ES2569356T3 - Procedimiento de combustión con bajo nivel de NOx para la fusión del vidrio e inyector mixto - Google Patents

Abstract

Procedimiento de combustión para la fusión del vidrio, en el cual se crea una llama a la vez por un impulso de combustible líquido y un único impulso de combustible gaseoso, caracterizado porque la fracción de la potencia total debida al combustible líquido es variable entre 20% y 80%, porque el impulso específico del combustible gaseoso está limitado a un valor lo suficientemente bajo como para el contenido de NOx en los humos producidos no exceda de 800 mg/Nm3, para un horno con quemadores transversales, y de 600 mg/Nm3, para un horno de bucle, porque el citado procedimiento es puesto en práctica por medio de un inyector que comprende un conducto de admisión de combustible líquido circunscrito en un conducto coaxial de admisión de fluido de pulverización del combustible líquido, circunscrito, a su vez, en un único conducto coaxial de admisión de combustible gaseoso , y porque el conducto de admisión de combustible líquido comprende un elemento agujereado de canales oblicuos para inyectar el combustible líquido bajo la forma de un chorro hueco en rotación antes de la eyección fuera del inyector, formando la generatriz de cada uno de los canales un ángulo de 2 a 30º con la dirección de admisión del combustible líquido.

Description

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Procedimiento de combustion con bajo nivel de NOx para la fusion del vidrio e inyector mixto

El invento se refiere a un procedimiento y dispositivo de combustion en el cual la alimentacion del combustible esta asegurada por al menos un inyector.

El invento sera descrito para una utilizacion en la fusion del vidrio en los hornos de las fabricas de vidrio, especialmente en los hornos para la fabricacion de vidrio plano de tipo float o en los hornos para la fabricacion de vidrio hueco de embalaje, por ejemplo, en los hornos que funcionan en inversion del tipo de los que utilizan regeneradores (recuperadores de energfa).

La mayor parte de los procedimientos de combustion del tipo citado, particularmente los utilizados en los hornos de las fabricas de vidrio, estan enfrentados a problemas de emision de NOx en los humos de la combustion.

Los NOx tienen una influencia nefasta a la vez sobre el ser humano y sobre el medio ambiente. En efecto, por una parte, el NO2 es un gas irritante y fuente de enfermedades respiratorias. Por otra parte, en contacto con la atmosfera, pueden formar de una manera progresiva lluvias acidas. Finalmente, generan una polucion fotoqufmica puesto que en combinacion con los compuestos organicos volatiles y la radiacion solar, los NOx son el origen de la formacion del ozono llamada troposferica cuyo aumento de concentracion a baja altura se convierte en nociva para el ser humano, sobre todo en periodo en fuerte calor.

Es por esto por lo que las normas en vigor sobre la emision de NOx han sido cada vez mas exigentes. Por el hecho mismo de la existencia de estas normas, los fabricantes y los explotadores de hornos, tales como los de los hornos de las fabricas de vidrio, se preocupan, de manera constante, de limitar al maximo las emisiones de NOx, preferentemente a tasas inferiores a 800 mg por Nm3 de humos para un horno con quemadores transversales o inferior a 600 mg por Nm3 de humos para un horno de bucle.

Los parametros que influyen en la formacion de NOx han sido ya analizados. Se trata esencialmente de la temperatura, pues por encima de 1.300° C la emision de NOx crece de manera exponencial, del exceso de aire, puesto que la concentracion de NOx depende de la rafz cuadrada del exceso de oxfgeno o incluso de la concentracion de N2.

Se han propuesto ya numerosas tecnicas para reducir la emision de NOx.

Una primera tecnica consiste en hacer intervenir un agente reductor sobre los gases emitidos con el fin de que los NOx sean convertidos en nitrogeno. Este agente reductor puede ser el amoniaco pero esto induce inconvenientes tales como la dificultad para almacenar y manipular tal producto. Es posible igualmente utilizar un gas natural como agente reductor, pero esto se hace en detrimento del consumo del horno y aumenta las emisiones de CO2. La presencia de gases reductores en ciertas partes del horno tales como los regeneradores puede provocar ademas una corrosion acelerada de los refractarios de estas zonas.

