ES2567200T3 - Proceso de combustión por etapas con lanzas de combustible de ignición asistida - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de combustión que comprende: (A) proporcionar un conjunto de quemador, que incluye: (i) un soporte de llama central (1) que tiene unos medios de entrada (3) para un gas oxidante, unos medios de entrada (13) para un combustible primario, una región de combustión (17, 19, 21) para quemar el gas oxidante y el combustible primario, y una salida para descargar un efluente primario desde el soporte de llama; (ii) una pluralidad de boquillas (33) de inyector de combustible secundario que rodean la salida del soporte de llama central, en donde cada boquilla de inyector de combustible secundario comprende (a) un cuerpo (203) de boquilla que tiene una cara (303) de entrada, una cara (217) de salida y un eje de flujo de entrada que atraviesa las caras de entrada y salida; y (b) una o más ranuras (207, 209, 211, 213, 215) que se extienden a través del cuerpo de boquilla desde la cara de entrada hasta la cara de salida, teniendo cada ranura un eje de ranura y un plano central de ranura; y (iii) uno o más encendedores (501) asociados con la pluralidad de boquillas (33) de inyectores de combustible secundario; (B) introducir el combustible primario (15) y el gas oxidante (15) en el soporte (1) de llama central, quemar el combustible primario con una porción del gas oxidante en la región de combustión (17, 19, 21) del soporte de llama, y descargar un efluente primario (23) que contiene productos de combustión y un exceso de gas oxidante desde la salida del soporte de llama; (C) inyectar el combustible secundario (35, 37) a través de las boquillas (33) de inyector de combustible secundario dentro del efluente primario (23) desde la salida del soporte de llama; y (D) operar los uno o más encendedores (503) e inflamar el combustible proveniente de las boquillas de inyector de combustible secundario para provocar la combustión del combustible con el oxidante en exceso en los productos de combustión.

Description

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DESCRIPCION

Proceso de combustion por etapas con lanzas de combustible de ignicion asistida ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los sistemas de combustion por etapas se utilizan para mejorar la combustion mediante la introduccion de porciones sucesivas de combustible en el proceso de combustion con el fin de permitir que el oxidante y el combustible reaccionen en multiples zonas o etapas. Esto produce temperaturas pico de llama mas bajas y otras condiciones de combustion favorables que reducen la generacion de oxidos de nitrogeno (NOx). Se conoce una amplia variedad de metodos de combustion por etapas que se usan en aplicaciones de combustion, incluyendo calentadores de proceso, hornos, calderas de vapor, camaras de combustion de turbina de gas, unidades de generacion de potencia alimentadas con carbon y muchos otros sistemas de combustion en las industrias metalurgicas y de procesos qmmicos. Tal metodo de combustion por etapas conocido se da a conocer en el documento EP1443271A1, que representa una tecnica anterior en el sentido del artfculo 54(3) CPE.

La combustion de un combustible gaseoso con oxfgeno en un gas que contiene oxfgeno, tal como aire, se produce cuando una mezcla de combustible-oxfgeno- gas inerte que tiene una composicion en la region combustible alcanza su temperatura de autoignicion o se enciende por una fuente de ignicion independiente. Cuando se produce la combustion en un espacio de proceso en tres dimensiones, tal como un horno, el grado de mezcla es otra variable importante en el proceso de combustion. El grado de mezcla en el horno, especialmente en las regiones cerca de los quemadores, afecta a composiciones y temperaturas de gas localizadas y, por lo tanto, es un factor importante en la estabilidad de funcionamiento.

En los procesos de combustion, en particular en los procesos de combustion por etapas para la reduccion de NOx, es importante tener una buena estabilidad de llama y una ubicacion correcta del frente de llama con respecto a los puntos en los que se introduce combustible de graduacion por etapas por etapas en el espacio de combustion. En sistemas de combustion convencionales, la estabilidad de llama se puede mantener por el uso de dispositivos de inyeccion de combustible y patrones de recirculacion interna para mejorar el contacto del flujo de combustible con la atmosfera de combustion y para proporcionar la energfa de ignicion necesaria para mantener la estabilidad de llama. Un control inadecuado de la estabilidad de llama y la ubicacion de llama en los sistemas de combustion por etapas, en particular durante un arranque en fno, alteraciones en el proceso o condiciones de reglaje, pueden dar como resultado un rendimiento indeseable de combustion, mayores emisiones de NOx y/o combustible no quemado. Esta ultima condicion podna dar lugar a importantes bolsas de combustible en el horno y a la posibilidad de una liberacion incontrolada de energfa.

