ES2691871T3 - Instalación con horno con intercambiador externo de recuperación de calor y método de combustión utilizando dicha planta - Google Patents

Instalación con horno con intercambiador externo de recuperación de calor y método de combustión utilizando dicha planta Download PDF

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Abstract

Instalación que incluye un horno, incluyendo dicho horno: * una cámara (100) delimitada, por una parte, por una solera y, por otra, por una envolvente refractaria, incluyendo dicha envolvente unas paredes (112, 113, 114, 115) y una bóveda (111), e incluyendo dicha cámara (100) una salida de humos (116), y * entre cuatro y veinte quemadores de oxígeno (107, 109) dirigidos hacia el interior de la cámara (100), estando al menos una primera serie de dichos quemadores de oxígeno (107) alineada en una primera pared (114) de la cámara (100) según una primera dirección, incluyendo asimismo dicha instalación: * un dispositivo de calentamiento (101) para el calentamiento de un fluido caloportador por medio de humos evacuados de la cámara (100) con obtención de fluido caloportador caliente, estando dicho dispositivo de calentamiento (101) unido a la salida de humos (116) de la cámara (100), * un intercambiador de calor primario (103) para el precalentamiento de oxígeno industrial por intercambio térmico a través de una pared con el fluido caloportador caliente, en orden a obtener oxígeno industrial precalentado, estando dicho intercambiador primario (103) adyacente a la envolvente de la cámara (100) y unido al dispositivo de calentamiento (101), e incluyendo al menos una salida de oxígeno industrial precalentado (1, 2, 3, 4, 131, 132) para el suministro de oxígeno industrial precalentado a al menos uno de los quemadores de oxígeno (107, 109), caracterizada: * por que la instalación comprende un divisor para la división del oxígeno industrial que ha de precalentarse en varios flujos de oxígeno que ha de precalentarse, hallándose posicionado dicho divisor aguas arriba del intercambiador primario o en una zona de entrada de oxígeno en el interior del intercambiador primario, y * por que el intercambiador primario incluye varias salidas para el suministro de un flujo de oxígeno industrial precalentado (1, 2, 3, 4, 131, 132), estando cada quemador de oxígeno (107) de la primera serie unido a una salida (1, 2, 3, 4, 131, 132) del intercambiador de calor primario (103) para el suministro de un flujo de oxígeno industrial precalentado a dicho quemador de oxígeno (107), no habiendo ninguna salida del intercambiador primario unida a varios quemadores de oxígeno.

Description

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DESCRIPCION
Instalacion con horno con intercambiador externo de recuperacion de calor y metodo de combustion utilizando dicha planta
La presente invencion se refiere a una instalacion que incluye un horno que incluye entre 4 y 20 quemadores de oxfgeno.
Se conocen tales hornos en la industria del vidrio. Son especialmente conocidos hornos de fusion de vidrio de este tipo y, en particular, hornos de fusion de vidrio de este tipo que tienen una capacidad entre 20 y 200 toneladas de vidrio fundido por dfa.
En estos hornos, se genera calor por combustion de un combustible con un oxidante, siendo tradicionalmente aire dicho oxidante.
La potencia de cada uno de los quemadores se ajusta individualmente, o se ajusta por grupo de quemadores, para establecer el perfil termico que se pretende dentro del horno. La potencia total de los quemadores se ajusta en funcion del procedimiento puesto en practica en el horno y, especialmente, de la tirada del horno, por ejemplo en el caso de un horno de fusion.
Para reducir las emisiones contaminantes (NOx, polvos) y el consumo energetico de los hornos, se conoce sustituir el aire de combustion por oxfgeno industrial. En el presente contexto, se comprende por oxfgeno industrial un gas que tiene un contenido de oxfgeno superior o igual al 70 % en volumen. La combustion con oxfgeno industrial se denomina generalmente “oxicombustion”, denominandose "quemadores de oxfgeno" los quemadores que funcionan en “oxicombustion”.
Asf, para la puesta en practica de la oxicombustion, se conoce inyectar oxfgeno industrial en el horno a temperatura ambiente, es decir, sin etapa de precalentamiento aguas arriba del horno. El combustible, entonces, tambien es inyectado tfpicamente a temperatura ambiente (por ejemplo, cuando el combustible es gas natural o fuel ligero). En el caso de un combustible viscoso (por ejemplo, fuel pesado), por el contrario, primero se situa el combustible a una temperatura a la que la viscosidad del combustible se halla suficientemente reducida con el fin de permitir su inyeccion sencilla en el horno (por ejemplo, a una temperatura de 120 °C aproximadamente para fuel pesado).
Tambien se conoce mejorar el balance economico del horno que utiliza oxicombustion precalentando al menos uno de los reactivos (oxfgeno industrial y/o combustible) aguas arriba de los quemadores de oxfgeno.
Son conocidos esencialmente dos modos de precalentamiento de los reactivos a partir de humos calientes.
Son conocidos, en primer lugar, dispositivos que comprenden un intercambiador de calor que permite un calentamiento directo a traves de una pared del reactivo mediante los humos calientes generados por el horno. Los documentos EP 950031 y US 5.807.418 describen tales dispositivos.