Es, pues, preferible, sin que sea obligatorio, pasar de esta tecnica adoptando medidas llamadas primarias. Estas medidas son llamadas asf porque no buscan destruir los NOx ya formados, como en la tecnica descrita anteriormente, sino que mas bien buscan impedir su formacion, por ejemplo, al nivel de la llama. Estas medidas son ademas mas sencillas de poner en practica y, como consecuencia, mas economicas. Pueden, sin embargo, no sustituir completamente a la tecnica citada anteriormente pero si pueden completarla ventajosamente. Estas medidas primarias constituyen de cualquier manera un preliminar indispensable para disminuir el consumo de reactivos de las medidas secundarias.

Las medidas existentes se pueden clasificar, de manera no limitativa, en varias categorfas:

-una primera categorfa consiste en reducir la formacion de NOx con la ayuda de una tecnica llamada de “rebuming”, mediante la cual se crea una zona de defecto de aire al nivel de la camara de combustion de un horno. Esta tecnica presenta el inconveniente de aumentar la temperatura al nivel de los apilamientos de los regeneradores y, llegado el caso, tener que prever una concepcion especffica de los regeneradores y de sus apilamientos, muy particularmente en terminos de estanqueidad y de resistencia a la corrosion;

- una segunda categorfa consiste en actuar sobre la llama reduciendo o incluso impidiendo la formacion de NOx a su nivel. Para esto, se puede, por ejemplo, tratar de reducir el exceso de aire de combustion. Es posible igualmente tratar de limitar los picos de temperatura manteniendo la longitud de la llama, y aumentar el volumen del frente de llamas para reducir la temperatura media en el seno de la llama. Tal solucion esta descrita, por ejemplo, el los documentos US6047565 y WO9802386. Consiste en un procedimiento de combustion para la fusion del vidrio, en el cual la alimentacion de combustible y la alimentacion de carburante se efectuan los dos de tal manera que se amplfa en el tiempo el contacto combustible/carburante y/o se aumenta el volumen de este contacto con vistas a reducir la emision de NOx.

Recuerdese que un inyector esta destinado a la propulsion del combustible, teniendo, este ultimo, la finalidad de ser

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quemado por un carburante. Asf, el inyector puede formar parte de un quemador, designando generalmente el termino quemador a un dispositivo que comprende a la vez la admision del combustible y del carburante.

El documento EP921349 (o US6244524) ha propuesto, con un objetivo de reduccion de NOx, un quemador equipado de al menos un inyector, que comprende un conducto de admision de combustible lfquido, del tipo fuel, y un conducto de admision de un fluido de pulverizacion dispuesto concentricamente con respecto al citado conducto de admision de combustible lfquido, comprendiendo el citado conducto de admision de combustible lfquido, en elemento agujereado de canales oblicuos para inyectar el combustible lfquido bajo la forma de un chorro hueco que se aplica sustancialmente a la pared interna, formando la generatriz de cada uno de los citados canales un angulo de al menos 10° con la direccion de admision de combustible lfquido.

El documento FR 2 834 774 propone reducir los NOX mediante la utilizacion de un quemador equipado con al menos un inyector que comprende tres conductos coaxiales de admision de combustibles:

-lfquido

- gaseosos de alta

- y baja presion.

citados segun el orden de alejamiento creciente del eje. Sin embargo, con este inyector, el mantenimiento de una baja emision de NOx cuando se desea hacer variar las proporciones relativas de los diferentes combustibles, necesita reglajes complejos.

El invento tiene como objetivo la puesta a disposicion de un procedimiento de tratamiento termico de vidrio fundido en el cual son utilizados combustibles de diferente naturaleza, cuyas proporciones relativas son variables en una gran medida, manteniendo al mismo tiempo una baja emision de NOx.

A estos efectos, el invento tiene como objetivo un procedimiento de combustion, para la fusion del vidrio, en el cual se crea una llama a la vez por un combustible lfquido y un combustible gaseoso, caracterizado porque la fraccion de la potencia total debida al combustible lfquido es variable entre el 20% y 80%, y porque el impulso especffico del combustible gaseoso esta limitado a un valor lo suficientemente bajo para que el contenido en NOx de los humos producidos no exceda de 800 mg/Nm3 para un horno con quemadores transversales, y 600 mg/Nm3 para un horno de bucle.