Existe una necesidad en los procesos de combustion por etapas de mejorar la estabilidad de llama y obtener una combustion de combustible completa, particularmente durante los penodos de funcionamiento en estado inestable, como arranque en fno, alteraciones en el proceso o condiciones de reglaje del proceso. Se revelan sistemas de combustion por etapas mejorados para satisfacer estas necesidades mediante realizaciones de la presente invencion descritas a continuacion y definidas por las reivindicaciones que siguen.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCION

Una realizacion de la presente invencion se refiere a un proceso de combustion que comprende:

(a) proporcionar un conjunto de quemador que incluye:

(1) un soporte de llama central que tiene unos medios de entrada para un gas oxidante, unos medios de entrada para un combustible primario, una region de combustion para quemar el gas oxidante y el combustible primario, y una salida para descargar un efluente primario desde el soporte de llama; y

(2) una pluralidad de boquillas de inyector de combustible secundario que rodean la salida del soporte de llama central, en la que cada boquilla de inyector de combustible secundario comprende

(2a) un cuerpo de boquilla que tiene una cara de entrada, una cara de salida y un eje de flujo de entrada que atraviesa las caras de entrada y salida; y

(2b) una o mas ranuras que se extienden a traves del cuerpo de boquilla desde la cara de entrada hasta la cara de salida, teniendo cada ranura un eje de ranura y un plano central de ranura;

(3) uno o mas encendedores asociados con la pluralidad de boquillas de inyectores de combustible secundario;

(b) introducir el combustible primario y el gas oxidante en el soporte de llama central, quemar el combustible primario con una porcion del gas oxidante en la region de combustion del soporte de llama, y descargar un efluente primario que contiene productos de combustion y el exceso de gas oxidante desde la salida del soporte de llama; y

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(c) inyectar el combustible secundario a traves de las boquillas de inyector de combustible secundario dentro del efluente primario desde la salida del soporte de llama; y

(d) operar los uno o mas encendedores e inflamar el combustible proveniente de las boquillas de inyector de combustible secundario para provocar la combustion del combustible con el oxidante en exceso en los productos de combustion.

En esta realizacion, el combustible primario y el combustible secundario pueden ser gases que tengan composiciones diferentes. El combustible primario puede ser gas natural o gas de escape de refinena, y el combustible secundario puede comprender hidrogeno, metano, monoxido de carbono y dioxido de carbono obtenido a partir de un sistema de adsorcion por oscilacion de presion. Alternativamente, el combustible primario y el combustible secundario pueden ser gases con las mismas composiciones.

BREVE DESCRIPCION DE VARIAS VISTAS DE LOS DIBUJOS

La figura 1 es una vista en seccion esquematica de un conjunto de quemador que utiliza boquillas de inyeccion de combustible secundario.

La figura 2 es una vista isometrica de un conjunto de boquilla y un cuerpo de boquilla que pueden ser utilizados en una realizacion de la presente invencion.

La figura 3 es un dibujo en seccion axial del cuerpo de boquilla de la figura 2.

La figura 4 es una vista frontal esquematica del conjunto de quemador de la figura 1.

La figura 5 es una vista en seccion esquematica de un conjunto de quemador que utiliza boquillas de inyeccion de combustible secundario y encendedores de ejemplo relacionados con realizaciones de la invencion.

La figura 6 es una vista frontal esquematica del conjunto de quemador de la figura 5.

La figura 7A es una vista en seccion esquematica de un encendedor de ejemplo utilizado en una realizacion de la invencion.

La figura 7B es una vista frontal de la figura 7A.

La figura 8A es una vista en seccion esquematica de un piloto de encendedor alternativo de ejemplo utilizado en una realizacion de la invencion.

La figura 8B es una vista frontal de la figura 8A.

La figura 9 es una vista isometrica de una boquilla de inyector de combustible y un encendedor integrados utilizados en una realizacion de la invencion.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

Los procesos basados en la combustion utilizan la combustion de flujos de combustible con oxfgeno para generar calor de proceso y, en algunos casos, para consumir flujos de gas de escape de combustible de otros sistemas de proceso. En el establecimiento de una reaccion de combustion con estos diversos combustibles, se producira autoignicion si la temperatura de la mezcla combustible-oxidante esta por encima de la temperatura de autoignicion de la mezcla. En las mezclas de aire/ gas natural, por ejemplo, la temperatura de autoignicion es de aproximadamente 1.000 °F (537,7 °C). Se requiere una fuente de ignicion para iniciar la reaccion de combustion si la temperatura de la mezcla de combustible-oxidante esta por debajo de su temperatura de autoignicion.

Una variable adicional, el grado de mezcla en la atmosfera de combustion o la region de combustion, puede afectar a la estabilidad del proceso de combustion con un combustible gaseoso o vaporizado. La estabilizacion del proceso de combustion se complica cuando se utiliza un combustible de graduacion por etapas por etapas para limitar la formacion de NOx. En la graduacion de combustible de graduacion por etapas por etapas, el combustible en bruto (sin aire u oxfgeno) se introduce en la atmosfera de combustion que contiene oxfgeno en exceso remanente de un paso anterior de la combustion. Aunque el combustible para cada etapa de combustion es tfpicamente identico, pueden usarse diferentes fuentes de combustible, y el uso de diferentes combustibles de graduacion por etapas puede afectar a la estabilidad operativa del proceso de combustion. Con el fin de minimizar la formacion de NOx, es deseable introducir el combustible de graduacion por etapas por etapas en la atmosfera de combustion en o cerca de un lugar que tenga una concentracion minima de oxfgeno.

El mantenimiento de la estabilidad de llama y la ubicacion de llama en los sistemas de combustion de combustible de graduacion por etapas por etapas puede ser dificil durante las condiciones de proceso en estado inestable que se producen en un horno durante el arranque en fno, perturbaciones en el proceso o condiciones de reglaje. Durante tales condiciones, las temperaturas localizadas pueden caer por debajo de la temperatura de autoignicion de la mezcla combustible-oxidante y pueden dar como resultado llamas y/o regiones inestables que contienen combustible sin quemar. Esto no es deseable y puede llevar a la posibilidad de una liberacion de energfa incontrolada en el horno.