Esta primera solucion, con ser de un coste relativamente bajo, puesto que no precisa mas que de un solo intercambiador de calor, no siempre aporta, sin embargo, un nivel de seguridad suficiente, en particular para el precalentamiento de oxfgeno industrial, toda vez que el oxfgeno industrial precalentado es particularmente reactivo y corrosivo. En efecto, los humos contienen muchas veces inquemados, bien sea porque el procedimiento precisa de una atmosfera reductora en el interior del horno, o bien a causa de un funcionamiento defectuoso de los quemadores. Con el paso del tiempo, el material de tal intercambiador de calor puede verse danado, especialmente por erosion / corrosion, debido al contacto con los humos y al oxfgeno calientes. Partes defectuosas del intercambiador pueden permitir entonces el encuentro entre el oxfgeno y estos inquemados en los humos calientes y, asf, generar una fuente de incendio cuyas consecuencias senan desastrosas. Lo que es mas, de acuerdo con esta primera solucion, el oxfgeno industrial precalentado es transportado, del intercambiador de calor hacia cada uno de los quemadores de oxfgeno que funcionan con oxfgeno precalentado, mediante una red de conductos de transporte, siendo dichos conductos de transporte asimismo susceptibles de verse corrofdos por el oxfgeno precalentado que transportan.
Para solventar este problema, son conocidos dispositivos de precalentamiento que comprenden un intercambio de calor entre los humos calientes y el reactivo de combustion en dos etapas, merced a dos intercambiadores de calor sucesivos. El primer intercambiador de calor sirve para calentar un fluido intermedio, especialmente aire, a partir de los humos calientes, y el segundo intercambiador de calor sirve para calentar el reactivo de combustion, en particular el oxfgeno industrial, a partir del fluido intermedio anteriormente calentado por medio del primer intercambiador de calor. Los documentos Us 6.071.116 y US 6.250.916 de la firma solicitante describen tales dispositivos. De acuerdo con esta solucion, se halla un segundo intercambiador de calor por reactivo de combustion por precalentar directamente situado aguas arriba de cada quemador que utiliza un reactivo precalentado. Esta segundo solucion ofrece mas seguridad que la primera antes descrita, debido a que se elige un fluido intermedio cuyo contenido de oxfgeno es insuficiente para inflamar los inquemados de los humos, y a que se limitan a un mmimo los conductos que conducen los reactivos precalentados y, en especial, los conductos que conducen oxfgeno industrial
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precalentado. Por el contrario, es mas costosa, debido al mayor numero de intercambiadores de calor necesarios.
El documento EP-A-2546204 de la firma solicitante, asf como el documento WO-A-2009/118337, describen formas de puesta en practica particulares de tales instalaciones.
En particular, el documento EP-A-2546204 da a conocer las caractensticas especificadas en el preambulo de la reivindicacion 1.
La finalidad de la presente invencion es permitir la puesta en practica de esta segunda solucion en hornos que incluyen entre 4 y 20 quemadores de oxfgeno, al tiempo que se minimiza la inversion necesaria para la recuperacion de calor y el precalentamiento del oxfgeno industrial. Es otra finalidad de la presente invencion permitir tal puesta en practica de esta segunda solucion en un horno de fusion de vidrio y, en particular, en un horno de fusion de vidrio que tiene una capacidad entre 20 y 200 toneladas de vidrio fundido por dfa.
La presente invencion se refiere en primer lugar a una instalacion que incluye un horno. El horno incluye una camara delimitada, por una parte, por una solera y, por otra, por una envolvente refractaria, incluyendo esta envolvente unas paredes y una boveda. La camara incluye asimismo una salida de humos. El horno incluye entre 4 y 20 quemadores de oxfgeno dirigidos hacia el interior de la camara. Al menos una primera serie de dichos quemadores de oxfgeno se encuentran en una primera pared de la camara y estan alineados segun una direccion llamada “primera direccion”.
La instalacion incluye asimismo un dispositivo de calentamiento unido a la salida de humos de la camara. Este dispositivo de calentamiento esta destinado al calentamiento de un fluido caloportador por medio de humos evacuados de la camara con obtencion de fluido caloportador caliente.
El termino “unido”, utilizado en el presente contexto, significa unido flmdicamente, es decir, conectado en orden a permitir el transporte de un fluido entre los dos elementos unidos.
La instalacion incluye asimismo un intercambiador de calor, llamado intercambiador de calor primario, o intercambiador primario, y unido al dispositivo de calentamiento. El intercambiador primario esta destinado al precalentamiento de oxfgeno industrial por intercambio termico a traves de una pared con el fluido caloportador caliente, en orden a obtener oxfgeno industrial precalentado, e incluye al menos una salida de oxfgeno industrial precalentado para el suministro de oxfgeno industrial precalentado a al menos uno de los quemadores de oxfgeno. El intercambiador primario de la instalacion segun la invencion esta adyacente a la envolvente de la camara e incluye varias salidas de oxfgeno industrial precalentado.
La instalacion incluye asimismo un divisor para la division del oxfgeno industrial que ha de precalentarse en varios flujos de oxfgeno que ha de precalentarse, hallandose posicionado dicho divisor aguas arriba del intercambiador primario o en una zona de entrada de oxfgeno en el interior del intercambiador primario.
Para el suministro de oxfgeno industrial precalentado a los quemadores de oxfgeno de la primera serie, cada quemador de oxfgeno de esta primera serie esta unido a una salida del intercambiador primario.
Ninguna salida del intercambiador primario esta unida a varios quemadores de oxfgeno.
Asf, en general, cada salida del intercambiador primario estara unida a un quemador de oxfgeno. Cuando dicho intercambiador primario esta unido unicamente a quemadores de oxfgeno de la primera serie, cada salida de este intercambiador tfpicamente esta unida a un quemador de oxfgeno de esta primera serie. No obstante, en ciertos casos, el intercambiador primario puede incluir asimismo una salida suplementaria para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado a otro equipo de la instalacion.