Esta comprobado, en efecto, que la combinacion de un impulso de combustible lfquido (tal como el fuel) y de un unico impulso de gas de baja presion, permitfa el mantenimiento de bajos niveles de NOx sin necesidad de reglajes o puestas a punto complejas. Asf, se puede modificar muy facilmente la proporcion fuel/gas, por ejemplo, a merced especialmente de las fluctuaciones de coste de estos combustibles.

El procedimiento del invento permite obtener emisiones de NOx tal bajas como con la utilizacion de fuel como unico combustible.

La potencia de combustion se descompone aquf exclusivamente en la potencia debida al combustible lfquido por una parte, a gaseoso por otra, de tal manera que la parte del segundo es el complemento del primero al 100% (es decir, variable entre 80% y 20%).

El impulso especffico del combustible gaseoso es preferentemente igual como mucho a 3, de manera particularmente preferida 2,5 N/MW.

Precisemos que en la industria del vidrio, a la que interesa el presente invento, un horno de bucle puede funcionar alternativamente con dos quemadores situados en la parte izquierda, respectivamente derecha, del horno. La potencia de los quemadores es igual al producto del numero de inyectores (especialmente dos o tres) que lo componen por la potencia de un inyector.

La potencia de los quemadores (y como consecuencia el numero de inyectores por quemador, y la potencia de los inyectores) es variable y debe estar adaptada especialmente al tamano del horno.

A tftulo indicativo, un horno de un centenar de m2 (superficie del bano del vidrio) puede funcionar con dos quemadores, de manera alternativa, con una potencia de 8-14 MW cada uno. Si estos quemadores comprenden dos inyectores cada uno, la potencia de estos es de 4-7 MW, a descomponer en una parte de la potencia del inyector debida al combustible lfquido, y otra parte debida al combustible gaseoso.

Es a esta ultima parte a la que se refiere el impulso especffico maximo anteriormente mencionado del combustible gaseoso. El mantenimiento de este impulso especffico del combustible gaseoso a tales valores relativamente bajos permite hacer variar en una gran medida las proporciones relativas de combustibles lfquido y gaseoso, conservando al mismo tiempo las emisiones de NOx a un nivel bajo.

El reglaje de este impulso especffico puede hacerse muy facilmente seleccionando el diametro del conducto de

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admision del combustible gaseoso. Basta con aumentar este diametro para disminuir el impulso especffico, manteniendo los demas parametros iguales, y al contrario.

Segun otra caracterfstica ventajosa del procedimiento del invento, el impulso especffico del combustible lfquido es como mucho igual a 1 N/MW. Estos valores se refieren a la unica contribucion del combustible lfquido a la potencia del inyector. Estan adaptados a la longitud de las llamas y a potencias de combustion optimas, en todas las dimensiones y configuraciones de los hornos de la industria del vidrio o equivalentes. Por supuesto, tambien garantizan emisiones de NOx contenidas en el bajo nivel deseado.

El reglaje del impulso especffico del combustible lfquido es tambien facil y se hace de la misma manera que el del impulso especffico del combustible gaseoso. El aumento del diametro del conducto de admision (boquilla) del combustible lfquido disminuye el impulso especffico de este, manteniendo al mismo tiempo los otros parametros iguales, y al contrario.

El invento tiene igualmente como objeto un inyector para poner en practica un procedimiento descrito anteriormente, caracterizado porque comprende un conducto de admision de combustible lfquido circunscrito en un conducto coaxial de admision del fluido de pulverizacion del combustible lfquido, circunscrito a su vez en un unico conducto coaxial de admision del combustible gaseoso. Esta construccion del inyector puede resultar de la supresion del conducto coaxial de admision del gas de alta presion dispuesto entre los conductos coaxiales de admision del combustible lfquido y del fluido de pulverizacion de este, por una parte, y el conducto coaxial de admision del gas de baja presion, por otra parte, en el inyector descrito en el documento FR 2 834 774. Los conductos de admision tienen aquf tambien la funcion de expulsion de los fluidos.