La estabilidad de llama, que es la ubicacion adecuada del frente de llama con respecto al punto de introduccion del flujo de combustible en la atmosfera de combustion, es un aspecto clave de la aplicacion exitosa de la graduacion del combustible por etapas. En los sistemas de combustion por etapas convencionales, la estabilidad de llama se mantiene mediante el uso de combinaciones de dispositivos de inyeccion de combustible y patrones de mezcla para

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mejorar el contacto entre el chorro rico en combustible y la fuente de oxfgeno, que podna ser el flujo de entrada de aire de combustion u oxfgeno sin reaccionar contenido en la atmosfera gaseosa en el horno. La ubicacion y la cantidad apropiadas de energfa de encendido tambien son importantes. Los disenos de dispositivos de inyeccion de combustible tipicamente intentan anclar la llama en la punta del soporte de llama, que puede ser el inyector de combustible mismo, un dispositivo de cuerpo achatado separado (por ejemplo, una superficie externa de ladrillo refractario), o una boquilla de estabilizacion de remolino. El inconveniente de los estabilizadores de llama de tipo de cuerpo achatado convencionales es que tienen una relacion de reglaje limitada, lo que limita su desempeno de estabilidad durante el arranque en frio y en condiciones alteradas del proceso. Cualquier distancia o altura de despegue sustancial entre el frente de llama de chorro de combustible por etapas y la superficie del soporte de llama causara una oscilacion de la llama y dara como resultado un rendimiento de combustion indeseable, incluyendo emisiones de NOx y/o la presencia de combustible no quemado.

Cuando las condiciones de estado inestable, tales como puesta en marcha o alteraciones del proceso, se producen mientras se mantiene el flujo a traves del sistema de graduacion de combustible por etapas convencional, el volumen de combustible que existe a altas concentraciones puede aumentar sustancialmente dentro del sistema de combustion. Las regiones cerca de los chorros ricos en combustible de los dispositivos de inyeccion pueden estar fuera de los lfmites de inflamabilidad (por ejemplo, entre un 5% y 15% en volumen para gas natural) y puede ser insuficiente la energfa de encendido disponible en el horno frio. Cuando multiples elementos de estos sistemas de graduacion de combustible por etapas se incluyen en una pieza de equipo o cuando se restablece la llama de un quemador individual, pueden estar presentes fuentes adicionales de ignicion en el horno. Estas fuentes de ignicion pueden ser, por ejemplo, radicales formados en las reacciones de combustion en el quemador y/o los dispositivos de inyeccion de combustible de graduacion por etapas por etapas. Una liberacion de energfa descontrolada promovida por la reaccion de estos radicales con el volumen de combustible no quemado en un calentador de proceso, una caldera, un reformador u otra unidad de operacion similar es una preocupacion de seguridad y operatividad.

La tecnologfa de quemador convencional no puede proporcionar estabilidad de llama para lanzas de graduacion de combustible por etapas individuales durante el arranque en frio, a bajas temperaturas de horno, y durante condiciones anormales o de reglaje. La falta de estabilidad durante estos penodos podna conducir a un despegue de llama y a una posterior liberacion de energfa descontrolada como se discutio anteriormente. Se necesita una solucion robusta para hacer frente a estas condiciones potencialmente inseguras. La solucion preferida debera recurrir a cambios y mejoras en el equipo de combustion mismo en lugar de requerir la ejecucion de pasos operativos y de control espedficos por parte del personal de operacion del proceso. Tal solucion se revela en realizaciones de la presente invencion en las que se utilizan una o mas fuentes de ignicion en combinacion con las lanzas de inyeccion de combustible que introducen combustible de graduacion por etapas por etapas en una region o zona de combustion.

Se utilizan lanzas de combustible de ignicion asistida en diversas realizaciones de la invencion con el fin de asegurar la ignicion del combustible inyectado en gases que contienen oxfgeno en una atmosfera de combustion en un calentador de proceso, un horno, una caldera de vapor, un combustor de turbina de gas u otro sistema de combustion alimentado por gas. En el presente documento se define una lanza de combustible como un dispositivo para inyectar combustible a una velocidad elevada en una atmosfera de combustion. La atmosfera de combustion contiene un gas oxidante, y el combustible de graduacion por etapas por etapas inyectado en el gas oxidante se quema con el oxfgeno del gas oxidante. El gas oxidante puede ser aire, aire enriquecido con oxfgeno, o un gas de combustion que contiene productos de combustion y un exceso de oxfgeno sin reaccionar. Por ejemplo, las lanzas de combustible de ignicion asistida pueden instalarse en los lfmites de un horno, una pared, o un recinto adyacente, pero separados de un quemador en el que las lanzas de combustible inyectan combustible en la atmosfera de combustion generada por el quemador para efectuar la combustion por etapas. Alternativamente, las lanzas de combustible de ignicion asistida pueden instalarse adyacentes a, pero separadas de, una fuente de gas oxidante, tal como aire, en donde las lanzas de combustible inyectan porciones del combustible en el gas oxidante o la atmosfera de combustion para efectuar una combustion por etapas paralela.

