ES2576008T3 - Método de combustión - Google Patents
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Abstract
Un método para reducir las emisiones de NOx en un quemador de carbón pulverizado que comprende las etapas de: proporcionar un quemador que tiene una zona axial (25) rodeada concéntricamente por una primera zona anular (11); proporcionar la zona axial (25) con un primer gas que comprende oxígeno; proporcionar la primera zona anular (11) con un gas portador que comprende un carbón pulverizado, en el que el gas portador sale de la primera zona anular (11) a una velocidad entre aproximadamente 15 m/10 s (3.000 pies/min) y aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min). caracterizado por que el primer gas sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min) y aproximadamente 51 m/s (10.000 pies/min).
Description
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DESCRIPCION
Metodo de combustion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere, por lo general, a un metodo de combustion que consigue bajas emisiones de NOx mediante el suministro de oxlgeno directamente al centro de la llama del quemador en un modo que crea una zona de combustion interna rica en combustible dentro de la llama del quemador y acelera la combustion del combustible.
Antecedentes de la invencion
El NOx es un subproducto producido durante la combustion de carbon y otros combustibles fosiles. Las preocupaciones ambientales con respecto a los efectos del NOx han dado origen al decreto de regulaciones de emisiones de NOx que requieren drasticas reducciones de emisiones de NOx en plantas industriales y centrales electricas de servicio publico en diversos palses, incluyendo Estados Unidos. Los metodos y aparatos comerciales actuales para la reduccion de emisiones de NOx han tenido exito en la reduccion de emisiones de NOx con respecto a los niveles emitidos en anos anteriores; sin embargo, nuevos avances, mas alla de los metodos y aparatos conocidos en la actualidad, son necesarios para mantener el cumplimiento con las regulaciones de emisiones de NOx actuales.
Una variedad de quemadores de bajo NOx estan disponibles en el mercado y se utilizan ampliamente para encender el carbon pulverizado (PC) y otros combustibles fosiles en una manera de reducir NOx en comparacion con los quemadores convencionales. Ejemplos de tales quemadores son los quemadores DRB-XCL® y DRB-4Z® de Babcock & Wilcox Company. Comun a estos y a otros disenos de quemadores de bajo NOx es una boquilla de carbon axial rodeada de multiples zonas de aire que suministran aire secundario (SA). Durante la operacion, el PC en suspension en una corriente de aire primaria (PA), se inyecta en el horno a traves de una boquilla de carbon axial, como un chorro axial, con poca o ninguna desviacion radial. La ignicion del PC se realiza agitando el SA, causando con ello la recirculacion de los gases calientes a lo largo del chorro de combustible entrante.
Normalmente, una fraccion del SA se suministra a una zona de aire en las proximidades de la boquilla de carbon y se somete a turbulencia en una medida relativamente mayor que el SA suministrado a las otras zonas de aire para realizar la ignicion. El SA restante en el quemador se introduce a traves de zonas de aire mas hacia el exterior en el quemador utilizando menos turbulencia, de manera que se mezcla lentamente en la llama del quemador, proporcionando de este modo condiciones ricas en combustible en la ralz de la llama. Tales condiciones promueven la generacion de hidrocarburos que compiten por el oxlgeno disponible y sirven para el destruir NOx y/o inhibir la oxidacion del nitrogeno molecular y ligado al combustible en NOx.
Las emisiones de NOx pueden ademas reducirse mediante la combustion gradual, en la que el quemador esta provisto de menos de oxlgeno estequiometrico para la combustion completa. Un entorno rico en combustible resulta en la llama del quemador. El entorno rico en combustible inhibe le formacion de NOx forzando los precursores de NOx para competir con el combustible sin quemar en un entorno pobre de oxlgeno. La combustion se realiza despues de forma gradual proporcionando un exceso de oxlgeno a la caldera en un punto por encima del quemador en el que el exceso de combustible combustiona a una temperatura inferior, evitando de este modo la produccion de NOx termico a medida que se produce la combustion a una temperatura inferior lejos de la llama del quemador. La graduacion sirve tambien para disminuir las concentraciones de oxlgeno durante el proceso de combustion, lo que inhibe la oxidacion del nitrogeno ligado al combustible (NOx del combustible).