Son abundantes las ventajas de la presente invencion. Esta permite conseguir ahorros de combustible y reducciones de emisiones contaminantes asociadas a la oxicombustion con recuperacion de energfa para el precalentamiento de reactivos de combustion, en particular para el precalentamiento del oxfgeno industrial utilizado como comburente. La invencion presenta asimismo el elevado nivel de seguridad asociado a la segunda solucion para el precalentamiento de los reactivos de combustion por medio de los humos calientes. Lo que es mas, la presente invencion permite alcanzar este elevado nivel de seguridad con unos mmimos equipos y limitando al mmimo los conductos para el transporte del oxfgeno industrial precalentado hacia los quemadores de oxfgeno.
La utilizacion de un intercambiador primario con varias salidas de oxfgeno industrial permite una gran flexibilidad en el suministro de multiples flujos de oxfgeno industrial precalentado. La utilizacion de un intercambiador primario con varias salidas de oxfgeno industrial precalentado presenta asimismo la importante ventaja de limitar, si no eliminar, la necesidad de sistemas, y especialmente valvulas, para la reparticion de un flujo de oxfgeno industrial precalentado en varios sub-flujos. Cuando cada salida de oxfgeno industrial precalentado esta unida a un solo quemador de oxfgeno, no es necesario repartir oxfgeno industrial en estado precalentado para su distribucion hacia diferentes quemadores. Dada la naturaleza oxidante y corrosiva del oxfgeno industrial caliente, muy pocos sistemas son aptos para repartir flujos de oxfgeno caliente de manera fiable, y los sistemas fiables que existen son particularmente onerosos, por lo que es altamente deseable una instalacion que funcione sin tales sistemas o con los mmimos.
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Segun la invencion, un solo intercambiador primario puede generar varios flujos de ox^geno industrial precalentado, merced al hecho de que el oxfgeno industrial se divide en varios flujos antes de ser precalentado, es decir, aguas arriba del intercambiador primario o en una zona de entrada de oxfgeno en el interior del intercambiador primario.
Para ello, la instalacion comprende el divisor antes referido para la division del oxfgeno industrial que ha de precalentarse en varios flujos de oxfgeno que ha de precalentarse, posicionado aguas arriba del intercambiador primario o en una zona de entrada de oxfgeno en el interior del intercambiador primario.
Preferentemente, el divisor divide un flujo de oxfgeno industrial que ha de precalentarse en un numero de flujos de oxfgeno industrial que ha de precalentarse que corresponde al numero de flujos de oxfgeno industrial precalentado suministrados por el intercambiador primario.
El horno comprende preferentemente entre 5 y 16 quemadores de oxfgeno, tambien preferentemente entre 5 y 10 quemadores de oxfgeno.
Una serie de quemadores de oxfgeno incluye por definicion varios quemadores de oxfgeno, tfpicamente al menos 3 quemadores de oxfgeno. Una serie incluye ventajosamente entre 3 y 8 quemadores de oxfgeno, preferentemente entre 3 y 6 quemadores de oxfgeno.
La presente invencion reviste un particular interes para instalaciones que incluyen un horno de fusion de vidrio y, en particular, hornos de fusion con una capacidad o tirada de 20 a 200 toneladas de vidrio fundido por dfa.
La zona que rodea la camara esta generalmente a una temperatura mas elevada que la temperatura ambiente. En consecuencia, la posicion del intercambiador de calor primario adyacente a la envolvente de la camara contribuye igualmente a limitar las perdidas de energfa termica.
Segun un modo de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor primario esta adyacente a la pared que incluye la primera serie de quemadores de oxfgeno. En este caso, las salidas de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador de calor primario estan, tfpicamente, unidas unicamente a los quemadores de oxfgeno de la primera serie.
De acuerdo con este modo de realizacion, cuando el horno de fusion incluye una segunda serie de quemadores de oxfgeno en una segunda pared de la camara, estando los quemadores de oxfgeno de esta segunda serie alineados segun una direccion llamada “segunda direccion”, la instalacion incluye ventajosamente un segundo intercambiador de calor primario, del tipo tal y como se ha descrito anteriormente. Este segundo intercambiador primario tambien esta unido al dispositivo de calentamiento.
Este segundo intercambiador primario esta posicionado entonces ventajosamente de manera adyacente a la segunda pared que incluye la segunda serie de quemadores de oxfgeno, con la dimension longitudinal del segundo intercambiador primario paralela a la segunda direccion de esta segunda serie de quemadores de oxfgeno.
En este caso, las salidas del segundo intercambiador primario pueden estar, de manera util, dispersadas a lo largo de esta dimension longitudinal del segundo intercambiador primario. Cada quemador de oxfgeno de la segunda serie esta unido entonces ventajosamente a la salida de oxfgeno industrial precalentado del segundo intercambiador de calor mas cercano a dicho quemador de oxfgeno, no habiendo ninguna salida del segundo intercambiador primario unida a varios quemadores de oxfgeno.
Las salidas de oxfgeno industrial precalentado del segundo intercambiador primario pueden estar unidas unicamente a los quemadores de oxfgeno de la segunda serie.
La primera pared de la camara, en la que se encuentran los quemadores de oxfgeno de la primera serie, se halla muchas veces posicionada en oposicion a la segunda pared de la camara, en la que se encuentran los quemadores de oxfgeno de la segunda serie. Preferentemente, la primera direccion de la primera serie y la segunda direccion de la segunda serie son sustancialmente paralelas.
Segun otro modo de realizacion de la invencion, el intercambiador de calor primario esta posicionado por encima de y adyacente a la boveda de la camara.
