterizado porque dichas columnas (B) son columnas de
quemador según cualquier reivindicación 1 a 19.
32. Sistema según la reivindicación 31, en el
que dichas líneas (P'1, P'2, P'3, P'4) entregan a cada mitad de las
lanzas (T) de las columnas (B) de modo que se crean diferentes
partes de control en la sección transversal del horno.
33. Sistema según la reivindicación 31 ó 32, que
comprende además al menos dos válvulas (V''1, V''2, V''3, V''4)
adicionales colocadas en líneas adicionales (P''1, P''2, P''3, P''4)
de suministro de combustible/agente oxidante correspondientes,
entregando dichas líneas simultáneamente a lanzas (T) colocadas en
ambos lados de la misma columna (B), estando colocada dicha columna
en un nivel (L2) adicional.
34. Sistema según la reivindicación 33, en el
que dichas líneas (P''1, P''2, P''3, P''4) entregan a cada mitad de
las lanzas (T) de las columnas (B) de modo que se crean diferentes
partes de control en la sección transversal del horno.
35. Método para controlar y ordenar el
suministro de combustible y/o agente oxidante en lanzas de columnas
de quemador según cualquier reivindicación 1 a 19 para hornos para
quemar material en terrones, que comprende una etapa de control de
flujo de combustible y/o agente oxidante de una manera individual
diferenciada para lanzas o conjuntos de lanzas en diferentes
posiciones en la columna.
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