El termino "atmosfera de combustion" como se usa en este documento significa la atmosfera dentro del recinto o lfmites de un horno. La atmosfera de combustion general dentro de los lfmites del horno comprende oxfgeno, combustible, gas de combustion que contiene productos de reaccion de combustion (por ejemplo, oxidos de carbono, oxidos de nitrogeno y agua) y gases inertes (por ejemplo, nitrogeno y argon). La fuente del oxfgeno y los gases inertes normalmente es aire; una fuente alternativa o adicional de oxfgeno puede ser un sistema de inyeccion de oxfgeno que introduce aire enriquecido con oxfgeno y/u oxfgeno de alta pureza para mejorar el proceso de combustion. La atmosfera de combustion es heterogenea debido a que la concentracion de los componentes vana en todo del horno. Por ejemplo, la concentracion de oxfgeno puede ser mayor cerca de los puntos de inyeccion de oxidante y la concentracion de combustible puede ser mayor cerca de los puntos de inyeccion de combustible. En otras regiones de la atmosfera de combustion puede no haber combustible presente. La concentracion de oxfgeno y productos de reaccion de combustion variara dependiendo de la extension de la combustion en diversos lugares dentro de la atmosfera de combustion. En ciertos lugares, el combustible inyectado puede reaccionar directamente con oxfgeno del gas oxidante inyectado en la atmosfera de combustion; en otros lugares, el combustible inyectado puede reaccionar con oxfgeno sin reaccionar procedente de la combustion que ocurre en otras partes de la atmosfera de combustion.

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Se dispone una carga termica en la atmosfera de combustion en el interior del horno, en donde una carga termica se define como (1) el calor absorbido por el material transportado a traves de la atmosfera de combustion del horno, en donde el calor se transfiere desde la atmosfera de combustion hasta el material a medida que este es transportado a traves del horno, o (2) el aparato de intercambio de calor adaptado para transferir calor de la atmosfera de combustion al material que se esta calentando.

Un ejemplo de un sistema de quemador de combustion por etapas concentricas se ilustra en una vista en seccion en la figura 1, que muestra un quemador central o un soporte de llama rodeado de multiples lanzas de inyeccion para inyectar combustible de graduacion por etapas por etapas. Un quemador se define como un conjunto de combustion integrado para la combustion de oxidante y combustible, en donde el quemador esta adaptado para el montaje en la pared o el recinto de un horno. Un quemador central o soporte de llama 1 comprende una tubena exterior 3, una tubena intermedia concentrica 5 y una tubena concentrica interior 7. El interior de la tubena interior 7 y un espacio anular 9 entre la tubena exterior 3 y la tubena intermedia 5 estan en comunicacion de flujo con el interior de una tubena exterior 3. Un espacio anular 11 entre la tubena interior 7 y la tubena intermedia 5 esta conectado a y en comunicacion de flujo con la tubena 13 de entrada de combustible. El quemador central esta instalado en una pared 14 de horno.

Durante el funcionamiento de este quemador central, un gas oxidante 15 (tfpicamente aire o aire enriquecido con oxfgeno) fluye hacia el interior de la tubena exterior 3, una porcion de este aire fluye a traves del interior de la tubena interior 7, y la porcion restante de este aire fluye a traves del espacio anular 9. Un combustible primario 15 fluye a traves de la tubena 13 y a traves del espacio anular 11, y se quema inicialmente en una zona de combustion 17 con aire procedente de la tubena interior 7. El gas de combustion procedente de la zona de combustion 17 se mezcla con aire adicional en una zona de combustion 19. Tfpicamente, la combustion en esta zona es extremadamente pobre en combustible. Una llama visible se forma normalmente en la zona de combustion 19 y en una zona de combustion 21 cuando un gas de combustion 23 entra en el interior 25 del horno. El termino "zona de combustion" segun se usa en el presente documento significa una region dentro del quemador en la que se produce la combustion.

Un sistema de combustible de graduacion por etapas cuenta con una tubena de entrada 27, un colector 29 y una pluralidad de lanzas 31 combustible de graduacion por etapas. Los extremos de las lanzas de combustible de graduacion por etapas pueden equiparse con boquillas de inyeccion 33 de cualquier tipo deseado. Un combustible 35 de graduacion por etapas fluye a traves de la tubena de entrada 27, el colector 29 y las lanzas de inyeccion 31 de combustible de graduacion por etapas. Unas corrientes 37 de combustible de graduacion por etapas procedentes de las boquillas 33 se mezclan rapidamente y se queman con el gas de combustion 23 que contiene oxidante. La atmosfera de combustion mas fna en el interior 25 del horno es arrastrada rapidamente por las corrientes 37 de combustible de graduacion por etapas gracias a la accion de mezclado intenso promovida por las boquillas 33, y el combustible de graduacion por etapas inyectado concentricamente se quema con la atmosfera de combustion que contiene oxidante aguas abajo de la salida del quemador central 1. El combustible primario puede ser de un 5% a un 30% del caudal total de combustible (primario mas graduacion por etapas) y el combustible de graduacion por etapas pueden ser de un 70% a un 95% del caudal total de combustible.