En especial, cuando, segun este segundo modo de realizacion con un intercambiador primario por encima de la boveda, el horno incluye una segunda serie de quemadores de oxfgeno alineados segun una segunda direccion en una segunda pared de la camara situada en oposicion a la primera pared, cada quemador de oxfgeno de la segunda serie se halla asimismo ventajosamente unido a una salida del intercambiador de este intercambiador de calor primario, como ocurre con los quemadores de oxfgeno de la primera serie. Nuevamente, los quemadores de oxfgeno de la segunda serie estan unidos ventajosamente a la salida del intercambiador de calor primario mas cercano a dicho quemador de oxfgeno. En este caso, la primera direccion de la primera serie de quemadores de oxfgeno es preferentemente paralela a la segunda direccion de la segunda serie de quemadores de oxfgeno.
Un gran numero de hornos incluye camaras rectangulares, con una pared aguas arriba, una pared aguas abajo en
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oposicion a la pared aguas arriba, y dos paredes laterales que unen la pared aguas arriba y la pared aguas abajo. Estas paredes laterales se corresponden con los lados mas largos del rectangulo. Cuando el horno incluye dos series de quemadores de ox^geno en paredes opuestas de la camara, las dos series preferentemente van montadas respectivamente en una y otra de las paredes laterales.
En un horno para el tratamiento de una carga que se desplaza a traves de la camara de un lado al otro, como por ejemplo los hornos de fusion que funcionan en continuo, tfpicamente se introduce la carga en la camara a traves de o en la proximidad de la pared aguas arriba y se expulsa la carga tratada (por ejemplo, la carga fundida) de la camara a traves de o en la proximidad de la pared aguas abajo.
Se pueden utilizar diferentes dispositivos de calentamiento para el calentamiento del fluido caloportador por medio de humos evacuados de la camara aguas arriba del intercambiador de calor primario. Segun un modo de realizacion util, este dispositivo de calentamiento es un intercambiador de calor, llamado intercambiador de calor secundario o intercambiador secundario, para el calentamiento del fluido caloportador por intercambio termico a traves de una pared con humos evacuados de la camara.
El fluido caloportador presenta ventajosamente un contenido de oxfgeno que no es superior al contenido en oxfgeno del aire. El fluido caloportador puede ser, por ejemplo, aire, nitrogeno o CO2.
El oxfgeno industrial presenta ventajosamente un contenido de oxfgeno superior al 70 %, por ejemplo de al menos el 80 % y preferentemente de al menos el 90 %.
Segun una forma de realizacion util, el intercambiador de calor primario es un intercambiador de calor tubular. Las salidas de oxfgeno industrial precalentado se hallan unidas entonces a unos tubos de dicho intercambiador tubular en los cuales es precalentado por intercambio termico el oxfgeno industrial, a traves de las paredes de los tubos, con el fluido caloportador caliente.
Tal intercambiador de calor tubular incluye ventajosamente varios haces de tubos separados flmdicamente entre sf, estando cada haz de tubos unido a al menos una salida de oxfgeno industrial precalentado y estando cada salida de oxfgeno industrial precalentado unida a un solo haz de tubos. Por ejemplo, un haz de tubos puede suministrar oxfgeno industrial precalentado a dos salidas de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador primario, pero cada una de dichas salidas unicamente esta unida a este haz de tubos y no a uno de los demas haces de tubos.
Preferentemente, cada haz de tubos esta unido a no mas de dos salidas de oxfgeno industrial precalentado y, tambien preferentemente, cada haz de tubos esta unido a una sola salida de oxfgeno industrial precalentado, de manera que el flujo de oxfgeno industrial precalentado por uno de los haces de tubos se suministre por completo a la salida de oxfgeno industrial precalentado unida a dicho haz de tubos.
Para la reparticion del oxfgeno industrial que ha de precalentarse, el intercambiador de calor puede incluir varias entradas de oxfgeno industrial, por ejemplo, una entrada por haz de tubos. Este es el caso mas particularmente cuando el divisor esta situado aguas arriba del intercambiador primario.
Cabe tambien la posibilidad de prever una cubierta de entrada por haz de tubos en el interior del intercambiador primario, estando dispuesta cada cubierta de entrada para el suministro de oxfgeno industrial que ha de precalentarse a un solo haz de tubos. Dichas cubiertas de entrada forman parte entonces de un divisor de oxfgeno situado en la zona aguas arriba del intercambiador primario.
De manera util, cada salida de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador primario tubular esta unida a uno solo de los haces de tubos por mediacion de una cubierta de retorno y de una tubena de retorno, estando situada dicha tubena de retorno en el interior del intercambiador primario. El intercambiador primario incluye entonces una cubierta de retorno por haz de tubos. Este modo de realizacion es especialmente util cuando las salidas del intercambiador primario estan posicionadas a lo largo de la dimension longitudinal del intercambiador.
La instalacion de acuerdo a la invencion incluye asimismo ventajosamente al menos un intercambiador de combustible para el precalentamiento del combustible aguas arriba de quemadores de oxfgeno de la camara por intercambio termico con el fluido caloportador caliente a traves de una pared. Este intercambiador se denomina asimismo intercambiador primario de combustible. Dicho al menos un intercambiador se corresponde ventajosamente con uno de los modos de realizacion antes descritos a proposito del o los intercambiadores primarios de oxfgeno industrial (posicion, salidas, conexiones a los (las series de) quemadores de oxfgeno, divisor, estructura, etc.) con la salvedad de que el fluido precalentado y suministrado por dicho intercambiador primario de combustible es combustible en lugar de oxfgeno industrial.
Asimismo, la presente invencion se refiere a un procedimiento de combustion por medio de una instalacion segun la invencion de acuerdo a uno cualquiera de los modos de realizacion antes descritos.