El oxlgeno para la combustion gradual se proporciona normalmente en forma de aire a traves de los puertos de graduacion de aire, comunmente denominados puertos de inyeccion de aire auxiliar superior (OFA), en un sistema que utiliza quemadores de bajo NOx. La Patente de Estados Unidos n.° 5.697.306 de LaRue, y la Patente de Estados Unidos n.° 5.199.355 de LaRue divulgan quemadores de bajo NOx que se pueden combinar con los metodos de combustion gradual de aire para reducir aun mas las emisiones de NOx.
A diferencia de los quemadores convencionales, los quemadores de bajo NOx tienden a formar largas llamas y producir niveles mas altos de combustibles sin quemar. Las llamas largas no siempre son deseables, ya que pueden ser incompatibles con la profundidad o la altura del horno, y pueden perjudicar la operacion de la caldera al causar la incidencia de llama, formacion de escoria, y/o corrosion del tubo de caldera.
Las llamas largas son el resultado de un suministro de aire insuficiente para el chorro de combustible a medida que se hace avanzar en el horno. El SA de las zonas de aire exteriores de los quemadores de bajo NOx no penetra de manera efectiva en el chorro de combustible aguas abajo, de tal manera que el combustible sin quemar persiste debido a la falta de suministro de aire a lo largo del eje de la llama. Los altos niveles de combustible sin quemar no son deseables en ninguno de hornos con y sin OFA. Los combustibles sin quemar en forma de carbon y CO sin quemar reducen la eficiencia de la caldera y suman gastos de operacion, mientras que el carbon pulverizado sin quemar, por la naturaleza de su abrasividad, puede causar danos erosivos indeseados en el propio horno.
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La mezcla aire/combustible incompleta anterior de un sistema OFA puede hacer que una cantidad excesiva de combustible sin quemar persista hasta los puertos OFA. Cuando grandes cantidades de combustible sin quemar tratan de quemarse con el aire a la zona de OFA, la formation de NOx puede aumentar, minimizando de esta manera la negation del beneficio de la combustion gradual con OFA. Ademas, se hace cada vez mas diflcil quemar completamente estos combustibles en y mas alla de los puertos OFA, de tal manera que se anaden ineficiencia y dificultades operativas.
El documento EP 1306614 A1 divulga un quemador de combustible dolido y un metodo de combustion que utiliza un quemador de combustible solido. El mismo divulga un metodo de combustion de acuerdo con el preambulo de la revindication 1.
El documento US 5.231.937 divulga un quemador de carbon pulverizado, una caldera de carbon pulverizado y el metodo de quemar carbon pulverizado.
Sumario de la invention
La presente invencion resuelve los problemas antes mencionados asociados a la combustion retardada producida por los quemadores de bajo NOx normales e introduce un nuevo metodo de combustion de combustibles fosiles para reducir aun mas las emisiones de NOx en calderas comerciales y de servicio publico.
La presente invencion se considera un metodo de reduction de emisiones de NOx en un quemador de chorro de aire central que comprende, proporcionar un quemador que tiene una zona axial rodeada concentricamente por una primera zona anular, proporcionar la zona axial con un primer gas que comprende oxlgeno, en el que el primer gas sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min) y aproximadamente 51 m/s (10.000 pies/min), proporcionar la primera zona anular con un gas portador que comprende un carbon pulverizado, en el que el gas portador sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 15 m/s (3.000 pies/min) y aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min).
Las diversas caracterlsticas de novedad que caracterizan la presente invencion se senalan con particularidad en las reivindicaciones anexas y que forman una parte de esta divulgation. Para una mejor comprension de la invencion, de sus ventajas operativas y beneficios especlficos alcanzados con sus usos, se hace referencia a los dibujos adjuntos y a la materia descriptiva en la que se ilustran las realizaciones preferidas de la invencion.