Los combustibles primario y de graduacion por etapas pueden tener la misma composicion o pueden tener diferentes composiciones y uno u otro combustible puede ser de cualquier material gaseoso, vaporizado, o atomizado que contenga hidrocarburos. Por ejemplo, el combustible se puede seleccionar del grupo que consiste en gas natural, gas de escape de refinena, gas asociado procedente de la produccion de petroleo crudo y gas residual de proceso de combustible. Un gas residual de proceso de ejemplo es el gas de cola o gas residual procedente de un sistema de adsorcion por oscilacion de presion en un proceso para la generacion de hidrogeno a partir de gas natural.

Se ilustra en la figura 2 un tipo de ejemplo de la boquilla 33. Un conjunto 201 de boquilla comprende un cuerpo 203 de boquilla unido a una tubena 205 de entrada de boquilla. Una ranura 207, que se ilustra aqm como verticalmente orientada, esta atravesada por unas ranuras 209, 211, 213 y 215. Las ranuras estan dispuestas entre una cara de salida 217 y una cara de entrada (no vista) en la conexion entre el cuerpo 203 de boquilla y la tubena 205 de entrada de boquilla. Un fluido 219 fluye a traves de la tubena 205 de entrada de boquilla y a traves de las ranuras 207, 209, 211, 213 y 215, y luego se mezcla con otro fluido que rodea las salidas de ranura. Ademas del patron de ranuras mostrado en la figura 2, son posibles otros patrones de ranuras; el conjunto de boquilla se puede utilizar en cualquier orientacion y no se limita a la orientacion generalmente horizontal mostrada. Cuando se mira en una direccion perpendicular a la cara 217 de salida, las ranuras de ejemplo 209, 211, 213 y 215 intersectan la ranura 207 en angulo recto. Son posibles otros angulos de interseccion entre las ranuras de ejemplo 209, 211, 213 y 215 y la ranura 207. Cuando se mira en una direccion perpendicular a la cara 217 de salida, las ranuras de ejemplo 209, 211, 213 y 215 son paralelas entre ellas; sin embargo, son posibles otras realizaciones en las que una o mas de estas ranuras no sean paralelas a las ranuras restantes.

El termino "ranura" como se usa en el presente documento se define como una apertura a traves de un cuerpo de boquilla u otro material solido, en donde cualquier seccion transversal de ranura (es decir, una seccion perpendicular

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al eje de flujo de entrada definido mas adelante) no es circular y se caracteriza por un eje mayor y un eje menor. El eje mayor es mas largo que el eje menor y los dos ejes son generalmente perpendiculares. Por ejemplo, el eje mayor de la seccion transversal de cualquier ranura de la figura 2 se extiende entre los dos extremos de la seccion transversal de ranura; el eje menor de seccion transversal es perpendicular al eje mayor y se extiende entre los lados de la seccion transversal de la ranura. La ranura puede tener una seccion transversal de cualquier forma no circular y cada seccion transversal se puede caracterizar por un punto central o centroide, en donde el centroide tiene la definicion geometrica usual.

Una ranura se puede caracterizar ademas por un eje de ranura definido como una lmea recta que conecta los centroides de todas las secciones transversales de ranura. Ademas, una ranura puede estar caracterizada o definida por un plano central que intersecta los ejes mayores de todas las secciones transversales de ranura. Cada seccion transversal de ranura puede tener simetna perpendicular a ambos lados de este plano central. El plano central se extiende mas alla de cada extremo de la ranura y se puede usar para definir la orientacion de ranura con respecto al eje de flujo de entrada del cuerpo de boquilla como se describe a continuacion.

La seccion axial I-I de la boquilla de la figura 2 se reproduce en la figura 3. Un eje 301 de flujo de entrada atraviesa el centro de una tubena 302 de entrada de boquilla, una cara 303 de entrada y la cara 217 de salida. En esta realizacion, los planos centrales de las ranuras 209, 211, 213 y 215 forman angulos con el eje 301 de flujo de entrada (es decir, no son paralelos al eje 301 de flujo de entrada) de tal manera que el fluido fluye desde las ranuras en la cara 217 de salida en direcciones divergentes respecto del eje 301 de flujo de entrada. El plano central de la ranura 207 (solo se ve en la figura 3 una parte de esta ranura) tambien forma angulo con el eje 301 de flujo de entrada. Esta caractenstica de ejemplo dirige el fluido desde la cara de salida de boquilla en otra direccion divergente respecto del eje 301 de flujo de entrada. En este ejemplo de realizacion, cuando se mira en una direccion perpendicular a la seccion axial de la figura 3, las ranuras 209 y 211 se intersectan en la cara 303 de entrada para formar un borde afilado 305, las ranuras 211 y 213 se intersectan para formar un borde afilado 307, y las ranuras 213 y 215 se intersectan para formar un borde afilado 309. Estos bordes afilados proporcionan una separacion de flujo aerodinamico en las ranuras y reducen la cafda de presion asociada con cuerpos achatados. Alternativamente, estas ranuras pueden intersectarse en un lugar axial entre la cara 303 de entrada y la cara 217 de salida, y los bordes afilados se formanan dentro del cuerpo 203 de boquilla. Como alternativa, estas ranuras pueden no intersectarse cuando se mira en una direccion perpendicular a la seccion axial de la figura 2, y no se formanan bordes afilados.