De acuerdo con este procedimiento, se generan en la camara calor y humos por medio de los quemadores de oxfgeno mediante combustion de un combustible con oxfgeno industrial precalentado como comburente. Los humos son evacuados de la camara por la salida de humos. Un fluido caloportador es calentado por medio de humos
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evacuados de la camara en el dispositivo de calentamiento en orden a obtener un fluido caloportador caliente. En el intercambiador de calor primario se precalienta oxfgeno industrial por intercambio termico a traves de una pared con fluido caloportador caliente, procedente del dispositivo de calentamiento, en orden a obtener oxfgeno industrial precalentado. Un flujo de este oxfgeno industrial precalentado es llevado hacia cada una de las salidas de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador primario. Al quemador de oxfgeno unido a la salida de oxfgeno industrial precalentado se le suministra un flujo de oxfgeno industrial precalentado para su utilizacion como comburente para la combustion del combustible en el interior de la camara.
Segun una forma de puesta en practica de especial interes, se realiza el procedimiento de combustion de acuerdo a la invencion en un horno de fusion de vidrio.
Asimismo, la invencion se refiere a los diferentes modos de realizacion del intercambiador de calor primario tubular tales y como se han descrito anteriormente.
De este modo, la presente invencion se refiere tambien a un intercambiador de calor tubular que incluye varios haces de tubos separados flmdicamente entre sf. Cada uno de dichos haces de tubos esta unido a al menos una salida del intercambiador para la evacuacion de un flujo de fluido calentado del intercambiador, y cada salida de fluido calentado esta unida a un solo haz de tubos.
El intercambiador tubular presenta una dimension longitudinal que se corresponde con la direccion de los haces de tubos e incluye salidas de fluido calentado en diferentes posiciones a lo largo de esta dimension longitudinal.
Como anteriormente se ha explicado, dichas posiciones se eligen en funcion de la posicion de al menos una serie de quemadores de oxfgeno, e incluso de varias series de quemadores de oxfgeno, en las paredes de la camara.
Como anteriormente se ha descrito, para la reparticion del fluido que ha de precalentarse, el intercambiador de calor puede incluir varias entradas de fluido que ha de calentarse, por ejemplo una entrada por haz de tubos.
Asimismo como anteriormente se ha descrito, cabe tambien la posibilidad de dotar el intercambiador de calor primario tubular de una cubierta de entrada por haz de tubos, estando dispuesta cada cubierta de entrada para el suministro de fluido que ha de calentarse a un solo haz de tubos.
De manera util, cada salida de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador primario tubular esta unida a uno de los haces de tubos por mediacion de una cubierta de retorno y de una tubena de retorno, estando situada dicha tubena de retorno en el interior del intercambiador. El intercambiador primario incluye entonces una cubierta de retorno por haz de tubos.
La presente invencion y sus ventajas se ilustran mediante los ejemplos que siguen, mediante referencias a las figuras 1 a 4, en las que la figura 1 es una representacion esquematica de una instalacion de acuerdo a la invencion, la figura 2 es una representacion esquematica en seccion transversal de un intercambiador de calor primario tubular de acuerdo a la invencion. Las figuras 3 y 4 son representaciones esquematicas de una posible configuracion de estos cuatro haces de tubos, respectivamente por el lado de la entrada de los tubos y por el lado de la salida de los tubos.
La figura 1 muestra mas en particular una instalacion que incluye un horno de fusion de vidrio. La camara 100 de este horno incluye una solera (no representada), una boveda 111 y cuatro paredes 112 a 115, y mas en particular, una pared aguas arriba 112, una pared aguas abajo 113 y dos paredes laterales 114 y 115.
El horno incluye ocho quemadores de oxfgeno 107, 109 montados en las paredes de la camara 100. Una primera serie de cuatro quemadores de oxfgeno 107 se halla montada en la primera pared lateral 114 y una segunda serie de cuatro quemadores de oxfgeno 109 se halla montada en la segunda pared lateral 115.
Los quemadores de oxfgeno 107, 109 de cada serie estan espaciados de manera regular en una direccion horizontal paralela a la longitud de la camara 100. Los quemadores de oxfgeno 107 de la primera serie y los quemadores de oxfgeno 109 de la segunda serie estan posicionados mas particularmente de manera que, visto en la longitud de la camara 100, un quemador de oxfgeno 107 de la primera serie se encuentre entre dos quemadores de oxfgeno 109 sucesivos de la segunda serie, y viceversa.
Los humos generados por los quemadores de oxfgeno 107, 109 son evacuados de la camara 100 a traves de la pared aguas arriba 112 por la unica salida de humos 116 y a continuacion son enviados a una chimenea (no ilustrada). A traves de la pared aguas arriba 112, se introduce material vitrificable en la camara 100, mediante dos enfornadoras 108. El material fundido es evacuado de la camara 100 por una boca de salida (no ilustrada) en la pared aguas abajo 113 de la camara 100.
Se utiliza un solo recuperador de calor 101 como dispositivo de calentamiento para calentar el aire, utilizado como fluido caloportador, a partir del calor de humos evacuados de la camara 100. Este recuperador de calor 101 va instalado sobre la chimenea de la camara 100. Asf, en el modo de realizacion ilustrado en la figura 1, el recuperador de calor 101 va instalado por el lado aguas arriba de la camara 100.
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El aire caliente asf producido es evacuado del recuperador 101 por la canalizacion 102.
Un flujo de este aire caliente es dirigido hacia el intercambiador de calor primario 103 que esta instalado por encima de la camara 100 en la proximidad de la boveda 111. El intercambiador 103 se encuentra a igual distancia de las dos series de quemadores de oxfgeno 107 y 109. Por lo tanto, la dimension longitudinal de dicho intercambiador primario 103 es paralela al eje longitudinal de la camara 100.