Breve description de los dibujos
La Figura 1 es una vista en section esquematica del conjunto de quemador.
La Figura 2 es una vista esquematica de un conjunto de quemador en el trayectorias de flujo de aire y carbon;
La Figura 3 es una vista exterior de un conjunto de quemador que indica alimentador 9; y
La Figura 4 es una vista en seccion transversal esquematica de un conjunto zonas concentricas.
Descripcion de las realizaciones preferidas
Haciendo referencia a los dibujos, generalmente donde los mismos numeros designan caracterlsticas iguales o funcionalmente iguales en las diversas vistas y primero a la Figura 1, se muestra una vista en seccion esquematica de un quemador. La tuberla axial 6, que define una zona axial 25 en su interior, se rodea concentricamente por una primera tuberla anular 3 en la que el area entre las dos tuberlas define una primera zona anular 11. Radialmente interpuesto entre una portion de la primera tuberla anular 3 y la tuberla axial 6 hay un conducto alimentador 9 de tal manera que la tuberla axial 6 y caja de viento 51 estan en comunicacion fluida con los extremos opuestos del conducto alimentador 9.
A continuation haciendo referencia a la Figura 3, se proporciona una vista superior del conducto alimentador 9 radialmente interpuesto entre al menos una porcion de la primera tuberla anular 3 y la tuberla axial 6 (no mostrada en la Figura 3), de tal manera que la tuberla axial 6 y caja de viento 51 estan en comunicacion fluida con los extremos opuestos del conducto alimentador 9.
Con referencia de nuevo a la Figura 1, el aire secundario se suministra por ventiladores de tiro forzado (no mostrados), precalentado en calentadores de aire (no mostrados) y bajo presion, en la caja de viento 51. El conducto alimentador 9 proporciona, a su vez, aire secundario de la caja de viento 51 a la tuberla axial 6, a una tasa controlada por regulador de tiro 10. Un dispositivo de medicion de flujo de aire 12 cuantifica el aire secundario que fluye a traves del conducto alimentador 9.
que las flechas identifican las la localizacion de un conducto de quemador que identifica las
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Un pulverizador (no mostrado) muele el carbon que se transporta con el aire primario a traves de un conducto conectado a un codo 2 del quemador. Se puede situar un encendedor (no mostrado) en el eje del quemador, penetrando en el codo 2, en el tapon fusible 5, y extendiendose a traves de la tuberla axial 6.
El carbon pulverizado y el aire primario (PA/PC) 1 pasan a traves del codo 2 del quemador. El carbon pulverizado viaja generalmente a lo largo del radio exterior del codo 2 y se concentra en una corriente a lo largo del radio exterior a la salida del codo. El carbon pulverizado entra por primera zona anular 11 y se encuentra con un deflector 4, que redirige el flujo de carbon en el tapon fusible 5 y dispersa el carbon. La tuberla axial 6 se fija al lado de aguas abajo del tapon fusible 5. La primera tuberla anular 3 se expande en la seccion 3A para formar una seccion 3B de mayor diametro. El carbon dispersado viaja a lo largo primera zona anular 11, en la que barras y cheurones 7 proporcionan una distribucion mas uniforme del carbon pulverizado antes de salir de la primera zona anular 11 como un chorro de combustible. Piezas en forma de cuna 9A y 9B (Figura 3) proporcionan una trayectoria de flujo de mas contorneada para el PA/PC 1 a medida que viaja mas alla del conducto alimentador 9.
Un dispositivo de acondicionamiento de flujo 30 se puede utilizar para dispersar el carbon para aumentar la velocidad a la que interactua con el aire secundario. El dispositivo de acondicionamiento de flujo 30 puede consistir en palas de turbulencia y/o uno o mas cuerpos emisores para obstruir localmente el flujo e inducir turbulencia.