Ademas el conducto de admision del combustible lfquido comprende un elemento agujereado de canales oblicuos para inyectar el combustible lfquido bajo la forma de un chorro hueco en rotacion antes de la expulsion y fuera del inyector, formando la generatriz de cada uno de los canales un angulo de 2 a 30° con la direccion de admision del combustible lfquido. Esta caracterfstica es conocida especialmente del documento EP 921 349. El combustible lfquido esta dividido en tantos chorros individuales como canales oblicuos.

El reparto uniforme de los canales oblicuos y la inclinacion de 2 a 30° de la generatriz de cada uno de estos canales sobre toda la circunferencia del conducto de admision del combustible lfquido trae como consecuencia un centrifugado del conjunto de los chorros individuales sin que exista ninguna interferencia entre ellos.

Este centrifugado contribuye, aguas arriba, a que el combustible siga una trayectoria helicoidal, inyectandose bajo la forma de un chorro hueco que se aplica a la pared interna del conducto de admision.

A la salida de este, el combustible lfquido ha adquirido asf una energfa mecanica maxima y, bajo la influencia del fluido de pulverizacion, explota verdaderamente en gotitas cuya dispersion de tamano es optima.

En una realizacion particularmente interesante del inyector del invento, los conductos de admision del combustible lfquido y del fluido de pulverizacion de este son amovibles para un funcionamiento con el 100% de gas. Estos conductos pueden formar un conjunto integrado, ligero, que es tan facil de desmontar del inyector, como de volverlo a montar. Una vez desmontado este conjunto del inyector, el inyector puede funcionar totalmente con combustible gaseoso. En el lugar dejado libre por la retirada de la barra del fuel, sale gas a alta presion. El gas a baja presion continua pasando por la corona exterior.

Otros objetos del invento son:

-un quemador que comprende uno o varios inyectores definidos anteriormente;

- un horno que comprende al menos un quemador, especialmente un horno de bucle o un horno con los quemadores transversales.

El invento es ilustrado ahora por el ejemplo que viene a continuacion.

Ejemplo

Un horno de bucle de 95 m2 (superficie del bano de vidrio) esta equipado con dos quemadores situados en la parte izquierda, y respectivamente derecha del horno.

Un quemador comprende un chorro de llegada de aire bajo el cual estan dispuestos dos inyectores de fuel lfquido a 130° C y de gas natural. La potencia de un quemador es de 13 MW.

El conducto de admision de fuel del inyector esta circunscrito en un conducto coaxial de admision de aire (2 bares) de pulverizacion del fuel.

El conducto de admision del aire de pulverizacion esta circunscrito en un conducto coaxial de transporte del gas natural.

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El impulso especffico del fuel Upe(f), con respecto a la potencia del fuel de un solo inyector, depende de la boquilla del conducto de admision del fuel. Los valores Lpe® estan consignados en la tabla que hay a continuacion. La potencia de un inyector vale la mitad de la potencia de un quemador (es decir, 6,5 MW), y se descompone en la suma de la potencia del fuel y de la potencia del gas de un inyector.

El impulso especffico del gas Ispe(g), con respecto a la potencia del gas de un solo inyector, depende del diametro del conducto de admision de gas. Los valores Ispe(g) estan consignados en la tabla que hay a continuacion.

El conducto de admision del fuel contiene un elemento de puesta en rotacion del fuel que comprende unos orificios cuyo eje forma un angulo de 2 a 30° con la direccion de admision del fuel.

Se hacen variar las potencias relativas del gas y del fuel de la misma manera, para cada configuracion consignada en la tabla que hay a continuacion, para los dos inyectores de los dos quemadores. La potencia relativa del fuel esta consignada en la tabla en % (f).

Para cada configuracion, se recogen las emisiones de NOx para un valor de CO razonable frente a la corrosion de los refractarios.

La configuracion 5 es un ejemplo comparativo.