En el interior de dicho intercambiador primario 103, se precaliente oxfgeno industrial por intercambio termico a traves de una pared con el fluido caloportador caliente procedente del recuperador 101.
El intercambiador primario 103 incluye ocho salidas 131, 132 de oxfgeno industrial precalentado: cuatro salidas 131 por el lado de la primera serie de cuatro quemadores de oxfgeno 107 y cuatro salidas 132 por el lado de los cuatro quemadores de oxfgeno 109 de la segunda serie. Cada salida 131, 132 esta posicionada de manera que la distancia entre la salida de oxfgeno industrial precalentado 131, 132 y el quemador de oxfgeno 107, 109 mas cercano sea minima. Un conducto de oxfgeno industrial precalentado 133, 134 une cada salida 131, 132 con el quemador 107, 109 mas cercano para el suministro de oxfgeno industrial precalentado, en calidad de comburente, a dicho quemador 107, 109. Merced a la posicion de las salidas 131, 132 con respecto a los quemadores 107, 109, la longitud de dichos conductos 133, 134 es minima.
Una primera ventaja de esta disposicion es la mejora del rendimiento termico de la instalacion. En efecto, el entorno inmediato del intercambiador primario 103 y de los conductos 133, 134 es la boveda caliente 111 y, asf, se veran disminuidas las perdidas termicas a traves de la calorifugacion alrededor del intercambiador primario 103 y los conductos 133, 134.
Otra ventaja es la doble utilizacion del intercambiador primario 103: por una parte, para precalentar el oxfgeno industrial aguas arriba de los quemadores 107, 109 y, por otra, para conducir el oxfgeno industrial precalentado hasta el frente de cada quemador.
Al minimizar la distancia entre las salidas del intercambiador primario 103 y los quemadores 107, 109, se disminuyen las perdidas termicas debidas a la conduccion a traves de los conductos calorifugados 133, 134.
Por estar cada salida 131, 132 asociada a un solo quemador 107, 109, no es necesario dotar dichos conductos 133, 134 de sistemas, tales como valvulas, para la reparticion del oxfgeno industrial precalentado procedente de dicha salida 131, 132 hacia varios quemadores.
De acuerdo con el modo de realizacion ilustrado en la figura 1, la instalacion incluye asimismo un intercambiador de calor 104, llamado intercambiador primario de combustible, para el precalentamiento del combustible aguas arriba de los quemadores 107, 109, siendo el combustible, por ejemplo, un combustible gaseoso tal como el gas natural. Este segundo intercambiador de calor 104 esta posicionado por encima del intercambiador primario 103.
Para alimentar el segundo intercambiador 104 con aire caliente, el aire caliente producido en el recuperador 101 se divide en dos flujos separados, un primer flujo que es dirigido hacia el intercambiador de calor primario 103 y un segundo flujo que es dirigido hacia el segundo intercambiador 104.
El segundo intercambiador 104 funciona segun los mismos principios que el intercambiador primario 103, por lo que presenta las mismas ventajas.
De este modo, el segundo intercambiador 104 va instalado a igual distancia de las dos series de quemadores de oxfgeno 107 y 109. Por lo tanto, la dimension longitudinal del segundo intercambiador 104 es paralela al eje longitudinal de la camara 100.
El segundo intercambiador 104 incluye ocho salidas 141, 142 de combustible precalentado: cuatro salidas 141 por el lado de la primera serie de cuatro quemadores de oxfgeno 107 y cuatro salidas 142 por el lado de los cuatro quemadores de oxfgeno 109. Cada salida 141, 142 esta posicionada de manera que la distancia entre la salida de combustible precalentado 141, 142 y el quemador de oxfgeno 107, 109 mas cercano sea minima. Un conducto de combustible precalentado 143, 144 une cada salida 141, 142 con el quemador 107, 109 mas cercano para el suministro de combustible precalentado a dicho quemador 107, 109.
Segun un modo de realizacion preferido de la invencion, el intercambiador primario permite el precalentamiento simultaneo de varios flujos de oxfgeno industrial cuyos caudales se pueden regular con independencia unos de otros. Cuando la instalacion tambien incluye un segundo intercambiador para el precalentamiento del combustible, es deseable que este segundo intercambiador permita analogamente el precalentamiento simultaneo de varios flujos de combustible cuyos caudales se puedan regular con independencia unos de otros. Es deseable, por otro lado, por razones de seguridad y de fiabilidad, que estos caudales se puedan regular en correspondencia con el reactivo de combustion antes del precalentamiento.
El intercambiador ilustrado en la figura 2 esta disenado en orden a permitir el precalentamiento simultaneo de varios flujos de reactivo(s) de combustion diferenciados. Esto permite regular independientemente el caudal de cada flujo
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de reactivo precalentado y, asf, el ajuste independiente de la potencia de cada quemador. As^ la invencion hace mas sencilla la obtencion del perfil termico que se pretende en la camara, y da al horno mas flexibilidad.