Otro dispositivo de acondicionamiento de flujo 13 se puede situar en el extremo de la tuberla axial 6 para proporcionar un flujo mas uniforme de aire secundario a medida que sale zona axial 25 dentro de la garganta 8 del quemador, y hacia fuera en el horno (no mostrado) en la forma de un chorro de aire central. El dispositivo de acondicionamiento de flujo 13 pueden ser palas, placas perforadas, u otros dispositivos comunmente utilizados para proporcionar un flujo mas uniforme. En algunos casos, el dispositivo de acondicionamiento de flujo 13 puede proporcionar turbulencia al nucleo de aire para acelerar aun mas la ignicion del carbon y reducir las emisiones.
Un aspecto relativo al metodo de operacion de la presente invencion es la creacion de un chorro de aire central dentro de la corriente de chorro de combustible a medida que sale de la garganta 8 y entra en el horno. Preferentemente, el chorro de aire central tendra una velocidad superior a la del chorro de combustible a fin de crear un gradiente de velocidad dentro de la llama que promueve la ignicion del combustible desde el interior hacia fuera utilizando el oxlgeno del chorro de aire central.
Las condiciones operativas optimas se producen cuando el PA/PC sale de la primera zona anular a una velocidad de entre aproximadamente 15 m/s (3.000 pies/min) y aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min), y mas preferentemente entre aproximadamente 18 m/s (3.500 pies/min) y aproximadamente 23 m/s (4.500 pies/min). Las condiciones operativas optimas se producen aun mas cuando el aire secundario sale de la zona axial 25 a una velocidad entre aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min) y 51 m/s (10.000 pies/min) y, mas preferentemente, entre aproximadamente 28 m/s (5.500 pies/min) y 38 m/s (7.500 pies/min).
El regulador de tiro 15 controla la entrada de aire secundario adicional al conjunto de quemador. Cuando se encuentra en la posicion abierta, el regulador de tiro 15 permite que el aire secundario fluya dentro de una segunda zona anular 16 que rodea concentricamente la primera zona anular 11, en el que la segunda zona anular 16 se define como el area entre la tuberla 3B y el cilindro 19. El regulador de tiro 15 permite ademas que el aire secundario fluya en tercera zona anular 17 que rodea concentricamente la segunda zona anular 16, en el que la tercera zona anular 16 se define como el area entre el cilindro 19 y la pared exterior 38 de la zona del quemador. El regulador de tiro 15 se puede situar para estrangular preferentemente el aire secundario de una zona a otra, o para suministrar cantidades menores de aire secundario a ambas zonas. Un iniciador (no mostrado) se puede situar opcionalmente en la zona anular 17, si no a traves de la tuberla 6.
Las condiciones de funcionamiento optimas para la utilizacion de las tres zonas anulares para proporcionar aire secundario para la combustion se producen cuando entre aproximadamente el 20 por ciento y aproximadamente el 40 por ciento de oxlgeno total proporcionado al quemador mediante el aire secundario se proporciona a traves de la zona axial 25, mas preferentemente entre aproximadamente el 25 por ciento y el 35 por ciento. Aproximadamente del 10 por ciento a aproximadamente el 30 por ciento de oxlgeno total proporcionado al quemador mediante el aire secundario se proporciona a traves de la segunda zona anular 16, mas preferentemente entre aproximadamente el 15 y aproximadamente el 25 por ciento. Aproximadamente del 40 por ciento a aproximadamente el 70 por ciento de oxlgeno total proporcionado al quemador mediante el aire secundario se proporciona a traves de la tercera zona de aire anular 17, mas preferentemente entre aproximadamente el 50 por ciento y aproximadamente el 65 por ciento.