El termino "eje de flujo de entrada" como se usa en el presente documento es un eje definido por la direccion del flujo de un fluido que entra en la boquilla en la cara de entrada, en donde este eje atraviesa las caras de entrada y salida. Tfpicamente, pero no en todos los casos, el eje de flujo de entrada es perpendicular al centro de la cara 303 de entrada de boquilla y/o a la cara 217 de salida de boquilla, y se encuentra perpendicularmente con las caras. Cuando la tubena 302 de entrada de boquilla es un conducto cilindrico tfpico, como se muestra, el eje de flujo de entrada puede ser paralelo a, o coincidente con, el eje del conducto.

La longitud de ranura axial se define como la longitud de una ranura entre la cara de entrada de boquilla y la cara de salida, por ejemplo entre la cara 303 de entrada y la cara 217 de salida de la figura 3. La altura de ranura se define como la distancia perpendicular entre las paredes de ranura en el eje menor de la seccion transversal. La relacion de la longitud de ranura axial con respecto a la altura de ranura puede estar entre aproximadamente 1 y aproximadamente 20.

Las multiples ranuras en un cuerpo de boquilla pueden intersectarse en un plano perpendicular al eje de flujo de entrada. Como se muestra en la figura 2, por ejemplo, las ranuras 209, 211, 213 y 215 intersectan la ranura 207 en angulo recto. Si se desea, estas ranuras pueden intersectarse en un plano perpendicular al eje de flujo de entrada en angulos distintos de angulos rectos. Las ranuras adyacentes tambien pueden intersectarse cuando se mira en un plano paralelo al eje de flujo de entrada, es decir, el plano de seccion de la figura 3. Como se muestra en la figura 3, por ejemplo, las ranuras 209 y 211 se intersectan en la cara 303 de entrada para formar el borde afilado 305 como se describio anteriormente. Las relaciones angulares entre los planos centrales de las ranuras, y tambien entre el plano central de cada ranura y el eje de flujo de entrada, pueden variarse segun se desee. Esto permite que el ifquido sea descargado desde la boquilla en cualquier direccion seleccionada con respecto al eje de boquilla.

Como alternativa, puede contemplarse un cuerpo de boquilla en el que ninguna de las ranuras se intersecta con otras en algun plano perpendicular al eje 301. En esta realizacion alternativa, por ejemplo, todas las ranuras, vistas perpendicularmente a la cara de cuerpo de boquilla, estan separadas y no intersectan otras ranuras. Una boquilla de este tipo podna, por ejemplo, ser similar a la boquilla de la figura 2 sin ranura 207, en donde la boquilla solo tendna las ranuras 209, 211,213 y 215. Estas ranuras pueden intersectarse axialmente como se muestra en la figura 2.

La figura 4 es una vista en planta que muestra el extremo de descarga del aparato de ejemplo de la figura 1 utilizando las boquillas de lanza de combustible de graduacion por etapas de las figuras 2 y 3. Unas tubenas concentricas 403, 405 y 407 encierran espacios anulares 409 y 411 que estan equipados con elementos o aletas radiales. Unas boquillas ranuradas 433 de inyeccion de combustible de graduacion por etapas (descritas anteriormente) pueden estar dispuestas concentricamente alrededor del quemador central como se muestra. En esta

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realizacion, los angulos de ranura de las boquillas de inyeccion ranuradas estan orientadas para dirigir combustible de graduacion por etapas inyectado en direcciones divergentes con respecto al eje del quemador central 1.

Otros tipos de configuraciones de boquilla se pueden utilizar para el cuerpo 203 de boquilla (figura 2) en los extremos de inyeccion de las boquillas 433 de combustible de graduacion por etapas (figura 4). Por ejemplo, las aberturas en la cara 217 de salida de cuerpo 203 de boquilla pueden configurarse con la forma de una o mas aberturas en forma de cruz producidas por dos ranuras intersecantes. Alternativamente, se pueden usar cualquier otro tipo de aberturas en la cara de cuerpo de boquilla que tengan formas diferentes de la forma de las ranuras descritas anteriormente.

El ejemplo de un sistema de quemador de combustion por etapas concentricas de la figura 1 puede modificarse de acuerdo con una realizacion de la invencion, como se ilustra en la figura 5. Unos encendedores 501, mostrados aqu esquematicamente, estan asociados con las lanzas 31 de combustible de graduacion por etapas y estan adaptados para encender combustible 37 de graduacion por etapas descargado desde las boquillas 33. Los encendedores pueden estar adyacentes a las lanzas de combustible de graduacion por etapas como se muestra, en donde los extremos 503 de ignicion de los encendedores son adyacentes a las puntas de las boquillas 33. Alternativamente, los encendedores pueden estar integrados en las lanzas de combustible de graduacion por etapas como se describe mas adelante. El significado generico del termino "encendedor" como se usa en el presente documento es un dispositivo para generar una temperatura localizada por encima de la temperatura de autoignicion de la mezcla de combustible-oxidante. Por ejemplo, puede tratarse de los encendedores 501 adyacentes a las boquillas 33, asegurando asf la ignicion del flujo de combustible de graduacion por etapas. Los encendedores 501 se muestran esquematicamente en la figura 5 y pueden ser cualquier tipo de encendedor capaz de generar temperaturas suficientemente altas para encender la mezcla de combustible de graduacion por etapas y oxidante. Por ejemplo, estos encendedores pueden generar llamas piloto en los extremos 503 de ignicion en los que se forman las llamas piloto por la combustion de una mezcla de combustible-oxidante separada de la mezcla de combustible-oxidante del quemador central. Alternativamente, los encendedores 501 pueden ser encendedores de chispa intermitente, encendedores de chispa continua, plasmas de arco de corriente continua, plasmas de microondas, plasmas de RF, haces laser de alta energfa o cualquier otro tipo de encendedor en los extremos 503 de ignicion.