Como se ilustra en la figura 2, el intercambiador 103 es un intercambiador tubular de placas con las siguientes caractensticas:
• Los tubos estan divididos en varios haces cuyo numero se corresponde con el numero de flujos diferenciados que han de precalentarse (cuatro haces 10, 20, 30 y 40 en el caso ilustrado);
• cada haz 10, 20, 30, 40 esta cubierto mediante una cubierta 11 a 14, llamada cubierta de entrada, presentando cada cubierta de entrada una alimentacion individual 21 a 24 de reactivo de combustion;
• en el extremo opuesto de los tubos, cada haz 10, 20, 30, 40 esta cubierto mediante una cubierta 31 a 34, llamada cubierta de retorno, que reenvfa el reactivo precalentado procedente del haz hacia uno o varios tubos de retorno 41 a 44 unidos exclusivamente a dicho haz;
• cada tubo de retorno 41 a 44 conduce el reactivo precalentado hacia una de las salidas 1 a 4 de reactivo precalentado del intercambiador, alimentandose preferentemente cada salida mediante un solo tubo de retorno 41 a 44;
• la longitud de los tubos de retorno 41 a 44 vana en funcion del posicionamiento de la correspondiente salida 1 a 4, siendo funcion el posicionamiento de la salida, segun se ha descrito antes, de la posicion del correspondiente quemador en la camara del horno;
• el caudal del reactivo que ha de precalentarse se regula para cada haz de tubos 10, 20, 30 y 40 aguas arriba de la cubierta de entrada 11 a 14, e incluso aguas arriba del intercambiador de calor, es decir, antes del precalentamiento del reactivo.
El numero de los tubos por haz y sus diametros se eligen en orden a asegurar un suficiente precalentamiento del reactivo por intercambio termico con el fluido caloportador caliente, tipicamente aire caliente, al tiempo que se mantiene la presion y la velocidad maxima del reactivo en el intercambiador a un nivel que no sobrepasa los lfmites de seguridad.
Las figuras 3 y 4 representan esquematicamente una posible configuracion para cuatro haces de tubos 10, 20, 30 y 40, respectivamente vista segun el plano MI-IM y segun el plano IV-IV de la figura 2.
Se eligen, para las cubiertas 11 a 14 y 31 a 34, para los tubos de los haces y para los tubos de retorno 41 a 44 y, en general, para toda superficie que entre en contacto con el reactivo de combustion, materiales que sean compatibles con estos materiales. De este modo, para las superficies que entran en contacto con oxfgeno precalentado, se utiliza de manera ventajosa una aleacion que contiene entre el 60 y el 75 % de Ni, del 10 al 30 % de Cr.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Instalacion que incluye un horno, incluyendo dicho horno:
    • una camara (100) delimitada, por una parte, por una solera y, por otra, por una envolvente refractaria, incluyendo dicha envolvente unas paredes (112, 113, 114, 115) y una boveda (111), e incluyendo dicha camara (100) una salida de humos (116), y
    • entre cuatro y veinte quemadores de oxfgeno (107, 109) dirigidos hacia el interior de la camara (100), estando al menos una primera serie de dichos quemadores de oxfgeno (107) alineada en una primera pared (114) de la camara (100) segun una primera direccion,
    incluyendo asimismo dicha instalacion:
    • un dispositivo de calentamiento (101) para el calentamiento de un fluido caloportador por medio de humos evacuados de la camara (100) con obtencion de fluido caloportador caliente, estando dicho dispositivo de calentamiento (101) unido a la salida de humos (116) de la camara (100),
    • un intercambiador de calor primario (103) para el precalentamiento de oxfgeno industrial por intercambio termico a traves de una pared con el fluido caloportador caliente, en orden a obtener oxfgeno industrial precalentado, estando dicho intercambiador primario (103) adyacente a la envolvente de la camara (100) y unido al dispositivo de calentamiento (101), e incluyendo al menos una salida de oxfgeno industrial precalentado (1, 2, 3, 4, 131, 132) para el suministro de oxfgeno industrial precalentado a al menos uno de los quemadores de oxfgeno (107, 109),
    caracterizada:
    • por que la instalacion comprende un divisor para la division del oxfgeno industrial que ha de precalentarse en varios flujos de oxfgeno que ha de precalentarse, hallandose posicionado dicho divisor aguas arriba del intercambiador primario o en una zona de entrada de oxfgeno en el interior del intercambiador primario, y
    • por que el intercambiador primario incluye varias salidas para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado (1,2, 3, 4, 131, 132), estando cada quemador de oxfgeno (107) de la primera serie unido a una salida (1, 2, 3, 4, 131, 132) del intercambiador de calor primario (103) para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado a dicho quemador de oxfgeno (107), no habiendo ninguna salida del intercambiador primario unida a varios quemadores de oxfgeno.
  2. 2. Instalacion segun la reivindicacion 1, en la que el intercambiador primario (103) esta adyacente a la pared (114) que incluye la primera serie de quemadores de oxfgeno (107).
  3. 3. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, en la que el intercambiador primario (103) presenta una dimension longitudinal paralela a la direccion de la primera serie de quemadores de oxfgeno y en la que las salidas (131, 132) de dicho intercambiador primario estan posicionadas a lo largo de esta dimension longitudinal, estando cada quemador de oxfgeno (107) de la primera serie unido a la salida (131, 132) mas cercana del intercambiador primario (103).
  4. 4. Instalacion segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el horno es un horno de fusion, incluyendo el horno una segunda serie de quemadores de oxfgeno (109) en una segunda pared (115) de la camara (100) y alineados segun una segunda direccion, incluyendo la instalacion:
    • un segundo intercambiador de calor primario para el precalentamiento de oxfgeno industrial por intercambio termico a traves de una pared con el fluido caloportador caliente, en orden a obtener oxfgeno industrial precalentado,
    • un segundo divisor para la division de oxfgeno industrial que ha de precalentarse en varios flujos de oxfgeno que ha de precalentarse,
    caracterizada por:
    - estar posicionado dicho segundo divisor aguas arriba del segundo intercambiador primario o en una zona de entrada de oxfgeno en el interior del segundo intercambiador primario,
    - estar dicho segundo intercambiador primario adyacente a la pared (115) que incluye la segunda serie de quemadores de oxfgeno (109), estando asimismo unido al dispositivo de calentamiento (101) e incluyendo varias salidas para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado,
    - estar cada quemador de oxfgeno (109) de la segunda serie unido a una sola salida del segundo intercambiador primario para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado correspondiente a dicho quemador de oxfgeno, no habiendo ninguna salida del segundo intercambiador primario unida a varios quemadores de oxfgeno.