El dispositivo de medicion de flujo de aire 18 mide el flujo de aire secundario a traves de la segunda zona anular 16 y la tercera zona anular 17. Las condiciones de funcionamiento optimas se producen cuando el aire secundario sale de la segunda zona anular 16 a una velocidad entre aproximadamente 15 m/s (3.000 pies/min) y aproximadamente 23 m/s (4.500 pies/min), mas preferentemente entre aproximadamente 16 m/s (3.100 pies/min) y aproximadamente 20 m/s (3.900 pies/min). Ademas, cuando el aire secundario sale de la tercera zona anular 17 a una velocidad entre aproximadamente 28 m/s (5.500 pies/min) y aproximadamente 38 m/s (7.500 pies/min), mas preferentemente la velocidad es entre aproximadamente 29 m/s (5.700 pies/min) y aproximadamente 34 m/s (6.700 pies/min).
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Las condiciones de cizallamiento de aire optimas se producen generalmente cuando el diametro interior de la zona axial es entre aproximadamente 23 cm (9 pulgadas) y aproximadamente 51 cm (20 pulgadas), el diametro interior de la primera zona anular esta comprendido entre aproximadamente 38 cm (15 pulgadas) y aproximadamente 76cm (30 pulgadas), el diametro interior de la segunda zona anular esta comprendido entre aproximadamente 51 cm (20 pulgadas) y aproximadamente 102 cm (40 pulgadas), y cuando el diametro interior de la tercera zona anular esta comprendido entre aproximadamente 56 y aproximadamente 127 cm (entre aproximadamente 22 y aproximadamente 50 pulgadas).
Las palas ajustables 21 se situan en la segunda zona anular 16 para proporcionar aire secundario turbulento antes de salir de la segunda zona anular 16. Otros dispositivos de distribucion de aire tales como placas y rampas perforadas se pueden instalar tambien al final de la segunda zona anular 16. Palas fijas 22A y palas ajustables 22B imparten turbulencia al aire secundario que se hace pasar a traves de la zona anular 17. A medida que el aire turbulento sale de la tercera zona anular 17, la pala 23, que alternativamente se puede situar en el medio de la salida de la zona de aire, desvla parte del aire lejos de la zona de combustion primaria.
Con referencia ahora a la Figura 2, se proporciona una representation grafica en la que las flechas identifican las trayectorias de flujo de aire secundario y PA/PC 1.
En una realization alternativa, un gas que comprende oxlgeno en una concentration mayor que el aire se puede utilizar en lugar de todo o parte del aire secundario.
En otra realizacion alternativa, un combustible de hidrocarburo diferente del carbon pulverizado se puede utilizar como combustible.
En otra realizacion alternativa, un conducto central se puede colocar dentro de la zona axial 25 de tal manera que la tuberla axial 6 rodea concentricamente el conducto central. En una realizacion de este tipo, el conducto central puede alojar un iniciador, un atomizador de aceite o variante de gas, o una lanza para la introduction de oxlgeno concentrado o combustible de hidrocarburo adicional en el nucleo de la llama, ya sea axialmente o por dispersion radial.
En otra realizacion alternativa una pluralidad de conductos centrales se puede colocar dentro de la zona axial 25 de tal manera que la tuberla axial 6 rodea concentricamente cada uno de la pluralidad de conductos. En una realizacion de este tipo, la pluralidad de conductos centrales puede proporcionar oxlgeno concentrado en mas de una corriente, o al menos uno de los conductos puede proporcionar carbon adicional u otro combustible de hidrocarburos para la combustion.
En otra realizacion, multiples conductos de alimentation y/o ventiladores o conductos impulsores se pueden utilizar para proporcionar aire secundario u oxlgeno adicional a la zona axial 25.
En otra realizacion, se utiliza la combustion gradual con el quemador y los metodos de reduction de NOx de la presente invention para reducir aun mas las emisiones de NOx.
En otra realizacion adicional, se puede concebir un sistema de conduction de aire alternativo en el que el aire secundario se conduce a traves de la pared exterior 51B de la caja de viento 51 y se alimenta en la zona axial 25 a traves del radio exterior de un codo del quemador ampliado u otro lugar para formar una zona axial 25 en conexion fluida con la caja de viento 51.