La ubicacion de los encendedores de la figura 5 puede verse en la vista en planta de la figura 6, que muestra el extremo de descarga del quemador central y los extremos 503 de encendido esquematicos asociados con boquillas 33 de inyeccion concentricas. En esta realizacion, cada extremo de ignicion es adyacente a una boquilla de inyeccion de graduacion por etapas. Alternativamente, los encendedores pueden estar integrados en las lanzas 31 de combustible de graduacion por etapas como se describe mas adelante. En la realizacion de la figura 6, cada boquilla de inyeccion y cada lanza de combustible tiene un encendedor adyacente, y el numero de encendedores y el numero de lanzas de combustible de graduacion por etapas son iguales. Alternativamente, el numero de lanzas de combustible de graduacion por etapas puede ser menor que el numero de encendedores, en donde cada encendedor efectua la ignicion de una pluralidad de lanzas de combustible. En un ejemplo, los encendedores pueden estar asociados con lanzas alternas de combustible de graduacion por etapas en donde el numero de encendedores es la mitad del numero de lanzas de combustible. Se pueden usar cualquier numero y configuracion de encendedores para efectuar la ignicion apropiada de la mezcla de combustible de graduacion por etapas- oxidante. En la presente revelacion, el termino "asociado con" significa que un encendedor asociado con una lanza de combustible de graduacion por etapas esta adaptado para, y es capaz de encender la mezcla combustible- oxidante formada por el combustible de graduacion por etapas de la lanza de combustible de graduacion por etapas y el oxidante presente en la region adyacente a la descarga de la lanza. Como se menciono anteriormente, un encendedor asociado con una lanza puede estar adyacente a la lanza o puede ser una parte integral de la lanza.

El encendedor 501 (figura 5) puede utilizar una llama piloto formada en el extremo de encendido 503 por un combustible piloto y un oxidante piloto. El combustible piloto puede ser el mismo combustible que el que proporcionan a la lanza de combustible de graduacion por etapas, o puede ser un combustible diferente tal como, por ejemplo, el combustible primario 15 del quemador central 1. El oxidante piloto puede ser aire, aire enriquecido con oxfgeno u otro gas que contenga oxfgeno. La direccion de la descarga de la llama piloto puede ser generalmente paralela a la direccion de la descarga de combustible de graduacion por etapas, o alternativamente puede formar cualquier angulo con la direccion de descarga de combustible de graduacion por etapas. En una realizacion, la llama piloto puede ser dirigida radialmente hacia fuera desde el eje del quemador central y en otra realizacion puede ser dirigida generalmente paralela al eje del quemador central. El combustible piloto y el oxidante piloto se pueden mezclar previamente aguas arriba del extremo del encendedor o, alternativamente, el combustible y el oxidante se pueden suministrar al, y quemar cerca del, extremo de ignicion del encendedor de tipo piloto. El encendedor mismo puede estar equipado con medios de encendido por chispa para encender el combustible piloto y el oxidante piloto tal como se describe a continuacion.

Un encendedor de ejemplo es un dispositivo de piloto mostrado en las figuras 7A (vista en seccion lateral) y 7B (vista extrema). Este piloto comprende una tubena exterior 701, una tubena interior 703, un generador de turbulencia de flujo o cuerpo achatado 705 y un anillo 707. Un gas oxidante tal como aire o aire enriquecido con oxfgeno fluye a traves del anillo 707 y sobre el generador de turbulencia de flujo o cuerpo achatado 705, y un gas combustible fluye a traves de la tubena interior 703. El combustible y el oxidante se queman para formar una llama piloto en la salida

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del piloto. Si se desea, se puede usar un dispositivo de ignicion electrico para el encendido inicial del combustible piloto y el oxidante piloto. Se muestra en las figuras 8A y 8B un dispositivo de ignicion de ejemplo, en el que un electrodo 801 esta instalado en el interior de la tubena interior 703. El extremo del electrodo se extiende tfpicamente mas alla del extremo de la tubena interior 703 y esta dispuesto en la region entre los extremos de la tubena interior 703 y la tubena exterior 701. Se genera una chispa entre el extremo del electrodo y la pared interior de la tubena exterior 701 cuando el electrodo es excitado electricamente. El oxidante y el combustible fluyen a traves de la tubena interior 703 y el anillo 707, respectivamente, se mezclan en la region entre los extremos de la tubena interior 703 y la tubena exterior 701, y se encienden mediante una chispa generada entre el extremo del electrodo y la pared interior de la tubena exterior 701.

Un tipo alternativo de piloto encendedor se puede utilizar como alternativa a las figuras 8A y 8B. En esta alternativa, la tubena interior 703 no se utiliza, y se proporciona una mezcla de combustible-oxidante mezclada previamente a traves de la tubena 701 y se la enciende por una chispa proveniente del extremo del electrodo 801.