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  5. 5. Instalacion segun la reivindicacion 4, en la que el segundo intercambiador primario esta adyacente a la segunda pared (115) que incluye la segunda serie de quemadores de oxfgeno (109) y presenta una dimension longitudinal paralela a la direccion de la segunda serie de quemadores de oxfgeno (109), estando las salidas de dicho segundo intercambiador primario posicionadas a lo largo de esta dimension longitudinal, estando cada quemador de oxfgeno (109) de la segunda serie unido a la salida mas cercana del segundo intercambiador primario.
  6. 6. Instalacion segun la reivindicacion 1, en la que el intercambiador de calor primario (103) se halla por encima de y adyacente a la boveda (111) de la camara (100).
  7. 7. Instalacion segun la reivindicacion 6, en la que el horno incluye una segunda serie de quemadores de oxfgeno (109) alineados segun una segunda direccion en una segunda pared (115) de la camara, estando dicha segunda pared (115) en oposicion a la primera pared (114), estando cada quemador de oxfgeno (109) de la segunda serie unido a una salida (132) de oxfgeno industrial precalentado del intercambiador primario (103) para el suministro de un flujo de oxfgeno industrial precalentado a dicho quemador de oxfgeno (109) de la segunda serie.
  8. 8. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo de calentamiento (101) es un intercambiador de calor secundario para el calentamiento del fluido caloportador por intercambio termico a traves de una pared con humos evacuados de la camara.
  9. 9. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el intercambiador primario (103) es un intercambiador de calor tubular, estando las salidas de oxfgeno industrial precalentado (131, 132) unidas a unos tubos de dicho intercambiador de calor tubular.
  10. 10. Instalacion segun la reivindicacion 9, en la que el intercambiador primario (103) incluye varios haces de tubos (10, 20, 30, 40) separados flmdicamente entre sf, estando cada haz de tubos (10, 20, 30, 40) unido a al menos una de las salidas (1, 2, 3, 4) del intercambiador primario (103) y estando cada salida (1, 2, 3, 4) unida a un solo haz de tubos (10, 20, 30, 40), estando preferentemente cada haz de tubos (10, 20, 30, 40) unido a una sola salida (1,2, 3, 4).
  11. 11. Instalacion segun la reivindicacion 10, en la que el intercambiador primario (103) incluye una cubierta de entrada (11, 12, 13, 14) por haz de tubos (10, 20, 30, 40), estando dispuesta cada cubierta de entrada (11, 12, 13, 14) para el suministro de oxfgeno industrial que ha de precalentarse a un solo haz de tubos (10, 20, 30, 40).
  12. 12. Instalacion segun una de las reivindicaciones 10 y 11, en la que cada salida (1, 2, 3, 4) del intercambiador primario (103) esta unida a un haz de tubos (10, 20, 30, 40) por mediacion de una cubierta de retorno (31, 32, 33, 34) y de una tubena de retorno (41,42, 43, 44), incluyendo el intercambiador primario (103) una cubierta de retorno (31, 32, 33, 34) por haz de tubos (10, 20, 30, 40).
  13. 13. Instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo dicha instalacion al menos un intercambiador primario de combustible (104) para el precalentamiento del combustible aguas arriba de los quemadores de oxfgeno (107, 109) por intercambio termico con el fluido caloportador caliente a traves de una pared, estando dicho intercambiador primario de combustible (104) adyacente a la envolvente de la camara (100) y unido al dispositivo de calentamiento (101) e incluyendo varias salidas para el suministro de un flujo de combustible precalentado (141, 142) a unos quemadores de oxfgeno (107, 109) de la instalacion, no habiendo ninguna salida (141, 142) del intercambiador primario de combustible (104) unida a varios quemadores de oxfgeno (107, 109), estando preferentemente cada salida (141, 142) del intercambiador primario de combustible (104) unida a un quemador de oxfgeno (107, 109), comprendiendo preferentemente la instalacion un divisor para la division de combustible que ha de precalentarse en varios flujos de combustible que ha de precalentarse, estando posicionado dicho divisor de combustible aguas arriba del intercambiador primario de combustible o en una zona de entrada de combustible en el interior del intercambiador primario de combustible.
  14. 14. Instalacion segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que el horno es un horno de fusion de vidrio.
  15. 15. Procedimiento de combustion por medio de una instalacion segun una cualquiera de las reivindicaciones
    anteriores, procedimiento en el cual:
    • se generan calor y humos en la camara (100) por medio de los quemadores de oxfgeno (107, 109) mediante combustion de un combustible con oxfgeno industrial precalentado como comburente,
    • se evacuan los humos de la camara (100) por la salida de humos (116),
    • se calienta un fluido caloportador por medio de humos evacuados de la camara (100) en el dispositivo de
    calentamiento (101) en orden a obtener un fluido caloportador caliente,
    • se precalienta oxfgeno industrial en el o los intercambiadores primarios (103) de la instalacion por intercambio termico a traves de una pared con fluido caloportador caliente, en orden a obtener oxfgeno industrial precalentado,
    • se lleva un flujo de oxfgeno industrial precalentado hacia cada una de las salidas (131, 132, 1, 2, 3, 4) del o
    los intercambiadores primarios (103) de la instalacion y se suministra este flujo de oxfgeno industrial precalentado como comburente al quemador de oxfgeno (107, 109) unido a dicha salida (131, 132, 1,2, 3, 4).
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