Si bien las realizaciones especlficas de la invencion se han mostrado y descrito en detalle para ilustrar la aplicacion de los principios de la invencion, se entendera que la invencion se puede realizar de otra manera como se aprecia por un experto ordinario en la tecnica sin apartarse del alcance de la presente invencion como se establece en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (8)
- 510152025303540455055REIVINDICACIONES1. Un metodo para reducir las emisiones de NOx en un quemador de carbon pulverizado que comprende las etapas de:proporcionar un quemador que tiene una zona axial (25) rodeada concentricamente por una primera zona anular (11);proporcionar la zona axial (25) con un primer gas que comprende oxlgeno;proporcionar la primera zona anular (11) con un gas portador que comprende un carbon pulverizado, en el que el gas portador sale de la primera zona anular (11) a una velocidad entre aproximadamente 15 m/s (3.000 pies/min) y aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min).caracterizado por que el primer gas sale de la zona axial a una velocidad entre aproximadamente 25 m/s (5.000 pies/min) y aproximadamente 51 m/s (10.000 pies/min).
- 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende ademas:proporcionar un quemador con una segunda zona anular (16) que rodea concentricamente la primera zona anular (11) y una tercera zona anular (17) que rodea concentricamente la segunda zona anular (16); proporcionar el quemador con un segundo gas que comprende oxlgeno, en el que el segundo gas sale de la segunda zona anular (16) a una velocidad entre aproximadamente 15 m/s (3.000 pies/min) y aproximadamente 23 m/s (4.500 pies/min) yproporcionar el quemador con un tercer gas que comprende oxlgeno, en el que el tercer gas sale de la tercera zona anular (17) a una velocidad entre aproximadamente 28 m/s (5.500 pies/min) y aproximadamente 38 m/s (7.500 pies/min).
- 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el primer gas sale de la zona axial (25) a una velocidad entre aproximadamente 28 m/s (5.500 pies/min) y 38 m/s (7.500 pies/min), y en el que el gas portador sale de la primera zona anular (11) a una velocidad entre aproximadamente 18 m/s (3.500 pies/min) y 23 m/s (4.500 pies/min).
- 4. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el segundo gas sale de la segunda zona anular (16) a una velocidad entre aproximadamente 16 m/s (3.100 pies/min) y aproximadamente 20 m/s (3.900 pies/min), y en el que el tercer gas sale de la tercera zona anular (17) a una velocidad entre aproximadamente 29 m/s (5.700 pies/min) y aproximadamente 34 m/s (6.700 pies/min).
- 5. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 3 o 4, que comprende ademas la etapa de proporcionar una llama del quemador con oxlgeno en el que aproximadamente del 20 por ciento a aproximadamente el 40 por ciento del oxlgeno total se proporciona por el primer gas a traves de la zona axial (25), de aproximadamente el 10 por ciento a aproximadamente el 30 por ciento del oxlgeno total se proporciona por el segundo gas a traves de la segunda zona anular (16), y de aproximadamente el 40 por ciento a aproximadamente el 70 por ciento del oxlgeno se proporciona por el tercer gas a traves de la tercera zona anular (17).
- 6. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, que comprende ademas la etapa de crear turbulencia en al menos uno del grupo que consiste en el primer gas, el segundo gas, el tercer gas, y el gas portador antes de alcanzar la llama del quemador.
- 7. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, que comprende ademas las etapas de:quemar el carbon pulverizado en la corriente de gas portador desde el interior de la corriente con el primer gas, quemar el carbon pulverizado en la corriente de gas portador desde el exterior con el segundo gas y el tercer gas; proporcionar un medio para la creacion de una zona de recirculacion dentro de la llama del quemador; y suprimir la formacion de NOx y acelerar la combustion mediante la recirculacion del carbon sin quemar y el oxlgeno en la llama del quemador.
- 8. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, que comprende ademas la etapa de utilizar un medio de acondicionamiento de flujo (13, 30) para acondicionar el flujo de gas dentro de al menos uno del grupo que consiste en la zona axial (25), la primera zona anular (11), la segunda zona anular (16) y la tercera zona anular (17).
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-
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