TABLA

Configuracion N°

%(f) 'EP*0 (N/MW) Ispe(g) (N/MW) NOx (mg/Nm3)

1

70 0,54 0,91 570

2

50 0,53 1,51 575

3

30 0,53 2,05 580

4

30 0,53 0,64 530

5

17 0,51 0,75 560

6

74 0,56 0,76 510

Se comparan las configuraciones 1 a 3.

Se ensayan proporciones crecientes de gas, conocido por producir mas NOx que el fuel. Esta bien que esto se constate.

Se hace variar la boquilla (f) para mantener un valor Lpe® practicamente constante, correspondiendo este valor a la longitud de la llama optima para el horno considerado.

Habiendo conservado en mismo diametro de la tobera del gas, se observa un impulso especffico de gas creciente, correspondiente a un caudal de gas creciente.

Se comparan las configuraciones 3 y 4.

Se ha conseguido disminuir las emisiones de NOx con una tobera de gas de mayor diametro, haciendo bajar el valor de Ispe(g) de 2,05 a 0,64 N/MW.

Sin embargo, el control de la llama es mejor, y la llama menos voluminosa con el valor de Ispe(g) de 2,05 con respecto a 0,64 N/MW.

Se comparan las configuraciones 5 y 6.

Se constata de nuevo que el aumento de la potencia del fuel disminuye las emisiones de NOx. Se verifican independientemente los impulsos especfficos, mantenidos constantes por el cambio de valores de la boquilla (f) y el diametro (g).

Asf, el invento permite limitar las emisiones de NOx a menos de 600 mg/Nm3 para un horno de bucle (800 mg/Nm3 para un horno con quemadores transversales), por la combinacion de un impulso de combustible lfquido y de un impulso de combustible gaseoso relativamente bajo.

Claims (8)

1. 5

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   REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento de combustion para la fusion del vidrio, en el cual se crea una llama a la vez por un impulso de combustible lfquido y un unico impulso de combustible gaseoso, caracterizado porque la fraccion de la potencia total debida al combustible lfquido es variable entre 20% y 80%, porque el impulso especffico del combustible gaseoso esta limitado a un valor lo suficientemente bajo como para el contenido de NOx en los humos producidos no exceda de 800 mg/Nm3, para un horno con quemadores transversales, y de 600 mg/Nm3, para un horno de bucle, porque el citado procedimiento es puesto en practica por medio de un inyector que comprende un conducto de admision de combustible lfquido circunscrito en un conducto coaxial de admision de fluido de pulverizacion del combustible lfquido, circunscrito, a su vez, en un unico conducto coaxial de admision de combustible gaseoso , y porque el conducto de admision de combustible lfquido comprende un elemento agujereado de canales oblicuos para inyectar el combustible lfquido bajo la forma de un chorro hueco en rotacion antes de la eyeccion fuera del inyector, formando la generatriz de cada uno de los canales un angulo de 2 a 30° con la direccion de admision del combustible lfquido.
2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el impulso especffico del combustible gaseoso es como mucho igual a 3, preferentemente 2,5 N/MW.
3. 3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el impulso especffico del combustible lfquido es como mucho igual a 1 N/MW.
4. 4. Inyector para poner en practica un procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende un conducto de admision de combustible lfquido circunscrito en un conducto coaxial de admision de fluido de pulverizacion del combustible lfquido, circunscrito, a su vez, en un unico conducto de admision de combustible gaseoso, porque el conducto de admision de combustible lfquido comprende un elemento agujereado de canales oblicuos para inyectar el combustible lfquido bajo la forma de un chorro hueco en rotacion antes de la eyeccion fuera del inyector, formando la generatriz de cada uno de los canales un angulo de 3 a 30° con la direccion de admision del combustible lfquido.
5. 5. Inyector segun la reivindicacion 4, caracterizado porque los conductos de admision de combustible lfquido y del fluido de pulverizacion de este son amovibles para un funcionamiento del 100% de gas.
6. 6. Quemador que comprende uno o varios inyectores segun una de las reivindicaciones 4 o 5.
7. 7. Horno que comprende al menos un quemador segun la reivindicacion 6.
8. 8. Horno segun la reivindicacion 7, caracterizado porque es de bucle o con quemadores transversales.