Los encendedores piloto descritos anteriormente pueden ser operados de forma continua, por ejemplo durante la operacion de un horno calentado por una pluralidad de quemadores (por ejemplo, como en el quemador 1 de la figura 5). Alternativamente, los encendedores piloto pueden ser operados solamente durante el arranque en frio del horno y estanan inactivos durante la operacion normal del horno.

Un encendedor piloto de las figuras 7A y 7B o las figuras 8A y 8B puede instalarse adyacente a cada lanza de combustible de graduacion por etapas como se muestra en las figuras 5 y 6. Alternativamente, el encendedor piloto puede estar disenado como una parte integral de una lanza de combustible de graduacion por etapas como se ilustra en la figura 9. En este ejemplo de realizacion, el encendedor piloto asistido por electrodo de las figuras 8A y 8B esta integrado en la lanza de combustible y la boquilla de las figuras 2 y 3. En el conjunto integrado 901 de lanza de combustible y encendedor de la figura 9, unas ranuras 909, 911, 913 y 915 intersectan una ranura 907 como se muestra, y todas las ranuras atraviesan una cara 917 de la boquilla de lanza de combustible y forman angulo con el eje de flujo de entrada de la lanza de tal manera que el fluido fluye desde las ranuras en la cara de salida 917 en direcciones divergentes respecto del eje de flujo de entrada. El encendedor comprende una tubena exterior 903, una tubena interior 904 y un electrodo 905, y estos componentes estan instalados en un anima a traves de la lanza paralela al eje de la lanza. El encendedor funciona como se describio anteriormente con referencia a las figuras 8A y 8B.

Un combustible 919 entra en el extremo de entrada de lanza, fluye a traves de un paso de combustible interior (no visto), y sale de las ranuras 907, 909, 911, 913 y 915 en la cara 917 de boquilla. Un combustible piloto 921, que puede ser el mismo o diferente que el combustible 919 de lanza, fluye hacia y a traves de la tubena interior 904. Un gas oxidante piloto 923, (por ejemplo, aire o aire enriquecido con oxfgeno) fluye hacia dentro y a traves del anillo entre la tubena exterior 903 y la tubena interior 904. El electrodo de encendido 905 se utiliza para encender la mezcla de combustible piloto y el gas oxidante como se describio anteriormente.

En lugar del encendedor de llama piloto discutido anteriormente como parte de la lanza de encendido asistido de la figura 9, puede usarse cualquier otro tipo de encendedor. El encendedor se puede seleccionar de, por ejemplo, encendedores de chispa intermitente, encendedores de chispa continua, plasmas de arco de corriente continua, plasmas de microondas, plasmas de RF y haces laser de alta energfa.

Un sistema de combustion por etapas concentricas (figuras 5 y 6) puede utilizarse en cualquier geometna de horno para producir una distribucion uniforme del calor, mejor estabilidad de llama y menores emisiones de NOx.

Claims (4)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento de combustion que comprende:

   (A) proporcionar un conjunto de quemador, que incluye:

   (i) un soporte de llama central (1) que tiene unos medios de entrada (3) para un gas oxidante, unos medios de entrada (13) para un combustible primario, una region de combustion (17, 19, 21) para quemar el gas oxidante y el combustible primario, y una salida para descargar un efluente primario desde el soporte de llama;

   (ii) una pluralidad de boquillas (33) de inyector de combustible secundario que rodean la salida del soporte de llama central, en donde cada boquilla de inyector de combustible secundario comprende

   (a) un cuerpo (203) de boquilla que tiene una cara (303) de entrada, una cara (217) de salida y un eje de flujo de entrada que atraviesa las caras de entrada y salida; y

   (b) una o mas ranuras (207, 209, 211, 213, 215) que se extienden a traves del cuerpo de boquilla desde la cara de entrada hasta la cara de salida, teniendo cada ranura un eje de ranura y un plano central de ranura; y

   (iii) uno o mas encendedores (501) asociados con la pluralidad de boquillas (33) de inyectores de combustible secundario;

   (B) introducir el combustible primario (15) y el gas oxidante (15) en el soporte (1) de llama central, quemar el combustible primario con una porcion del gas oxidante en la region de combustion (17, 19, 21) del soporte de llama, y descargar un efluente primario (23) que contiene productos de combustion y un exceso de gas oxidante desde la salida del soporte de llama;

   (C) inyectar el combustible secundario (35, 37) a traves de las boquillas (33) de inyector de combustible secundario dentro del efluente primario (23) desde la salida del soporte de llama; y

   (D) operar los uno o mas encendedores (503) e inflamar el combustible proveniente de las boquillas de inyector de combustible secundario para provocar la combustion del combustible con el oxidante en exceso en los productos de combustion.
2. 2. El procesamiento de combustion de la reivindicacion 1, en el que el combustible primario y el combustible secundario son gases que tienen composiciones diferentes.
3. 3. El procesamiento de combustion de la reivindicacion 1, en el que el combustible primario es gas natural o gas de escape de refinena, y el combustible secundario comprende hidrogeno, metano, monoxido de carbono y dioxido de carbono obtenido a partir de un sistema de adsorcion por oscilacion de presion.
4. 4. El procesamiento de combustion de la reivindicacion 1, en el que el combustible primario y el combustible secundario son gases que tienen las mismas composiciones.